Ψηφιακά και αμιγώς οπτικά κυκλώματα ίνας για επεξεργασία οπτικού σήματος σε υπερυψηλές ταχύτητες

Abstract

Σκοπός της διατριβής αυτής είναι η ανάπτυξη της τεχνολογικής πλατφόρμας για την δημιουργία αμιγώς οπτικών δικτύων, all-optical networks τύπου WDM/OTDM. Για τη δημιουργία αυτών των δικτύων απαιτούνται νέα οπτικά κυκλώματα όπου η επεξεργασία σήματος θα γίνεται στο οπτικό πεδίο και θα αποφεύγεται οποιαδήποτε μετατροπή στο ηλεκτρικό πεδίο. Κατά την διάρκεια της διατριβής υλοποιήθηκαν πολλές πειραματικές διατάξεις και πραγματοποιήθηκαν αρκετά πειράματα. Σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε μια πρωτότυπη κοιλότητα λέιζερ δακτυλίου και χρησιμοποιήθηκε επιτυχώς για την ανάπτυξη μια σειράς από οπτικά ινο-οπτικά κυκλώματα. Τα κυκλώματα αυτά χρησιμοποιήθηκαν για την επίδειξη αμιγώς οπτικής αποπολυπλεξίας σε συχνότητες 20 και 30Gb/s. Η διατριβή χωρίζεται σε 8 κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας παρατίθεται ένα εισαγωγικό σημείωμα σχετικά με την τεχνολογία που έχει αναπτυχθεί στον τομέα των οπτικών επικοινωνιών. Η τεχνολογία των οπτικών ινών και κυκλωμάτων αναπτύσσεται ραγδαία. Το κόστος κατασκευής μειώνεται και τα οπτικά δομοστοιχεία γίνονται εμπορικώς διαθέσιμα. Αποτέλεσμα είναι το κόστος εγκατάστασης οπτικών ινών και WDM/OTDM εξοπλισμού γίνεται πλέον ανταγωνιστικό των συνδέσεων xDSL, cable modems.. Η ρυθμοδότηση των πειραμάτων μετάδοσης ξεπέρασαν πλέον τα lOTb/s μέσα από μια μόνο ίνα. Γίνεται πλέον προφανές ότι η τεχνολογία των ενσύρματων δικτύων κατευθύνεται ταχύτατα στη μετάδοση οπτικών σημάτων έναντι ηλεκτρικών με αποφυγή οποιασδήποτε μετατροπής από το ένα πεδίο στο άλλο. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η δομή των οπτικών κόμβων τύπου ΟTDM/WDM που ήδη έχουν αναπτυχθεί ή αναμένεται να αναπτυχθούν στο κοντινό μέλλον για την μεταγωγή και επεξεργασία του σήματος με οπτικό τρόπο. Καθορίζονται επίσης οι λειτουργικές προδιαγραφές των κυκλωμάτων που θα σχεδιαστούν και υλοποιηθούν. Τα περισσότερα κυκλώματα βασίζονται σε πια πρωτότυπη σχεδίαση ενός λέιζερ δακτυλίου, κατά την οποία χρησιμοποιείται ένας οπτικός ενισχυτής ημιαγωγού για τη παροχή κέρδους και διαμόρφωσης πλάτους μέσα σε οπτική κοιλότητα. Στο τρίτο κεφάλαιο δίνονται οι βασικές μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν τα δυναμικά φαινόμενα οπτικών ημιαγωγών και αναπτύσσεται ένα κβαντικό μοντέλο που θεωρεί τον ημιαγωγό σαν ένα κβαντομηχανικό σύστημα δύο ενεργειακών επιπέδων, των οπτικών ενισχυτών. Η μαθηματική ανάλυση καταλήγει σε ένα σύστημα εξισώσεων το οποίο και λύνεται αναλυτικά στο πεδίο του χρόνου στη περίπτωση διάδοσης οπτικών παλμών μέσα στον ημιαγωγό. Τέλος διεξήχθησαν πειραματικές μετρήσεις χαρακτηρισμού ημιαγωγών διαφορετικού μήκους και τύπου. Οι ημιαγωγοί χαρακτηρίστηκαν ως προς τις βασικές λειτουργικές τους παραμέτρους και από την σύγκριση των μετρήσεων χρήσιμα συμπεράσματα εξήχθησαν κυρίως ως προς το μήκος του ημιαγωγού που θα χρησιμοποιηθεί στα οπτικά συστήματα που κατασκευάστηκαν στο εργαστήριο. Στη συνέχεια στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται οι βασικές αρχές που διέπουν την λειτουργία των λέιζερ δακτυλίου ίνας. Συγκεκριμένα, στην πρώτη ενότητα παρουσιάζεται ο μηχανισμός παραγωγής της ακτινοβολίας λέιζερ στο εσωτερικό της κοιλότητας δακτυλίου ίνας. Στην συνέχεια ακολουθεί η περιγραφή των διαφόρων τεχνικών εγκλείδωσης (mode locking) των διαδιδόμενων ρυθμών και εξετάζεται διεξοδικά η τεχνική της ενεργής εγκλείδωσης (active mode locking) η οποία και χρησιμοποιείται στα οπτικά συστήματα που κατασκευάστηκαν στη διάρκεια της διατριβής. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη πρωτοποριακή τεχνική που εφαρμόστηκε στο λέιζερ δακτυλίου που κατασκευάστηκε. Η ενεργή εγκλείδωση των ρυθμών της κοιλότητας επετεύχθη με αμιγώς οπτικό τρόπο γεγονός που επιτρέπει παραγωγή οπτικών μεγαλύτερης συχνότητας επανάληψης και αποφυγή ακριβών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων υψηλών ταχυτήτων. Στη συνέχεια ένα μαθηματικό μοντέλο αναπτύσσεται που περιγράφει τη τεχνική αυτή οπτική εγκλείδωση ρυθμών και τέλος παρουσιάζεται η κοιλότητα λέιζερ που θα κατασκευαστεί. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η πηγή λέιζερ δακτυλίου που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο φωτονικών επικοινωνιών. Η λειτουργία της στηρίζεται στην εγκλείδωση ρυθμών της οπτικής κοιλότητας με αντίστοιχη παραγωγή οπτικών παλμών. Ο μέγιστος ρυθμός επανάληψης που επιτεύχθηκε ήταν 80GHz με ιδανικά χαρακτηριστικά για μετάδοσης σε δίκτυα τύπου OTDM. Το λέιζερ που αναπτύχθηκε χαρακτηρίστηκε ως προς τις βασικές παραμέτρους λειτουργίας της. Αρχικά περιγράφεται και χαρακτηρίζεται η διάταξη εισόδου που χρησιμοποιήθηκε και έπειτα η κύρια διάταξη και η οποία χαρακτηρίστηκε σε συνεχή (CW) και παλμική λειτουργία. Επίσης μετρήθηκε το οπτικό εύρος ζώνης λειτουργίας, το ελάχιστο χρονικό εύρος παλμών εξόδου και η εξάρτηση της λειτουργίας της πηγής από το είδος και το μήκος του ημιαγωγού. Τα δομοστοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν χαρακτηρίστηκαν αναλυτικά. Τέλος η πηγή χαρακτηρίστηκε ποιοτικά, ελέγχοντας τη σταθερότητα της σε συνθήκες εργαστηρίου όσον αφορά τη πόλωση και τη θερμοκρασία. Τέλος κατασκευάστηκε και δεύτερη πηγή αποκλειστικά από δομικά στοιχεία που διατηρούν τη πόλωση (polarization maintaining). Για τη πηγή αυτή μετρήθηκε επίσης και η στιγμιαία ολίσθηση φάσης (jitter) με τη χρήση μιας 40GHz φωτοδιόδου και μικροκυματικού φασματογράφου. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η υλοποίηση μιας οπτικής πολυκυματικής πηγής με δυνατότητα ταυτόχρονης εκπομπής υψίρυθμων mode-locked παλμοσειρών σε δέκαδιαφορετικά μήκη κύματος. Η ανάπτυξη της πηγής στηρίζεται στην χρήση ενός οπτικού ενισχυτή ημιαγωγού για την παραγωγή της οπτικής ακτινοβολίας και στην πρώτη ενότητα περιγράφονται τα βήματα που οδήγησαν στην επιλογή του συγκεκριμένου στοιχείου. Κάθε κανάλι είχε ρυθμό επανάληψης 30GHz και η πηγή παρουσίαζε συνολική ρυθμοδότηση 300Gb/s. Επίσης λόγω του ότι βασικό δομικό στοιχείο της διάταξης είναι ένα οπτικό φίλτρο τύπου F-P, κρίθηκε σκόπιμο να αφιερωθεί μια ενότητα του κεφαλαίου για την περιγραφή των αρχών λειτουργίας των φίλτρων αυτού του τύπου. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με την αναλυτική παρουσίαση της πειραματικής διαδικασίας χαρακτηρισμού του συστήματος. Στο έβδομο κεφάλαιο αυτό επιδεικνύεται οπτική ανάκτηση αμιγώς οπτικού ρολογιού από ψευδό-τυχαία συνάρτηση δεδομένων ταχύτητας 30Gbps. Το κύκλωμα που χρησιμοποιήθηκε για την ανάκτηση του οπτικού ρολογιού βασίζεται στην διαμόρφωση του κέρδους ενός ημιαγώγιμου οπτικού ενισχυτή (Semiconductor Optical Amplifier), μέσα σε laser δακτυλίου. Η οπτική παλμοσειρά, του ανακτημένου οπτικού ρολογιού, αποτελείται από παλμούς χρονικού εύρους 2.7 picosecond, με πολύ μικρή διαμόρφωση πλάτους ακόμα και στην περίπτωση που η ψευδοτυχαία ακολουθία δεδομένων εισόδου περιέχει 200 συνεχόμενα μηδενικά. Τα τελευταία χρόνια έχουν σημειωθεί ιδιαίτερες προσπάθειες για την επίδειξη και ανάπτυξη οπτικών δικτύων μεγάλης χωρητικότητας βασισμένα τόσο στην πολυπλεξία οπτικών καναλιών (WDM) όσο και στην χρονική πολυπλεξία, καθώς ακόμα και προσπάθειες υλοποίησης ψηφιακών, αμιγώς οπτικών κυκλωμάτων υπερ-υψηλών ταχυτήτων. Για την επίτευξη συγχρονισμού των δεδομένων στις παραπάνω εφαρμογές είναι υψίστης σημασίας η ικανότητα δημιουργία ενός οπτικού ρολογιού ακόμα στην περίπτωση ύπαρξης θορύβου φάσης, τυχαίας χρονικής ολίσθησης (jitter), στα δεδομένα εισόδου. Οπτικά κυκλώματα ανάκτησης ρολογιού έχουν αναπτυχθεί από πολλές ερευνητικές ομάδες και έχουν ήδη παρουσιαστεί στο δεύτερο κεφάλαιο. Τέλος στο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια εκτεταμένη εφαρμογή σχεδίασης και υλοποίησης ενός πρότυπου κόμβου OTDM για αποπολυπλεξία οπτικού σήματος σε υπερ-υψηλές ταχύτητες. Στη υλοποίηση χρησιμοποιήθηκαν τα οπτικά κυκλώματα που σχεδιάστηκαν. Επιδεικνύονται αποτελέσματα οπτικής αποπολυπλεξίας σε ταχύτητες μέχρι και lOGb/s. Η σχεδίαση και υλοποίηση οπτικού κόμβου αποτελεί παγκόσμια πρωτοτυπία και η επεξεργασία του σήματος γίνεται στο οπτικό πεδίο. Τέλος στο ένατο κεφάλαιο συνοψίζονται τα αποτελέσματα που ελήφθησαν κατά την διάρκεια της εκπόνησης της παρούσης διδακτορικής διατριβής και προτείνονται σημεία τα οποία θα μπορούσαν να αποτελέσουν αντικείμενο περαιτέρω έρευνας. Τα βασικά δομοστοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν για τη κατασκευή των κυκλωμάτων αυτών ήταν ινοοπτικά στοιχεία που είναι ευρέως διαθέσιμα. Για αυτό το λόγο και τα κυκλώματα που θα αναλυτικά παρουσιάζονται στη εργασία αυτή διακρίνονται για τη μικρή πολυπλοκότητα και τη ευκολία στη αναπαραγωγή των πειραμάτων.