Αμιγώς οπτική επεξεργασία δεδομένων σε ψηφιακά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα

Abstract

The adoption of second generation networks from the telecommunication providers, although succeeded to decrease drastically the number of opto-electronic-opto (O-E-O) conversions in the network, introduced also severe drawbacks. The facts that the information is switched through the channels in a wavelength level (Lamda switching) and also for the increment of the capacity of the network is used a constantly rising number of wavelengths, have resulted an extensive inefficiency of the usage of the available bandwidth and a massive requirement for supervising and control of the network, respectively. The above remarks became the basis for the research area in which this thesis is focused on and is presenting digital signal processing circuits for future optical networks. These circuits are a NOLM (Non Linear Optical Loop Mirror) interferometer, capable for multiple functions, configured and investigated here as a non linear soliton compressor, a 2x2 switch based on a single Mach Zehnder gate and a Clock and Data Recovery Circuits comprised of two optical Mach Zehnder gates in a cascaded interconnection. The special attribute of the NOLM interferometer presented in this thesis, is related with its design as it succeeds to provide constant power at its two output ports, independent of the environmental conditions, which alter the polarization of the two counter-propagating signals. The polarization insensitivity is due to the insertion of a Faraday Rotator Mirror in the loop of the interferometer. So initially is presented the principle of operation of this modified NOLM, and then are reported the simulations which took place aiming to optimize the design and the reception of some first results. After that, the results from the implementation and experimental evaluation of the circuit are presented and compared additionally to the ones from the simulations. The polarization insensitivity of the proposed layout is demonstrated with further experimental results presented against the ones originating from a conventional NOLM. At the end of the thesis are suggested also means to optimize the circuit with the adoption of non linear Photonic Crystal Fibers in the loop. The suggested modified layout of the NOLM can be used with suitable design for a variety of applications such as switch, filter and others. However, for the needs of Photonic Communication Research Laboratory it was demonstrated as a non linear soliton compressor. In this configuration can be used as an add-on unit to already existing transmitters to upgrade the repetition rate in which they can emit Return to Zero format (RZ) pulses. It should be mentioned that the proposed NOLM scheme cannot be used with Non Return to Zero format (NRZ) pulses. The impact from such an upgrade is that a fewer number of wavelengths are required for the provision of the same capacity and resulting thus simpler networks. It is obvious that these networks involve less need for control and supervision from the operators’ perspective. After that the thesis is focused in Semiconductor Optical Amplifiers (SOAs), which outclass in many areas highly non linear fibers such as the one used in the NOLM above, in application related to all optical signal processing. These amplifiers are the fundamental elements of Mach Zehnder Interferometers (MZIs), which are regarded as the digital gates of the 2x2 switch and the Clock and Data Recovery Circuit (CDR). The macroscopic characteristics of the SOAs are the ones which determine the operational characteristics of the MZIs. So it is presented the effort that took place for discovering a set of parameters in a commercially available program (Virtual Photonics-VPI), capable of simulating variable photonic elements and among them, SOAs. The target was the set of parameters to configure the SOA model so as to describe macroscopically as closer as possible, the characteristics of the SOAs that PCRL owns, in a variety of operational conditions. With this tool available it was made an effort to predict the performance of the two circuits (2x2 switch and CDR) at 40 Gbps bit rate, for which the two subsystems could not be easily tested at PCRL. However, firstly it had to be confirmed that the SOA and thus the MZI model functions very well for the bit rate of 10 Gbps. The experimental results from the operation of the gate as a 2x2 switch at 10 Gbps bit rate are presented next. These are compared with the results from the simulations and agree totally, confirming in this way the accuracy of the model and the set of the parameters of the SOA for switching applications (small gain regime). Based on these results it is simulated the circuit for 40 Gbps bit rate and its performance is evaluated. All these results provide enough information so as to suggest optimization methods for operation of the MZIs as 2x2 switches at any bit rate. With the same program are reproduced also the experimental results of the Clock and Data Recovery Circuit at 10 Gbps bit rate. These data certify the accuracy of the SOA model and in saturation conditions, addressing thus all possible operation conditions. The model is helpful so as predict the performance of the circuit at 40 Gbps, in which bit rate it seems to operate better. Finally it is presented a simulation study, which examines the capability of the CDR subsystem to remove jitter from the incoming pulse train, providing at the output signal with better quality, indicating 3R (reamplification, reshaping, retiming) regeneration attributes. The intrinsic capability of these two circuits to process the information in a bit level and thus in packet level, independent of the size and the protocol of the packets, render both circuits as ideal solutions for the receiver and the switching matrix of an optical node of future packet switched optical networks. Such a node can provide on the fly process of the incoming optical packets without any o-e-o conversion or electronic interference. The outcome from the installations of these nodes will be the efficient usage of the available capacity in a network, eliminating in this way the need for investing in new channels so as to cover the growing demand for provision of higher bandwidth to the end user.

Η υιοθέτηση των δικτύων δεύτερης γενιάς από τους σύγχρονους τηλεπικοινωνιακούς φορείς ενώ κατάφερε να μειώσει σημαντικά τον αριθμό των οπτικό-ηλεκτρονικό-οπτικών (Ο-Ε-Ο) μετατροπών στο δίκτυο, εν τούτοις επέφερε και σημαντικά μειονεκτήματα. Το γεγονός ότι η μεταγωγή της πληροφορίας πραγματοποιείται σε επίπεδο μήκος κύματος (λ), όπως επίσης και ότι για την αύξηση της χωρητικότητας των δικτύων χρησιμοποιείται ένας ολοένα αυξανόμενος αριθμός μηκών κύματος, έχει ως αποτέλεσμα την μεγάλη αναποτελεσματικότητα στη χρήση του παρεχομένου εύρους ζώνης και την μεγάλη ανάγκη για εποπτεία και έλεγχο του δικτύου αντίστοιχα. Οι παραπάνω επισημάνσεις αποτέλεσαν και το έναυσμα για την ερευνητική περιοχή στην οποία εστιάζεται η διατριβή αυτή, η οποία παρουσιάζει κυκλώματα ψηφιακής επεξεργασίας δεδομένων για μελλοντικά αμιγώς οπτικά δίκτυα. Τα κυκλώματα αυτά είναι ένα συμβολόμετρο NOLM (Non Linear Optical Loop Mirror) πολλαπλών λειτουργιών που επιδεικνύεται ως μη γραμμικός συμπιεστής σολιτονίων, ένας 2x2 Διακόπτη που βασίζεται σε μια οπτική πύλη Mach Zehnder και ένα Κύκλωμα Ανάκτησης Ρολογιού και Δεδομένων που αποτελείται από δύο οπτικές πύλες Mach Zehnder σειριακά συνδεδεμένες μεταξύ τους. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του συμβολομέτρου NOLM που παρουσιάζεται στη διατριβή αυτή αφορά το σχεδίασμά του καθώς επιτυγχάνει σταθερή ισχύ στις δύο θύρες εξόδου του, ανεξάρτητα από τις περιβαλλοντικές συνθήκες που μεταβάλλουν την πολωτική κατάσταση των δύο αντιδιαδιδόμενων σημάτων. Η πολωτική αναισθησία οφείλεται στην εισαγωγή ενός στροφέα πόλωσης Faraday (Faraday Rotator Mirror) μέσα στο βρόγχο του συμβολόμετρο. Έτσι στην αρχή παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας της τροποποιημένης έκδοσης του NOLM, έπειτα αναφέρονται οι προσομοιώσεις που έλαβαν χώρα ώστε να ληφθούν κάποια πρώτα αποτελέσματα και να βελτιστοποιηθεί ο σχεδιασμός του. Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την υλοποίηση και πειραματική εξέταση της διάταξης και συγκρίνονται με αυτά των προσομοιώσεων. Η πολωτική αναισθησία επιβεβαιώνεται με περαιτέρω πειραματικά αποτελέσματα τα οποία και αντιπαρατίθενται με αυτά ενός συμβατικού NOLM. Στο τέλος της διατριβής προτείνονται και τρόποι βελτιστοποίησης του κυκλώματος με τη χρήση ινών φωτονικών κρυστάλλων (Photonic Crystal Fiber). Η προτεινόμενη τροποποιημένη έκδοση του NOLM μπορεί με κατάλληλο σχεδιασμό να χρησιμοποιηθεί για μια πλειάδα εφαρμογών π.χ. διακόπτης, φίλτρο, κ.α. αλλά για την κάλυψη των αναγκών του Εργαστηρίου Φωτονικών Επικοινωνιών (Ε.Φ.Ε.) επιδείχθηκε ως μη γραμμικός συμπιεστής σολιτονίων. Έτσι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί όπως είναι ως συμπληρωματικό υποσύστημα σε ήδη υπάρχοντες πομπούς για την αναβάθμιση του ρυθμού επανάληψης με τον οποίο εκπέμπουν παλμούς οι οποίοι πρέπει να είναι μορφής επιστροφής στο μηδέν (Return to Zero-RZ). Πρέπει να σημειωθεί ότι το προτεινόμενο NOLM δεν λειτουργεί με παλμούς μορφής μη επιστροφής στο μηδέν (Non Return to Zero-RZ). Η επίδραση από μια τέτοια αναβάθμιση είναι όχι χρειάζεται ένας μικρότερος αριθμός μηκών κύματος (καναλιών) για την παροχή της ίδιας χωρητικότητας, το οποίο σημαίνει απλούστερα δίκτυα και άρα μικρότερη ανάγκη για εποπτεία και έλεγχο. Στη συνέχεια η διατριβή ασχολείται με τους Οπτικούς Ενισχυτές Ημιαγωγού (Semiconductor Optical Amplifiers-SOAs), οι οποίοι υπερτερούν σε πολλά σημεία έναντι των ινών υψηλής μη γραμμικότητας, όπως αυτή που χρησιμοποιήθηκε στο NOLM, για εφαρμογές αμιγώς οπτική επεξεργασία σήματος. Οι ενισχυτές αυτοί αποτελούν το βασικό στοιχείο των συμβολομέτρων Mach Zehnder (MZIs) που αποτελούν τις ψηφιακές πύλες του 2x2 Διακόπτη και του Κυκλώματος Ρολογιού και Δεδομένων. Τα μακροσκοπικά χαρακτηριστικά των SOAs είναι αυτά που επηρεάζουν και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας των MZIs. Έτσι παρουσιάζεται η προσπάθεια που έγινε για την εύρεση παραμέτρων σε ένα εμπορικά διαθέσιμο πρόγραμμα προσομοιώσεων οπτικών στοιχείων (Virtual Photonics-VPI) και μεταξύ αυτών και SOAs. Ο στόχος ήταν η ομάδα παραμέτρων να διαμορφώνει το μοντέλο του SOA έτσι ώστε η μακροσκοπική συμπεριφορά αυτού να περιγράφει όσο το δυνατόν πλησιέστερα αυτή των SOAs που έχει στην κατοχή του Ε.Φ.Ε., για μια πλειάδα διαφορετικών συνθηκών λειτουργίας. Με το εργαλείο αυτό διαθέσιμο έγινε μια προσπάθεια να προβλεφθεί η απόδοση των δύο κυκλωμάτων (2x2 διακόπτης και κύκλωμα ανάκτησης ρολογιού και δεδομένων) σε ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 40 Gbps, για τον οποίο τα δύο υποσυστήματα δεν μπορούν να εξεταστούν εύκολα πειραματικά στο Ε.Φ.Ε. Ωστόσο, πρώτα έπρεπε να επιβεβαιωθεί ότι το μοντέλο του SOA και επομένως και του ΜΖΙ λειτουργεί πολύ καλά για τα 10 Gbps. Τα πειραματικά αποτελέσματα της λειτουργίας της πύλης ως 2x2 διακόπτη σε ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 10 Gbps παρουσιάζονται έπειτα. Αυτά συγκρίνονται με τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, με τα οποία ταυτίζονται, επιβεβαιώνοντας έτσι την ακρίβεια του μοντέλου και των παραμέτρων του SOA σε εφαρμογές μεταγωγής. Παίρνοντας αυτό ως βάση προσομοιώνεται η απόδοση του κυκλώματος για ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 40 Gbps. Τα αποτελέσματα αυτά αποτελούν το έναυσμα για συμπεράσματα ως προς τον τρόπο βελτιστοποίησης της λειτουργίας μιας πύλης ΜΖΙ ως 2x2 Διακόπτη για οποιοδήποτε ρυθμό δεδομένων. Με το ίδιο πρόγραμμα γίνεται αναπαραγωγή των πειραματικών αποτελεσμάτων του κυκλώματος Ανάκτησης Ρολογιού και Δεδομένων σε ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 10 Gbps. Τα στοιχεία αυτά πιστοποιούν την ακρίβεια του μοντέλου και σε συνθήκες κορεσμού καλύπτοντας έτσι όλες τις συνθήκες λειτουργίας του SOA. Με τη βοήθεια του μοντέλου γίνεται μια πρόβλεψη για τη λειτουργία της διάταξης στα 40 Gbps, στα οποία φαίνεται ότι το κύκλωμα λειτουργεί με καλύτερα αποτελέσματα. Στο τέλος παρουσιάζεται μια μελέτη η οποία εξετάζει την ικανότητα του κυκλώματος να αφαιρεί το jitter του σήματος εισόδου, παρέχοντας την έξοδο σήμα βελτιωμένης ποιότητας, υποδηλώνοντας χαρακτηριστικά 3R αναγέννησης (reamplification, reshaping, retiming). Τα δύο αυτά κυκλώματα με την ικανότητα που έχουν να επεξεργάζονται την πληροφορία σε επίπεδο δυφίου και επομένως και σε επίπεδο πακέτου, ανεξαρτήτως μεγέθους και πρωτοκόλλου, αποτελούν ιδανικές λύσεις για τον δέκτη και τον πίνακα μεταγωγής ενός οπτικού κόμβο μελλοντικών οπτικών δικτύων μεταγωγής πακέτων. Ένας τέτοιος κόμβος μπορεί να παρέχει σε πραγματικό χρόνο επεξεργασία των εισερχόμενων πακέτων δεδομένων, χωρίς καμία ηλεκτρονική παρέμβαση. Το αποτέλεσμα από την εγκατάσταση τέτοιων κόμβων σε ένα μελλοντικό αμιγώς οπτικό δίκτυο θα είναι η πολύ πιο αποτελεσματική χρησιμοποίηση της χωρητικότητας που υπάρχει σε ένα δίκτυο. Έτσι αποφεύγεται η ανάγκη για επενδύσεις σε εγκατάσταση νέων καναλιών (μηκών κύματος) ώστε να καλυφθεί η ολοένα αυξανόμενη ανάγκη για παροχή μεγαλύτερου εύρους ζώνης στον τελικό χρήστη.