Φωτονικά ψηφιακά κυκλώματα δρομολόγησης και αναγέννησης δεδομένων για δίκτυα οπτικών ινών

Abstract

The fundamental motive of this doctorate thesis has been the evolution of currently installed optical fibre telecommunication networks, to next generation all-optical packet switched networks. To that end, the architecture of an optical packet switching node is studied in order to address the functional problems that it comes across, in terms of optical implementation. Emphasis is given on the optical implementation of node synchronization, header processing and regeneration operations. In parallel, optical switching elements are studied when treated as fundamental building blocks for the design and the realization of digital optical circuits, towards the development of photonic integrated circuits and optical scale integration technology. Based on the above frame, the current thesis proposes novel systems and circuits that have been developed in order to address the above critical issues. Based on the scheme described above, this thesis, describes the design, the implementation and the experimental evaluation of novel all-optical digital circuits, by using initially the Ultrafast Non-Linear Interferometer (UNI) switch, and then the Mach-Zehnder Interferometer (MZI) switch. Both switches are optically controlled and make use of the semiconductor optical amplifier as the active component of the interferometer. The UNI switches have been developed by using discrete optical elements and optical fibre spools, and they have been used for the design and the implementation of the packet detection and the header replacement/extraction circuits for application in a high-rate optical packet routing node. The operation of both circuits has been demonstrated with 10 Gb/s optical data packets with different durations. The remaining part of this research work, involves the study of state-of-the-art integrated MZI switches and their use for the design and the implementation of all-optical regeneration circuits at 10 Gb/s and 40 Gb/s rates of operation. At first, a 3R regeneration circuit has been implemented by interconnecting two single MZI switches. The circuit demonstrated successful operation for both continuous traffic and asynchronous different-length data packets at 10 Gb/s. Experimental results, include amongst other, phase noise reduction from 1.5 ps at the incoming signal to 900 fs at the regenerated signal, error-free reception and 0.2 dB power penalty improvement on the measured Bit-Error-Ratio (BER) curves. Additionally, a 3R regeneration circuit operating at 40 Gb/s has been implemented, by interconnecting three single MZI switches. The circuit demonstrated successful operation for both continuous traffic and synchronous different- length data packets at 40 Gb/s. Experimental results, include amongst other, phase noise reduction from 4 ps at the incoming signal to 950 fs at the regenerated signal, error-free reception and 2.5 dB power penalty improvement on the measured Bit-Error-Ratio (BER) curves. The optical circuits that have been developed display valuable characteristics, such as incoming data format transparency, ability to handle short variable length data packets and high bandwidth utilization. According to these features, the proposed circuits constitute a set of trustful as well as effective solutions for next generation optical packet switched networks, and they may well find application in high-speed optical routing nodes. In addition, within this thesis, the essential methodology for optical circuit design is introduced, in view of the development of photonic integrated circuits and turn-key, all-optical packet switching solutions for future optical networks. The last section of the thesis provides a synopsis of the doctorate research activities with the respective results and suggestions for further research, including the implementation of more complex optical circuits for all-optical networks as well as the evolution of the fabrication technology that will be required for the realization of photonic integrated circuits and optical scale integration of MZI switches.

Το βασικό κίνητρο της παρούσας διατριβής, ήταν η ανάπτυξη τεχνολογίας για την εξέλιξη των σημερινών τηλεπικοινωνιακών δικτύων οπτικών ινών στα επόμενης γενιάς, αμιγώς οπτικά δίκτυα μεταγωγής πακέτων. Προς αυτήν την κατεύθυνση, μελετάται η αρχιτεκτονική του οπτικού κόμβου μεταγωγής πακέτων και εντοπίζονται τα προβλήματα, που αντιμετωπίζει στον τομέα υλοποίησης, με έμφαση στην υλοποίηση των λειτουργιών σχετικά με το συγχρονισμό του κόμβου, την επεξεργασία της επικεφαλίδας και την αναγέννηση. Παράλληλα μελετώνται οι οπτικοί διακόπτες ως βασικά δομικά στοιχεία για την υλοποίηση οπτικών ψηφιακών κυκλωμάτων, προσβλέποντας στην ανάπτυξη ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και οπτικής ολοκλήρωσης κλίμακας. Σε αυτό το πλαίσιο δομούνται στη συνέχεια οι πρωτότυπες προτάσεις της παρούσης διατριβής για την προσέγγιση και την επίλυση αυτών των προβλημάτων. Σύμφωνα με τα παραπάνω, η παρούσα διατριβή περιγράφει τη σχεδίαση, την υλοποίηση και τον πειραματικό χαρακτηρισμό μίας σειράς πρωτότυπων αμιγώς οπτικών ψηφιακών κυκλωμάτων χρησιμοποιώντας αρχικά τον οπτικό συμβολομετρικό διακόπτη Μη Γραμμικό Συμβολόμετρο Υπερυψηλών Ταχυτήτων (UNI) και κατόπιν τον ολοκληρωμένο, οπτικό συμβολομετρικό διακόπτη Mach-Zehnder (ΜΖΙ). Και οι δύο διακόπτες, είναι οπτικά ελεγχόμενοι, ενώ οπτικοί ενισχυτές ημιαγωγού χρησιμοποιούνται ως τα ενεργά στοιχεία των συμβολομέτρων. Οι διακόπτες UNI, κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας διακριτά οπτικά στοιχεία και προσαρτημένη οπτική ίνα και χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση των κυκλωμάτων ανίχνευσης πακέτων και αντικατάστασης/αφαίρεσης ετικέτας για έναν οπτικό κόμβο δρομολόγησης πακέτων. Και τα δύο κυκλώματα υλοποιήθηκαν επιτυχώς με σήμα εισόδου οπτικά πακέτα δεδομένων μεταβλητού μεγέθους σε ταχύτητα μετάδοσης 10 Gb/s. Στη συνέχεια της διατριβής χρησιμοποιήθηκαν ολοκληρωμένοι οπτικοί διακόπτες ΜΖΙ τελευταίας τεχνολογίας για το σχεδίασμά και την υλοποίηση αμιγώς οπτικών αναγεννητικών διατάξεων σε ταχύτητες λειτουργίας 10 Gb/s και 40 Gb/s. Αρχικά, διασυνδέοντας δύο διακόπτες ΜΖΙ, υλοποιήθηκε επιτυχώς το κύκλωμα του 3R αναγεννητή για ασύγχρονα πακέτα μεταβλητού μήκους με δεδομένα στα 10 Gb/s. Πειραματικά αποτελέσματα του παραπάνω κυκλώματος, περιλαμβάνουν μείωση ολίσθησης φάσης από 1,5 ps στο σήμα εισόδου, σε 900 fs στο αναγεννημένο σήμα, λήψη δεδομένων χωρίς σφάλματα και βελτίωση της καμπύλης BER μεταξύ των παραπάνω σημάτων κατά 0,2 dB. Έπειτα, διασυνδέθηκαν τρεις διακόπτες ΜΖΙ για την υλοποίηση του κυκλώματος του 3R αναγεννητή για σύγχρονα πακέτα μεταβλητού μήκους με δεδομένα στα 40 Gb/s. Πειραματικά αποτελέσματα αυτού του κυκλώματος, περιλαμβάνουν μείωση ολίσθησης φάσης από 4 ps στο σήμα εισόδου, σε 950 fs στο αναγεννημένο σήμα, λήψη δεδομένων χωρίς σφάλματα και βελτίωση της καμπύλης BER μεταξύ των παραπάνω σημάτων κατά 2,5 dB. Τα κυκλώματα που υλοποιήθηκαν παρουσιάζουν χαρακτηριστικά όπως η διαφάνεια της λειτουργίας τους στο είδος των εισερχόμενων δεδομένων, η δυνατότητά τους να χειρίζονται πακέτα δεδομένων μικρού μεγέθους αλλά και τα υψηλά ποσοστά εκμετάλλευσης του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Με βάση αυτά τα χαρακτηριστικά, τα προτεινόμενα κυκλώματα αποδεικνύεται ότι μπορούν να αποτελέσουν αξιόπιστη και αποδοτική λύση για την υλοποίηση ζωτικών λειτουργικών διεργασιών στα οπτικά δίκτυα μεταγωγής πακέτων. Επιπλέον, αναπτύσσεται η μεθοδολογία στην οποία θα πρέπει να βασιστεί η σχεδίαση οπτικών ψηφιακών κυκλωμάτων έτσι ώστε να αναπτυχθούν τελικά οπτικά ολοκληρωμένα κυκλώματα και έτοιμες αποδοτικές λύσεις για την οπτική μεταγωγή πακέτων στα μελλοντικά οπτικά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Η διατριβή ολοκληρώνεται κάνοντας μία σύνοψη των αποτελεσμάτων της και προτείνοντας συγκεκριμένα βήματα για την περαιτέρω ερευνητική προσπάθεια η οποία αφορά αφενός την ανάπτυξη περισσότερο σύνθετων οπτικών κυκλωμάτων για οπτικά δίκτυα επόμενης γενιάς, και αφετέρου την ανάπτυξη φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και οπτικής ολοκλήρωσης κλίμακας με διακόπτες ΜΖΙ.