Εφαρμογές της ολοκληρωμένης οπτικής τεχνολογίας σε αμιγώς οπτικά συστήματα δρομολόγησης και αναγέννησης δεδομένων

Abstract

The main objective of this doctorate thesis is the development of all optical systems, based on integrated components, for routing and regenerating of optical data. Throughout the developed systems and their performance, we also studied the exploitation of the most recent photonic integration technologies (monolithic, hybrid and silicon on insulator technology), in order to define the gap between the optical and the electronic integration industry. The fundamental building blocks of the proposed systems which are presented in this study are the Mach-Zehnder interferometer (MZI) and the Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer (ROADM) which consists of arrays of micro ring resonator filters. The developed systems, take full advantage of the benefits of the optical integrated components, offering attractive attributes such as transparency in the data format and the data rate, reduced power consumption and complexity, efficient heat dissipation, simplicity, size reduction and cost reduction. Following this rationale, we can claim that the development of those systems will contribute to further development of more advanced all-optical networks. The first major issue that was studied in this thesis was an all-optical packet detection circuit in an optical node, operating at 10 Gb/s. The proposed architecture performs simultaneously data clock recovery in order to obtain the appropriate intra-node synchronization as well as synchronization between the optical node and the incoming data packets. The proposed system was implemented and tested for synchronous and asynchronous data, presenting error free operation for both scenarios and obtaining better experimental results comparing to previous architectures. The second major issue, over which we focused on our research, was the development of an all optical 2R regeneration circuit of the transmitted data signal at 40 Gb/s. The various quality degradations that the signal exhibits are major constrains to the maximum transmission distance that can be reached and also to the maximum bit rate of the whole network. In this study, we designed and experimental evaluated a novel 2R regeneration concept based on SOA-MZIs for 40 Gb/s NRZ data. Finally the last system that was developed within the frames of this doctorate thesis was an all-optical wavelength converter operating at 40 Gb/s, for both RZ and NRZ continuous data and packet formatted data. The specific circuit exhibits a novel design architecture for wavelength conversion systems, exploiting all the appropriate benefits that SOI technology provides, in order to become one of the fundamental building blocks of next generation photonic routers. In conclusion we can claim that, this doctorate study owes its importance to the proposition of novel and efficient solutions concerning data regeneration and routing, by exploiting the advantages of the already existing photonic integration technologies. As such exploiting the proposed three architectures presented in this thesis, the realization of all-optical next generation networks will become more feasible, leading in parallel to further growth of system’s throughput up to Tb/sec and beyond.

Ο κύριος στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη αμιγώς οπτικών κυκλωμάτων δρομολόγησης και αναγέννησης δεδομένων, βασισμένα στην χρήση ολοκληρωμένων οπτικών στοιχείων. Δια μέσω των κυκλωμάτων αυτών γίνεται ταυτόχρονα αξιολόγηση των τελευταίων τεχνικών ολοκλήρωσης οι οποίες προωθούν την φωτονική τεχνολογία σε πορεία αντίστοιχη της ηλεκτρονικής για περαιτέρω ανάπτυξη των οπτικών τηλεπικοινωνιών. Βασικά δομικά στοιχεία των υπό μελέτη κυκλωμάτων αποτέλεσαν το συμβολόμετρο Mach-Zehnder (ΜΖΙ) καθώς και ένας αναδιατάξιμος οπτικός add-drop πολυπλέκτης (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer-ROADM), ο οποίος αποτελείται από συστοιχίες φίλτρων μικροδακτυλίου. Οι διατάξεις που υλοποιήθηκαν εκμεταλλεύονται πλήρως τα ιδιαίτερα, χαρακτηριστικά των φωτονικών στοιχείων από τα οποία αποτελούνται, προσφέροντας διαφάνεια στο ρυθμό και την μορφή των εισερχόμενων δεδομένων, υψηλή ταχύτητα λειτουργίας, μειωμένη κατανάλωση ενέργειας, και εκλυόμενης θερμότητας αλλά και απλούστευση στην αρχιτεκτονική τους και επομένως στο συνολικό τους μέγεθος και κόστος κατασκευής. Απόρροια των άνωθι είναι τα υπό μελέτη κυκλώματα που αναλύονται στην παρούσα διατριβή να αποτελούν το θεμέλιο λίθο για περαιτέρω ώθηση των τεχνολογικών εξελίξεων προς πλέον εξελιγμένα οπτικά δίκτυα επόμενης γενιάς. Το πρώτο σημαντικό θέμα που αντιμετωπίσαμε στα πλαίσια της διατριβής ήταν η αμιγώς οπτική ανίχνευση των εισερχόμενων πακέτων δεδομένων σε ρυθμό μετάδοσης 10 Gb/s. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική επιτελεί ταυτόχρονα και ανάκτηση ρολογιού προκειμένου να επιτυγχάνεται συγχρονισμός τόσο εσωτερικά του κόμβου όσο και μεταξύ του κόμβου και των εισερχόμενων πακέτων. Το σύστημα μας μελετήθηκε τόσο για σύγχρονες όσο και για ασύγχρονες ροές δεδομένων παρουσιάζοντας αλάνθαστη λειτουργία και για τις δυο περιπτώσεις καθώς και καλύτερα αποτελέσματα από ήδη υπάρχουσες αρχιτεκτονικές. Το δεύτερο σημαντικό θέμα στο οποίο εστιάσαμε ήταν η αμιγώς οπτική αναγέννηση του σήματος δεδομένων κατά την μετάδοση του. Η υποβάθμιση της ποιότητας του σήματος αποτελεί σημαντικό περιοριστικό παράγοντα για την μέγιστη απόσταση διάδοσής του και περιορίζει ταυτόχρονα και τον μέγιστο ρυθμό λειτουργίας του δικτύου. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αναπτύξαμε ένα 2R κύκλωμα αναγέννησης το οποίο δοκιμάστηκε επιτυχώς σε ρυθμό λειτουργίας 40 Gb/s. Τέλος το τρίτο κύκλωμα που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής είναι ένας αμιγώς οπτικός μετατροπέας μήκους κύματος σε ρυθμό λειτουργίας 40 Gb/s, τόσο για RZ όσο και για NRZ ακολουθίες δεδομένων (μονοκυματική λειτουργία) καθώς και για πακέτα πληροφορίας (πολυκυματική λειτουργία). Το υπό μελέτη σύστημα αποτελεί μια καινοτόμο ιδέα στο τρόπο κατασκευής ενός μετατροπέα μήκους κύματος, καθώς πέραν τον άνωθι πλεονεκτημάτων αποτελεί και το υπόβαθρο πάνω στο οποίο θα στηριχθεί η μετέπειτα προσπάθεια της ερευνητικής κοινότητας για νέας τεχνολογίας φωτονικούς δρομολογητές. Εν κατακλείδι η σημαντικότητα της παρούσας διατριβής καθίσταται στις καινοτόμες και αποδοτικές λύσεις που προσφέρει εκμεταλλευόμενη τις υπάρχουσες τεχνικές ολοκλήρωσης για την προσπάθεια της ερευνητικής κοινότητας προς συστηματική μετάβαση των ήδη υπαρχόντων δικτύων σε αμιγώς οπτικά. Απόρροια δε της αμιγούς «οπτικοποίησης» των δικτύων μέσω των τριών προτεινόμενων κυκλωμάτων που παρουσιάζουμε θα αποτελέσει και η περαιτέρω ανάπτυξη των ρυθμών μετάδοσης σε ταχύτητες που θα φτάνουν την τάξη των Tb/sec, αποδεσμευόμενα πλέον από το όριο λειτουργίας των ήδη εγκατεστημένων ηλεκτρονικών συστημάτων.