Σύμφωνοι οπτικοί πομποδέκτες δυναμικών φασματικών χαρακτηριστικών για εφαρμογές σε ευέλικτα οπτικά δίκτυα υψηλής χωρητικότητας

Abstract

Today's society may well be seen as the "information society", which is characterized by the relentless need to serve higher-capacity telecommunication networks to meet users' needs to the fullest extent possible for the unimpeded use of broadband services (applications of social media , high definition television, online gaming, etc.). Until now, the demands of these applications for increasing use of the available bandwidth of networks are largely met by previous generation optical networks. Although the conventional techniques in the field of optical communications that concerned all the stages of generating and transmitting data streams used in Legacy optical networks had dominated the past years, the truth is that in the coming years they will not be able to cope the ever-growing bandwidth demand for the new broadband services of the modern era. Recent forecasts for broadband interconnectivity indicate that over the five-year period 2016-2021 the annual growth rate of global telecommunications traffic will be around 24% reaching a total of 3.3 Zettabytes in 2021. The ever-increasing demand for as much bandwidth as possible is not the only factor triggering the need for a new era to emerge in the implementations of modern optical networks. An equally important factor is the dynamic and volatile profile of data traffic that characterizes modern telecommunication networks. The emergence of cloud computing, the exponential growth of mobile applications and the relentless demand for high-definition video services have instigated this massive explosion generating at the same time a more dynamic and volatile data traffic profile, rendering the past network deployments scarce and inadequate to satisfy the new capacity demand. In addition, the explosion observed in the increase in the number of mobile devices such as smart phones and tablets feeds yet another change in the Internet access way, once more the data traffic from these wireless devices that has an inherently dynamic profile prevails as to the commitment of network resources compared to wired communications devices.Therefore, weighing all the above factors, Telecom providers are oriented towards introducing more and more dynamically the concept of flexibility in terms of the modulation schemes that an optical transceiver will handle and how it will be distributed the available bandwidth. The previous generation conventional grid networks so far tend to be abandoned by the trend which is widely adopted in high-capacity networks to require dynamic adaptation of the available bandwidth of networks to lead to flexible optical network (EON) implementations that will can be controlled remotely by software defined networking (SDN). Within these research frameworks, the European research community, outlining the above-mentioned requirements and needs, and following modern trends that require flexible telecommunications networks, announces collaborative research projects. Through cooperative research programs, it is possible for organizations such as universities, research centers and companies to collaborate and interact by exchanging know-how in the field of their specialization in order to meet the needs of the content defined by the research community. This PhD dissertation was conducted in the framework of the European research program SPIRIT (Software-defined energy-efficient photonic transceivers introducing intelligence and dynamics in terabit super-channels for flexible optical networks), a partnership of specialized collaborators with a proven track record in the field of optical network architecture and applications , software-defined networking (SDN), design and evaluation of flexible optical systems, digital signal processing (DSP), photon integration and packaging. The SPIRIT team of partners was set up in such a way as to achieve a perfect balance between partners from the academic and industrial sectors. The consortium of the SPIRIT program consists of the Photonic Communications Laboratory of the National Technical University of Athens, one of the leading universities in the field of optical signal processing and communication systems design (ICCS / NTUA), as well as two of the largest and most recognized European institutes (Fraunhofer-HHI) and the design of electronic systems and opto-electronic integration (IMEC). In addition, the SPIRIT team of partners includes a European silicon manufacturing institute (AMO), a specialist with long experience in photon integration and opto-packaging (TEO), one of the world's largest suppliers of telecommunication equipment and one of the largest providers of Telecommunication Networks in Southern Europe (OTE). An essential and cornerstone of the SPIRIT program's objectives was the Photonics Communications Laboratory (PCRL) of the NTUA, which was the coordinator of the project, exploiting its long experience in coordinating corresponding major European programs. The PCRL's role was not limited only to the coordination of the project but also contributed decisively to the architecture of the proposed solution of the flexible optical transmitter with the capability of coherent transmission and data acquisition in cooperation with the other partners of the project. The proposed solution aimed at 50% reduction in both energy consumption and the cost of producing channel transmitters for 1 Tbit / s as well as 85% reduction of the chip's footprint. In addition, PCRL has been actively involved in the design of the couplers (rings, couplers, waveguides, MZM) that formed the backbone of the silicon chip of the SPIRIT optical transmitter, parameter setting, simulation and final evaluation of opto-electronic elements such as drivers, segmented modulator and MUX / DEMUX to evaluate their performance and redesign them where necessary. Furthermore, a portfolio of digital signal processing algorithms (DSPs) has been developed at PCRL to evaluate the reception and demodulation of coherent signals. Finally, PCRL actively participated in the experimental evaluation of the flexible optical transmitter and the MUX / DEMUX prototype both in a laboratory environment and in an actual data transmission and reception environment (Ericcson Italia). The diversity of partners in the SPIRIT consortium was deliberately chosen to reflect the multi-science of the individual milestones set as objectives of the program. HHI had an excellent collaboration with PCRL and IMEC to define specifications, design of individual optoelectronic elements, and finally build IQ SEMZM with a maximum resolution of 5 bits per I / Q arm that is the heart of the flexible optical transmitter. In addition, HHI contributed substantially to the design of the drivers manufactured by IMEC, exploiting its long experience in CMOS electronics. In addition, AMO is a company that offered its integration expertise on an SOI board of silicon structures that will act as thermoregulatory filters of variable spectral content and wavelength filters. The packaging of the flexible optical transmitter, which includes all opto-electronic interconnections, optoelectronic board development, thermal simulations for the individual elements as well as fiber placement will be taken over by TEO. In addition, TEI - Ericcson provided its facilities and equipment for conducting experiments to transmit DWDM information under real 40 Gb / s conditions and actively participated in the determination of the scenarios assessed. Finally, OTE, with its long course as one of the leading telecommunication providers, participated in the determination of the parameters to be evaluated regarding the scenarios that were implemented both for the assessment of the prototypes in a laboratory environment and in a field environment. Within the framework of cooperation between SPIRIT partners, the PhD thesis was divided into two parts, namely the experimental evaluation of the MUX / DEMUX with the capability of flexible adaptation of its spectral content as well as the characterization of the innovative IQ SEMZM capable of creating multi- level signals formed both in width and phase without the presence of an external DAC. In the first part of this dissertation there is presented an innovative multiplexer /de- multiplexer on a silicon platform (SOI) for flexible mesh applications, which will play a decisive role in the implementation of the flexible transmitter. The entire step chain began with the design and simulations of the flexible filtering elements based on 2nd order MRs (micro-racetracks) with built-in MZI between the two micro-ring cavities and the subsequent experimental evaluation of the performance of these elements. This experimental evaluation was initially carried out in an array of flexible filtering elements in chip scale, reaching the crown of this dissertation, which was the experimental characterization of the packaged MUX / DEMUX. Each sub-MR of the 2nd order micro-racetrack structure can be thermally tuned and thus its wavelength resonance can be individually controlled. Moreover, the design of the filtering element as is already mentioned incorporates a symmetric Mach-Zehnder Interferometer between the two sub-MRs that serves as a variable splitting ratio optical coupler. The MZI is equipped with thermo-optical phase shifters in each branch, allowing the regulation of the power coupled between the two resonant cavities and thus making the bandwidth reconfigurability of the structure feasible. More specifically, the capability of the flexible filtering elements to dynamically alter both their bandwidth and their real-time resonant wavelength using a micro-heater has been evaluated to make them suitable for use in flexible mesh network applications (necessary variation between 12.5 GHz and 35 GHz).In the second part of this PhD dissertation, a thorough analysis of the function and characteristics of an IQ InP segmented modulator has been completed on a silicon platform together with a low energy demand electronic CMOS technology driver. The IQ segmented modulator is the backbone of the flexible optical transmitter performing an innovative feature of this optical-DAC. In the majority of cases, IQ modulators capable of generating QAM signals are combined with high-speed DACs and the use of digital signal processing algorithms (DSPs), which contributes to both the overall size of the transmitter and its energy consumption, making them inefficient for applications where the aforementioned parameters are considered critical. Increased voltage requirements for integrated circuits (ICs) contribute significantly to increasing the energy consumption of today's transceivers, with this figure expected to rise above 50% in the next generation. Therefore, there is a clear need to reduce total energy consumption and the concomitant use of DACs. The IQ SEMZM modulator presented in the thesis has adopted an innovative design model using an array of low energy consumption drivers that, with appropriate fittings, lead to reduced driving voltage (Vp) requirements. Additionally, the proposed structure of the conformational optical transmitter does not use a digital to analogue (DAC) electrical converter, thus performing the operation of a 5-bit optical-DAC per I / Q arm. Additionally, mature CMOS electronics technology is used, characterized by the need for low drive voltage on the electrodes of the segmented modulator as well as low power consumption. In the final part of this dissertation are presented the results of the experimental evaluation of the flexible optical transmitter including BER measurements and eye diagram of the multi-level signals (modulated both in amplitude and in phase) generated by the flexible optical transmitter with CMOS drivers of both 1st and 2nd generation. System performance evaluation of the SPIRIT’s single transmitter was carried out in a testbed developed by ICCS/NTUA in collaboration with researchers from HHI and IMEC.

Η σημερινή κοινωνία μπορεί κάλλιστα να λογισθεί ως η "κοινωνία της πληροφορίας" η οποία χαρακτηρίζεται από την ολοένα και αυξανόμενη ανάγκη εξυπηρέτησης τηλεπικοινωνιακών δικτύων μεγαλύτερης χωρητικότητας για να ικανοποιηθούν στον μέγιστο δυνατό βαθμό οι ανάγκες των χρηστών για απρόσκοπτη χρήση ευρυζωνικών υπηρεσιών (εφαρμογές των μέσων κοινωνικής δικτύωσης, η τηλεόραση υψηλής ευκρίνειας, το on-line gaming κ.α). Μέχρι σήμερα οι απαιτήσεις των εφαρμογών αυτών για όλο και περισσότερη χρήση του διαθέσιμου εύρους ζώνης των δικτύων, ικανοποιούνται σε ένα μεγάλο βαθμό από οπτικά δίκτυα προηγούμενης γενιάς. Παρά το γεγονός ότι οι συμβατικές τεχνικές στον τομέα των οπτικών επικοινωνιών που αφορούσαν όλα τα στάδια της δημιουργίας και μετάδοσης ροών δεδομένων που χρησιμοποιούνται σε Legacy οπτικά δίκτυα είχαν κυριαρχήσει τα προηγούμενα χρόνια, η αλήθεια είναι ότι τα επόμενα χρόνια δεν θα είναι σε θέση να ανταπεξέρθουν στην συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση εύρους ζώνης για τις καινούριες υπηρεσίες ευρυζωνικότητας της σύγχρονης εποχής. Πρόσφατες προβλέψεις για την ευρυζωνική συνδεσιμότητα αναφέρουν ότι την πενταετία 2016-2021 ο ετήσιος ρυθμός ανάπτυξης της παγκόσμιας τηλεπικοινωνιακής κίνησης θα είναι της τάξης του 24% αγγίζοντας συνολικά τα 3.3 Zettabyte το 2021. Η ολοένα και αυξανόμενη ζήτηση για όσο το δυνατό περισσότερο διαθέσιμο εύρος ζώνης δεν αποτελεί τον μοναδικό παράγοντα που πυροδοτεί την ανάγκη για να αναδυθεί μια νέα εποχή στις υλοποιήσεις των σύγχρονων οπτικών δικτύων. Εξίσου σημαντικό παράγοντα διαδραματίζει το δυναμικό και ευμετάβλητο προφίλ της κίνησης δεδομένων που χαρακτηρίζουν τα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι η ζήτηση για video υψηλής ευκρίνειας στο διαδίκτυο, για τα οποία απαιτείται ένα τεράστιο διαθέσιμο εύρος ζώνης για να διαχειριστεί το ευμετάβλητο προφίλ της κίνησης που τα χαρακτηρίζει, αναμένεται αυξηθεί εκθετικά τα επόμενα χρόνια έως το 2020. Επιπλέον, η έκρηξη που παρατηρείται ως προς την αύξηση του αριθμού των κινητών συσκευών όπως τα smart phones και tablets τροφοδοτεί μια ακόμα αλλαγή στον τρόπο πρόσβασης στο διαδίκτυο μιας και πλέον η κίνηση δεδομένων από τις ασύρματες αυτές συσκευές η οποία έχει ένα εγγενώς δυναμικό προφίλ κυριαρχεί ως προς την δέσμευση πόρων δικτύων σε σχέση με τις συσκευές ενσύρματων επικοινωνιών. Σταθμίζοντας λοιπόν όλους τους παραπάνω παράγοντες οι Τηλεπικοινωνιακοί πάροχοι προσανατολίζονται στο να εισαγάγουν ολοένα και περισσότερο και με πιο δυναμικό τρόπο την έννοια της ευελιξίας τόσο ως προς τα σχήματα διαμόρφωσης τα οποία θα χειρίζεται ένας οπτικός πομποδέκτης (transceiver) όσο και στον τρόπο με τον οποίο θα κατανέμεται το διαθέσιμο εύρος ζώνης. Τα μέχρι τώρα συμβατικά δίκτυα σταθερού πλέγματος της προηγούμενης γενιάς τείνουν να εγκαταλειφθούν με την τάση η οποία υιοθετείται κατά κόρον στα δίκτυα υψηλής χωρητικότητας να επιτάσσει τη δυναμική προσαρμογή του διαθέσιμου εύρου ζώνης των δικτύων ώστε να οδηγηθούμε σε υλοποιήσεις ευέλικτων οπτικών δικτύων (ΕΟΝ) τα οποία θα μπορούν να ελέγχονται απομακρυσμένα με κατάλληλα προγράμματα λογισμικών (software defined networking - SDN). Μέσα σε αυτά τα ερευνητικά πλαίσια η ευρωπαϊκή ερευνητική κοινότητα αντιλαμβανόμενη τις προαναφερθείσες απαιτήσεις και ανάγκες και ακολουθώντας τις σύγχρονες τάσεις που επιτάσσουν υλοποιήσεις ευέλικτων τηλεπικοινωνιακών δικτύων, προκηρύσσει συνεργατικά ερευνητικά προγράμματα. Μέσω των συνεργατικών ερευνητικών προγραμμάτων δίνεται η δυνατότητα σε φορείς όπως είναι τα πανεπιστήμια, ερευνητικά κέντρα καθώς και εταιρείες να συνεργαστούν και να αλληλεπιδράσουν, ανταλλάσσοντας τεχνογνωσία που κατέχουν στο πεδίο της εξειδίκευσής τους με σκοπό την ικανοποίηση των αναγκών των θεματικών ενοτήτων που έχουν ορισθεί από την ερευνητική κοινότητα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος SPIRIT (Software-defined energy-efficient photonic transceivers introducing intelligence and dynamicity in terabit super channels for flexible optical networks) που αποτέλεσε σύμπραξη εξειδικευμένων συνεργατών με αποδεδειγμένο ιστορικό στον τομέα της αρχιτεκτονικής οπτικών δικτύων και των εφαρμογών, των τεχνικών software-defined networking (SDN), τον σχεδιασμό και την αξιολόγηση ευέλικτων οπτικών συστημάτων, την επεξεργασία ψηφιακού σήματος (digital signal processing - DSP), της φωτονικής ολοκλήρωσης και του packaging. Η συγκρότηση της ομάδας συνεργατών του προγράμματος SPIRIT πραγματοποιήθηκε με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτυγχάνεται ισορροπία μεταξύ των εταίρων που προέρχονται από τον ακαδημαϊκό και βιομηχανικό κλάδο. Το consortium του προγράμματος SPIRIT αποτελείται από το εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών (ΕΦΕ) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου ενός εκ των κορυφαίων πανεπιστημιακών ινστιτούτων στον τομέα της επεξεργασίας οπτικών σημάτων και σχεδιασμού συστημάτων επικοινωνίας (ICCS / NTUA) καθώς και δύο από τα μεγαλύτερα και πιο αναγνωρισμένα ευρωπαϊκά ινστιτούτα στον τομέα της κατασκευής φωτονικών δομών (Fraunhofer-HHI) και του σχεδιασμού των ηλεκτρονικών συστημάτων και οπτο-ηλεκτρονικής ολοκλήρωσης (IMEC). Επιπλέον, στην ομάδα των συνεργατών του SPIRIT συμμετέχουν ένα ευρωπαϊκό ινστιτούτο κατασκευής δομών πυριτίου (ΑΜΟ), μια εταιρεία εξειδικευμένη και με μακρά εμπειρία στην φωτονική ολοκλήρωση και το packaging οπτικών συστημάτων (TEO), ένας από τους ισχυρότερους προμηθευτές τηλεπικοινωνιακού υλικού παγκοσμίως (ΤΕΙ) καθώς και ένας από τους μεγαλύτερους παρόχους Τηλεπικοινωνιακών δικτύων στην Νότια Ευρώπη (ΟΤΕ). Καθοριστικό και ακρογωνιαίο λίθο στην υλοποίηση των στόχων του προγράμματος SPIRIT διαδραμάτισε το εργαστήριο Φωτονικών επικοινωνιών ΕΜΠ που αποτέλεσε τον συντονιστή του έργου εκμεταλλευόμενο την μακρά εμπειρία που κατέχει στον συντονισμό αντίστοιχων μεγάλων ευρωπαϊκών προγραμμάτων. Ο ρόλος του ΕΦΕ δεν περιορίστηκε όμως μόνο στον συντονισμό του έργου αλλά συνεισέφερε καθοριστικά στην διαμόρφωση της αρχιτεκτονικής της προτεινόμενης λύσης του ευέλικτου οπτικού πομπού με δυνατότητα σύμφωνης (coherent) μετάδοσης και λήψης δεδομένων σε συνεργασία με τους υπόλοιπους φορείς του έργου. Η προτεινόμενη λύση είχε ως στόχο την μείωση κατά 50% τόσο της ενεργειακής κατανάλωσης όσο και του κόστους παραγωγής των οπτικών πομπών για κανάλια ως 1Τbit/s καθώς και μείωση κατά 85% του συνολικού μεγέθους (footprint) του chip. Επιπρόσθετα, το ΕΦΕ συμμετείχε ενεργά στον σχεδιασμό των οπτο-ηλεκτρονικών στοιχείων (rings, couplers, waveguides, MZM) που αποτέλεσαν την ραχοκοκαλιά του silicon chip του οπτικού πομπού του SPIRIT, τον καθορισμό των παραμέτρων, στην διενέργεια προσομοιώσεων καθώς και στην τελική αξιολόγηση οπτο-ηλεκτρονικών στοιχείων όπως οι drivers, ο segmented modulator και ο MUX/DEMUX με σκοπό την αξιολόγηση της απόδοσης τους και τον επανασχεδιασμό τους όπου κρίνεται απαραίτητο. Επιπλέον, στο ΕΦΕ αναπτύχθηκε ένα portfolio από αλγορίθμους εξεργασίας ψηφιακών σημάτων (DSP) για την αξιολόγηση της λήψης και αποδιαμόρφωσης σύμφωνων σημάτων. Τέλος, συμμετείχε ενεργά στην πειραματική αξιολόγηση των πρωτότυπου ευέλικτου οπτικού πομπού και του MUX/DEMUX τόσο σε εργαστηριακό περιβάλλον (ΕΦΕ) όσο και σε περιβάλλον πραγματικής μετάδοσης και λήψης δεδομένων (Ericcson Italia). Η ποικιλομορφία των εταίρων του consortium του SPIRIT επιλέχθηκε σκοπίμως ώστε να αντικατοπτρίζεται η πολυ-επιστημονικότητα των επιμέρους milestones που έχουν τεθεί ως στόχοι του προγράμματος. Το HHI είχε μια άρρηκτη συνεργασία με τον ΕΦΕ και το IMEC για τον καθορισμό των προδιαγραφών, τον σχεδιασμό των επιμέρους οπτο-ηλεκτρονικών στοιχείων και τέλος την κατασκευή του IQ SEMZM με δυνατότητα μέγιστης ανάλυσης 5 bits ανά βραχίονα I/Q που αποτελεί την καρδιά του ευέλικτου οπτικού πομπού [5.10]. Επιπλέον, το ΗΗΙ συνεισέφερε με ουσιαστικό τρόπο στον σχεδιασμό των ηλεκτρικών διατάξεων οδήγησης (drivers) τους οποίους κατασκεύασε το IMEC εκμεταλλευόμενο την μακρά του εμπειρία σε CMOS electronics. Η ΑΜΟ με την σειρά της είναι μια εταιρεία που προσέφερε την τεχνογνωσία της στην ολοκλήρωση (integration) πάνω σε ένα SOI board δομών πυριτίου που λειτουργούν ως φίλτρα μεταβλητού φασματικού περιεχομένου και μήκους κύματος ελεγχόμενα με θερμό-οπτικό τρόπο. Το packaging του ευέλικτου οπτικού πομπού που περιλαμβάνει όλες τις οπτο-ηλεκτρονικές διασυνδέσεις, ανάπτυξη του οπτο-ηλεκτρονικού board, θερμικές προσομοιώσεις για τα επιμέρους στοιχεία καθώς και την τοποθέτηση ινών τα αναλάβει η εταιρεία TEO. Επιπλέον, η εταιρεία ΤΕΙ - Ericcson παρείχε τις εγκαταστάσεις της και τον εξοπλισμό της για την διενέργεια πειραμάτων για μετάδοση πληροφορίας DWDM σε συνθήκες πραγματικής μετάδοσης δεδομένων ταχύτητας 40 Gb/s ενώ συμμετείχε ενεργά και στον καθορισμό των σεναρίων που αξιολογήθηκαν. Τέλος, ο ΟΤΕ με την μακρά του πορεία ως ένας από τους κυρίαρχους παρόχους Τηλεπικοινωνιών συμμετείχε στον καθορισμό των προς αξιολόγηση παραμέτρων σχετικά με τα σενάρια που υλοποιήθηκαν τόσο για την αξιολόγηση των πρωτοτύπων σε εργαστηριακό περιβάλλον όσο και σε περιβάλλον πεδίου. Μέσα στο πλαίσιο συνεργασίας μεταξύ των εταίρων του προγράμματος SPIRIT εκπονήθηκε η παρούσα διδακτορική διατριβή οποία χωρίζεται σε δύο μέρη και πιο συγκεκριμένα στην πειραματική αξιολόγηση του MUX/DEMUX με δυνατότητα ευέλικτης προσαρμογής του φασματικού του περιεχομένου καθώς του χαρακτηρισμού του καινοτόμου IQ SEMZM με δυνατότητα δημιουργίας multi-level σημάτων διαμορφωμένα τόσο στο πλάτος όσο και στην φάση χωρίς την παρουσία εξωτερικού DAC. Στο πρώτο μέρος λοιπόν αυτής της διατριβής παρουσιάζεται ένα καινοτόμο στοιχείο πολυπλεξίας/από-πολυπλεξίας σε πλατφόρμα πυριτίου (SOI) για εφαρμογές ευέλικτου πλέγματος το οποίο θα διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην προσέγγιση της υλοποίησης του ευέλικτου πομπού. Παρουσιάστηκε αναλυτικά όλη η αλυσίδα βημάτων τα οποία ξεκίνησαν από τον σχεδιασμό και τις προσομοιώσεις των ευέλικτων στοιχείων φιλτραρίσματος που βασίστηκαν σε 2ης τάξεως MRs (micro-racetracks) με ενσωματωμένο MZI ανάμεσα στις δύο κοιλότητες των μικρό-δακτυλίων μέχρι τον πειραματική αξιολόγηση της απόδοσης των στοιχείων αυτών. Η πειραματική αξιολόγηση αυτή πραγματοποιήθηκε σε πρώτη φάση σε μια συστοιχία ευέλικτων φίλτρων ολοκληρωμένων σε επίπεδο τσιπ φτάνοντας στην κορωνίδα της παρούσας διατριβής που ήταν ο πειραματικός χαρακτηρισμός του packaged MUX/DEMUX. Πιο συγκεκριμένα αξιολογήθηκε η ικανότητα που επιδεικνύουν τα ευέλικτα στοιχεία φιλτραρίσματος σε επίπεδο τσιπ να μεταβάλλουν δυναμικά τόσο το εύρος ζώνης τους όσο και το μήκος κύματος συντονισμού τους σε πραγματικό χρόνο με την χρήση micro-heater γεγονός που τα καθιστά κατάλληλα για χρησιμοποίηση σε εφαρμογές δικτύων ευέλικτου πλέγματος (απαραίτητη διακύμανση μεταξύ 12.5 GHz και 35 GHz). Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται η ενδελεχείς πειραματική αξιολόγηση της απόδοσης του packaged 16x1 MUX/DEMUX πρωτοτύπου που είναι συμβατός με τα πρότυπα ευέλικτου πλέγματος (flexible-grid compliant) και πραγματοποιήθηκε στις εγκαταστάσεις του ΕΦΕ. Ο πειραματικός χαρακτηρισμός του πρωτοτύπου ήταν πολύπλευρος αξιολογώντας την λειτουργία του σε σενάρια 2x1 MUX, 1x2 DEMUX και PolMUX κάτω από ρεαλιστικές συνθήκες μετάδοσης της πληροφορίας. Επιπλέον, εκτός από τις λειτουργίες πολυπλεξίας-αποπλυπλεξίας άξια αναφοράς αναδεικνύεται ακόμα η καινοτόμα δυνατότητα πολυπλεξίας πόλωσης πάνω στο τσιπ (on chip polarization multiplexing) παρουσιάζοντας πειραματικά αποτελέσματα ομόδυνης λήψης (intradyne reception) με την χρήση σύμφωνου δέκτη ενός 24 Gbaud QPSK σήματος πολυπλεγμένο ως προς την πόλωση. Ο σχεδιασμός και η κατασκευή του MUX/DEMUX αποτέλεσε μια από τις πρώτες καινοτόμες υλοποιήσεις για την δημιουργία και διαχείριση υπερ-καναλιών (super-channels) κίνησης δεδομένων σε δίκτυα ευέλικτου πλέγματος. Στην βιβλιογραφία η μέχρι τώρα προσπάθειες για πολυπλεξία/ από-πολυπλεξία super-channels σε multi-channel transceivers είτε δεν επιδεικνύουν δυνατότητα ευέλικτης προσαρμογής της φασματικής απόστασης των καναλιών είτε βασίζονται σε free-space οπτικά συστήματα με MEMS και LCOs που απαιτούν υψηλή κατανάλωση ενέργειας και μεγάλο αποτύπωμα (footprint). Αντίθετα, η υλοποίηση του MUX/DEMUX που παρουσιάζεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή χρησιμοποιώντας τα 2ης τάξεως MRs (micro-racetracks) με ενσωματωμένο MZI καταφέρνουν να εξασφαλίσουν μικρό footprint, κατασκευή σε πλατφόρμα πυριτίου ενώ προσφέρουν δυνατότητες δυναμικής μεταβολής των φασματικών τους χαρακτηριστικών καθιστώντας τον MUX/DEMUX ως τον καταλληλότερο υποψήφιο για τις υλοποιήσεις δεκτών ευέλικτου πλέγματος της επόμενης γενιάς. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε μια ενδελεχής ανάλυση της λειτουργίας και των χαρακτηριστικών ενός IQ segmented Mach-Zehnder modulator τεχνολογίας InP ο οποίος έχει ολοκληρωθεί σε πλατφόρμα πυριτίου μαζί με έναν χαμηλών ενεργειακών απαιτήσεων ηλεκτρονικό driver τεχνολογίας CMOS. Ο IQ segmented modulator αποτελεί την ραχοκοκαλιά του ευέλικτου οπτικού πομπού επιτελώντας μια καινοτόμα λειτουργία αυτή του οπτικού-DAC. Στην πλειοψηφία των περιπτώσεων οι ΙQ διαμορφωτές που έχουν την δυνατότητα δημιουργίας QAM σημάτων συνδυάζονται με υψηλής ταχύτητας DACs και την χρήση αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας σήματος (DSP) γεγονός που συντελεί στην αύξηση τόσο του συνολικού μεγέθους του πομπού όσο και της ενεργειακής του κατανάλωσης καθιστώντας τους αναποτελεσματικούς για εφαρμογές όπου οι προαναφερθείσες παράμετροι θεωρούνται κρίσιμες. Οι αυξημένες απαιτήσεις για τάσης οδήγησης (Vπ voltage drive) των ολοκληρωμένων ηλεκτρικών κυκλωμάτων (integrated circuit -IC) συνεισφέρει καθοριστικά στην αύξηση της ενεργειακής κατανάλωσης των σημερινών πομποδεκτών με το ποσοστό αυτό να αναμένεται να αυξηθεί πάνω από το 50 % στις υλοποιήσεις της επόμενης γενιάς. Επομένως, καθίσταται σαφής η ανάγκη για μείωση της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης και την συνακόλουθη χρήση των DACs. Ο IQ SEMZM που παρουσιάζεται που παρουσιάζεται στην διατριβή έχει υιοθετήσει ένα καινοτόμο σχεδιαστικό μοντέλο χρησιμοποιώντας μια συστοιχία από drivers μικρής ενεργειακής κατανάλωσης που με τις κατάλληλες τυποποιήσεις οδηγούν στο να μειωθούν οι απαιτήσεις για τάση οδήγησης (Vπ). Επιπλέον, στην προτεινόμενη δομή του σύμφωνου οπτικού πομπού δεν χρησιμοποιείται ηλεκτρικός μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό σήμα (DAC) επιτελώντας συνακόλουθα την λειτουργία ενός οπτικού-DAC με δυνατότητα ανάλυσης 5 bits ανά βραχίονα I/Q. Επιπρόσθετα, γίνεται χρήση της ώριμης τεχνολογίας CMOS ηλεκτρονικών που χαρακτηρίζεται από την ανάγκη για μικρή τάση οδήγησης στα ηλεκτρόδια του segmented modulator καθώς και τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (power consumption). Η λειτουργία του ευέλικτου πομπού αξιολογήθηκε μέσω μιας σειράς προσομοιώσεων για την μετάδοση σημάτων έως και DP 32 QAM για ρυθμούς μετάδοσης της τάξης των 28 Gbaud και 32 Gbaud σε απόσταση που φτάνει τα 50 km που πραγματοποιήθηκαν ώστε να εξομοιωθούν οι συνθήκες μετάδοσης πεδίου δοκιμών στο περιφερειακό δίκτυο τηλεφωνικών κλήσεων του ΟΤΕ. Στο τελικό στάδιο της παρούσας διατριβής παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πειραματικής αξιολόγησης του ευέλικτο οπτικό πομπό που περιλαμβάνουν καμπύλες, μετρήσεις BER και διαγράμματα οφθαλμών των multi-level σημάτων (σταθμών διαμορφωμένα τόσο κατά πλάτος με σχήματα διαμόρφωσης: NRZ, PAM-4, PAM-8 όσο και κατά φάση με σχήματα διαμόρφωσης: PSK και QPSK) που δημιουργούνται από τον ευέλικτο οπτικό πομπό με τους CMOS drivers τόσο της 1ης αλλά και της 2ης γενιάς.