Εφαρμογές της ολοκληρωμένης οπτικής τεχνολογίας σε απαιτητικές λειτουργίες των σύγχρονων ευρυζωνικών οπτικών δικτύων

Abstract

This Ph.D. thesis was carried out during the period 2002-2008 at the Photonics Communications Research Laboratory, School of Electrical & Computer Engineering, National Technical University of Athens, under the supervision of Professor Hercules Avramopoulos. The main subject of the present Ph.D. is the design and implementation of novel, complex and powerful optical sub-systems capable at performing demanding applications for the next generation optical node architectures. The thesis identifies the capability of interferometric optical gates to perform all basic functionalities of optical signal processing, including Boolean logic, multiplexing and demultiplexing, wavelength conversion and regeneration. Taking into account the remarkable advance in hybrid and monolithic integration for optical logic gates, offering performance and cost advantages in the optical systems implementation, the thesis considers the integrated interferometric optical gates as the perfect candidate for the equivalent of the electronic transistor. As such, they are treated as the fundamental building blocks in order to build larger scale optical sub-systems with enhanced operational functionalities. The proposed optical sub-systems of this thesis are completely based on integrated interferometric optical gates and are demonstrated to perform demanding network-key applications, such as 3R burst mode regeneration, thus making a first step towards optical VLSI. The thesis discusses the influence of designing complex optical systems based only on integrated optical gates to the progress of optical integration technology and reports the advancements on integrating multi-element gates on a single chip. Within this context, the present Ph.D. thesis is divided in three major sections: it first explores the operational capabilities of the optical interferometric gates by simulating them in demanding functions, such as the Boolean XOR and the 2R regeneration. To do this, a mathematical model of the Mach-Zehnder interferometer using semiconductor optical amplifiers is deployed. Simulation results allow for properly choosing the optimum set of parameters for operational speeds at 40 Gb/s and beyond. The second section focuses on expanding the functionality potential of optical logic gates, by investigating the operational features of a SOA-based Mach-Zehnder Interferometer (SOA-MZI) with unequal splitting ratio couplers, configured to operate as a self-switch. The scheme is found to operate as a hard-limiter, suitable for implementing a novel 2R burst mode regenerator (2R BMR) using a single integrated optical gate. The circuit is capable of operating error-free with 40 Gb/s variable length, asynchronous optical data packets that exhibit up to 9 dB packet-to-packet power variation. Moreover, a network scenario is deployed as a straightforward way to reduce the OBS network complexity and cost by using a number of consecutive 2R BMRs for burst power equalization, before full 3R burst mode regeneration is required. Such concept will only be feasible if 2R BMRs can be shown to be capable of successively regenerating bursts error-free. The thesis demonstrates a first attempt to examine the number of successive, error-free regenerations that can be performed with the single MZI, 2R BMR using a loop experiment. The results obtained for 10 Gb/s 2¹⁵-1 PRBS data streams with RZ format of 8ps pulsewidth, report that error-free regeneration was possible even after six recirculations. The third section involves the demonstration of a novel, complex and powerful optical sub-system capable at performing a demanding application, as well as the advancements of optical integration technology. The optical packet and burst switching have been introduced as the most competent technologies for third-generation optical networks, while the key element for the realization of burst switched networks is the Burst Mode Receivers. Within this context, the thesis demonstrates the first all-optical 3R Burst Mode Receiver operating error-free with 40Gb/s variable length, asynchronous optical data packets that exhibit up to 9 dB packet-to-packet power variation. The circuit is completely based upon hybridly integrated Mach-Zehnder Interferometric (MZI) switches as it employs four cascaded MZIs, each one performing a different functionality. This section also describes the integration process of the first quadruple SOA-MZI integrated chip, containing four integrated mach-Zehnder interferometers as well as the integration of the first 3R BMR sub-system on a single chip.

Η έρευνα της παρούσας διδακτορικής διατριβής επικεντρώνεται στη διεξοδική μελέτη των οπτικών συμβολομετρικών πυλών και στην ανάδειξη και υλοποίηση αμιγώς οπτικών υποσυστημάτων που επιτελούν απαιτητικές λειτουργίες-κλειδιά επεξεργασίας σήματος για τα μελλοντικά ευρυζωνικά οπτικά δίκτυα. Η σχεδίαση των συστημάτων μεγάλης κλίμακας γίνεται με γνώμονα την αποκλειστική χρήση των πανομοιότυπων συμβολομετρικών δομικών μονάδων, που είναι ικανές να επιτελούν όλες τις στοιχειώδεις λογικές λειτουργίες. Με τον τρόπο αυτό τα προτεινόμενα συστήματα εκμεταλλεύονται πλήρως τις πρόσφατες καινοτομίες στον τομέα της οπτικής ολοκλήρωσης και προάγουν την περαιτέρω ανάπτυξή της. Η διαδικασία παρακολουθεί το παράδειγμα εξέλιξης της ηλεκτρονικής και αποτελεί ίσως ένα από τα πρώτα βήματα στο δρόμο για το οπτικό VLSI. Στα πλαίσια αυτά, η παρούσα διδακτορική διατριβή αρχικά επιχειρεί τη θεωρητική ανάλυση και μαθηματική μοντελοποίηση των οπτικών συμβολομετρικών διατάξεων και των ενεργών δομικών τους στοιχείων, των ημιαγώγιμων οπτικών ενισχυτών SOA. Έχοντας αναγνωρίσει τα Mach-Zehnder ως τις βασικές μονάδες επεξεργασίας, η έρευνα στοχεύει στη διεξοδική μελέτη των παραμέτρων λειτουργίας τους και στην εύρεση των ορίων των επιδόσεων τους. Στον άξονα αυτό, εξομοιώνεται η λειτουργία της απαιτητικής ψηφιακής πράξης XOR και η 2R αναγέννηση δεδομένων με χρήση συμβολόμετρων Mach-Zehnder. Στη συνέχεια και στα πλαίσια αναζήτησης καινοτόμων λειτουργιών των οπτικών συμβολομετρικών διατάξεων, η μελέτη προεκτάθηκε στον ανισοζυγή διακόπτη, δηλαδή τη χρήση συζευκτών με άνισους λόγους ζεύξης, και τη ρύθμιση της λειτουργίας του συμβολομετρικού διακόπτη ως αυτομεταγωγέα, χωρίς τη χρήση εξωτερικών σημάτων. Η θεωρητική μελέτη του ανισοζυγή διακόπτη τύπου Mach-Zehnder ως ψαλιδιστή οδήγησε στην εξαγωγή της αναλυτικής έκφρασης της μη γραμμικής συνάρτησης μεταφοράς του, η οποία συνδυάζει τα πλεονεκτήματα του ψαλιδισμού και της μη γραμμικής ενίσχυσης. Τα στοιχεία αυτά οδήγησαν στην υλοποίηση του πρώτου αυτοδύναμου κυκλώματος 2R Αναγέννησης Δεδομένων Εκρηκτικής Ροής (2R BMR), η λειτουργία του οποίου βασίζεται αποκλειστικά στη χρήση ενός ανισοζυγούς διακόπτη ΜΖΙ, ικανού να λειτουργεί για ασύγχρονα πακέτα μεταβλητού μήκους σε ρυθμό μετάδοσης 40 Gb/s και δυναμικό εύρος στη στάθμη ισχύος τους ίση με 9 dB. Η έρευνα επίσης πρότεινε ένα τρόπο να μειωθεί η πολυπλοκότητα και το κόστος ενός δικτύου εκρηκτικής ροής, με την τοποθέτηση των προτεινόμενων 2R BMR αναγεννητών σε κατάλληλα επιλεγμένους ενδιάμεσους κόμβους. Με τη χρήση διάταξης ανατροφοδοτούμενου βρόχου, έγινε δυνατή για πρώτη φορά η πειραματική εξομοίωση της δικτυακής μετάδοσης δεδομένων σ’ ένα δίκτυο εκρηκτικής ροής, με χρήση των προτεινόμενων 2R BMR σε διαδοχικούς κόμβους. Το πείραμα ανέδειξε την ικανότητα διαδοχικής σύνδεσης έξι παρόμοιων οπτικών πυλών, αναδεικνύοντας ότι το σενάριο δικτυακής χρήσης τους με στόχο την σημαντική εξοικονόμηση πόρων μπορεί να γίνει πραγματικότητα. Τέλος, στα πλαίσια του σχεδιασμού και υλοποίησης πρωτότυπων οπτικών κυκλωμάτων μεγάλης κλίμακας με αποκλειστική χρήση πολλαπλών συμβολομετρικών πυλών, η παρούσα διατριβή πρότεινε σαν παράδειγμα απαιτητικού κυκλώματος με λειτουργία-κλειδί για τα σύγχρονα οπτικά δίκτυα ένα σύστημα υποδοχής στα δίκτυα εκρηκτικής ροής (OBS), μιας και η υλοποίηση τους με τρόπο αποδοτικό και οικονομικό είναι μονόδρομος για τη μετάβαση από τα οπτικά δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος στα μελλοντικά οπτικά δίκτυα μεταγωγής πακέτων εκρηκτικής ροής. Κατασκευάστηκε ο πρώτος 3R Αναγεννητής Δεδομένων Εκρηκτικής ικανός να λειτουργεί στα 40Gb/s με ασύγχρονα και μεταβλητού μήκους πακέτα δεδομένων εκρηκτικής ροής με έντονη απόκλιση ισχύος. Το κύκλωμα χρησιμοποίησε τέσσερα διαδοχικά υβριδικά ολοκληρωμένα συμβολόμετρα Mach-Zehnder, καθένα από τα οποία εκτελούσε μια διαφορετική μη γραμμική λειτουργία.