Προς το οπτικό VLSI με υβριδική ολοκλήρωση φωτονικών κυκλωμάτων για εφαρμογή στα μελλοντικά δίκτυα πολυπλεξίας μήκους κύματος

Abstract

The aim of this PhD thesis is the exploitation of the photonic integration technology, for the development of all-optical systems, based on hybrid integrated components, for processing and routing of optical data in future, high capacity WDM networks. The fundamental building blocks of all the systems/sub-systems that were developed in this study, was the Mach-Zehnder Interferometer, the optical flip flop and integrated arrays of Mach-Zehnder interferometers. The developed systems, take full advantage of the benefits of all-optical processing, offering attractive attributes such as transparency in the data format and the data rate. Moreover, compared to the respective electronic circuits, they present much faster processing speeds, independency of the energy consumption from the operating rate and absence of electromagnetic interference. The development of such devices contributes greatly to the future adaptation of all-optical networks, in which, the use of electronic circuits will be avoided and all the functional processes will be handled in the optical layer. The first major issue that was studied in this thesis was the all-optical contention resolution problem, that was addressed by interconnecting two optical switches, an optical flip flop, a packet envelop detection circuit and a high speed wavelength converter in a complex photonic circuit. Following that, a major part of this thesis focused to the all optical regeneration issue by presenting a multi-wavelength 3R burst mode regenerator consisting of three quad SOA-MZI arrays, and MZI-based all-optical regenerators operating for both amplitude and phase modulated signals. Finally, within the frames of this thesis, we developed a hybrid forward error correction system for functional upgrade of such photonic systems.

Το ερευνητικό έργο της παρούσας διατριβής, έχει σαν στόχο την αξιοποίηση της φωτονικής τεχνολογίας ολοκλήρωσης για την ανάπτυξη αμιγώς οπτικών κυκλωμάτων, βασισμένα σε υβριδικά ολοκληρωμένα στοιχεία, για την επεξεργασία και τη δρομολόγηση οπτικών δεδομένων στα μελλοντικά WDM δίκτυα υψηλής χωρητικότητας. Τα βασικά δομικά στοιχείο όλων των κυκλωμάτων που υλοποιήθηκαν ήταν ο ολοκληρωμένος οπτικός διακόπτης Mach-Zehnder (ΜΖΙ), ο ολοκληρωμένος οπτικός μανδαλωτής και τετραπλές συστοιχίες ολοκληρωμένων διακοπτών ΜΖΙ. Οι διατάξεις που υλοποιήθηκαν εκμεταλλεύονται πλήρως τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των φωτονικών στοιχείων από τα οποία αποτελούνται, προφέροντας διαφάνεια στο ρυθμό και την μορφή του εισερχόμενου σήματος δεδομένων. Ακόμα, παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των αντίστοιχων ηλεκτρονικών υλοποιήσεων, όπως υψηλή ταχύτητα επεξεργασίας, ανεξαρτησία της κατανάλωσης ισχύος από το ρυθμό μετάδοσης και απουσία ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής στην περίπτωση ολοκλήρωσης τους σε συστήματα στο δίκτυο. Η ανάπτυξη τέτοιου είδους κυκλωμάτων συντελεί σε μεγάλο βαθμό στην ώθηση των τεχνολογικών εξελίξεων προς την υλοποίηση αμιγώς οπτικών δικτύων. Το πρώτο σημαντικό πρόβλημα, που αντιμετωπίστηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής ήταν η αμιγώς οπτική επίλυση συγκρούσεων πακέτων, η οποία πραγματοποιήθηκε με την διασύνδεση δύο οπτικών διακοπτών, ενός οπτικού μανδαλωτή, ενός κυκλώματος ανίχνευσης περιβάλλουσας πακέτων και ενός μετατροπέα μήκους κύματος υπερυψηλής ταχύτητας σε ένα πολύπλοκο φωτονικό κύκλωμα. Στην συνέχεια ένα μεγάλο μέρος της παρούσας διατριβής εστιάστηκε στην αμιγώς οπτική αναγέννηση δεδομένων με τη χρήση ολοκληρωμένων διακοπτών Mach-Zehnder. Συγκεκριμένα παρουσιάζεται ένας αμιγώς οπτικός πολυκυματικός 3R αναγεννητής δεδομένων εκρηκτικής ροής και αναγεννητές για οπτικά σήματα διαμορφωμένα στο πεδίο του πλάτους και της φάσης. Τέλος, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής παρουσιάσαμε ένα υβριδικό σύστημα άμεσης διόρθωσης σφαλμάτων (FEC), με σκοπό την αναβάθμιση της λειτουργίας των παραπάνω φωτονικών κυκλωμάτων.