Πολυμερική τεχνολογία διαμορφωτών και σχεδίαση οπτικών κόμβων για υψίρρυθμες και ευέλικτες οπτικές διασυνδέσεις εντός και μεταξύ υπολογιστικών κέντρων

Abstract

In today's world, use of telecommunications as well as the sector itself are inextricably linked to the everyday life of man, aiming at improving his own life. To this end, recent advances in smart devices, mobile voice and data services, cloud data, large file transfer and the Internet of Things have contributed to an exponential increase in traffic requirements globally, resulting in a tripling of global IP traffic between 2015 and 2021. Consequently, these requirements have led to an increasing use of the available bandwidth of networks, in order to fully meet the increasing needs by using only optical networks, which are the only solution to serve such requirements. And this is because the satisfaction of the capacity requirements depends on two factors. Firstly, there is a dependence on the capacity of the interfaces for communication and transfer of data within the data centers, and secondly on their transfer between remote data centers, taking into account efficiency as well as low cost.Based on the current data, interfaces within data centers use 10 and 40 Gb/s interfaces with on-off-keying (OOK) format and wavelength division multiplexing (WDM), while Ethernet switches will adopt connections 100 Gb/s, making it necessary to use high-speed optical technologies. In this context, the objective should focus on the development of integrated optical solutions that will allow simple, direct switching from 10 Gb/s data rates to 40 Gb/s and ultimately to 100 Gb/s or even higher speeds 400 Gb/s), while reducing the physical size of the devices and power consumption to fully meet current requirements.In this general picture, it should be taken into account that peak Internet traffic times are growing faster than average online traffic, suggesting that network capacity requirements are evolving into ever greater and more dynamic, resulting in the weight in the core network dropping through the input/output elements (edge switches), which correspond to the interfaces between data centers. In order for data of such size to be accommodated, state-of-the-art edge switches are now equipped with multiple interfaces, each with 10, 40, 100 or even 400 Gb/s of total capacity. However, the increasing number of services very soon leads to data flows that can reach transmission rates of up to 1 Tb/s, so these interfaces need to be upgraded and support similar capacities to keep pace. Consequently, the current applications based on 100 Gb/s dual-polarization Quadrature Phase Shift Keying (DP-QPSK) seem already obsolete. This dictates that the next transition from 100 Gb/s to 400 Gb/s and further to 1 Tb/s Quadrature Amplitude Modulation (QAM) based optical line cards is imperative for the immediate future, also taking into account the flexibility in managing this capacity in order to simplify network design and optimize the sharing of valuable resources such as fiber optic lines and network optical interfaces. So far, the flexibility of the optical transceivers (Tx/Rx interfaces) has been taken into account mainly in the context of point-to-point optical connections in a flexible grid environment, and in the case of the application of single and multiple carriers as the ability of the transceivers to adjust the transmission rate, modulation format, configuration format, transmission reach available and wavelength allocation of the transmitted signals. The factors currently hindering the development of ultra-high-speed transceivers of the order of 100 Gb/s and multi-flow transmitters with terabit capacities is the absence of a flexible combination of integration platforms that can make available high-performance photonic and electronic circuits for ultra-high speed with gigabit and terabit capacity. In accordance with the above-mentioned requirements and needs, this PhD dissertation is divided into two parts, namely high-speed optical interfaces employing optical transmitters inside data centers as well as the corresponding flexible for interconnections between data centers, both based on the technology of the optical polymers. Optical polymers are a new and promising material technology for optical communications, presenting optical structures both active with extremely high electro-optical response (EO-response) for the development of Mach-Zehnder interferometers and passive capabilities to implement complex photonic routing networks to support multiflow transceiver circuits. Consequently, the first part of this dissertation focuses on the use and properties of the polymeric electro-optical platform for the development of interferometric transmitters capable of modulating input signals with TM mode of up to 100 Gb/s as well as in the study of modulation technology using NRZ-OOK format.This particular optical polymer takes precedence over the other integration platforms as it exhibits an extremely fast electro-optical response with a 3-dB bandwidth > 65 GHz for optical Mach-Zehnder modulation structures. Accordingly, based on the hybrid integration of a distributed feedback laser structure inverted by 90 degrees with the EO polymer Mach-Zehnder modulator, an integrated transmitter is implemented in combination with the use of a 100 Gb/s electrical data multiplexing and driving circuit on the InP-DHBT platform. This integrated optical transmitter was designed and built within the framework of the European research project POLYSYS, aiming to upgrade and increase data communication system capacity by providing integration technology for simple 100 Gb/s rack-to-rack and chip-to-chip connectivity. Its evaluation was achieved through laboratory experiments at the National Technical University of Athens with NRZ-OOK modulation format demonstrating error-free operation for transmission rates of 80, 90 and 100 Gb/s.The second part of this thesis is related to the demonstration and development of flexible optical transceivers and the flexible optical nodes with terabit capacity and flexibility in the definition of optical flows, wavelength allocation, number of subcarriers, polarization sliceability and m-QAM modulation format targeting elastic optical networks and more specifically metropolitan and core segments. The implementation of flexible multiflow optical transceivers is based on hybrid integration of the passive polymer low loss integration platform (PolyBoard) for the development of complex optical routing circuits with the InP photonic technology and is combined with EO IQ-MZ modulators and high-speed electronic circuits in InP-DHBT in order to produce multiple optical flows up to 64 Gbaud. These optical flows can transfer data to a variable wavelength and type of m-QAM modulation (m = 4, 16, 64) depending on the transmission distance and the volume of signal data, further increasing the total capacity through selection of the polarization, using a developed software control in labview and FPGA. For first time this capability of choosing the type of polarization (single or dual) is given by a flexible multiflow transceiver, achieving a doubling of the final capacity.At the same time, based on the flexible multiflow transceivers, a colorless and directionless optical node was designed and developed to fully exploit the capability of multiple flows, which implemented using wavelength selective switches. This system was evaluated in laboratory conditions demonstrating dynamic operation with m-QAM modulation format up to 28 Gbaud and error-free coherent transmission over 100 km of standard single-mode fiber (SSMF).

Στον σημερινό κόσμο η χρήση καθώς και ο ίδιος ο τηλεπικοινωνιακός τομέας είναι άρρηκτα συνδεδεμένα με την καθημερινή ζωή του ανθρώπου, αποσκοπώντας στην βελτίωση της ίδιας της ζωής. Προς αυτό τον σκοπό, έχουν συμβάλλει η πρόσφατη πρόοδος σε έξυπνες συσκευές, οι κινητές υπηρεσίες φωνής και δεδομένων, το cloud – computing, ο μεγάλος όγκος μεταφοράς αρχείων και η εμφάνιση του διαδικτύου των πραγμάτων (Internet of Things) οδηγώντας κατ’ επέκταση σε εκθετική αύξηση των απαιτήσεων κίνησης δεδομένων σε παγκόσμιο επίπεδο, με αποτέλεσμα τον τριπλασιασμό της παγκόσμιας κυκλοφορίας IP στο διάστημα από 2015 έως 2021. Συνεπώς, οι απαιτήσεις αυτές οδηγούν σε ολοένα και περισσότερη χρήση του διαθέσιμου εύρους ζώνης των δικτύων με αποτέλεσμα να μην μπορούν να ικανοποιηθούν πλήρως οι αυξανόμενες ανάγκες παρά μόνο με τη χρήση των οπτικών δικτύων μετάδοσης δεδομένων, τα οποία αποτελούν την μοναδική λύση προς την εξυπηρέτηση τέτοιων απαιτήσεων. Και αυτό συμβαίνει διότι η ικανοποίηση των απαιτήσεων της χωρητικότητας εξαρτάται από δύο παράγοντες. Κατά πρώτον, εντοπίζεται εξάρτηση από την χωρητικότητα των διασυνδέσεων για την επικοινωνία και την μεταφορά των δεδομένων εντός των υπολογιστικών κέντρων και κατά δεύτερον στη μεταφορά αυτών μεταξύ απομακρυσμένων υπολογιστικών κέντρων, λαμβάνοντας υπόψη την αποτελεσματικότητα και το χαμηλό κόστος. Με βάση τα τωρινά δεδομένα, οι διασυνδέσεις εντός των υπολογιστικών κέντρων δεδομένων χρησιμοποιούν διεπαφές 10 και 40 Gb/s με σχήμα διαμόρφωσης πλάτους δύο επιπέδων (on-off keying, OOK) και χρήση πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (wavelength division multiplexing, WDM), ενώ οι μεταγωγείς Ethernet θα υιοθετήσουν συνδέσεις 100 Gb/s καθιστώντας αναγκαία τη χρήση οπτικών τεχνολογιών υψηλής ταχύτητας. Σε αυτό το πλαίσιο, ο στόχος θα πρέπει να επικεντρωθεί στην ανάπτυξη ολοκληρωμένων οπτικών λύσεων που θα επιτρέψουν την απλή, άμεση μετάβαση από ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων 10 Gb/s σε 40 Gb/s και τελικά σε 100 Gb/s ή ακόμα σε μεγαλύτερους ρυθμούς (π.χ. 400 Gb/s), ενώ παράλληλα θα οδηγήσουν στη μείωση του φυσικού μεγέθους των συσκευών και της κατανάλωσης ενέργειας, ώστε να ικανοποιηθούν πλήρως οι σύγχρονες απαιτήσεις. Σε αυτή τη γενική εικόνα θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν ότι οι ώρες αιχμής της διαδικτυακής κυκλοφορίας αυξάνονται ταχύτερα από ό,τι η μέση διαδικτυακή κίνηση, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι απαιτήσεις για τη χωρητικότητα του δικτύου εξελίσσονται σε όλο και πιο μεγάλες και δυναμικές, με αποτέλεσμα να πέφτει το βάρος στο δίκτυο κορμού μέσω των στοιχείων εισόδου/εξόδου (διακόπτες ακρών), τα οποία αντιστοιχούν στις διασυνδέσεις μεταξύ υπολογιστικών κέντρων. Για να εξυπηρετηθεί αυτό το μέγεθος των δεδομένων, οι διακόπτες ακρών τελευταίας τεχνολογίας είναι εξοπλισμένοι σήμερα με πολλαπλές διεπαφές, κάθε μια με 10, 40, 100 ή ακόμα και 400 Gb/s συνολικής χωρητικότητας. Εντούτοις όμως, ο αυξανόμενος αριθμός των υπηρεσιών οδηγεί πολύ σύντομα σε ροές δεδομένων που μπορούν να αγγίζουν ρυθμούς μετάδοσης μέχρι 1 Tb/s, με αποτέλεσμα αυτές οι διεπαφές να πρέπει να αναβαθμιστούν και να υποστηρίζουν παρόμοιες χωρητικότητες προκειμένου να συμβαδίζουν. Συνεπώς, οι τρέχουσες εφαρμογές 100G βασισμένες στη διπλή πόλωση διαμόρφωση μετατόπισης φάσης με ορθογωνισμό (DP-QPSK) φαίνονται ήδη ξεπερασμένες. Αυτό υπαγορεύει ότι η επόμενη μετάβαση από 100 Gb/s σε 400 Gb/s και περαιτέρω προς το 1Tb/s οπτικών καρτών γραμμής βασισμένων στην υψηλότερη τετραγωνισμένη διαμόρφωση πλάτους (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) είναι επιτακτική για το άμεσο μέλλον, λαμβάνοντας υπόψη και την ευελιξία στη διαχείριση αυτής της χωρητικότητας προκειμένου να απλοποιηθεί ο σχεδιασμός του δικτύου και να βελτιστοποιηθεί ο διαμοιρασμός πολύτιμων πόρων όπως οι γραμμές των οπτικών ινών και οι οπτικές διασυνδέσεις του δικτύου. Μέχρι στιγμής, η ευελιξία των οπτικών πομποδεκτών (διεπαφές Tx/Rx πολλαπλών ροών) έχει ληφθεί υπόψιν κυρίως στα πλαίσια των οπτικών συνδέσεων από σημείο σε σημείο σε ένα ευέλικτο περιβάλλον πλέγματος και στην περίπτωση της εφαρμογής μεμονωμένων και πολλαπλών φερόντων ως δυνατότητα των πομποδεκτών να προσαρμόσουν το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων, το σχήμα διαμόρφωσης, την εφικτή απόσταση μετάδοσης και την κατανομή του μήκους κύματος των μεταδιδόμενων σημάτων. Οι παράγοντες που εμποδίζουν σήμερα την ανάπτυξη πομποδεκτών υπερ-υψηλών ταχυτήτων της τάξεως των 100 Gb/s καθώς και των πομποδεκτών πολλαπλών ροών με χωρητικότητες terabit είναι η απουσία ενός ευέλικτου συνδυασμού πλατφορμών ολοκλήρωσης που μπορεί να κάνει διαθέσιμά υψηλής απόδοσης φωτονικά και ηλεκτρονικά κυκλώματα για λειτουργία υπερ-υψηλής ταχύτητας με χωρητικότητα gigabit και terabit.Εναρμονιζόμενη με τις προαναφερθείσες απαιτήσεις και ανάγκες, η παρούσα διδακτορική διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη και πιο συγκεκριμένα στις υψίρρυθμες οπτικές διασυνδέσεις με χρήση οπτικών πομπών εντός υπολογιστικών κέντρων δεδομένων καθώς και των αντίστοιχων ευέλικτων για διασυνδέσεις μεταξύ υπολογιστικών κέντρων δεδομένων, στηριζόμενες και οι δύο στην τεχνολογία οπτικών πολυμερών. Τα οπτικά πολυμερή αποτελούν μια νέα και πολλά υποσχόμενη τεχνολογία υλικών για τις οπτικές επικοινωνίες, παρουσιάζοντας οπτικές δομές, τόσο ενεργές με εξαιρετικά υψηλή ηλεκτρο-οπτική απόκριση (EO response) για τη χρήση σε συμβολομετρικές διατάξεις διαμόρφωσης τύπου Mach-Zehnder, όσο και παθητικές ικανές να υλοποιούν πολύπλοκα οπτικά δίκτυα δρομολόγησης του φωτός για την υποστήριξη κυκλωμάτων πομποδεκτών πολλαπλών ροών. Κατ’ επέκταση, το πρώτο μέρος αυτής της διατριβής εστιάζει στη χρήση και στις ιδιότητες της πολυμερικής ηλεκτρο-οπτικής πλατφόρμας για την κατασκευή συμβολομετρικών πομπών ικανών να διαμορφώσουν οπτικά σήματα εισόδου με εγκάρσιους μαγνητικούς ρυθμούς ΤΜ μέχρι τα 100 Gb/s καθώς και στη μελέτη της τεχνολογίας σχημάτων απευθείας διαμόρφωσης με χρήση NRZ-OOK.Το συγκεκριμένο οπτικό πολυμερές υπερισχύει έναντι των υπολοίπων οπτικών πλατφορμών ολοκλήρωσης καθότι παρουσιάζει εξαιρετικά ταχεία ηλεκτρο-οπτική απόκριση, με αναλογικό εύρος ζώνης > 65 GHz για οπτικές δομές διαμόρφωσης Mach-Zehnder. Συνεπώς, με βάση τον πολυμερικό ηλεκτρο-οπτικό διαμορφωτή Mach-Zehnder και την υβριδική ολοκλήρωση μιας ενεργής δομής λέιζερ ανάδρασης ανεστραμμένη κατά 90ο μοίρες υλοποιείται ένας ολοκληρωμένος πομπός σε συνδυασμό με την χρήση ηλεκτρονικού κυκλώματος πολυπλεξίας και ενίσχυσης δυαδικών σημάτων τελικού παραγόμενου ρυθμού 100 Gb/s κατασκευασμένου στην πλατφόρμα InP-DHBT. Αυτός ο ολοκληρωμένος οπτικός πομπός σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στα πλαίσια της ερευνητικής ευρωπαϊκής συνεργασίας POLYSYS, στοχεύοντας στην αναβάθμιση και την αύξηση της χωρητικότητας των δεδομένων των επικοινωνιακών συστημάτων παρέχοντας μια τεχνολογία ολοκλήρωσης για απλή σειριακή 100 Gb/s rack-to-rack και chip-to-chip συνδεσιμότητα. Η αξιολόγησή του επιτεύχθηκε μέσω εργαστηριακών πειραμάτων επίδειξης στο Εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών (Ε.Φ.Ε) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου με σχήμα διαμόρφωσης NRZ-OOK παρουσιάζοντας επιτυχή λειτουργία χωρίς λάθη για ρυθμούς μετάδοσης 80, 90 και 100 Gb/s. Το δεύτερο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής σχετίζεται με την παρουσίαση και την ανάπτυξη ευέλικτων οπτικών πομποδεκτών καθώς και των ευέλικτων οπτικών κόμβων με χωρητικότητα terabit και ευελιξία ως προς τον ορισμό των οπτικών ροών, την κατανομή των μηκών κύματος, τον αριθμό των υποφερόντων, την δυνατότητα επιλογής της πόλωσης και τη διαμόρφωση ανώτερης τάξης m-QAM με στόχο τα ελαστικά οπτικά δίκτυα και πιο συγκεκριμένα τα τμήματα του δικτύου που αφορούν το μητροπολιτικό τμήμα και το τμήμα του πυρήνα του δικτύου. Η ανάπτυξη των ευέλικτων οπτικών πομποδεκτών πολλαπλών ροών στηρίζεται στην υβριδική ολοκλήρωση της παθητικής πολυμερικής πλατφόρμας ολοκλήρωσης χαμηλών απωλειών (PolyBoard) για την δημιουργία πολύπλοκων οπτικών κυκλωμάτων δρομολόγησης με την φωτονική τεχνολογία InP και συνδυάζεται με ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές ορθογωνιότητας IQ-MZM και ηλεκτρονικά κυκλώματα σε InP-DHBT με σκοπό την παραγωγή ταυτόχρονα πολλαπλών οπτικών ροών έως 64 Gbaud. Αυτές οι οπτικές ροές μπορούν να μεταφέρουν πληροφορία σε μεταβλητό μήκος κύματος και τύπο διαμόρφωσης m-QAM (m = 4, 16, 64) ανάλογα με την απόσταση μετάδοσης και τον όγκο των δεδομένων του σήματος, αυξάνοντας ακόμα περισσότερο τη συνολική χωρητικότητα μέσω επιλεκτικότητας στην πόλωση, χρησιμοποιώντας ένα ανεπτυγμένο λογισμικό καθορισμένης οπτικής (software defined optics, SDO) σε labview και FPGA. Για πρώτη φορά δίνεται αυτή η δυνατότητα της επιλογής του είδους της πόλωσης (μονής ή διπλής) από ένα ευέλικτο πομποδέκτη πολλαπλών ροών, επιτυγχάνοντας διπλασιασμό της τελικής χωρητικότητας.Παράλληλα, έχοντας ως βάση τους ευέλικτους πομποδέκτες πολλαπλών ροών σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε οπτικός κόμβος με ευελιξία στο μήκος κύματος (colorless) και στην κατεύθυνση (directionless) ικανός να εκμεταλλευτεί πλήρως τις δυνατότητες των πολλαπλών ροών, ο οποίος υλοποιήθηκε με χρήση των επιλεκτικών μεταγωγέων μήκους κύματος (wavelength selective switches, WSS). Το συγκεκριμένο σύστημα αξιολογήθηκε σε εργαστηριακές συνθήκες παρουσιάζοντας δυναμική λειτουργία με m-QAM σχήματα διαμόρφωσης ως 28 Gbaud και σύμφωνη μετάδοση χωρίς λάθη μετά από 100 km μονότροπης οπτικής ίνας.