Τεχνικές ψηφιακής επεξεργασίας σήματος με εφαρμογή σε σύμφωνους οπτικούς πομποδέκτες και δυναμικά δίκτυα υψηλής χωρητικότητας

Abstract

This thesis explores the application of digital signal processing techniques in the field of coherent optical transceivers and high-capacity dynamic networks. The initial focus of the study is on the implementation of digital signal processing subsystems within a coherent optical transceiver. A comprehensive set of algorithms are presented and implemented into a signal processing platform capable of transmitting and receiving higher-order optically modulated signals. In addition, innovative algorithms for optical carrier frequency and phase recovery are analyzed and devised. Furthermore, the thesis investigates the integration of the signal processing platform into a prototype coherent optical transceiver, utilizing the Photonics Communications Research Laboratory infrastructure. Extensive evaluation of the performance of digital algorithms, in conjunction with real optical transceiver hardware and optical link infrastructure, is conducted, placing particular emphasis on assessing their effectiveness and robustness. The subsequent phase of the research focuses on the integration process of the prototype optical transceiver and the signal processing platform within a broader and holistic dynamic optical network architecture. Through a series of experiments and demonstrations conducted in both laboratory settings and in Telecom Italia's backbone network topologies, the study showcases the seamless operation of the developed harmonic optical transceiver in scenarios involving automation and dynamic network operations. Finally, the thesis explores the future directions of high-capacity optical networks, highlighting the anticipated advancements and technological synergies necessary to achieve these developments.

Η παρούσα διατριβή έχει τίτλο «Τεχνικές ψηφιακής επεξεργασίας σήματος με εφαρμογή σε σύμφωνους οπτικούς πομποδέκτες και δυναμικά δίκτυα υψηλής χωρητικότητας». Αρχικά, παρουσιάζονται τα υποσυστήματα ψηφιακής επεξεργασίας σήματος ενός σύμφωνου οπτικού πομποδέκτη και υλοποιούνται οι κατάλληλοι αλγόριθμοι μια πλήρους πλατφόρμας εκπομπής και λήψης οπτικά διαμορφωμένων σημάτων ανώτερης τάξης. Επίσης, αναλύονται και αναπτύσσονται καινοτόμοι αλγόριθμοι ανάκτησης συχνότητας και φάσης του οπτικού φέροντος. Η διατριβή επικεντρώνεται στην ενσωμάτωση της πλατφόρμας επεξεργασίας σήματος που υλοποιήθηκε σε έναν πρότυπο σύμφωνο οπτικό πομποδέκτη, ο οποίος αναπτύχθηκε με βάση την υποδομή του Εργαστηρίου Φωτονικών Επικοινωνιών του ΕΜΠ. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην αξιολόγηση της επίδοσης των ψηφιακών αλγορίθμων σε συνδυασμό με το πραγματικό hardware οπτικού πομποδέκτη και την υποδομή οπτικών ζεύξεων. Ακολούθως, παρουσιάζεται η διαδικασία ενοποίησης του πρότυπου οπτικού πομποδέκτη και της αλγοριθμικής πλατφόρμας ψηφιακής επεξεργασίας σήματος εντός μίας ευρύτερης και ολιστικής αρχιτεκτονικής δυναμικού οπτικού δικτύου. Μέσω μια σειράς πειραμάτων και επιδείξεων τόσο σε εργαστηριακές συνθήκες όσο και σε τοπολογίες ζεύξεων κορμού στο δίκτυο της Telecom Italia, του μεγαλύτερου τηλεπικοινωνιακού παρόχου της Ιταλίας, επιδεικνύεται η εύρυθμη λειτουργία του αναπτυχθέντος σύμφωνου οπτικού πομποδέκτη σε σενάρια αυτοματοποίησης και δυναμικής λειτουργίας ενός δικτύου. Τέλος, αναφέρονται οι κατευθύνσεις στις οποίες θα κινηθούν τα οπτικά δίκτυα υψηλής χωρητικότητας κατά τα επόμενα χρόνια, ενώ έμφαση δίνεται και στις τεχνολογικές αναβαθμίσεις και συνέργειες με τις οποίες θα επιτευχθεί η εξέλιξη αυτή.