Ευρυζωνικά φωτονικά δίκτυα επόμενης γενιάς με διαφάνεια στον τύπο διαμόρφωσης και στην κίνηση πληροφορίας

Abstract

This Ph.D. thesis was carried out during the period 2002-2007 at the Photonics Communications Research Laboratory, School of Electrical & Computer Engineering, National Technical University of Athens, under the supervision of Associate Professor Hercules Avramopoulos. The aim of the present Ph.D. is the design of next-generation optical node architectures and the design and implementation of the optical sub-systems comprising these optical nodes. The developed optical sub-systems exploit optical signal processing techniques, whereas the fundamental building block of each sub-system is the interferometric optical gate that allows for high-speed operation and bit-rate independent power consumption. An integral part of the research focused on the identification and implementation of layer-2 and layer-3 network functionalities directly in the optical domain, contributing towards a more intelligent and efficient physical layer. The design and demonstration of advanced network functionalities was achieved through functional system-level integration of cascaded optical gates and flip-flops giving rise to the first intelligent all-optical sub-systems. Within the frames of the Ph.D., the use of photonic integrated optical devices, allowed for the demonstration of more advanced and key network functionalities, including all-optical packet-based clock recovery, packet envelope detection, label/payload separation, optical latching and all-optical packet routing. An important attribute of the designed sub-systems is their capability to operate transparently to packet-format and network-traffic. For the first time, sub-systems capable of processing both RZ and NRZ modulated packets that have variable length and variable spacing was demonstrated, exploiting time-of-flight processing and combination of bit-by-bit and packet-to-packet processing capabilities of all-optical gates. In the final stage of the Ph.D., all-optical node and network architectures were studied, in order to investigate the degree of intelligence that can be achieved in the optical layer. A self-routing node and network was designed and theoretically modeled that can achieve high bit-rate operation and high transmission efficiency even for packets with small size, verifying that the node can contribute towards the realization of highly granular and flexible future optical networks.

Το ερευνητικό έργο της παρούσας διατριβής έχει ως στόχο τη μελέτη και τη σχεδίαση οπτικών κόμβων επόμενης γενιάς. Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν και σχεδιάστηκαν τα οπτικά υποσυστήματα που θα αποτελέσουν τους κόμβους ενός οπτικού δικτύου, οι αρχιτεκτονικές των κόμβων αυτών, καθώς και η αποδοτικότητα δικτυακών τοπολογιών βασισμένων στους εν λόγω κόμβους. Για την επίτευξη των επιμέρους δικτυακών λειτουργιών στα σχεδιαζόμενα υποσυστήματα χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές αμιγούς οπτικής επεξεργασίας σήματος, με το βασικό δομικό στοιχείο των υποσυστημάτων να είναι ο υψίρρυθμης λειτουργίας οπτικός συμβολομετρικός διακόπτης. Στα πλαίσια της διατριβής, υλοποιήθηκαν αμιγώς οπτικά υποσυστήματα που επιτελούν λειτουργικές διεργασίες επιπέδων OSI 2 και 3, με την αμιγώς οπτική δρομολόγηση, προώθηση και μεταγωγή να βρίσκονται στο επίκεντρο της ερευνητικής εργασίας. Η επίδειξη ευφυών δικτυακών λειτουργιών κατευθείαν στο οπτικό επίπεδο επιτυγχάνεται με χρήση πολλαπλών οπτικών διακόπτων και αντίστοιχη λειτουργική τους διασύνδεση. Χρησιμοποιώντας φωτονικά ολοκληρωμένους οπτικούς διακόπτες, η ανάπτυξη οπτικών υπο-συστημάτων προχώρησε ένα βήμα παραπέρα από τις κλασσικές λειτουργίες της μετατροπής μήκους κύματος και 2R αναγέννησης, σε ποιο σύνθετες λειτουργίες όπως ανάκτηση ρολογιού και περιβάλλουσας πακέτων, διαχωρισμός επικεφαλίδας/φορτίου, αναγνώριση και επεξεργασία επικεφαλίδων και τέλος ολοκληρωμένη μεταγωγή και δρομολόγηση 40 Gb/s πακέτων δεδομένων στο οπτικό επίπεδο με χρήση οπτικών μανταλωτών (flip-flops). Ο σχεδιασμός των υπο-συστημάτων έγινε με γνώμονα την οπτική επεξεργασία σήματος με διαφάνεια στο είδος διαμόρφωσης και στον τύπο των επεξεργαζόμενων δεδομένων. Για πρώτη φορά, παρουσιάστηκαν υψίρρυθμα υπο-συστήματα μεταγωγής πακέτων ικανά να επεξεργάζονται πακέτα με διαμόρφωση τύπου RZ και NRZ, να έχουν την ικανότητα επεξεργασίας ασύγχρονων ροών πακέτων μικρού μεγέθους με μεταβλητό μήκος πακέτου και μεταβλητή απόσταση πακέτων. Στο τελικό στάδιο της διατριβής σχεδιάστηκαν και μελετήθηκαν θεωρητικά καινοτόμες αρχιτεκτονικές κόμβων με βάση τα χαρακτηριστικά των υπο-συστημάτων που υλοποιήθηκαν στα πλαίσια της διατριβής. Γνώμονας για το σχεδίασμά και την υλοποίηση των συστημάτων και κόμβων ήταν η ικανότητα για υψηλή ταχύτητα λειτουργίας, η χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος από αντίστοιχες ηλεκτρονικές διατάξεις, η δυνατότητα φωτονικής ολοκλήρωσης σε συμπαγής συσκευασίες και η διαφάνεια στο είδος πληροφορίας και το ρυθμό μετάδοσης, η χαμηλή απαίτηση για προστατευτικές ζώνες και η ικανότητα επεξεργασίας μικρού μήκους πακέτων με υψηλή αποδοτικότητα, γεγονός που οδηγεί στη δημιουργία ευέλικτων οπτικών δικτύων.