Μεταγωγή πακέτων με ίνες υψηλής μη γραμμικότητας και οπτικές πύλες υψηλού βαθμού ολοκλήρωσης

Abstract

The fundamental motive of this doctorate thesis has been the utilization of new, highly non-linear optical fibers and recently developed optical integration technologies for the design and the implementation of complex all-optical subsystems. These subsystems are going to accomplish fundamentals operations of an all-optical packet switched node. All-optical signal processing techniques were used for the demonstration of the implemented subsystems while their experimental implementation took place using optical gates as basic structural elements. These gates comprised either Bismuth Oxide optical fibers or interferometric Mach-Zehnder optical switches, hybridly integrated in quadruple arrays on a silicon chip. The all-optical subsystems that were implemented realize functional processes of 2 and 3 OSI levels and are described concisely in the next paragraphs. Thus, using the Ultrafast Nonlinear interferometer (UNI) as well as 0.8 m of Bismuth Oxide highly nonlinear fiber as the nonlinear medium, an all-optical 2x2 Exchange/Bypass switch was designed and simulated. The circuit was implemented successfully with 40 Gb/s input signal while the use of a highly nonlinear fiber for the stimulation of the non-linear effect gives advantage to the switch in comparison with the switches that use semiconductors since the achieved response time is in the order of a few fseconds. In addition, during this doctorate thesis, integrated optical MZI switches were used for the design and the implementation of an all-optical Time Slot Interchanging circuit at 10 Gb/s as well as an all-optical data packet detection circuit at 40 Gb/s. The Time Slot Interchanging circuit comprises of serially connected delay stages, which consist of a programmable wavelength converter as well as fixed length optical delay lines. For the experimental implementation of the Time Slot Interchanger, a quadruple array of optical MZI switches integrated onto a common hybrid chip was used. The circuit achieved interchanging of four timeslots as well as error free operation with optical data packets at 40 Gb/s as the input signal. Finally, the implemented all-optical data packet detection circuit performs simultaneously data clock recovery as well as data packet detection at 40 Gb/s. Experimental results of this circuit include the extraction of the first pulse from data packets of different length and suppression of the remaining pulses in the order of 8.7 dB. The optical circuits that have been developed display valuable characteristics, such as incoming data format transparency, reduced cost of the components that comprise them as well as functional stability, which is ensured by the fact that the circuits are consisted of integrated optical switches and optical fibers of small lengths. According to these features, the proposed circuits constitute a set of trustful as well as effective solutions for next generation optical packet switched networks. The last section of the thesis provides a synopsis of the doctorate research activities with the respective results. In addition, some research attempts for the integration of more complex optical circuits, which will contain delay lines like the ones used in the Time Slot Interchanging circuit, are presented. Finally, the future of the all-optical systems is estimated and the contribution of the present doctorate thesis towards this direction is assessed.

Το βασικό κίνητρο της παρούσας διατριβής, ήταν η αξιοποίηση νέων, ισχυρά μη γραμμικών οπτικών ινών και πρόσφατα αναπτυγμένων τεχνολογιών οπτικής ολοκλήρωσης ευρείας κλίμακας για τη σχεδίαση και την υλοποίηση πολύπλοκων αμιγώς οπτικών υποσυστήματων που επιτελούν βασικές δικτυακές λειτουργίες ενός κόμβου μεταγωγής πακέτων. Στα επιδειχθέντα υποσυστήματα χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές αμιγούς οπτικής επεξεργασίας σήματος και η πειραματική τους υλοποίηση έγινε χρησιμοποιώντας ως δομικά στοιχεία οπτικές πύλες, τις οποίες αποτέλεσαν είτε οπτικές ίνες εμποτισμένες με οξείδιο του Βισμουθίου, είτε συμβολομετρικοί διακόπτες τύπου Mach-Zehnder, υβριδικά ολοκληρωμένοι σε τετραπλές συστοιχίες πάνω σε υπόστρωμα διοξειδίου του πυριτίου. Τα αμιγώς οπτικά υποσυστήματα που υλοποιήθηκαν πειραματικά επιτελούν λειτουργικές διεργασίες επιπέδων OSI 2 και 3 και περιγράφονται περιληπτικά στη συνέχεια. Έτσι, χρησιμοποιώντας αρχικά τον οπτικό συμβολομετρικό διακόπτη Μη Γραμμικό Συμβολόμετρο Υπερυψηλών Ταχυτήτων (UNI) και σαν μη-γραμμικό μέσο 0.8 m από μια ισχυρά μη γραμμική ίνα Οξειδίου του Βισμουθίου σχεδιάστηκε και προσομοιώθηκε ένας αμιγώς οπτικός 2x2 διακόπτης μεταγωγής. Το κύκλωμα προσομοιώθηκε με σήμα εισόδου οπτικά δεδομένα σε ταχύτητα μετάδοσης 40 Gb/s ενώ η χρήση μιας ισχυρά μη-γραμμικής ίνας για την διέγερση του μη-γραμμικού φαινομένου δίδει στο διακόπτη πλεονέκτημα έναντι εκείνων των διακοπτών που χρησιμοποιούν ημιαγωγούς αφού ο χρόνος απόκρισης που επιτυγχάνεται είναι μόλις μερικά fsec. Στη συνέχεια της διατριβής χρησιμοποιήθηκαν ολοκληρωμένοι οπτικοί διακόπτες ΜΖΙ τελευταίας τεχνολογίας για το σχεδίασμά και την υλοποίηση ενός αμιγώς οπτικού κυκλώματος αντιμετάθεσης χρονοσχισμών στα 10 Gb/s και ενός αμιγώς οπτικού κυκλώματος ανίχνευσης πακέτων δεδομένων στα 40 Gb/s. Το κύκλωμα αντιμετάθεσης χρονοσχισμών αποτελείται από σειριακά συνδεδεμένα στάδια καθυστέρησης, τα οποία αποτελούνται από ένα ρυθμιζόμενο μετατροπέα μήκους κύματος και γραμμές καθυστέρησης σταθερού μήκους. Για την πειραματική του υλοποίηση χρησιμοποιήθηκε μια τετραπλή συστοιχία οπτικών διακοπτών ΜΖΙ ολοκληρωμένων πάνω σε μια κοινή υβριδική πλατφόρμα. Το κύκλωμα πραγματοποίησε αντιμετάθεση τεσσάρων χρονοσχισμών και επέδειξε αλάνθαστη λειτουργία με σήμα εισόδου οπτικά πακέτα δεδομένων στα 40 Gb/s. Τέλος, το αμιγώς οπτικό κύκλωμα ανίχνευσης δεδομένων που υλοποιήθηκε πειραματικά επιτελεί ταυτόχρονα ανάκτηση ρολογιού και ανίχνευση πακέτων δεδομένων στα 40Gb/s. Πειραματικά αποτελέσματα αυτού του κυκλώματος, περιλαμβάνουν την εξαγωγής του προπορευόμενου παλμού από πακέτα δεδομένων διαφορετικού μήκους και καταπίεση των υπολοίπων παλμών κατά 8.7 dB. Τα κυκλώματα που υλοποιήθηκαν παρουσιάζουν χαρακτηριστικά όπως η διαφάνεια της λειτουργίας τους στο είδος των εισερχόμενων δεδομένων, το μειωμένο κόστος των στοιχείων που τα αποτελούν αλλά και η σταθερότητα στη λειτουργία τους, η οποία εξασφαλίζεται από το γεγονός ότι αποτελούνται από ολοκληρωμένους οπτικούς διακόπτες και μικρά μήκη οπτικών ινών. 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. Η διατριβή ολοκληρώνεται κάνοντας μία σύνοψη των αποτελεσμάτων της και παρουσιάζοντας κάποιες προσπάθειες που γίνονται για την ολοκλήρωση πιο σύνθετων οπτικών κυκλωμάτων τα οποία περιλαμβάνουν γραμμές καθυστέρησης όπως εκείνες που χρησιμοποιήθηκαν στο κύκλωμα αντιμετάθεσης χρονοσχισμών. Τέλος, γίνεται μια εκτίμηση για το μέλλον των αμιγώς οπτικών συστημάτων στις τηλεπικοινωνίες και γίνεται μια αποτίμηση της συνεισφοράς της παρούσας διατριβής προς την κατεύθυνση αυτή.