Φωτονικά συστήματα μεταγωγής και απόθήκευσης δεδομένων για ευρυζωνικά δίκτυα μεταγωγής πακέτων

Abstract

The main objective of this PhD thesis is the development of all-optical systems, based on integrated components, for processing, switching and storing of optical data. The fundamental building block of all the systems/subsystems that were developed in this study, was the Mach-Zehnder Interferometer. The developed systems, take full advantage of the benefits of all-optical processing, offering attractive attributes such as transparency in the data format and the data rate. Moreover, compared to the respective electronic circuits, they present much faster processing speeds, independency of the energy consumption from the operating rate and absence of electromagnetic interference. The development of such devices contributes greatly to the future adaptation of all-optical networks, in which, the use of electronic circuits will be avoided and all the functional processes will be handled in the optical layer. The first major issue that was studied in this thesis was the all-optical regeneration of a data signal during its transmission through the fiber. The various quality degradations that the signal exhibits are major constrains to the maximum transmission distance that can be reach and also to the maximum bit rate of the whole network. In this study, we designed and experimental evaluated a novel 2R regeneration concept based on SOA-MZIs for 10 Gb/s NRZ data. The ability for successive cascading of this circuit was tested in transmission loop experiments and proved that this regenerator design is capable of 4 times more cascades than the previously proposed designs. Moreover, we presented in this study the first experimental results obtained with a quadruple array of hybrid Mach-Zehnder Interferometer (MZI) switches. The processing power and multi-functionality of this array was demonstrated by implementing the front-end unit of an All-Optical Label Switching (AOLS) node that performs Clock and Data Recovery (CDR) and label/payload separation for 40Gb/s packet-mode traffic. Finally, within the frames of this thesis, we developed what we believe to be the first all-optical RAM cell with true Read and Write functionalities. The circuit operated error free at 5 Gb/s.

Ο κύριος σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη αμιγώς οπτικών κυκλωμάτων, βασισμένων σε ολοκληρωμένα στοιχεία, για την επεξεργασία, τη μεταγωγή και την αποθήκευση δεδομένων. Το βασικό δομικό στοιχείο όλων των κυκλωμάτων που υλοποιήθηκαν ήταν το συμβολόμετρο Mach-Zehnder (ΜΖΙ). Οι διατάξεις που υλοποιήθηκαν εκμεταλλεύονται πλήρως τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των φωτονικών στοιχείων από τα οποία αποτελούνται, προφέροντας διαφάνεια στο ρυθμό και την μορφή του εισερχόμενου σήματος δεδομένων. Ακόμα, παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των αντίστοιχων ηλεκτρονικών υλοποιήσεων, όπως υψηλή ταχύτητα επεξεργασίας, ανεξαρτησία της κατανάλωσης ισχύος από το ρυθμό μετάδοσης και απουσία ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής στην περίπτωση ολοκλήρωσης τους σε συστήματα στο δίκτυο. Η ανάπτυξη τέτοιου είδους κυκλωμάτων συντελεί σε μεγάλο βαθμό στην ώθηση των τεχνολογικών εξελίξεων προς την υλοποίηση αμιγώς οπτικών δικτύων. Το πρώτο σημαντικό πρόβλημα, που αντιμετωπίστηκε στα πλαίσια αυτής της διατριβής ήταν η αμιγώς οπτική αναγέννηση του σήματος δεδομένων κατά την μετάδοση του. Η υποβάθμιση της ποιότητας του σήματος αποτελεί σημαντικό περιοριστικό παράγοντα για την μέγιστη απόσταση διάδοσής του και περιορίζει ταυτόχρονα και τον μέγιστο ρυθμό λειτουργίας του δικτύου. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αναπτύξαμε ένα 2R κύκλωμα αναγέννησης το οποίο δοκιμάστηκε επιτυχώς σε ρυθμό λειτουργίας 10 Gb/s, παρουσιάζοντας αξιοσημείωτα καλύτερες επιδόσεις από τις προϋπάρχουσες συνδεσμολογίες. Το δεύτερο σημαντικό πρόβλημα στο οποίο εστιάσαμε ήταν η εξαγωγή της επικεφαλίδας και ο διαχωρισμός της από το φορτίο του πακέτου καθώς και η 3R αναγέννησή του τελευταίου κατά την είσοδό του στον κόμβο δρομολόγησης, έτσι ώστε το περιεχόμενό της επικεφαλίδας να μπορεί να επεξεργαστεί από το επόμενο υποσύστημα του κόμβου και να αναγνωριστεί ο τελικός προορισμού του πακέτου. Τέλος, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής παρουσιάσαμε την πρώτη αμιγώς οπτική μονάδα μνήμης άμεσης προσπέλασης.