ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ. Γεώργιος Τ.

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Ανίχνευση Περιβάλλουσας Οπτικών Πακέτων εδοµένων για Βελτιστοποίηση Μεταγωγής και Αποφυγή Σύγκρουσης Πακέτων στους Πίνακες Μεταγωγής Αµιγώς Οπτικών Κόµβων ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Γεώργιος Τ. Πιτσιλαδής Επιβλέπων : Ηρακλής Αβραµόπουλος Αν. Καθηγητής Ε.Μ.Π. Αθήνα, Ιούλιος 2006

2

3 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕΤΑ ΟΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Ανίχνευση Περιβάλλουσας Οπτικών Πακέτων εδοµένων για Βελτιστοποίηση Μεταγωγής και Αποφυγή Σύγκρουσης Πακέτων στους Πίνακες Μεταγωγής Αµιγώς Οπτικών Κόµβων ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Γεώργιος Τ. Πιτσιλαδής Επιβλέπων : Ηρακλής Αβραµόπουλος Αν. Καθηγητής Ε.Μ.Π. Εγκρίθηκε από την τριµελή εξεταστική επιτροπή την 10 η Ιουλίου Η. Αβραµόπουλος Αν. Καθηγητής Ε.Μ.Π.... Ν. Ουζούνογλου Καθηγητής Ε.Μ.Π.... Ι. Βενιέρης Αν. Καθηγητής Ε.Μ.Π. Αθήνα, Ιούλιος

4 ... Γεώργιος Τ. Πιτσιλαδής ιπλωµατούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π. Copyright Γεώργιος Τ. Πιτσιλαδής, Με επιφύλαξη παντός δικαιώµατος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανοµή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τµήµατος αυτής, για εµπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανοµή για σκοπό µη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν µήνυµα. Ερωτήµατα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συµπεράσµατα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερµηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσηµες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εκπόνηση της παρούσης διπλωµατικής εργασίας έλαβε χώρα κατά την περίοδο στο Εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου υπό την επίβλεψη του Αναπληρωτή Καθηγητή και ιευθυντή του Εργαστηρίου κ. Ηρακλή Αβραµόπουλου και του υποψήφιου διδάκτορα Κώστα Βυρσωκινού. Κατά την διάρκεια αυτής της περιόδου πραγµατοποιήθηκε εκ µέρους µου ένα σύνολο από προσοµοιώσεις σχετικές µε διατάξεις που εµπίπτουν στα ερευνητικά πλαίσια του Εργαστηρίου Φωτονικών Επικοινωνιών και φυσικά απασχολούν ευρύτερα την φωτονική τεχνολογία. Αξίζει να τονιστεί η αµέριστη καθοδήγηση, συµπαράσταση και βοήθεια του υποψήφιου διδάκτορα Κώστα Βυρσωκινού τόσο κατά την πραγµατοποίηση των προσοµοιώσεων όσο και κατά την συγγραφή της παρούσης διπλωµατικής εργασίας. Τον ευχαριστώ θερµά για την συνολική του προσφορά και του εύχοµαι ότι καλύτερο στην δική του ακαδηµαϊκή και επαγγελµατική σταδιοδροµία. Ένα µεγάλο ευχαριστώ στον Αναπληρωτή καθηγητή κ. Ηρακλή Αβραµόπουλο για την δυνατότητα που µου πρόσφερε να πραγµατοποιήσω την διπλωµατική µου στο Εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών και φυσικά για το συνεχές ενδιαφέρον του αλλά και την παρότρυνση που µου έδωσε κατά την διάρκεια υλοποίησης της διπλωµατικής. Θέλω επίσης να ευχαριστήσω όλα τα µέλη του Εργαστηρίου Φωτονικών Επικοινωνιών της Σχολής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Η/Υ του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου για την συµπαράσταση και τις γνώσεις που µου πρόσφεραν απλόχερα όλον αυτόν τον καιρό. Ιδιαίτερα ευχαριστώ τον υποψήφιο διδάκτορα Λεόντη Σταµπουλίδη για την σηµαντική καθοδήγησή του, τον Νικόλαο Πλέρο του οποίου η διδακτορική διατριβή περιέχει απαραίτητες πληροφορίες για την υλοποίηση της παρούσης διπλωµατικής και την Μόνικα Ξενίκου που πραγµατοποίησε παράλληλα µε εµένα την δικής της διπλωµατική. εν θα µπορούσα να µην ευχαριστήσω όλους τους φίλους µου, για την κατανόηση και συµπαράσταση που έδειξε ο καθένας µε το δικό του τρόπο. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαιτέρως τους πολυαγαπηµένους µου γονείς, Τζάννο και Νίνα, την αδελφή µου Μαρία και φυσικά τις δύο µου γάτες για την υποµονή και συµπαράσταση που δείχνουν τόσα χρόνια. Ένα τελευταίο ευχαριστώ πάλι στον πολύ καλό φίλο και εµπνευστή αυτής της διπλωµατικής Κώστα Βυρσωκινό

6 - 4 -

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Εισαγωγή Είδη υπηρεσιών και προδιαγραφές ενός ιδανικού δικτύου Ιστορική αναδροµή και οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς Τα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς Τα µελλοντικά οπτικά δίκτυα τρίτης γενιάς Αµιγώς Οπτικά ίκτυα Μεταγωγής Πακέτων (All-Optical Packet Switched Networks Αµιγώς Οπτικά ίκτυα Μεταγωγής Ετικέτας (All-Optical Label Switched Networks) Αµιγώς Οπτικά ίκτυα Μεταγωγής Πακέτων Εκρηκτικής Ροής (All- Optical Burst Switched Networks Τεχνολογία Οπτικών ικτύων Μεταγωγής Πακέτων Σκοπός και δοµή της διπλωµατικής -23- ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΤΩΝ ΙΑΤΑΞΕΩΝ 2.1 Εισαγωγή Το Μach Zehnder συµβολόµετρο Οπτικός συµβολοµετρικός διακόπτης Συνάρτηση µεταφοράς ισχύος του οπτικού συµβολόµετρο Το συµβολόµετρο Mach-Zehnder (Mach-Zehnder Interferometer) µε ηµιαγώγιµο οπτικό ενισχυτή-soa Χαρακτηριστικά Mach Zehnder συµβολόµετρου Ηµιαγώγιµοι ενισχυτές SOAs οµή των ηµιαγώγιµων οπτικών ενισχυτών Αρχή λειτουργίας και βασικά χαρακτηριστικά Ενίσχυση οπτικού σήµατος και κέρδος του ενισχυτή Κέρδος ασθενούς σήµατος Κορεσµένο κέρδος του SOA υπό την επίδραση CW σήµατος Κορεσµός του SOA από βραχύ οπτικό παλµό Χρονική σταθερά ανάκαµψης φορέων είκτης διάθλασης του SOA ιάδοση δύο οπτικών σηµάτων σε SOA Το φίλτρο Fabry Perot Το πρόγραµµα προσοµοίωσης Μέθοδος προσοµοίωσης του SOA στο πρόγραµµα VPI Παράµετροι των SOAs που χρησιµοποιήθηκαν Παράµετροι στην πλευρά του δέκτη

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜACH ZEHNDER ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΟΥ 3.1 Εισαγωγή Θεωρητικό µοντέλο βελτιστοποίησης της λειτουργίας ενός Μach Zehnder συµβολόµετρου ιάταξη ανίχνευσης της ανάστροφης περιβάλλουσας ιάταξη µεταγωγής µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας Προσοµοίωση στα 10GHz Προσοµοίωση ανίχνευσης της ανάστροφης περιβάλλουσας Προσοµοίωση µεταγωγής µε στόχο την βελτιστοποίησή της Προσοµοίωση µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας σε οµόρροπη συνδεσµολογία Προσοµοίωση µε χρήση ενός CW ως βοηθητικό σήµα σε οµόρροπη συνδεσµολογία Προσοµοίωση µε χρήση ενός CW ως βοηθητικό σήµα σε αντίρροπη συνδεσµολογία Προσοµοίωση µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας σε αντίρροπη συνδεσµολογία Συµπεράσµατα Προσοµοίωση στα 40GHz Προσοµοίωση ανίχνευσης της ανάστροφης περιβάλλουσας Προσοµοίωση µεταγωγής µε στόχο την βελτιστοποίησή της Προσοµοίωση µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας σε οµόρροπη συνδεσµολογία Προσοµοίωση µε χρήση ενός CW ως βοηθητικό σήµα σε οµόρροπη συνδεσµολογία Προσοµοίωση µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας σε αντίρροπη συνδεσµολογία Συµπεράσµατα Επίλογος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜACH ZEHNDER ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΟΥ 4.1 Εισαγωγή Θεωρητικό µοντέλο διερεύνησης της λειτουργίας ενός Mach Zehnder συµβολόµετρου ιάταξη ανίχνευσης της περιβάλλουσας ιάταξη µεταγωγής µε χρήση της περιβάλλουσας ιάταξη µετατροπής µήκους κύµατος µε χρήση της περιβάλλουσας Προσοµοίωση στα 10GHz µε NRZ σήµα Προσοµοίωση ανίχνευσης της περιβάλλουσας Προσοµοίωση ανίχνευσης της περιβάλλουσας σε οµόρροπη συνδεσµολογία

9 Προσοµοίωση ανίχνευσης της περιβάλλουσας σε αντίρροπη συνδεσµολογία Προσοµοίωση µεταγωγής µε χρήση της περιβάλλουσας Προσοµοίωση µετατροπής µήκους κύµατος µε χρήση της περιβάλλουσας Προσοµοίωση στα 40GHz µε RZ σήµα Προσοµοίωση ανίχνευσης της περιβάλλουσας Προσοµοίωση ανίχνευσης της περιβάλλουσας σε οµόρροπη συνδεσµολογία Προσοµοίωση ανίχνευσης της περιβάλλουσας σε αντίρροπη συνδεσµολογία Προσοµοίωση µεταγωγής µε χρήση της περιβάλλουσας Προσοµοίωση µετατροπής µήκους κύµατος µε χρήση της περιβάλλουσας Επίλογος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΑΝΑΣΚΟΠΗΣΗ : ΣΥΝΟΨΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 5.1 Εισαγωγή Σύνοψη αποτελεσµάτων Βιβλιογραφία

10 - 8 -

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Εισαγωγή Η εποχή, την οποία διανύουµε, έχει χαρακτηριστεί δικαίως από πολλούς ως η εποχή της πληροφορίας. Οι µορφές πληροφόρησης που κατακλύζουν εδώ και κοντά έναν αιώνα την ανθρωπότητα είναι πολλές και ποικίλες. Η τηλεφωνία, το ραδιόφωνο, η τηλεόραση, το Internet κ.α. είναι µερικές από τις δυνατότητες επικοινωνίας και µεταφοράς πληροφορίας που πλαισιώνουν την καθηµερινή µας ζωή. Η ανάπτυξη νέων µορφών πληροφόρησης και η περαιτέρω βελτίωση των δυνατοτήτων των ήδη γνωστών µορφών καθίσταται στις µέρες µας ως επιτακτική ανάγκη καθώς είναι γεγονός ότι η τάση της ανθρωπότητας για συνεχή και γρήγορη πληροφόρηση αυξάνει σε καθηµερινή βάση. Χαρακτηριστική απόδειξη αυτής της ανάγκης είναι η ραγδαία εξάπλωση του ιαδικτύου που έχει εκπλήξει ακόµα και τους πιο αισιόδοξους αναλυτές. Πέρα όµως από την ραγδαία εξάπλωση η συνεχή αύξηση των χρηστών καθώς και του χρόνου χρήσης του ιαδικτύου αποτελούν τον βασικότερο λόγο για τις ραγδαίες αλλαγές, που συµβαίνουν στην βιοµηχανία των τηλεπικοινωνιών, καθώς η ανάγκη αυτή συντελεί στη συνεχή ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και στην κατασκευή δικτύων µε πολύ υψηλές ταχύτητες µετάδοσης. Οι σηµαντικότεροι παράγοντες, που έχουν συντελέσει στη συνεχή αναζωογόνηση αυτής της ανάγκης, είναι [1], [3]: Η εκπληκτική ανάπτυξη του ιαδικτύου (Internet) και του Παγκόσµιου Ιστού (World Wide Web) αναφορικά µε τον αριθµό των χρηστών, αλλά κυρίως µε το χρόνο χρήσης και κατ επέκταση το εύρος ζώνης που αντιστοιχεί σε καθένα από αυτούς. Η συνεχής βελτίωση της παροχής υπηρεσιών µε ταυτόχρονη ανάπτυξη εφαρµογών ιδιαίτερα φιλικών προς τους χρήστες όλων των ηλικιών και ιδιαιτεροτήτων

12 Η εµφάνιση εφαρµογών πολυµέσων και επικοινωνιών µε ξεχωριστά και πολλές φορές πρωτοποριακά χαρακτηριστικά που κυριολεκτικά δίνουν νέες διαστάσεις σε ήδη υπάρχοντες µορφές διασκέδασης και ψυχαγωγίας. Η δυνατότητα ανάπτυξης εφαρµογών εµπορίου αλλά και αξιόπιστων υπηρεσιών ενηµέρωσης και εξυπηρέτησης των χρηστών µε υψηλά επίπεδα ασφάλειας και λειτουργικότητας. Οι υποσχέσεις των εταιριών για συνεχή βελτίωση του ιαδικτύου τόσο ως προς την αύξηση των ταχυτήτων µετάδοσης όσο και προς τις παρεχόµενες υπηρεσίες και τα επίπεδα ασφάλειας. Η αυξανόµενη ανάπτυξη τεχνολογιών ευρυζωνικής πρόσβασης, όπως για παράδειγµα η ψηφιακή συνδροµητική γραµµή (Digital Subscriber Line-DSL) και τα καλωδιακά modem, τα οποία µπορούν να προσφέρουν εύρος ζώνης της τάξης των µερικών Mb/s ανά χρήστη. Η συνεχής δικτύωση επιχειρήσεων µε γραµµές µεταφοράς πολύ υψηλών ταχυτήτων. Τα δίκτυα αυτά χρησιµοποιούνται ευρέως είτε για εσωτερική αλληλοσύνδεση των διαφόρων τµηµάτων της επιχείρησης, είτε για επικοινωνία διαφορετικών επιχειρήσεων µεταξύ τους. Η µείωση του κόστους παροχής εύρους ζώνης. Η µείωση αυτή είναι αποτέλεσµα αφενός της προόδου των τηλεπικοινωνιών, και αφετέρου της κατάργησης του µονοπωλίου µεµονωµένων παροχέων υπηρεσιών (service providers), ως αποτέλεσµα της απελευθέρωσης του χώρου. Η εισροή πολλών ακόµα χρηστών, σύµφωνα µε τις αναλύσεις, θα οδηγήσει σε ακόµα µεγαλύτερη µείωση του κόστους παροχής εύρους ζώνης. Οι αλλαγές στον τύπο της τηλεπικοινωνιακής κίνησης, καθώς τα τελευταία χρόνια τα δίκτυα κατακλύζονται από πληροφορίες δεδοµένων. Μεγάλες τηλεπικοινωνιακές εταιρίες, όπως η MCI WorldCom και η ΑΤ&Τ αναφέρουν ετήσια αύξηση στη µετάδοση δεδοµένων 1000% και 300%, αντίστοιχα. Η αντίστοιχη αύξηση για τη µετάδοση φωνής είναι µόλις 10% ετησίως. Χαρακτηριστικό της αυξανόµενης ανάγκης για περισσότερη χωρητικότητα των δικτύων είναι το γράφηµα του σχήµατος 1.1 [1]. Σχήµα 1.1: Η συνολική καταγραφή της τηλεπικοινωνιακής κίνησης στο ιαδίκτυο για την τελευταία πενταετία. Η ανάγκη για όλο και µεγαλύτερη αύξηση των ταχυτήτων µετάδοσης, δηλαδή µεγαλύτερου εύρους συχνοτήτων, οδήγησε στην χρήση της οπτικής ίνας αντί του καλωδίου χαλκού. Η οπτική ίνα παρέχει σηµαντικότατα πλεονεκτήµατα σε σχέση µε το απλό χάλκινο καλώδιο που χρησιµοποιείται εδώ και δεκαετίες στις ενσύρµατες

13 επικοινωνίες. Ορισµένα από αυτά τα πλεονεκτήµατα αλλά και τα µειονεκτήµατα είναι [2] : Το τεράστιο εύρος ζώνης. Η οπτική ίνα παρέχει εύρος συχνοτήτων για µετάδοση περίπου ίσο µε 25THz ή 25000GHz στην φασµατική περιοχή του 1.5µm. Το εύρος αυτό είναι 1000 φορές µεγαλύτερο από ολόκληρο το διαθέσιµο φάσµα ραδιοσυχνοτήτων. Οι µικρές απώλειες κατά την διάδοση του σήµατος. Η οπτική ίνα σε σχέση µε το χάλκινο καλώδιο παρουσιάζει περιορισµένες απώλειες γεγονός που επιτρέπει την µετάδοση δεδοµένων σε µεγάλες αποστάσεις χωρίς να είναι αναγκαία η ενδιάµεση ενίσχυση του σήµατος. Αλλά ακόµα και στην περίπτωση που απαιτείται ενίσχυση και αναγέννηση του σήµατος δεδοµένων η διαδικασία λαµβάνει χώρα σπανιότερα. Ακόµα η οπτική ίνα είναι πιο «ανθεκτική» όσον αφορά τον θόρυβο σε σύγκριση µε το χάλκινο καλώδιο καθώς ο µανδύας της οπτικής ίνας λειτουργεί ταυτόχρονα και ως προστατευτικό ενώ το κυµατοδηγούµενο οπτικό σήµα δεν επηρεάζεται (λόγω της φύσης του) από τις ποικίλες πηγές θορύβου. Τέλος στα πλεονεκτήµατα συγκαταλέγονται και οι τεχνικές πολυπλεξίας που µπορούν να αυξήσουν σηµαντικά την αποδοτικότητα της οπτικής ίνας επιτρέποντας την ταυτόχρονη µετάδοση πληροφορίας µέσω πολλών διαφορετικών καναλιών. Οι δύο τεχνικές πολυπλεξίας είναι η WDM (πολυπλεξία κατά µήκος κύµατος) και OTDM (πολυπλεξία στο χρόνο). Μειονεκτήµατα που παρουσιάζουν οι οπτικές ίνες είναι οι παραµορφώσεις που µπορεί να υποστεί το µεταδιδόµενο οπτικό σήµα εξαιτίας φαινοµένων διασποράς, µη γραµµικοτήτων και διπλοθλαστικότητας. Η επίδραση όµως αυτών των φαινοµένων επιλύεται χρησιµοποιώντας συγκεκριµένη ίνα, για αντιστάθµιση της διασποράς, µειώνοντας την µεταδιδόµενη ισχύς, για τις µη γραµµικότητες και φροντίζοντας να µην τσαλακωθεί η ίνα κατά την εγκατάσταση της, για την διπλοθλαστικότητα. Το εύρος ζώνης είναι αναµφισβήτητα ο βασικότερος λόγος εξάπλωσης της οπτικής ίνας παρόλα αυτά δεν µπορούµε να αµελήσουµε και τα υπόλοιπα πλεονεκτήµατα που παρουσιάζει σαν καλώδιο. Το γεγονός όµως ότι η οπτική ίνα παρουσιάζει µεγάλο εύρος ζώνης και ότι µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε πολύ υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης (υπάρχουν αυτή την στιγµή εµπορικά διαθέσιµα συστήµατα που λειτουργούν στα 10Gbps και σε λίγο καιρό θα υπάρχουν και τα αντίστοιχα στα 40Gbps) δεν σηµαίνει ότι εν τέλει µπορούµε να έχουµε πρακτικά τέτοιους ρυθµούς. Ο λόγος είναι ότι σε κάθε κόµβο το οπτικό σήµα πρέπει να µετατρέπεται σε ηλεκτρικό και να επεξεργάζεται καθώς δεν υπάρχει η δυνατότητα επεξεργασίας του στην οπτική µορφή. Αυτό προσθέτει σηµαντική καθυστέρηση στην διαδικασία της µετάδοσης ενώ αν προσθέσουµε και το γεγονός ότι τα ηλεκτρονικά δεν µπορούν να δουλέψουν σε τόσο υψηλούς ρυθµούς οδηγούµαστε στην διαπίστωση ότι µένουν ανεκµετάλλευτες οι δυνατότητες που µας παρέχει η οπτική ίνα. Για την αντιµετώπιση αυτού του σοβαρού προβλήµατος η τεχνολογία προωθεί την δηµιουργία και ανάπτυξη διατάξεων επεξεργασίας οπτικού σήµατος σε ρυθµούς αντίστοιχους των ρυθµών µετάδοσης. Οι διατάξεις αυτές πρέπει να πραγµατοποιούν όλες τις αναγκαίες ενέργειες που θα καθιστούν δυνατή την µετάδοση οπτικού σήµατος χωρίς τη ενδιάµεση παρεµβολή ηλεκτρονικών. Οι διατάξεις αυτές θα παρέχουν δυνατότητες ενίσχυσης, αναγέννησης, µεταγωγής και επεξεργασίας του οπτικού σήµατος. Απώτερος στόχος είναι η δηµιουργία των αµιγώς οπτικών δικτύων, δηλαδή δικτύων όπου όλες οι λειτουργίες θα πραγµατοποιούνται σε οπτικό επίπεδο εξασφαλίζοντας ταχύτητα και λειτουργικότητα. Αναφορικά ως προς αυτή κατεύθυνση έχει παρουσιαστεί µεγάλη εξέλιξη και τα δεδοµένα είναι ενθαρρυντικά για το µέλλον

14 Η εµφάνιση των φτηνών οπτικών ενισχυτών ίνας ερβίου που παρουσιάζουν ικανοποιητικό κέρδος σε ένα αρκετά µεγάλο φάσµα συχνοτήτων καθώς και η ύπαρξη πολυπλεκτών/αποπολυπλεκτών σε συνδυασµό µε διατάξεις αναγέννησης, µετατροπής µήκους κύµατος αλλά και των πρώτων οπτικών πυλών που βασίζονται σε συµβολόµετρα αποτελούν την καλύτερη παρακαταθήκη για το µέλλον της φωτονικής τεχνολογίας. Σήµερα η έρευνα επικεντρώνεται στην δηµιουργία και βελτίωση εκείνων των επιµέρους διατάξεων που στο µέλλον θα είναι η βάση για την δηµιουργία των πρώτων αµιγώς οπτικών δικτύων. Πριν όµως αναφερθούµε στα υπάρχοντα δίκτυα που χρησιµοποιούν οπτικές ίνες και σε εκείνα που σταδιακά εµφανίζονται στο προσκήνιο και έχουν ενσωµατώσει περαιτέρω την φωτονική τεχνολογία θα παρουσιάσουµε τις βασικότερες αρχές λειτουργίας των δικτύων καθώς και τα χαρακτηριστικά που αυτά θα πρέπει να έχουν για να θεωρούνται αξιόπιστα και λειτουργικά. 1.2 Είδη υπηρεσιών και προδιαγραφές ενός ιδανικού δικτύου Τα σηµερινά δίκτυα που απαρτίζουν στο σύνολό τους το Web διακρίνονται σε δύο κατηγορίες τα δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος (circuit-switched networks) και τα δίκτυα µεταγωγής πακέτων (packet-switched networks) [4], [5]. Η βασική διαφορά είναι ότι στα δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος έχουµε κατά την διαδικασία µετάδοσης της πληροφορίας την νοητή σύνδεση αποστολέα αποδέκτη για όλη την διάρκεια της µετάδοσης και κατόπιν την διακοπή αυτής της σύνδεσης ενώ στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων έχουµε τον διαµελισµό της ως προς µετάδοση πληροφορίας σε πακέτα και την ξεχωριστή προώθηση του κάθε πακέτου στον αποδέκτη. Για να γίνει αυτό εφικτό έχει τοποθετηθεί στην αρχή των πακέτων η επικεφαλίδα όπου αναγράφονται όλες οι αναγκαίες πληροφορίες για την σωστή δροµολόγηση και λήψη των πακέτων. Η κάθε µία από τις δύο προαναφερθείσες κατηγορίες παρουσιάζει πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα. Συγκεκριµένα τα δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος δεν είναι ευέλικτα και κρίνονται µη αποδοτικά όταν η ως προς µετάδοση πληροφορία είναι µικρή ή όταν το δίκτυο δεν είναι ιδιαίτερα αξιόπιστο (µεγάλη πιθανότητα εµφάνισης λαθών στο µεταδιδόµενο σήµα ή απώλειας σύνδεσης µέσα στο δίκτυο). Παρόλα αυτά είναι ιδιαίτερα πρακτικά στις περιπτώσεις που η µεταδιδόµενη πληροφορία έχει µεγάλο µέγεθος ή όταν η πληροφορία πρέπει να µεταφερθεί στον αποδέκτη µε όσο το δυνατόν µικρότερη καθυστέρηση. Εφαρµογές πολυµέσων και τηλεφωνίας ευνοούνται εµφανώς από τα πλεονεκτήµατα που παρουσιάζουν τα δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος. Από την άλλη µεριά τα δίκτυα µεταγωγής πακέτων κάνουν καλύτερη χρήση του εύρους συχνοτήτων αποφεύγοντας την απρόσκοπτη απόδοση µεγάλου εύρους συχνοτήτων σε ένα χρήστη ο οποίος αποδεδειγµένα για ένα µεγάλο χρονικό διάστηµα θα είναι ανενεργός µε αποτέλεσµα να χαραµίζεται το εύρος συχνοτήτων κάτι που συµβαίνει στα δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος. Επιπρόσθετα τα δίκτυα µεταγωγής πακέτων είναι πιο ανεκτικά σε περιβάλλον όπου η πιθανότητα λάθους ή απώλειας κάποιου κόµβου είναι πολύ πιθανή καθώς διαθέτουν δυνατότητες ανίχνευσης λαθών, επανάληψης µετάδοσης των χαµένων πακέτων και εναλλακτικών σχεδίων δροµολόγησης. Τα δύο όµως βασικά τους µειονεκτήµατα είναι η αύξηση την µεταδιδόµενης πληροφορίας καθώς κάθε πακέτο πληροφορίας είναι υποχρεωµένο να φέρει επικεφαλίδα που θα περιέχει στοιχεία για τον αποστολέα, τον παραλήπτη (γενικότερα για την δροµολόγηση του πακέτου µέσα στο δίκτυο) και η µεγάλη πιθανότητα να έχουµε άφιξη των πακέτων µε έντονη καθυστέρηση. Μια εναλλακτική µορφή δικτύων που τείνει να δανειστεί τα πλεονεκτήµατα των δύο παραπάνω µορφών δικτύων είναι η µέθοδος της γρήγορης µεταγωγής κυκλώµατος [6], [7]. Η µορφή αυτή προτάθηκε και χρησιµοποιείται για να λύση το πρόβληµα της εκρηκτικότητας της πληροφορίας ενός φαινοµένου που εµφανίζεται όλο και ποιο συχνά και οφείλεται κατά πολύ στις καινούργιες εφαρµογές και

15 υπηρεσίες που προσφέρουν τα δίκτυα. Σε αυτή την περίπτωση οι πόροι του δικτύου ανατίθενται µόνο όταν υπάρχει πληροφορία για να αποσταλεί και αποδεσµεύονται όταν η πληροφορία έχει αποσταλεί. Μειονέκτηµα αυτών των δικτύων είναι η υψηλή πολυπλοκότητά τους. Τέλος µια βελτίωση των δικτύων µεταγωγής πακέτων, τα δίκτυα γρήγορης µεταγωγής πακέτου [6], [7], φαίνεται ότι είναι η ιδανική µορφή για τα σύγχρονα δίκτυα και πάνω σε αυτή την µορφή βασίζεται όπως θα δούµε και παρακάτω η σχεδίαση των οπτικών δικτύων. Κύριος στόχος τους είναι η µείωση των λειτουργιών που επιτελούν οι µεταγωγείς (ενδιάµεσοι κόµβοι του δικτύου) σε κάθε πακέτο, παραλείποντας κυρίως αυτές που αφορούν τον έλεγχο και αποκατάσταση λαθών κατά την µετάδοση, µε αποτέλεσµα την αύξηση της διέλευσης των πακέτων και την µείωση του µεγέθους της επικεφαλίδας τους. Η παραπάνω παράλειψη λειτουργιών είναι δυνατή λόγω της αυξηµένης αξιοπιστίας που παρέχουν οι οπτικές ίνες ως φυσικό µέσο διάδοσης της πληροφορίας. Η γρήγορη µεταγωγή πακέτου δεν είναι άλλη από τον Ασύγχρονο Τρόπο Μεταφοράς (ATM) [6]. Έχοντας παρουσιάσει τις µορφές των δικτύων και κυρίως τα δίκτυα γρήγορης µεταγωγής πακέτου (ΑΤΜ), που αποτελούν υπόδειγµα για τα αµιγώς οπτικά δίκτυα, θα γίνει αναφορά στα βασικά χαρακτηριστικά που πρέπει να έχουν οι υπηρεσίες αυτών των δικτύων και κατά συνέπεια στην υποδοµή που οφείλουν τα δίκτυα να έχουν για να τις ικανοποιούν. Τα χαρακτηριστικά όλων των παρεχόµενων υπηρεσιών θα πρέπει να είναι πολύ ελκυστικά στο χρήστη, καθώς πλέον ο ανταγωνισµός είναι µεγάλος και έχει σηµαντική δυναµική λόγω της συνεχούς εξέλιξης των τεχνολογιών και των δικτύων. Τα σηµαντικότερα, ίσως, από τα χαρακτηριστικά, που θα πρέπει να έχουν οι σύγχρονες υπηρεσίες, είναι: Μεγαλύτερο εύρος ζώνης κατά απαίτηση και υψηλότερη ταχύτητα: Οι χρήστες απαιτούν συνεχώς νέες συνδέσεις µε µεγαλύτερο εύρος ζώνης και επιθυµούν, επιπλέον, οι συνδέσεις αυτές να πραγµατοποιούνται στο συντοµότερο δυνατό χρονικό διάστηµα. Επίσης, η δέσµευση εύρους ζώνης πρέπει να γίνεται ανάλογα µε τις ανάγκες του κάθε χρήστη, ώστε αυτός να έχει τη δυνατότητα να έχει διαθέσιµο ένα µεγάλο εύρος ζώνης ακόµα και για πολύ µικρό χρονικό διάστηµα. Υψηλή διαθεσιµότητα δικτύου: Το ποσοστό του χρόνου, κατά τον οποίο η υπηρεσία είναι διαθέσιµη στο χρήστη, θα πρέπει να είναι αρκετά υψηλό. Τυπικά, οι τηλεπικοινωνιακοί φορείς παρέχουν % διαθεσιµότητα, η οποία αντιστοιχεί σε ανενεργό δίκτυο για χρονικό διάστηµα περίπου ίσο µε 5 λεπτά ετησίως. Αποκατάσταση υπηρεσίας (restoration of service): Το χαρακτηριστικό αυτό είναι άµεση συνέπεια της υψηλής διαθεσιµότητας στο δίκτυο. Η συνεχής παροχή υπηρεσιών προϋποθέτει την άµεση αποκατάσταση οποιασδήποτε βλάβης στο δίκτυο. Ιδανική αποκατάσταση στις βλάβες σε ένα δίκτυο µπορεί να επιτευχθεί στην περίπτωση που το 50% του διαθέσιµου εύρους ζώνης δεσµεύεται για το σκοπό αυτό. Μέσα σε αυτή τη νέα πραγµατικότητα οι τηλεπικοινωνιακοί φορείς απαιτείται να κατασκευάζουν δίκτυα, τα οποία να έχουν τη δυνατότητα παροχής εύρους ζώνης όποτε και όπου χρειάζεται, αφού δεν µπορούν να είναι σε θέση να προβλέψουν ούτε τον τόπο, αλλά ούτε και το χρόνο ζήτησης µιας συγκεκριµένης υπηρεσίας από κάποιον χρήστη. Το γεγονός αυτό συνιστά ένα αρκετά αυστηρό λειτουργικό πλαίσιο προδιαγραφών για την υποδοµή του δικτύου. Στην ιδανική περίπτωση, η τεχνολογική υποδοµή του δικτύου οφείλει να έχει τα παρακάτω χαρακτηριστικά : ιαφάνεια στο ρυθµό µετάδοσης των δεδοµένων (bitrate-transparency): Με τον όρο αυτό εννοούµε τη δυνατότητα του δικτύου να λειτουργεί επιτυχώς ανεξάρτητα από το συγκεκριµένο ρυθµό µετάδοσης των δεδοµένων. Στην

16 πράξη ένα τέτοιο δίκτυο λειτουργεί για δεδοµένα µε ρυθµό µετάδοσης µεταξύ ενός κάτω και ενός άνω ορίου. Η διαφάνεια στο ρυθµό µετάδοσης είναι αρκετά δύσκολο να επιτευχθεί, καθώς η ανάγκη για αναγέννηση του σήµατος στα οπτικά δίκτυα κατά την διάρκεια µετάδοσης επιβάλλει την εκ των προτέρων γνώση του ρυθµού µετάδοσης. ιαφάνεια στο είδος των δεδοµένων (data-type transparency): Είναι η δυνατότητα του δικτύου να λειτουργεί επιτυχώς για οποιοδήποτε τύπο εισερχόµενων δεδοµένων, όπως για σύγχρονης ή ασύγχρονης ροής δεδοµένα, για µεταβλητού µεγέθους και µεταβλητής στάθµης ισχύος δεδοµένα κ.α. Άµεση συνέπεια της διαφάνειας του δικτύου στο είδος των δεδοµένων είναι η ικανότητά του να χειρίζεται επιτυχώς µικρές οντότητες δεδοµένων (granularity), παρέχοντας τη δυνατότητα για δέσµευση εύρους ζώνης κατ απαίτηση (bandwidth-use on demand). ιαφάνεια στο πρωτόκολλο (protocol transparency): Είναι η δυνατότητα του δικτύου να λειτουργεί επιτυχώς ανεξάρτητα από το χρησιµοποιούµενο πρωτόκολλο. Η διαφάνεια στο πρωτόκολλο περιορίζεται επίσης, κατ αναλογία µε τη διαφάνεια στο ρυθµό µετάδοσης, από την ανάγκη για αναγέννηση του σήµατος σε ενδιάµεσα στάδια του δικτύου. Ευελιξία (Flexibility): Ένα δίκτυο είναι ευέλικτο υπό την έννοια ότι προσαρµόζεται εύκολα στα συνεχώς εξελισσόµενα δίκτυα και είναι συµβατό µε πολλαπλά πρωτόκολλα. Τα χαρακτηριστικά αυτά, και κυρίως η διαφάνεια στις παραπάνω παραµέτρους της τηλεπικοινωνιακής κίνησης, προσφέρουν σηµαντικά πλεονεκτήµατα. Καταρχήν, καθίσταται δυνατή η παροχή πολλαπλών υπηρεσιών από µία και µόνο δικτυακή υποδοµή. Επίσης, προσφέρει σηµαντικές εγγυήσεις για τις µελλοντικές προοπτικές του δικτύου, καθώς ακόµα και αν κάποια στιγµή ο ρυθµός µετάδοσης ή το πρωτόκολλο αλλάξει, είναι πολύ πιθανό η τεχνολογική υποδοµή του δικτύου να µπορεί να υποστηρίζει και τους νέους ρυθµούς µετάδοσης ή τα νέα πρωτόκολλα χωρίς να χρειάζεται ριζική αντικατάσταση. 1.3 Ιστορική αναδροµή και οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς Η οπτική ίνα χρησιµοποιήθηκε για πρώτη φορά ως γραµµή µεταφοράς στο δίκτυο ΤΑΤ-8 για τη µετάδοση υπεραστικών και υπερατλαντικών τηλεφωνικών σηµάτων σε ρυθµό µετάδοσης 560 Mb/s. Η διείσδυση των οπτικών ινών στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα κορµού επιταχύνθηκε µετά την υλοποίηση των πρώτων οπτικών ενισχυτών µε ίνες προσµίξεων ερβίου (Erbium Doped Fiber Amplifier-EDFA), οι οποίοι επέτρεψαν την ενίσχυση του σήµατος απευθείας στο οπτικό επίπεδο χωρίς τη χρήση οπτοηλεκτρονικών µετατροπών, παρέχοντας τη δυνατότητα για την κατασκευή µεγαλύτερου µήκους οπτικών δικτύων. Έτσι, στα µέσα της δεκαετίας του 1990 ολοκληρώθηκε το υπερατλαντικό δίκτυο ΤΑΤ-12/13, το οποίο διαχειρίζεται κίνηση σε ρυθµό µετάδοσης 10 Gb/s, το υποθαλάσσιο δίκτυο FLAG µε παρόµοιες δυνατότητες και βάση τη Σύγχρονη Ψηφιακή Ιεραρχία (Synchronous Digital Hierarchy-SDH), και το παναφρικανικό δίκτυο Africa ONE. Με την έναρξη της νέας χιλιετίας ολοκληρώθηκε το παγκόσµιο δίκτυο SEA-ME-WE_3 (Ευρώπη-Ασία-Αυστραλία) µε συνολική διέλευση 10 Gb/s, ενώ ανακοινώνεται και η έναρξη των δικτύων Flag- Atlantic1 και Flag-Pacific1 µε διέλευση 5 και 10 Tb/s και βάση το SDH. Παράλληλα, έκαναν την εµφάνισή τους και τα πρώτα εµπορικά διαθέσιµα συστήµατα µετάδοσης µε ρυθµό µετάδοσης κάθε καναλιού στα 40 Gb/s. Τα σηµαντικά χαρακτηριστικά των οπτικών δικτύων, που οδήγησαν στην ταχύτατη διείσδυση τους στις τηλεπικοινωνίες, είναι οι χαµηλές τους απώλειες, η παροχή τεράστιου εύρους ζώνης, η δυνατότητα ενιαίας υποδοµής για την παροχή

17 πολλαπλών υπηρεσιών, και η διάθεση εύρους ζώνης όπου και όποτε χρειάζεται. Οι οπτικές ίνες έχουν πολύ µεγαλύτερο εύρος ζώνης από το χαλκό και είναι πολύ λιγότερο ευάλωτες σε ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές και σε άλλες ανεπιθύµητες επιδράσεις κατά τη µετάδοση πληροφορίας. Κατά συνέπεια, η οπτική ίνα προτιµάται έναντι του χαλκού ως µέσο µετάδοσης, όταν πρόκειται για µετάδοση δεδοµένων µε ρυθµό µετάδοσης µεγαλύτερο από µερικές δεκάδες Mb/s και σε αποστάσεις πάνω από 1 km. Τα οπτικά δίκτυα διαχωρίζονται σε δύο γενιές: στα δίκτυα πρώτης και στα δίκτυα δεύτερης γενιάς. Στα οπτικά δίκτυα πρώτης γενιάς η οπτική ίνα χρησιµοποιούνταν µόνο ως φυσικό µέσο µετάδοσης και παροχής χωρητικότητας, ενώ η µεταγωγή, η δροµολόγηση, καθώς και όλες οι άλλες ευφυείς δικτυακές διεργασίες επιτελούνταν από ηλεκτρονικά κυκλώµατα. Χαρακτηριστικά παραδείγµατα των οπτικών δικτύων πρώτης γενιάς είναι το Σύγχρονο Οπτικό ίκτυο (Synchronous Optical NETwork- SONET) και το SDH, τα οποία σχηµατίζουν τον κορµό της τηλεπικοινωνιακής υποδοµής στη Βόρεια Αµερική, την Ασία και την Ευρώπη. Στις µέρες µας σχηµατίζονται σταδιακά τα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς, στα οποία µέρος της δροµολόγησης, της µεταγωγής καθώς και των άλλων ευφυών διαδικασιών έχει µετακινηθεί στο οπτικό επίπεδο (optical layer). Για την αξιοποίηση της τεράστιας χωρητικότητας των οπτικών ινών και τη βέλτιστη εκµετάλλευση αυτής χρησιµοποιούνται τυπικές τεχνικές οπτικής πολυπλεξίας σε πλήρη αναλογία µε τις τεχνικές ηλεκτρονικής πολυπλεξίας. Η ανάγκη για πολυπλεξία γεννήθηκε από το γεγονός ότι είναι πολύ πιο οικονοµική η µετάδοση δεδοµένων µε υψηλότερο ρυθµό µέσα από µία και µόνο ίνα, από το να χρησιµοποιούνται πολλές ίνες µεταφέροντας δεδοµένα σε χαµηλούς ρυθµούς. Οι βασικοί τρόποι πολυπλεξίας µέσα σε µία οπτική ίνα, οι οποίο έχουν αναφερθεί και στην αρχή στα πλεονεκτήµατα των οπτικών δικτύων, είναι η πολυπλεξία κατά µήκος κύµατος (Wavelength Division Multiplexing-WDM) [8] και η οπτική πολυπλεξία δεδοµένων στο πεδίο του χρόνου (Optical Time Division Multiplexing-OTDM) [9]. Η τεχνική WDM χρησιµοποιείται στα οπτικά δίκτυα σε πλήρη αντιστοιχία µε την πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (Frequency Division Multiplexing-FDM) στα δίκτυα ραδιοεπικοινωνιών. Σύµφωνα µε την τεχνική WDM η µετάδοση των δεδοµένων γίνεται µε ταυτόχρονη µετάδοση πολλών µηκών κύµατος µέσα από την ίδια ίνα, όπου το κάθε µήκος κύµατος φέρει ένα ποσοστό του συνολικού όγκου των δεδοµένων. Τα εµπορικά διαθέσιµα WDM δίκτυα, που έχουν ανακοινωθεί από µεγάλες τηλεπικοινωνιακές εταιρίες, περιλαµβάνουν ως και 160 κανάλια σε ρυθµό µετάδοσης Gb/s το καθένα ή 80 κανάλια µε ρυθµό µετάδοσης 40 Gb/s ανά κανάλι. Σε εργαστηριακό/ερευνητικό επίπεδο οι επιδόσεις των WDM συστηµάτων µετάδοσης είναι πολύ πιο εντυπωσιακές. Η τεχνική πολυπλεξίας OTDM χρησιµοποιείται στα οπτικά συστήµατα σε πλήρη αντιστοιχία µε την ηλεκτρονική πολυπλεξία στο πεδίο του χρόνου (Electronic Time Division Multiplexing-ETDM), που χρησιµοποιείται στα ηλεκτρονικά δίκτυα, µε µόνη διαφορά ότι στην OTDM πολυπλεξία οι ρυθµοί µετάδοσης είναι πολύ υψηλότεροι. Στην τεχνική OTDM τα δεδοµένα µεταδίδονται σε ένα και µόνο κανάλι (φέρουσα συχνότητα) παρεµβάλλοντας µε οπτικό τρόπο τα ψηφία πολλών ροών δεδοµένων χαµηλής ταχύτητας σε µία µοναδική ροή δεδοµένων υψηλού ρυθµού µετάδοσης. Οι βασικότεροι παράγοντες για την επίδοση των OTDM συστηµάτων είναι ο ακριβής χρονισµός των οπτικών σηµάτων και το χρονικό εύρος των οπτικών παλµών για την αποφυγή φαινοµένων διασυµβολικής παρεµβολής (intersymbol interference) στο πολυπλεγµένο κανάλι. OTDM συστήµατα µετάδοσης δεν υπάρχουν αυτή τη στιγµή ως εµπορικά διαθέσιµα προϊόντα, καθώς η OTDM πολυπλεξία δεν θεωρείται ακόµα αρκετά πρακτική τεχνική µετάδοσης

18 1.4 Τα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς Αν και τα οπτικά δίκτυα υιοθετήθηκαν αρχικά µόνο για τη µετάδοση των δεδοµένων, πολύ γρήγορα διαπιστώθηκε ότι έχουν τις δυνατότητες για την υλοποίηση περισσότερων λειτουργικών διεργασιών πέραν της ζεύξης από σηµείο σε σηµείο. Μεταφέροντας ορισµένες από τις διεργασίες µεταγωγής και δροµολόγησης, που επιτελούνταν από ηλεκτρονικά κυκλώµατα, απευθείας στο οπτικό επίπεδο, προκύπτουν ορισµένα πολύ σηµαντικά πλεονεκτήµατα, καθώς έτσι ορισµένες λειτουργίες γίνονται σε συντοµότερο χρονικό διάστηµα και ταυτόχρονα απαλλάσσονται τα ηλεκτρονικά κυκλώµατα από την επεξεργασία όλου του όγκου δεδοµένων. Η διαπίστωση αυτή οδήγησε στα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς, τα οποία έχουν ήδη αρχίσει να εγκαθίστανται σταδιακά. Σχήµα 1.2: Τα βασικά δοµικά τµήµατα και η διασύνδεση αυτών στα WDM οπτικά δίκτυα δεύτερης γενίας Στα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς είναι δυνατή η χρήση και των δύο τεχνικών πολυπλεξίας παρόλα αυτά στην πραγµατικότητα χρησιµοποιείται µόνο η WDM. Τα βασικά δοµικά συστήµατα αυτών των δικτύων (σχήµα 1.2) είναι τα οπτικά τερµατικά γραµµής (optical line terminal-olt), οι οπτικοί πολυπλέκτες προσθήκης/αφαίρεσης δεδοµένων (optical add/drop multiplexer-oadm) και τα οπτικά στοιχεία διασύνδεσης (optical cross-connect-oxc). Σηµαντικά δοµικά συστήµατα είναι, επίσης, οι οπτικοί ενισχυτές, οι οποίοι χρησιµοποιούνται ανά τακτές αποστάσεις µετάδοσης για την επανενίσχυση των οπτικών σηµάτων. Τα οπτικά τερµατικά γραµµής χρησιµοποιούνται στα τερµατικά άκρα µίας ζεύξης για τη µετατροπή του ηλεκτρικού σήµατος σε οπτικό ή αντίστροφα και την πολυπλεξία ή αποπολυπλεξία κατά WDM των καναλιών διαφορετικού µήκους κύµατος, ανάλογα µε το αν το τερµατικό είναι στην είσοδο ή στην έξοδο της ζεύξης. Κατά συνέπεια, Ν ηλεκτρικά σήµατα αντιστοιχίζονται σε Ν κανάλια διαφορετικού µήκους κύµατος. Για την υλοποίηση των WDM πολυπλεκτών και αποπολυπλεκτών χρησιµοποιούνται συστοιχίες φραγµάτων περίθλασης (Arrayed Waveguide Gratings- AWG), συστοιχίες διηλεκτρικών φίλτρων λεπτού φύλλου (dielectric thin-film filters), ή συστοιχίες φραγµάτων περίθλασης Bragg. Οι αυξηµένες λειτουργικές δυνατότητες των οπτικών δικτύων δεύτερης γενιάς οφείλονται στη χρήση των οπτικών πολυπλεκτών προσθήκης/αφαίρεσης δεδοµένων (OADMs) και των οπτικών στοιχείων διασύνδεσης (OXCs). Τα στοιχεία αυτά τοποθετούνται σε ενδιάµεσα σηµεία της ζεύξης, όπως φαίνεται και στο σχήµα 1.2, και ο βασικός τους ρόλος είναι η δροµολόγηση των εισερχόµενων WDM καναλιών. Οι OADMs επιλεκτικά «αφαιρούν» ορισµένα κανάλια από τη ζεύξη και επιτρέπουν τη διέλευση των υπολοίπων καναλιών, ενώ ταυτόχρονα µπορούν να «προσθέτουν» νέα κανάλια στη ζεύξη στη θέση αυτών που «αφαιρέθηκαν». Ανάλογη λειτουργία

19 επιτελούν και οι OXCs, αλλά µε πολύ µεγαλύτερο αριθµό καναλιών. Οι OXCs διαχειρίζονται σηµαντικά περισσότερες εισόδους/εξόδους και πιο πολύπλοκες τοπολογίες δικτύων από τους OADMs. Συνήθως χρησιµοποιούνται για την σύνδεση πολύπλοκων τοπολογιών δικτύου και διαφόρων υποδικτύων µεταξύ τους. Αντίθετα, οι OADMs χρησιµοποιούνται σε σηµεία της ζεύξης, στα οποία απαιτείται ο τοπικός τερµατισµός της µετάδοσης κάποιων καναλιών και η εισαγωγή και η δροµολόγηση νέων καναλιών σε διαφορετικούς προορισµούς του δικτύου, και συνδέονται σε τοπολογίες γραµµής ή τοπολογίες δακτυλίου. εδοµένης της ικανότητας των OXCs να χειρίζονται πολύ µεγαλύτερο όγκο δεδοµένων, οι OXCs τοποθετούνται σε κεντρικά ενδιάµεσα σηµεία της ζεύξης, ενώ οι OADMs τοποθετούνται περισσότερο κοντά στα τερµατικά σηµεία της ζεύξης. Για την υλοποίηση και των δύο µπορούν να χρησιµοποιηθούν 2 2 διακόπτες µεταγωγής ή οπτικοί ενισχυτές ηµιαγωγού (Semiconductor Optical Amplifier-SOA), µικρο-ηλεκτρο-µηχανικοί διακόπτες (Micro- Electro-Mechanical Switches-MEMS) ή µετατροπείς µήκους κύµατος (wavelength converters). Με βάση την παραπάνω ανάλυση τα WDM οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς παρέχουν συνδέσεις µήκους κύµατος µεταξύ των τερµατικών, και για το λόγο αυτό αποκαλούνται και δίκτυα δροµολόγησης µήκους κύµατος (wavelength-routed networks). Κατά συνέπεια οι συνδέσεις µεταξύ των τερµατικών γραµµής είναι υψηλής χωρητικότητας και παρέχονται σε σταθερή βάση. Τα σηµαντικότερα χαρακτηριστικά αυτής της αρχιτεκτονικής είναι τα εξής [3]: Επαναχρησιµοποίηση µήκους κύµατος (wavelength reuse): εδοµένου ότι η σύνδεση µεταξύ δύο τερµατικών γίνεται µέσω ενός µήκους κύµατος, το ίδιο µήκος κύµατος µπορεί να χρησιµοποιηθεί ξανά για τη σύνδεση δύο άλλων τερµατικών, αρκεί να µην υπάρχει επικάλυψη των δύο συνδέσεων σε κάποιο σηµείο της ζεύξης. Η δυνατότητα αυτή παρέχει το πλεονέκτηµα των πολλαπλών συνδέσεων µε χρήση ενός περιορισµένου αριθµού µηκών κύµατος. Μετατροπή µήκους κύµατος (wavelength conversion): Η διαδικασία αυτή συνίσταται στην αντιγραφή των δεδοµένων ενός µήκους κύµατος, έστω λ 1, σε ένα νέο µήκος κύµατος, έστω λ 2, και τη µετάδοση του νέου µήκους κύµατος µέσα από το δίκτυο. Η µετατροπή µήκους κύµατος επιτρέπει την αποδοτικότερη εκµετάλλευση των διαθέσιµων µηκών κύµατος στο δίκτυο. Τα βασικότερα οπτικά στοιχεία, που χρησιµοποιούνται ως µετατροπείς µήκους κύµατος, είναι οι οπτικοί ηµιαγώγιµοι ενισχυτές (SOAs) και οι οπτικές συµβολοµετρικές πύλες. ιαφάνεια (Transparency): Η διαφάνεια αφορά στο γεγονός ότι σε κάθε σύνδεση µήκους κύµατος µπορούν να µεταδίδονται δεδοµένα µε διαφορετικούς ρυθµούς µετάδοσης, διαφορετικά πρωτόκολλα ή διαφορετικό τύπο δεδοµένων, δεδοµένου ότι η δροµολόγηση αυτών γίνεται απευθείας στο οπτικό επίπεδο και µε µοναδικό κριτήριο το φέρον µήκος κύµατος. Κατά συνέπεια το δίκτυο µπορεί να εξυπηρετεί ταυτόχρονα µια ποικιλία τηλεπικοινωνιακών στρωµάτων υψηλότερου επιπέδου, όπως, για παράδειγµα, τερµατικά SONET και δροµολογητές IP. Μεταγωγή κυκλώµατος (circuit switching) : Οι συνδέσεις µήκους κύµατος στα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς παραµένουν στατικές, αφού εδραιωθούν, σε πλήρη αναλογία µε τις συνδέσεις στα δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος. Στην πράξη, µία σύνδεση µήκους κύµατος παραµένει «ανοιχτή» για µήνες ή ακόµα και για χρόνια µετά την εδραίωσή της. Ανθεκτικότητα : Το δίκτυο µπορεί να κατασκευαστεί κατά τέτοιο τρόπο, ούτως ώστε σε περίπτωση αποτυχίας κατά τη µετάδοση των δεδοµένων αυτά να επαναδροµολογούνται αυτόµατα µέσα από εναλλακτικές διαδροµές µέσα στο δίκτυο

20 Με βάση τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά των WDM δικτύων δεύτερης γενιάς προκύπτει αναµφισβήτητα το συµπέρασµα, ότι τα δίκτυα αυτά παρέχουν τη δυνατότητα για ευρυζωνικές συνδέσεις υψηλής ταχύτητας δεδοµένων και µεγάλης χρονικής διάρκειας, καθώς και τη δυνατότητα για αποδοτική διαχείριση ενός τεράστιου όγκου δεδοµένων απευθείας στο οπτικό επίπεδο. Τα χαρακτηριστικά αυτά είναι ιδιαιτέρως ελκυστικά για τα µεγάλης έκτασης δίκτυα ευρείας περιοχής (WANs), στα οποία η τηλεπικοινωνιακή κίνηση συναθροίζεται σε οντότητες δεδοµένων µεγάλου µεγέθους και είναι επιθυµητή η δέσµευση υψηλής χωρητικότητας για µεγάλο χρονικό διάστηµα. Για το λόγο αυτό, τα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς βρίσκουν κυρίως εφαρµογή στα δίκτυα ευρείας περιοχής, χρησιµοποιώντας υψηλής χωρητικότητας στατικές συνδέσεις µηκών κύµατος για τη διασύνδεσή τους. Τα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς δεν παρέχουν, όµως, τη δυνατότητα για χειρισµό οντοτήτων δεδοµένων µικρού µεγέθους (granularity), αν και αυτή η δυνατότητα θα ανήκει σίγουρα στις βασικές απαιτήσεις των χρηστών από τα µελλοντικά οπτικά δίκτυα. Η επέµβαση στη µεταδιδόµενη πληροφορία περιορίζεται, όµως, στα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς σε επίπεδο µήκους κύµατος και ο χρόνος µεταγωγής της πληροφορίας (switching period) είναι της τάξης δεκάδων λεπτών, µε αποτέλεσµα η δέσµευση ενός τεράστιου εύρους ζώνης σε µία σύνδεση να διατηρείται στατική για πολύ µεγάλο χρονικό διάστηµα µετά την εδραίωση της σύνδεσης, ακόµα και αν αυτή είναι ανενεργή. Κατά συνέπεια, τα δίκτυα αυτά επιτελούν µεταγωγή κυκλώµατος, δεν είναι σε θέση να παρέχουν εύρος ζώνης κατ απαίτηση και είναι πλήρως αδύνατη η εξυπηρέτηση εκρηκτικών ροών δεδοµένων. Επιπλέον, ο αριθµός των δυνατών συνδέσεων στα οπτικά δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος καθορίζεται από το µέγιστο αριθµό χρησιµοποιούµενων καναλιών-µηκών κύµατος, µε αποτέλεσµα να υπάρχουν συγκρούσεις (collisions) στην κίνηση δεδοµένων, όταν οι επιθυµητές συνδέσεις ξεπερνούν σε αριθµό τα διαθέσιµα µήκη κύµατος. Τα µειονεκτήµατα αυτά καθιστούν απαγορευτική τη χρήση των οπτικών συστηµάτων δεύτερης γενιάς σε δίκτυα, στα οποία απαιτείται άµεσα η παροχή πολλαπλών υπηρεσιών τόσο συνεχούς, όσο και εκρηκτικής ροής δεδοµένων σε υψηλές ταχύτητες µετάδοσης. Τέτοια δίκτυα είναι, για παράδειγµα, τα µητροπολιτικά δίκτυα (MANs). Η εκµετάλλευση του εύρους ζώνης στα δίκτυα αυτά προφανώς δε θα είναι αποδοτική, καθώς για κάθε µία από τις εν γένει πολλές συνδέσεις τους θα χρειάζεται και ένα ολόκληρο µήκος κύµατος, το οποίο θα παραµένει ανενεργό στο µεγαλύτερο χρονικό διάστηµα. Εποµένως, αν και οι επιδόσεις των οπτικών δικτύων δεύτερης γενιάς είναι αρκετά ικανοποιητικές για τα δίκτυα ευρείας περιοχής, δεν επαρκούν για την αποδοτική διασύνδεση σε δίκτυα µεγαλύτερης εκρηκτικότητας και αµεσότερης πρόσβασης. Για την εξυπηρέτηση αυτών των δικτύων και τη βέλτιστη εκµετάλλευση του διαθέσιµου εύρους ζώνης οι ελπίδες έχουν εναποτεθεί στα µελλοντικά οπτικά δίκτυα τρίτης γενιάς, τα οποία έχουν συγκεντρώσει σηµαντικό ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, και για τα οποία γίνεται λόγος στην επόµενη ενότητα. 1.5 Τα µελλοντικά οπτικά δίκτυα τρίτης γενιάς Ο βασικός στόχος των µελλοντικών οπτικών δικτύων τρίτης γενιάς είναι η αποδοτική εκµετάλλευση του διαθέσιµου εύρους ζώνης των οπτικών δικτύων, υπό την έννοια της παροχής συνδέσεων υψηλής χωρητικότητας µόνο κατά το χρονικό διάστηµα, για το οποίο οι συνδέσεις αυτές είναι ενεργές. Για την επίτευξη της παροχής εύρους ζώνης κατ απαίτηση τα οπτικά δίκτυα τρίτης γενιάς έχουν υιοθετήσει την τεχνική µεταγωγής πακέτου, η οποία ήδη λειτουργεί µε αποδοτικό τρόπο στα ηλεκτρονικά δίκτυα. Ο όρος οπτικά δίκτυα τρίτης γενιάς είναι, εποµένως, ταυτόσηµος µε τον όρο οπτικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων (All-Optical Packet Switched Networks - OPS)

21 1.5.1 Αµιγώς Οπτικά ίκτυα Μεταγωγής Πακέτων (All-Optical Packet Switched Networks) Στα αµιγώς οπτικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων η πληροφορία αποστέλλεται µε τη µορφή οπτικών πακέτων δεδοµένων και όχι µε τη µορφή µεγάλου µεγέθους συνεχών ροών δεδοµένων. Το κάθε πακέτο δεδοµένων αποτελείται από το πεδίο της επικεφαλίδας (header), το οποίου το περιεχόµενο καθορίζει τον προορισµό του πακέτου µέσα στο δίκτυο, από το πεδίο του φορτίου (payload), το περιεχόµενο του οποίου είναι τα χρήσιµα δεδοµένα προς µετάδοση, και από την προστατευτική ζώνη δυφίων (guardband), η οποία περιέχει τον απαραίτητο αριθµό βοηθητικών δυφίων για την υποστήριξη των διαφόρων λειτουργικών διαδικασιών του δικτύου. Τα βασικά χαρακτηριστικά που διακρίνουν ένα οπτικό δίκτυο µεταγωγής πακέτων είναι [9]: Η µεταγωγή και η δροµολόγηση των δεδοµένων επιτελούνται απευθείας στο οπτικό επίπεδο χωρίς την µετατροπή του οπτικού σήµατος σε ηλεκτρικό και αντίστροφα. Η αµιγώς οπτική µεταγωγή εγγυάται επεξεργασία των δεδοµένων σε µεγαλύτερες ταχύτητες, οπότε και µεγαλύτερο συνολικό ρυθµό διέλευσης δεδοµένων, καθώς και µικρότερη κατανάλωση ισχύος. Η µεταγωγή γίνεται σε επίπεδο µεµονωµένου πακέτου και κάθε πακέτο επεξεργάζεται ως ξεχωριστή οντότητα. Αυτή είναι και η βασική διαφορά ενός οπτικού µεταγωγέα πακέτων από τα οπτικά στοιχεία διασύνδεσης (OXCs), που χρησιµοποιούνται στα οπτικά δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος. Ο οπτικός µεταγωγέας πακέτων µπορεί, βέβαια, θεωρητικά να λειτουργεί και σε επίπεδο µήκους κύµατος, όπως οι OXCs, χωρίς να ισχύει, όµως, το αντίστροφο. Με βάση αυτά τα χαρακτηριστικά γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι τα οπτικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων αποσκοπούν στην παροχή των υπηρεσιών, που προσφέρουν τα αντίστοιχα ηλεκτρονικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων, αλλά σε πολύ υψηλότερες ταχύτητες µετάδοσης δεδοµένων, εκµεταλλευόµενα το κατεξοχήν πλεονέκτηµα της οπτικής έναντι της ηλεκτρονικής τεχνολογίας στον τοµέα αυτό. Τα οπτικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων διακρίνονται σε κατηγορίες ανάλογα µε το µέγεθος των πακέτων δεδοµένων και το είδος της κίνησης και της µεταγωγής. Το µέγεθος των πακέτων µπορεί να είναι: σταθερό (fixed length), οπότε στην περίπτωση αυτή απαιτείται ο τεµαχισµός των δεδοµένων κατά την αποστολή τους σε πακέτα σταθερού µεγέθους και η επανασύνδεση των πακέτων κατά τη λήψη τους στον τελικό τους προορισµό. µεταβλητό (variable length), παρέχοντας τη δυνατότητα για µετάδοση των δεδοµένων χωρίς να είναι απαραίτητος ο τεµαχισµός τους και η επανασύνδεσή τους κατά την αποστολή και τη λήψη, αντίστοιχα. Ανάλογα µε το είδος της κίνησης και, εποµένως, της µεταγωγής τα δίκτυα διακρίνονται σε: σύγχρονα (slotted ή synchronous networks), στα οποία τα πακέτα δεδοµένων σε µία σύνδεση µεταδίδονται µέσα σε καθορισµένες χρονοθυρίδες (time-slots) συγχρονισµένες µεταξύ τους. Στην περίπτωση αυτή είναι απαραίτητος ο συγχρονισµός των πακέτων, που προέρχονται από διαφορετικές συνδέσεις και διαδροµές µέσα στο δίκτυο, στην είσοδο του κόµβου µεταγωγής και δροµολόγησης. ασύγχρονα (unslotted ή asynchronous networks), όπου τα πακέτα δεδοµένων µίας σύνδεσης µεταδίδονται σε σχετικά τυχαίες χρονικές στιγµές χωρίς να υπάρχει κάποια συγκεκριµένη συνθήκη για το χρονισµό µεταξύ τους. Στα δίκτυα αυτά δεν απαιτείται συγχρονισµός των πακέτων διαφορετικών συνδέσεων στον κόµβο, αλλά η µεταγωγή και η δροµολόγηση αυτών καθίστανται περισσότερο πολύπλοκες διαδικασίες

22 Στο σχήµα 1.3 φαίνεται ένα απλοϊκό παράδειγµα διασύνδεσης πολλαπλών τερµατικών στα οπτικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων, ενδεικτικό της δυνατότητάς τους να παρέχουν σύνδεση σε επίπεδο πακέτου µε χρήση ενός µόνο µήκους κύµατος. Σχήµα 1.3: Αποδοτική διασύνδεση των OXCs και µικρότερων κόµβων µε χρήση ενός µόνο µήκους κύµατος στα οπτικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων. Τα οπτικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων προσφέρουν µια σειρά από πλεονεκτήµατα, τα οποία απορρέουν από τα δύο βασικά τους χαρακτηριστικά, την αµιγώς οπτική τους υπόσταση και τη δροµολόγηση των δεδοµένων σε επίπεδο µεµονωµένου πακέτου. Καταρχήν, είναι εφικτή η επεξεργασία δεδοµένων µικρού µεγέθους (granularity) µε άµεση συνέπεια τη δυνατότητα της δέσµευσης εύρους ζώνης κατ απαίτηση (bandwidth-use on demand) και την αποδοτικότερη εκµετάλλευση της χωρητικότητας του δικτύου, χωρίς να παραµένει µία σύνδεση ανενεργή για µεγάλο χρονικό διάστηµα. Το γεγονός αυτό καθιστά, επίσης, τα δίκτυα αυτά περισσότερο ευέλικτα (flexibility), υπό την έννοια ότι προσαρµόζονται σχετικά εύκολα στα συνεχώς εξελισσόµενα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, αφού µπορούν να παρέχουν ταυτόχρονα πολλαπλές υπηρεσίες. Επιπλέον, τα οπτικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων µπορούν να είναι διαφανή στο είδος της εισερχόµενης πληροφορίας (dataformat transparency), καθώς διαχειρίζονται εξίσου επιτυχώς σύγχρονες ή ασύγχρονες ροές πακέτων δεδοµένων µε σταθερό ή µεταβλητό µέγεθος πακέτων και συνεχείς ροές δεδοµένων. Τελευταίο, αλλά πολύ σηµαντικό προτέρηµα, είναι το γεγονός ότι τα παραπάνω πλεονεκτήµατα της τεχνικής µεταγωγής πακέτων παρέχονται στα οπτικά δίκτυα αυτού του είδους σε πολύ υψηλότερες ταχύτητες µετάδοσης συγκριτικά µε τα αντίστοιχα ηλεκτρονικά δίκτυα, ως αποτέλεσµα της διεκπεραίωσης όλων των λειτουργικών διαδικασιών του δικτύου από αµιγώς οπτικά στοιχεία. Η αξιοποίηση αυτών των πλεονεκτηµάτων είναι ιδιαίτερα ευεργετική σε δίκτυα παροχής υπηρεσιών, στα οποία κάθε υπηρεσία έχει διαφορετικές απαιτήσεις σε εύρος ζώνης, όπως είναι τα µητροπολιτικά δίκτυα. Κάθε µεταγωγικό στοιχείο µπορεί να είναι σε µία κατάσταση µεταγωγής για ένα τυχαίο, ακόµα και πολύ µικρό χρονικό διάστηµα, αφού η επεξεργασία του φορτίου του πακέτου δε γίνεται δυφίο προς δυφίο (bit-per-bit). Αυτό επιτρέπει την παροχή µιας σειράς υπηρεσιών, όπως υπηρεσίες βέλτιστης προσπάθειας σε χαµηλών απαιτήσεων χρήστες, εικονικά κυκλώµατα σε εταιρικούς χρήστες και ολόκληρα µήκη κύµατος σε µεγάλων απαιτήσεων τελικούς χρήστες, το οποίο είναι βασικό ζητούµενο σε κάθε δίκτυο και κυρίως στα µητροπολιτικά δίκτυα. Για την υλοποίηση των οπτικών δικτύων µεταγωγής πακέτων υπάρχουν, όµως, ορισµένοι σηµαντικοί ανασταλτικοί παράγοντες, οι οποίοι συνιστούν βασικούς περιορισµούς. Οι παράγοντες αυτοί είναι [9]: Η δροµολόγηση των πακέτων µε βάση τον τελικό τους προορισµό µε αποτέλεσµα να δηµιουργούνται πίνακες δροµολόγησης (routing look-up

23 tables) υπερβολικά µεγάλου µεγέθους, ιδιαίτερα στα IP δίκτυα, και να αυξάνει δραµατικά η πολυπλοκότητα της δροµολόγησης. Η µέχρι στιγµής αδυναµία των οπτικών κυκλωµάτων να παρέχουν αξιόπιστη καταχώρηση και αποθήκευση δεδοµένων (buffering), ανταγωνιστική της ηλεκτρονικής µνήµης τυχαίας προσπέλασης (Random Access Memory - RAM), ώστε να αποφεύγονται οι συγκρούσεις των πακέτων. Ο πρώτος από τους δύο περιορισµούς αίρεται µε την υιοθέτηση του πρωτοκόλλου MPLS (Multi-Protocol Label Switching) [7], [9] το οποίο προτείνει την προώθηση των δεδοµένων µε χρήση αλγορίθµων απευθείας σύγκρισης, και την υλοποίηση αντίστοιχων οπτικών δικτύων µεταγωγής ετικέτας (All-Optical Label Switched Networks - AOLS. Για την αντιµετώπιση του δεύτερου περιοριστικού παράγοντα έχουν προταθεί τα οπτικά δίκτυα πακέτων εκρηκτικής ροής (Optical Burst-Switched Networks - OBS). Οι δύο αυτές εναλλακτικές προσεγγίσεις των οπτικών δικτύων µεταγωγής πακέτων συζητούνται εκτενέστερα στις αµέσως επόµενες ενότητες. Σχήµα 1.4: Αµιγώς οπτικό δίκτυο µεταγωγής ετικέτας µε ετικέτες τοπικού χαρακτήρα. Σε κάθε κόµβο η ετικέτα σβήνεται και εισάγεται µία νέα ετικέτα µέχρι τον επόµενο κόµβο Αµιγώς Οπτικά ίκτυα Μεταγωγής Ετικέτας (All-Optical Label Switched Networks) Η βασική διαφορά των οπτικών δικτύων µεταγωγής ετικέτας από τα οπτικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων είναι ότι σε κάθε πακέτο εισάγεται, επιπλέον, µία ετικέτα µε µικρότερο µέγεθος από την επικεφαλίδα και η δροµολόγηση του πακέτου γίνεται, πλέον, µε βάση το περιεχόµενο της ετικέτας και όχι της επικεφαλίδας, οπότε τα δίκτυα αυτά είναι συµβατά µε το πρωτόκολλο MPLS (σχήµα 1.4). Μόνο η µικρού µεγέθους ετικέτα χρησιµοποιείται για τη δροµολόγηση του πακέτου, ενώ το µήκος κύµατος του πακέτου χρησιµοποιείται µόνο για την προώθηση αυτού. Κατά συνέπεια, οι πίνακες δροµολόγησης απλουστεύονται σε σηµαντικό βαθµό, η διαδικασία της δροµολόγησης είναι λιγότερο πολύπλοκη λόγω του µικρότερου µεγέθους της ετικέτας, ενώ διατηρείται το πλεονέκτηµα της διεκπεραίωσης όλων των διεργασιών στο οπτικό επίπεδο. Η ετικέτα εισάγεται είτε σειριακά στο πακέτο, οπότε και τοποθετείται χρονικά πριν την επικεφαλίδα του πακέτου, είτε πολυπλεγµένη σε διαφορετική συχνότητα από την κεντρική φέρουσα συχνότητα του πακέτου µε χρήση της τεχνικής πολυπλεξίας υποφέρουσας συχνότητας (Sub-carrier multiplexing). Ο χαρακτήρας της ετικέτας

24 µπορεί να είναι είτε τοπικός (local) είτε γενικός (global). Στην πρώτη περίπτωση, η ετικέτα σηµατοδοτεί τον επιθυµητό προορισµό του πακέτου κατά τη διαδροµή του µεταξύ δύο κόµβων, ενώ στη δεύτερη περιέχει τη συνολική πληροφορία για τον τελικό προορισµό του πακέτου µέσα στο δίκτυο. Πιο συγκεκριµένα, όταν το πακέτο µε τοπικού χαρακτήρα ετικέτα φτάνει σε έναν κόµβο, η ετικέτα του διαχωρίζεται από το υπόλοιπο πακέτο, αναγνωρίζεται µε βάση το περιεχόµενο της ποιος είναι ο επόµενος κόµβος, στον οποίο θέλει να δροµολογηθεί το πακέτο, σβήνεται από το πακέτο και εισάγεται στο πακέτο µία νέα ετικέτα, η οποία σηµατοδοτεί τον µεθεπόµενο επιθυµητό κόµβο στην πορεία του στο δίκτυο. Αυτή είναι µία βασική διαφορά από τις επικεφαλίδες IP, για παράδειγµα, οι οποίες παραµένουν ανεπηρέαστες κατά τη µετάδοση του πακέτου από την αρχική πηγή προέλευσης µέχρι τον τελικό του προορισµό. Η δροµολόγηση των πακέτων µε τοπικού χαρακτήρα ετικέτα αποδίδεται πιο παραστατικά µε τη βοήθεια του σχήµατος Αµιγώς Οπτικά ίκτυα Μεταγωγής Πακέτων Εκρηκτικής Ροής (All- Optical Burst Switched Networks) Στα οπτικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων εκρηκτικής ροής πολλαπλά πακέτα ΙΡ συναθροίζονται σε µία µεγαλύτερου µεγέθους οντότητα δεδοµένων (burst), η οποία αποστέλλεται στη συνέχεια µε εκρηκτικό τρόπο στο δίκτυο. Το απαιτούµενο εύρος ζώνης για τη µετάδοση αυτού του σήµατος δεσµεύεται εκ των προτέρων στο δίκτυο µε τη βοήθεια ενός επιπλέον σήµατος ελέγχου-καθορισµού της διαδροµής (control set-up signal), το οποίο αποστέλλεται πριν το burst στο δίκτυο. Κατά συνέπεια, κάθε κόµβος στη διαδροµή του burst ενηµερώνεται για την επιθυµητή διαδροµή του burst πριν αυτό φτάσει στον κόµβο, οπότε αποφεύγεται η χρήση καταχωρητών και στοιχείων αποθήκευσης της πληροφορίας για την πρόληψη των συγκρούσεων των πακέτων και η ανάλυση του περιεχοµένου της επικεφαλίδας του πακέτου. Αυτοί είναι και οι βασικότεροι λόγοι για τους οποίους εισήχθησαν τα οπτικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων εκρηκτικής ροής. Η πιο σηµαντική διαφορά στη δοµή των δεδοµένων σε αυτά τα δίκτυα συγκριτικά µε τη δοµή δεδοµένων στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων είναι το γεγονός ότι τα πακέτα έχουν σίγουρα µεταβλητό και, επίσης, µεγαλύτερο µέγεθος. 1.6 Τεχνολογία Οπτικών ικτύων Μεταγωγής Πακέτων Η υλοποίηση αµιγώς οπτικών δικτύων µεταγωγής πακέτων, δηλαδή οπτικών δικτύων τρίτης γενιάς βρίσκεται ακόµη σε καθαρά ερευνητικό στάδιο. Μέχρι και σήµερα υπάρχουν σηµαντικές δυσκολίες στην υλοποίηση των απαραίτητων δοµικών συστηµάτων για τέτοιου είδους δίκτυα, οι οποίες απορρέουν κυρίως από την απαίτηση για τη διεξαγωγή των λειτουργικών διεργασιών σε επίπεδο πακέτων µικρού µεγέθους. Παρόλα αυτά γίνονται σηµαντικές προσπάθειες προς την κατεύθυνση να ξεπεραστούν τα όποια εµπόδια υπάρχουν. Πέρα από τα σηµαντικά πειραµατικά στοιχεία που έχουν προκύψει έχει προταθεί και ένας αριθµός αρχιτεκτονικών οπτικών δικτύων µεταγωγής πακέτων. Η ανάγκη όµως και σε αυτές τις περιπτώσεις για υλοποίηση διαδικασιών µε ηλεκτρονικά κυκλώµατα έχει σαν αποτέλεσµα να περιορίζεται η ταχύτητα επεξεργασίας των πακέτων. Η ίδια κατάσταση επικρατεί και στις υλοποιήσεις οπτικών κόµβων µεταγωγής πακέτων, που έχουν παρουσιαστεί πιο πρόσφατα και αναφέρουν συνολική διέλευση δεδοµένων σε ρυθµούς 1,2 και 2,5 Gb/s, στις οποίες χρησιµοποιείται αποπολυπλεξία των υψίρρυθµων εισερχόµενων ροών δεδοµένων σε χαµηλότερους ρυθµούς µετάδοσης, ώστε να µπορούν να ανταποκριθούν τα ηλεκτρονικά κυκλώµατα

25 Μια περισσότερο παραστατική και λεπτοµερή ανασκόπηση της τεχνολογίας, που έχει προταθεί µέχρι στιγµής για την υλοποίηση των απαραίτητων δοµικών συστηµάτων δροµολόγησης και µεταγωγής στα οπτικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων, µπορεί να γίνει µε τη βοήθεια του σχήµατος 1.5. Στο σχήµα αυτό φαίνεται το δοµικό διάγραµµα ενός οπτικού κόµβου µεταγωγής πακέτων και οι σηµαντικότερες λειτουργικές του διεργασίες του, οι οποίες είναι η δροµολόγηση (routing), η προώθηση (forwarding), η µεταγωγή (switching), η αποθήκευση (buffering), η πολυπλεξία (multiplexing), ο συγχρονισµός (synchronization) και η αναγέννηση (regeneration). Σχήµα 1.5: Η δοµή ενός κόµβου στα οπτικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων. Η δροµολόγηση (routing) των πακέτων είναι η διαδικασία εύρεσης του επόµενου κόµβου-ενδιάµεσου σταθµού του πακέτου µε βάση τον τελικό του προορισµό µέσα στο δίκτυο. Για το σκοπό αυτό κάθε δροµολογητής (router) διατηρεί αποθηκευµένες πληροφορίες για όλους τους πιθανούς δρόµους ενός σήµατος µέσα στο δίκτυο ανάλογα µε την τοπολογία δικτύου. Οι πληροφορίες αυτές βρίσκονται µέσα στον δροµολογητή υπό µορφή πίνακα (πίνακας δροµολόγησης-routing look-up table). Η προώθηση (forwarding) των πακέτων είναι ίσως η πιο πολύπλοκη λειτουργία σε έναν κόµβο µεταγωγής πακέτων. Η επικεφαλίδα κάθε εισερχόµενου πακέτου στον κόµβο διαχωρίζεται από το φορτίο του πακέτου και οδηγείται στον κύριο επεξεργαστή του κόµβου. Ο επεξεργαστής αυτός συγκρίνει την επικεφαλίδα µε τα περιεχόµενα του πίνακα δροµολόγησης και αναγνωρίζει τον επιθυµητό προορισµό του πακέτου, οπότε στη συνέχεια παράγει ένα κατάλληλο σήµα ελέγχου για τον καθορισµό της κατάστασης µεταγωγής του οπτικού µεταγωγέα. Επιπλέον, παράγει επίσης τη νέα επικεφαλίδα του πακέτου, η οποία επανεισάγεται στο πακέτο για τη σηµατοδότηση του επόµενου προορισµού του στο δίκτυο. Λίγες είναι, σχετικά, οι τεχνικές, που έχουν προταθεί µέχρι στιγµής για το διαχωρισµό της επικεφαλίδας από το φορτίο µε αµιγώς οπτικό τρόπο. Οι σηµαντικότερες εξ αυτών περιλαµβάνουν τη χρήση παθητικών φίλτρων, στην περίπτωση που χρησιµοποιείται πολυπλεξία υποφέρουσας συχνότητας (sub-carrier multiplexing) για την επικεφαλίδα, τις τεχνικές αυτοσυγχρονισµού (selfsynchronization schemes), τις τεχνικές απεικόνισης του χρόνου στο µήκος κύµατος, και τη διαφορετική κωδικοποίηση της επικεφαλίδας και του φορτίου σε συνδυασµό µε την αξιοποίηση µη γραµµικών φαινοµένων σε οπτικούς διακόπτες. Σε όλες τις

26 παραπάνω µεθόδους, όµως, είτε είναι σηµαντική η επιβάρυνση του διαθέσιµου εύρους ζώνης είτε η πολυπλοκότητα του κυκλώµατος αυξάνει δραµατικά για µέγεθος επικεφαλίδας µεγαλύτερο των 6-8 δυφίων. Στην επεξεργασία και αναγνώριση της διαχωρισµένης επικεφαλίδας και στην παραγωγή του κατάλληλου σήµατος ελέγχου η κατάσταση φαντάζει ακόµη δυσκολότερη και τα αντίστοιχα κυκλώµατα, που έχουν υλοποιηθεί, είναι πολύ λιγότερα σε αριθµό. Οι πιο αξιόλογες προτάσεις, µέχρι στιγµής, βασίζονται στη δηµιουργία παλµών αυτοσυσχέτισης µε σύγκριση της επικεφαλίδας και των περιεχοµένων του πίνακα δροµολόγησης σε οπτικούς διακόπτες. Σηµαντική βοήθεια αναµένεται να παρέχουν, στον τοµέα αυτό, τα οπτικά flip-flops, τα οποία παρουσιάστηκαν σχετικά πρόσφατα. Σίγουρα, όµως, απαιτούνται ακόµα πολλά µεθοδικά βήµατα για την προσέγγιση µιας αξιόπιστης οπτικής υλοποίησης αυτού του συστήµατος. Η µεταγωγή (switching) είναι η ουσιαστική διαδικασία οδήγησης του εισερχόµενου πακέτου στην καθορισµένη από τη διαδικασία προώθησης έξοδο του κόµβου. Η λειτουργία αυτή επιτελείται από τον πίνακα µεταγωγής, ο οποίος ουσιαστικά αποτελείται από συστοιχίες κατάλληλα συνδεδεµένων µεµονωµένων οπτικών διακοπτών. Στον τοµέα της υλοποίησης αυτού του σταδίου τα οπτικά κυκλώµατα έχουν να παρουσιάσουν αξιοσηµείωτη πρόοδο προτείνοντας µια σειρά επιλογών όπως τη χρήση µετατροπέων µήκους κύµατος και παθητικών φίλτρων επιλεκτικών ως προς το µήκος κύµατος (AWGs), συστοιχιών ηµιαγώγιµων οπτικών ενισχυτών, ή συστοιχιών 2x2 [10] ή 4x4 οπτικών διακοπτών ηµιαγωγού, και επιδεικνύοντας µεταγωγή σε ρυθµούς µετάδοσης άνω των 40 Gb/s. Στους οπτικούς πίνακες µεταγωγής γίνονται ιδιαίτερα εµφανή τα πλεονεκτήµατα των οπτικών ηµιαγώγιµων συµβολοµετρικών διακοπτών ως µεταγωγικών στοιχείων, καθώς παρέχουν τη δυνατότητα για επεξεργασία σε επίπεδο ψηφίου σε χρονικές κλίµακες µερικών psec. Η αποθήκευση (buffering) των πακέτων χρησιµοποιείται, κυρίως, για την αποφυγή των συγκρούσεων των πακέτων στον κόµβο, στην περίπτωση που δύο ή περισσότερα εισερχόµενα πακέτα επιθυµούν ταυτόχρονα την ίδια έξοδο του κόµβου. Η αποθήκευση των πακέτων µπορεί εναλλακτικά να γίνει στην αρχή του κόµβου, στο τέλος, ή ακόµη και εσωτερικά στον οπτικό µεταγωγέα του κόµβου. Η απαραίτητη πληροφορία για το αν κάποιο πακέτο απαιτείται να αποθηκευθεί πριν τη δροµολόγησή του και για χρονικό διάστηµα αποθήκευσής του προκύπτει από το αποτέλεσµα της λειτουργίας προώθησης. Στον τοµέα αυτό η οπτική τεχνολογία παρουσιάζει εµφανή αδυναµία έναντι της ηλεκτρονικής, καθώς ακόµη δε διαφαίνεται στον ορίζοντα πολύ πιθανή η υλοποίηση µιας οπτικής µνήµης ανάλογης της ηλεκτρονικής RAM. Μέχρι στιγµής η οπτική αποθήκευση επιτυγχάνεται κυρίως µε χρήση οπτικών ινών µεγάλου µήκους για την εισαγωγή χρονικών καθυστερήσεων µεταξύ των πακέτων. Η πολυπλεξία (multiplexing) επιτελείται αφενός για την αύξηση του συνολικού ρυθµού µετάδοσης και αφετέρου για την προσθήκη/αφαίρεση ροών δεδοµένων (add/drop). Η λειτουργία αυτή ακολουθείται από µία ανάλογη διαδικασία αποπολυπλεξίας των δεδοµένων, η οποία είναι η ακριβώς αντίστροφη διαδικασία. Η πολυπλεξία/αποπολυπλεξία στο οπτικό επίπεδο επιτυγχάνεται µε χρήση οπτικών συµβολοµετρικών διακοπτών και έχει σίγουρα να παρουσιάσει πολύ εντυπωσιακά αποτελέσµατα σε πολύ υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης δεδοµένων, εκµεταλλευόµενη την ταχύτατη χρονική απόκριση των οπτικών ενεργών στοιχείων. Ο συγχρονισµός (synchronization) είναι στη γενική του περίπτωση η διαδικασία χρονικής διάταξης δύο σηµάτων. Στα οπτικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων συνήθως αναφερόµαστε µε τον όρο αυτό τόσο στη διάταξη των εισερχόµενων δεδοµένων, ώστε αυτά να ευθυγραµµίζονται χρονικά µε ένα τοπικό σήµα ρολογιού (συγχρονισµός δυφίου), όσο και στη χρονική ευθυγράµµιση µεταξύ των πακέτων, που εισέρχονται στον κόµβο από διαφορετικές εισόδους του. Η δεύτερη περίπτωση αντιµετωπίζεται σχετικά µε επιτυχία από τα οπτικά κυκλώµατα, που έχουν

27 παρουσιαστεί µέχρι στιγµής, όπως είναι οι συστοιχίες ηµιαγώγιµων οπτικών ενισχυτών συνδυασµένες µε διαφορετικά µήκη ινών για την εισαγωγή επιλεκτικών χρονικών καθυστερήσεων. Το στάδιο του συγχρονισµού είναι, κατά κανόνα, το πρώτο σύστηµα που συναντούν τα δεδοµένα κατά την είσοδό τους στον κόµβο. Για την πρώτη έννοια του συγχρονισµού, όµως, τα οπτικά κυκλώµατα δεν προσφέρουν ακόµη µία αξιόπιστη προσέγγιση του προβλήµατος. Η διαδικασία αυτή είναι ιδιαίτερα σηµαντική για τη συντονισµένη διεξαγωγή όλων των υπολοίπων λειτουργικών διαδικασιών του κόµβου και απαιτεί την ανάκτηση του σήµατος ρολογιού από τα εισερχόµενα πακέτα, το οποίο σήµα ρολογιού οφείλει επίσης να είναι σε µορφή πακέτων. Το γεγονός αυτό δηµιουργεί σηµαντικές δυσκολίες στα κυκλώµατα ανάκτησης ρολογιού, που είχαν προταθεί µέχρι την περίοδο έναρξης της παρούσης διατριβής, τα οποία, αν και παρουσιάζουν εντυπωσιακές επιδόσεις σε συνεχείς ροές δεδοµένων σε ρυθµούς µετάδοσης άνω των 40 Gb/s, δεν είναι ικανά να χειριστούν ασύγχρονα πακέτα µεταβλητού και µικρού, γενικά, µεγέθους. Η αναγέννηση (regeneration) αφορά στη βελτίωση της ποιότητας του σήµατος δεδοµένων πριν αυτό εξέλθει του κόµβου και συνεχίσει τη διαδροµή του στο δίκτυο, ώστε να αποφευχθεί η µη αντιστρεπτή παραµόρφωση των χαρακτηριστικών του σήµατος και η τελική λήψη λανθασµένης πληροφορίας. Η 3R αναγέννηση περιλαµβάνει τρεις λειτουργίες: τον επανασυγχρονισµό (Re-timing) των δυφίων του σήµατος, την αναµόρφωση του σχήµατος των παλµών του (Re-shaping), και την επανενίσχυση (Re-amplifying) του σήµατος. Για τον επανασυγχρονισµό του σήµατος απαιτείται ξανά η ανάκτηση ενός υψηλής ποιότητας σήµατος ρολογιού σε επίπεδο µεµονωµένου πακέτου, η οποία δεν έχει καταστεί ακόµη δυνατή. Για το λόγο αυτό οι οπτικές διατάξεις αναγέννησης δεδοµένων έχουν περιοριστεί σε συνεχείς ροές οπτικών δεδοµένων, όπου βέβαια έχουν να παρουσιάσουν εντυπωσιακά επιτεύγµατα σε πολύ υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης [11], [12]. Εκτός των παραπάνω λειτουργιών του κόµβου στα οπτικά δίκτυα µεταγωγής πακέτων, µία πολύ σηµαντική διεργασία είναι αυτή της λήψης (reception) του σήµατος στον τελικό του προορισµό. Η διαδικασία αυτή συνίσταται στην αναγνώριση δυφίο προς δυφίο του περιεχοµένου του πακέτου και στην τελική απόφαση για το ποια δυφία του πακέτου αντιστοιχούν στο λογικό 1 και ποια στο λογικό 0. Προφανώς και αυτή η διαδικασία πρέπει να επιτελείται σε επίπεδο πακέτου, γεγονός που έχει καθοριστική συµβολή στην απουσία αξιόλογων προτάσεων για τη διεξαγωγή της στο οπτικό επίπεδο, µιας και αυτή προϋποθέτει την αντίστοιχη ανάκτηση ρολογιού σε επίπεδο πακέτου. Αυτός είναι ο βασικό λόγος για τον οποίο µέχρι στιγµής έχουν επιδειχθεί µόνο ηλεκτρονικά κυκλώµατα λήψης πακέτων εκρηκτικής ροής [13]-[15]. 1.7 Σκοπός και δοµή της διπλωµατικής Στις προηγούµενες παραγράφους έγινε αναφορά στον απώτερο στόχο που έχει η ανάπτυξη της φωτονικής τεχνολογίας. Όπως όµως προαναφέρθηκε υπάρχει ακόµα αρκετός δρόµος για την κατασκευή ενός αµιγώς οπτικού δικτύου µεταγωγής πακέτων που θα µπορεί να εκτελεί τις ίδιες λειτουργίες µε το αντίστοιχο ηλεκτρονικό και µάλιστα σε πολύ υψηλότερους ρυθµούς µετάδοσης. Το όραµα αυτό θέλουν να υλοποιήσουν τα οπτικά δίκτυα τρίτης γενιάς χωρίς όµως ακόµα να είναι σε θέση κανείς να πει κατά πόσο αυτό είναι δυνατό. Ακόµα και αν δεν καταστεί εφικτό κάτι τέτοιο στο προσεχές µέλλον, σίγουρα θα προκύψει αρκετή γνώση και τεχνογνωσία για αντίστοιχες µελλοντικές προσπάθειες. Στα πλαίσια της δηµιουργίας των οπτικών δικτύων τρίτης γενιάς γίνονται όπως αναφέραµε και στην προηγούµενη ενότητα προσπάθειες να µεταφερθούν διαδικασίες όπως η µεταγωγή (switching) και η δροµολόγηση (routing) στο οπτικό επίπεδο των δικτύων απελευθερώνοντας τις µε αυτό τον τρόπο από την ανάγκη για χρήση των

28 ηλεκτρονικών. Ένα µεγάλο µέρος των ερευνών που έχουν ως στόχο να υλοποιήσουν τις παραπάνω διαδικασίες χρησιµοποιούν οπτικές πύλες που βασίζονται σε συµβολόµετρα. Τα τελευταία χρόνια µάλιστα έχει δοθεί ιδιαίτερη βαρύτητα σε ένα συγκεκριµένο είδος συµβολόµετρων τα Mach Zehnder. Αυτά έχει αποδειχτεί ότι µπορούν να λειτουργήσουν ως οπτικές πύλες για την εκτέλεση λογικών πράξεων AND, ΧΟR κτλ, ενώ στην διεθνή βιβλιογραφία έχουν παρουσιαστεί Mach Zehnder συµβολόµετρα που επιτελούν διάφορες άλλες λειτουργίες όπως µεταγωγή [10], µετατροπή µήκους κύµατος [14], αναγέννηση [15] και άλλα. Ένα µεγάλο µέρος των δηµοσιεύσεων που σχετίζονται µε διαδικασίες όπως µεταγωγή, µετατροπή µήκους κύµατος, προώθηση και αναγέννηση σήµατος χρησιµοποιούν Mach Zehnder συµβολόµετρα. Στόχος αυτής της διπλωµατικής εργασίας είναι η βελτιστοποίηση της λειτουργίας του Mach Zehnder συµβολόµετρου σε διαδικασία µεταγωγής αλλά και η διερεύνηση της λειτουργίας του στις διαδικασίες µεταγωγής και µετατροπής µήκους κύµατος. Ο λόγος είναι ότι τα Mach Zehnder συµβολόµετρα παρουσιάζονται ως ιδανικά στοιχεία για την µεταφορά λειτουργιών από το ηλεκτρονικό στο οπτικό επίπεδο στα µελλοντικά φωτονικά δίκτυα. Εποµένως κρίνεται αναγκαία η µελέτη για την βελτίωση της λειτουργίας τους και η περαιτέρω διερεύνηση των συνθηκών κάτω από τις οποίες λειτουργούν αποτελεσµατικότερα ως οπτικές πύλες. Πιο συγκεκριµένα στην παρούσα διπλωµατική εργασία ερευνάται η δυνατότητα βελτιστοποίησης της λειτουργίας ενός Μach Zehnder συµβολόµετρου σε διαδικασία µεταγωγής χρησιµοποιώντας ένα βοηθητικό σήµα. Το βοηθητικό σήµα που θα χρησιµοποιηθεί είναι η ανάστροφη περιβάλλουσα του σήµατος δεδοµένων. Η ανάγκη για την χρησιµοποίηση βοηθητικού σήµατος ώστε να γίνει εφικτή η παραπάνω βελτιστοποίηση αλλά και η επιλογή της ανάστροφης περιβάλλουσας ως βοηθητικό σήµα θα παρουσιαστεί και θα αναλυθεί στα κεφάλαια που θα ακολουθήσουν. Φυσικά θα παρουσιαστεί ακόµα και ο τρόπος που προκύπτει το συγκεκριµένο σήµα. Επιπλέον στην παρούσα διπλωµατική εργασία θα µας απασχολήσει η δυνατότητα λειτουργίας ενός Μach Zehnder (ΜΖΙ) σε διαδικασίες µεταγωγής και µετατροπής µήκους κύµατος αντικαθιστώντας το σήµα εισόδου ή το σήµα ελέγχου (αναλόγως µε την διαδικασία) µε το σήµα της περιβάλλουσας του σήµατος δεδοµένων. Και εδώ η επιλογή του σήµατος δεν είναι τυχαία και αποσκοπεί σε µια γενικότερη φιλοσοφία που θέλει το σήµα της περιβάλλουσας να διαδραµατίζει σηµαντικό ρόλο σε τέτοιες διαδικασίες. Ο τρόπος µε τον οποίο υλοποιούνται οι παραπάνω µελέτες δεν είναι πειραµατικός αλλά βασίζεται σε προσοµοιώσεις που πραγµατοποιήθηκαν στο λογισµικό VPI και ανταποκρίνονται όσο το δυνατόν καλύτερα στα δεδοµένα του αντίστοιχου πειράµατος. Η δοµή της διπλωµατικής είναι η εξής: Κεφάλαιο 2 : Παρουσίαση και θεωρητική προσέγγιση των οπτικών συµβολοµετρικών διακοπτών µε ηµιαγώγιµο οπτικό ενισχυτή (συµβολόµετρα Mach Zehnder), των ηµιαγώγιµων οπτικών ενισχυτών (SOAs) που υπάρχουν σε κάθε Mach Zehnder, του φίλτρου Fabry Perot που χρησιµοποιήθηκε για την υλοποίηση των προσοµοιώσεων και τέλος του λογισµικού προσοµοίωσης VPI. Κεφάλαιο 3 : Παρουσίαση των προσοµοιώσεων µε στόχο την βελτιστοποίηση της λειτουργίας του Mach Zehnder συµβολόµετρου χρησιµοποιώντας ως βοηθητικό σήµα την ανάστροφη περιβάλλουσα. Οι προσοµοιώσεις πραγµατοποιήθηκαν τόσο στα 10GHz όσο καi στα 40GHz. Ταυτόχρονα γίνεται παρουσίαση των προσοµοιώσεων που είχαν ως στόχο την εξαγωγή της ανάστροφης περιβάλλουσας από το σήµα δεδοµένων τόσο στα 10 όσο και στα 40GHz. Κεφάλαιο 4 : Παρουσίαση των προσοµοιώσεων µε στόχο την διερεύνηση για την δυνατότητα λειτουργίας ενός Mach Zehnder συµβολόµετρου σε διαδικασίες µεταγωγής και µετατροπής µήκους κύµατος όπου το σήµα εισόδου είναι η περιβάλλουσα του σήµατος δεδοµένων. Οι προσοµοιώσεις που παρουσιάζονται είναι και σε αυτό το κεφάλαιο τόσο στα 10 µε σήµα NRZ µορφής όσο και στα 40GHz µε

29 σήµα RZ µορφής ενώ γίνεται και παρουσίαση των προσοµοιώσεων για την εξαγωγή της περιβάλλουσας από το σήµα δεδοµένων. Κεφάλαιο 5 : Ανασκόπηση των βασικότερων στοιχείων και διατάξεων της παρούσης διπλωµατικής. Ταυτόχρονα συνοψίζονται τα αποτελέσµατα που ελήφθησαν

30 - 28 -

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΩΝ ΒΑΣΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΤΩΝ ΙΑΤΑΞΕΩΝ 2.1 Εισαγωγή Η αλµατώδης πρόοδος των ενσύρµατων τηλεπικοινωνιακών δικτύων και η συνεχής βελτίωση των παρεχόµενων υπηρεσιών, που παρατηρούνται τα τελευταία χρόνια, οφείλονται σε σηµαντικό βαθµό στην αντίστοιχη πρόοδο της φωτονικής τεχνολογίας, και στην αξιοποίηση των δυνατοτήτων, που παρέχουν τα οπτικά συστήµατα µετάδοσης. Ιδιαίτερα στον τοµέα της ρυθµοδότησης των δικτύων είναι γεγονός ότι οι ταχύτητες µετάδοσης στα δίκτυα οπτικών ινών έχουν υπερσκελίσει κατά πολύ τις αντίστοιχες των ηλεκτρονικών δικτύων. Οπτικά συστήµατα µετάδοσης µε πολυπλεξία διαίρεσης µήκους κύµατος (Wavelength Division Multiplexing - WDM) και ταχύτητα λειτουργίας 10 Gb/s ανά κανάλι είναι ήδη εδώ και αρκετά χρόνια εγκατεστηµένα στα δίκτυα κορµού, ενώ πιο πρόσφατα, παρουσιάστηκαν και τα πρώτα εµπορικά διαθέσιµα συστήµατα µε δυνατότητα µετάδοσης στα 40 Gb/s ανά κανάλι [22]. Σε εργαστηριακό επίπεδο έχουν επιτευχθεί ακόµα υψηλότερες ταχύτητες [1]. Χαρακτηριστικό παράδειγµα αποτελούν WDM οπτικά δίκτυα, τα οποία έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια, µε συνολικό ρυθµό µεταδιδόµενης πληροφορίας µεγαλύτερο των 10 Tb/s. Επιπλέον αντίστοιχες δυνατότητες εµφανίζουν και τα εργαστηριακά οπτικά συστήµατα µετάδοσης, που χρησιµοποιούν πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου (Optical Time Division Multiplexing), καθώς έχουν να επιδείξουν επιτεύγµατα δυσπρόσιτα για τα ηλεκτρονικά δίκτυα, όπως, για παράδειγµα, ρυθµοδότηση ενός καναλιού στα 40 Gb/s, στα 160 Gb/s, στα 640 Gb/s, και πιο πρόσφατα ακόµα και στα 1,28 Tb/s. Αυτές οι ταχύτητες µετάδοσης κάνουν επιτακτική την ανάγκη για αντίστοιχη αύξηση στις ταχύτητες λειτουργίας των κυκλωµάτων επεξεργασίας του οπτικού σήµατος, ειδάλλως σε κάθε κόµβο του δικτύου ο ρυθµός

32 µετάδοσης θα περιορίζεται από τα χαµηλότερης ταχύτητας συστήµατα και θα καθίσταται απαγορευτική η πλήρης εκµετάλλευση του εύρους ζώνης, που παρέχουν τα συστήµατα µετάδοσης. Η αναζήτηση «γρήγορων» λύσεων ψηφιακής επεξεργασίας του οπτικού σήµατος είναι, µάλλον, µάταιο να γίνει µεταξύ των ηλεκτρονικών κυκλωµάτων, καθώς ήδη οι ηλεκτρονικές διατάξεις έχουν προσεγγίσει τα πρακτικά όρια λειτουργίας τους, και η οπτο-ηλεκτρο-οπτική µετατροπή του σήµατος είναι αναπόφευκτο να µειώνει τις επιδόσεις του δικτύου και να προκαλεί συµφόρηση. Είναι αναγκαία, εποµένως, η υλοποίηση κυκλωµάτων ικανών να επιτελούν τις απαραίτητες διεργασίες ψηφιακής επεξεργασίας του σήµατος απευθείας στο οπτικό επίπεδο. Η αµιγώς οπτική ψηφιακή επεξεργασία αποτελεί το µέλλον της φωτονικής τεχνολογίας, αν και εµφανίζει ακόµα σηµαντικά τεχνικά και οικονοµικά µειονεκτήµατα συγκριτικά µε την ηλεκτρονική επεξεργασία, κυρίως όσον αφορά την πυκνότητα ολοκλήρωσης των οπτικών πυλών. Παρόλα αυτά, όµως, είναι αναµφισβήτητο το γεγονός ότι ο τοµέας της οπτικής επεξεργασίας σήµατος έχει παρουσιάσει αξιοσηµείωτη πρόοδο, η οποία µάλιστα, τουλάχιστον κατά την τελευταία δεκαετία, συντελείται µάλλον µε αλµατώδεις ρυθµούς. Η πρόοδος αυτή είναι άµεσα συνδεδεµένη µε την αξιοποίηση των οπτικών συµβολοµετρικών διατάξεων (optical interferometers) µε ηµιαγώγιµους οπτικούς ενισχυτές (Semiconductor Optical Amplifiers - SOAs), οι οποίες υιοθετήθηκαν ως οι κύριες διατάξεις οπτικών διακοπτών και ως τα βασικά δοµικά στοιχεία µεταγωγής της φωτονικής τεχνολογίας. Η λειτουργία αυτών των οπτικών πυλών βασίζεται στο φαινόµενο της ετεροδιαµόρφωσης φάσης (Cross-Phase Modulation - XPM) µέσα στους ηµιαγώγιµους οπτικούς ενισχυτές, το οποίο εκµεταλλεύεται την ισχυρή µη γραµµικότητα των ηµιαγωγών και την ταχύτατη χρονική απόκριση αυτής. Αυτά τα δύο χαρακτηριστικά προσδίδουν στις οπτικές συµβολοµετρικές διατάξεις τη δυνατότητα για λειτουργία τους µε χαµηλές ενέργειες µεταγωγής (της τάξης µερικών fj), και σε υψηλές ταχύτητες µετάδοσης, παρέχοντας σαφές πλεονέκτηµα έναντι των ηλεκτρονικών κυκλωµάτων. Επιπλέον, η υιοθέτηση των συµβολοµετρικών διατάξεων καθιστά δυνατή την ολοκλήρωση των διακοπτών σε συµπαγείς συσκευασίες, παρέχοντας τη δυνατότητα για διαδοχική σύνδεση πολλαπλών διακοπτών και για την υλοποίηση σύνθετων οπτικών κυκλωµάτων επεξεργασίας, τα οποία προσαρµόζονται εύκολα σε µια πληθώρα δικτυακών εφαρµογών. Ενδεικτικό των παραπάνω είναι η εφαρµογή αυτών των οπτικών πυλών, τα τελευταία χρόνια, σε µια σειρά λειτουργικών διαδικασιών µε οµολογουµένως εντυπωσιακά αποτελέσµατα, τουλάχιστον από πλευράς ταχύτητας λειτουργίας. Η χρήση συµβολοµετρικών διακοπτών µε ηµιαγώγιµους ενισχυτές έχει ήδη στο ενεργητικό της την επιτυχή επίδειξη διατάξεων αποπολυπλεξίας (demultiplexing) οπτικού σήµατος σε ρυθµούς µετάδοσης µέχρι και 160 Gb/s, οπτικής 3R αναγέννησης (regeneration) [17], [18] µέχρι και στα 160 Gb/s, µετατροπής µήκους κύµατος (wavelength conversion) [17] µέχρι και τα 3,8 THz, καθώς και δειγµατοληψίας (sampling) οπτικού σήµατος σε ταχύτητες ως και 320 Gb/s. Εντυπωσιακοί είναι, επίσης, οι ρυθµοί µετάδοσης, που έχουν επιτευχθεί µε χρήση οπτικών πυλών σε διατάξεις αποθήκευσης της οπτικής πληροφορίας και σε οπτικά κυκλώµατα Boolean λογικής [19]-[21]. Αυτή η πληθώρα εφαρµογών των οπτικών διακοπτών στην επεξεργασία σήµατος σε εντυπωσιακά υψηλές ταχύτητες λειτουργίας οδηγεί, εύλογα, στο συµπέρασµα, ότι οι συµβολοµετρικοί διακόπτες αποτελούν το κατεξοχήν ανάλογο του ηλεκτρονικού τρανζίστορ στο χώρο των οπτικών συστηµάτων. Η έντονη προσπάθεια, όµως, για συνεχή αύξηση της ταχύτητας λειτουργίας των οπτικών πυλών και για την επιτυχή ολοκλήρωσή τους σε συµπαγείς συσκευασίες, δηµιουργεί σίγουρα ερωτηµατικά για το αν έχει αξιοποιηθεί πλήρως η λειτουργικότητα, που παρέχουν οι οπτικές πύλες, παρόλο ότι ήδη έχουν χρησιµοποιηθεί για την επίδειξη ενός σηµαντικού αριθµού εφαρµογών. Οι οπτικές πύλες παρέχουν τα περιθώρια για υλοποίηση συστηµάτων µε πολλές φορές

33 µεγαλύτερη λειτουργικότητα και καλύτερη απόδοση από τα αντίστοιχα ηλεκτρονικά και η αξιοποίηση της λειτουργικότητας των οπτικών πυλών µπορεί να επιφέρει σηµαντικά οφέλη στην πρόοδο της φωτονικής επεξεργασίας σήµατος. Χαρακτηριστικό παράδειγµα των λειτουργικών δυνατοτήτων των οπτικών διακοπτών αποτελούν τα οπτικά flip-flops [21], τα οποία παρουσιάστηκαν πρώτη φορά πριν από µόλις δύο χρόνια. Στις επόµενες παραγράφους θα παρουσιαστούν τα στοιχεία που θα συνεισφέρουν στις διατάξεις τις διπλωµατικής εργασίας και είναι το Mach Zehnder συµβολόµετρο µε ηµιαγώγιµους ενισχυτές SOAs, ο ηµιαγώγιµος ενισχυτής SOA, το Fabry Perot φίλτρο και τέλος το λογισµικό VPI, το πρόγραµµα στο οποίο θα εκτελεστούν όλες τις προσοµοιώσεις. 2.2 Το Μach Zehnder συµβολόµετρο Για πρώτη φορά η χρήση συµβολοµέτρων για την υλοποίηση αµιγώς οπτικών διακοπτών ή, αλλιώς, πυλών προτάθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1980, για να φτάσει σήµερα να είναι, πλέον, αποδεδειγµένα ευρέως αποδεκτό, ότι οι οπτικές συµβολοµετρικές διατάξεις (interferometric arrangements) µπορούν να προσφέρουν πλεονεκτήµατα στην ταχύτητα λειτουργίας, στη δυνατότητα υλοποίησης Boolean λογικής, καθώς και σε ένα ευρύτερο φάσµα εφαρµογών. Αν µάλιστα λάβουµε υπόψη µας ότι τα συµβολόµετρα είναι τα τρανζίστορ της φωτονικής τεχνολογίας τότε γίνεται άµεσως κατανοητή η ανάγκη για πλήρη έρευνα των εφαρµογών τους και ανάπτυξη των δυνατοτήτων τους Οπτικός συµβολοµετρικός διακόπτης Η διάταξη ενός οπτικού συµβολοµέτρου στη γενική του µορφή, η οποία είναι γνωστή µε την ονοµασία Mach Zehnder (ΜΖΙ), φαίνεται στο σχήµα 2.1. Για την επιτυχή λειτουργία του συµβολοµέτρου απαιτείται η ύπαρξη δύο τουλάχιστον οπτικών σηµάτων. Το ένα από τα δύο σήµατα είναι, συνήθως, ένα οπτικό σήµα ρολογιού χαµηλής οπτικής ισχύος, το οποίο εισέρχεται στο διακόπτη σαν σήµα εισόδου, όπως φαίνεται στο σχήµα 2.1, και το οποίο αναφέρεται ως σήµα ρολογιού (clock signal) της οπτικής πύλης. Το δεύτερο οπτικό σήµα, που απαιτείται, είναι το σήµα ελέγχου (control signal), το οποίο µπορεί να είναι µια τυχαία παλµική ακολουθία, και του οποίου ο ρόλος είναι να καθορίζει (ελέγχει) την κατάσταση µεταγωγής του διακόπτη. Το συµβολόµετρο του σχήµατος 2.1 αποτελείται από δύο βραχίονες ιδίου µήκους. Το σήµα εισόδου διαχωρίζεται, καθώς εισέρχεται στη διάταξη, σε δύο συνιστώσες µε τη βοήθεια ενός οπτικού συζεύκτη ισχύος (optical coupler). Στη συνέχεια, η κάθε µια συνιστώσα διαδίδεται στον ένα από τους δύο βραχίονες του συµβολόµετρου, και τελικά οι δύο συνιστώσες επανενώνονται στην έξοδο του συµβολόµετρου µέσω ενός δεύτερου οπτικού συζεύκτη ισχύος, όπου αναγκαστικά συµβάλλουν και εξέρχονται του διακόπτη µέσω των δύο εξόδων του. Το µέγεθος της οπτικής ισχύος σε κάθε έξοδο της πύλης είναι αποκλειστικό αποτέλεσµα της συµβολής των δύο συνιστωσών. Αν τα υλικά, που αποτελούν τους δύο βραχίονες ιδίου µήκους έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά, τότε οι αντίστοιχοι οπτικοί δρόµοι είναι ίδιοι και οι δύο συνιστώσες του σήµατος ρολογιού έχουν την ίδια φάση (phase), όταν συµβάλλουν στο δεύτερο συζεύκτη. Αποτέλεσµα αυτού είναι στη µια έξοδο του διακόπτη να υπάρχει πλήρως προσθετική συµβολή, ενώ στην άλλη έξοδο του διακόπτη η συµβολή είναι πλήρως αναιρετική. Κατά συνέπεια, το σύνολο της οπτικής ισχύος εξέρχεται, σ αυτήν την περίπτωση, από την πρώτη θύρα εξόδου, και ο διακόπτης βρίσκεται στην κατάσταση OFF

34 Σχήµα 2.1: Γενική συνδεσµολογία ενός οπτικού συµβολόµετρου. Για την επίτευξη µεταγωγής πρέπει τουλάχιστον στον ένα από τους δύο βραχίονες του συµβολόµετρου να υπάρχει ένα µη γραµµικό µέσο, του οποίου ο δείκτης διάθλασης να µεταβάλλεται µη γραµµικά µε την προσπίπτουσα οπτική ισχύ µέσω του φαινοµένου της ετεροδιαµόρφωσης φάσης (Cross-Phase Modulation - XPM), ενώ ο δεύτερος βραχίονας στην απλουστευµένη αυτή θεώρηση του σχήµατος 2.1 αρκεί να έχει τέλεια γραµµική συµπεριφορά. Οι περισσότερες παρουσιάσεις διακοπτών, µέχρι σήµερα, βασίζονται σε µη γραµµικότητες, που οφείλονται στους (2) (3) συντελεστές επιδεκτικότητας δεύτερης και τρίτης τάξης, χ και χ, αντίστοιχα, των υλικών που χρησιµοποιούνται. Το µη γραµµικό υλικό, που χρησιµοποιήθηκε πρώτη φορά για την υλοποίηση των οπτικών διακοπτών, είναι η τυπική οπτική ίνα µε προσµίξεις πυριτίου (Si), για να µελετηθούν, στη συνέχεια, διάφορες εναλλακτικές λύσεις, αποσκοπώντας κυρίως στην αύξηση της µη γραµµικής συµπεριφοράς και στη µείωση του απαιτούµενου µήκους αλληλεπίδρασης µεταξύ υλικού και εισερχόµενου οπτικού σήµατος. Τα τελευταία χρόνια, η έρευνα στον τοµέα της οπτικής µεταγωγής έχει εστιαστεί στην χρήση οπτικών ενισχυτών ηµιαγωγού (SOA) λόγω, κυρίως, της ισχυρής µη γραµµικότητάς τους και του µικρού και συµπαγούς µεγέθους αυτών. Η διέγερση της µη γραµµικότητας του µέσου επιτυγχάνεται µε την εισαγωγή ενός ισχυρού οπτικού σήµατος ελέγχου, και η προκαλούµενη µεταβολή του δείκτη διάθλασης του µη γραµµικού µέσου γίνεται αντιληπτή από το ασθενής ισχύος σήµα ρολογιού ως µια αλλαγή στη φάση του. Αποτέλεσµα αυτού είναι να φτάνουν οι δύο συνιστώσες του σήµατος ρολογιού στην έξοδο µε διαφορετική µεταξύ τους φάση, οπότε η συµβολή τους µετατρέπει τη διαφορά φάσης σε µεταβολή πλάτους, αλλάζοντας το συσχετισµό οπτικής ισχύος στις δύο θύρες εξόδου του διακόπτη. Στην περίπτωση, που η µεταβολή στη φάση είναι ίση µε π, το σύνολο της οπτικής ισχύος εξέρχεται από τη δεύτερη θύρα του διακόπτη, πλέον, και όχι από την πρώτη, και η πύλη είναι σε κατάσταση µεταγωγής ή ON. Σχηµατικά, οι δύο καταστάσεις µεταγωγής OFF και ON ενός συµβολοµετρικού διακόπτη φαίνονται στο σχήµα 2.2 Σχήµα 2.2: κατάσταση µεταγωγής (α) OFF και (β) ON ενός συµβολοµετρικού διακόπτη

35 2.2.2 Συνάρτηση µεταφοράς ισχύος του οπτικού συµβολόµετρου Η εξάρτηση του δείκτη διάθλασης του µη γραµµικού υλικού από την ένταση της προσπίπτουσας οπτικής ακτινοβολίας δίδεται από την έκφραση: n = n + (2.1), 0 n 2I c όπου n 0 είναι ο γραµµικός δείκτης διάθλασης του χρησιµοποιούµενου υλικού, n 2 είναι ο µη γραµµικός δείκτης διάθλασης αυτού, και I c η ένταση του προσπίπτοντος φωτός. Αν οι οπτικοί συζεύκτες εισόδου και εξόδου έχουν λόγο σύζευξης 50:50, η ένταση του σήµατος εξόδου Ι out στη δεύτερη θύρα εξόδου του διακόπτη σχετίζεται µε την ένταση εισόδου I in µέσω της σχέσης: I out ( φ Δφ ) 2 l + nl = I in cos 2 (2.2), όπου φ l είναι η αρχική διαφορά φάσης µεταξύ των δύο βραχιόνων του Δφ = 2π n LI είναι η διαφορά φάσης, που προκαλείται συµβολόµετρου και ( ) 2 c nl λ από το σήµα ελέγχου µε ένταση I c. Στην έκφραση αυτή, L είναι το µήκος αλληλεπίδρασης των παλµών σήµατος και ελέγχου µέσα στο µη γραµµικό µέσο και λ είναι το µήκος κύµατος του φωτός. Η έκφραση 2.2 σε συνδυασµό µε την τελευταία σχέση, που συνδέει τη διαφορά φάσης φ nl µε την ένταση I c του σήµατος ελέγχου, αποτελεί και τη συνάρτηση µεταφοράς ισχύος του διακόπτη, η οποία προκύπτει να έχει µια καθαρά συνηµιτονοειδή µορφή. Αυτή απεικονίζεται σχηµατικά στο σχήµα 2.3, όπου έχουµε θεωρήσει ότι το φ είναι ίσο µε µηδέν. Στο σχήµα 2.3(α) δίνεται η συνάρτηση l µεταφοράς µέχρι τρεις περιόδους, ενώ στο σχήµα 2.3(β) φαίνεται το τµήµα της πρώτης περιόδου της συνάρτησης µεταφοράς, όπου συνήθως επιδιώκεται να λειτουργεί ο διακόπτης. Με τη διακεκοµµένη γραµµή στο σχήµα 2.3(β) αναπαριστάται η ιδανική βηµατική συνάρτηση µεταφοράς για συγκριτικούς λόγους, ενώ οι σκιασµένες περιοχές Α και Β δείχνουν τις περιοχές, όπου επιδιώκεται να λειτουργεί ο διακόπτης για λογικές εισόδους 0 και 1, αντίστοιχα. Σχήµα 2.3: (α) συνάρτηση µεταφοράς ενός οπτικού συµβολοµετρικού διακόπτη (β) τµήµα της συνάρτησης µεταφοράς σε βέλτιστη µεταγωγική λειτουργία του διακόπτη

36 Για την επίτευξη αµιγώς οπτικής µεταγωγής, δηλαδή αλλαγής της µετάδοσης του συµβολόµετρου από ένα µέγιστο σε ένα ελάχιστο και αντίστροφα, απαιτείται ολίσθηση φάσης στο µη γραµµικό υλικό ίση µε π. Η ένταση κορυφής των παλµών του σήµατος ελέγχου, που απαιτείται για την επίτευξη της ολίσθησης αυτής, είναι : λ I c = (2.3) 2n L 2 Στις περισσότερες παρουσιάσεις οπτικών διακοπτών των τελευταίων χρόνων, προτείνονται συµβολοµετρικές διατάξεις, οι οποίες εµπεριέχουν ηµιαγώγιµα υλικά µε µη-γραµµικότητες φάσης, κέρδους, ή συνδυασµό και των δύο. Ο συνδυασµός τέτοιων µη γραµµικοτήτων µε τη συµβολοµετρική συνδεσµολογία του διακόπτη εξασφαλίζει µεταγωγή σε υψηλές ταχύτητες ρυθµοδότησης και υψηλής ποιότητας χαρακτηριστικών, τα οποία δεν µπορούν να παρέχουν τα µη γραµµικά υλικά από µόνα τους. Πρέπει να σηµειωθεί, όµως, ότι τα διαφορικά κέρδη µεταξύ των βραχιόνων του συµβολόµετρου οδηγούν σε µειωµένη τιµή του λόγου αντίθεσης (contrast ή extinction ratio) στην έξοδο, αφού τέλεια αναιρετική συµβολή στην έξοδό του είναι αδύνατη. Θεωρώντας µοναδιαίο πεδιακό κέρδος στον ένα βραχίονα και κέρδος τιµής g στον άλλο, η σχέση 2.2 µεταξύ της έντασης του σήµατος εξόδου Ι out και της έντασης εισόδου I in γίνεται: I I out in [ 1 + g 2g cos( Δφ) ] = (2.4), όπου φ είναι, τώρα, η επιπρόσθετη ολίσθηση φάσης µεταξύ κάθε βραχίονα του συµβολόµετρου. Η παραπάνω σχέση παρουσιάζει ελάχιστο για ολίσθηση φάσης ϕ = π, και η ελάχιστη αυτή τιµή είναι 1 4 ( 1 g) 2. Τέλεια αναιρετική συµβολή µπορεί να υπάρξει µόνο όταν δεν υπάρχει διαφορικό κέρδος µεταξύ των βραχιόνων του συµβολόµετρου (g=1). Έτσι, για να ληφθεί η µέγιστη τιµή µετάδοσης σε ένα συµβολόµετρο, θα πρέπει να µεγιστοποιηθεί το σχετικό µέγεθος της µη γραµµικότητας φάσης συγκριτικά µε τη µη γραµµικότητα κέρδους. Στην πραγµατικότητα, όµως, αυτό είναι ακατόρθωτο, ιδιαίτερα για ενεργές ηµιαγώγιµες µη γραµµικότητες, αφού το κέρδος και η φάση των οπτικών ηµιαγώγιµων ενισχυτών σχετίζονται µέσω του συντελεστή επαύξησης γραµµής (linewidth enhancement factor) Το συµβολόµετρο Mach-Zehnder (Mach-Zehnder Interferometer) µε ηµιαγώγιµο οπτικό ενισχυτή-soa Το συµβολόµετρο Mach Zehnder (ΜΖΙ) χρησιµοποιήθηκε στα πλαίσια της διπλωµατικής και για το λόγο αυτό στην παρούσα ενότητα γίνεται µια πιο λεπτοµερής περιγραφή του. Έµφαση δίνεται κυρίως στην περιγραφή του δοµικού του διαγράµµατος και στον τρόπο λειτουργίας του και όχι τόσο σε αναλυτικές πειραµατικές υλοποιήσεις του λόγω, ακριβώς, της χρήσης του στη διπλωµατική αυτή για πραγµατοποίηση προσοµοιώσεων. Η δοµή ενός διακόπτη τύπου Mach Zehnder (Mach-Zehnder Interferometer - MZI) µε ηµιαγώγιµο οπτικό ενισχυτή (SOA) φαίνεται στο σχήµα 2.4, όπου εύκολα διαπιστώνεται ότι έχει πολλές οµοιότητες µε τη γενική µορφή ενός συµβολοµετρικού διακόπτη, όπως αυτός παρουσιάστηκε στο σχήµα 2.1, αφού χρησιµοποιεί δύο βραχίονες οπτικούς δρόµους

37 Σχήµα 2.4: ο διακόπτης Mach-Zehnder σε κατάσταση (α) µη µεταγωγής-off και (β) µεταγωγής-ον. Η βασική διαφορά σε σχέση µε το διακόπτη του σχήµατος 2.1 είναι ότι το MZI έχει έναν SOA τοποθετηµένο σε κάθε βραχίονα. Το σήµα εισόδου εισέρχεται στο διακόπτη και διαχωρίζεται σε δύο ίσες συνιστώσες µε τη βοήθεια ενός 3 db οπτικού συζεύκτη. Κάθε συνιστώσα διαδίδεται µέσα από τον αντίστοιχο βραχίονα µε τον ενισχυτή, και στην έξοδο του διακόπτη οι δύο συνιστώσες επανενώνονται και συµβάλλουν µε τη βοήθεια ενός δεύτερου 3 db οπτικού συζεύκτη. Αξίζει να σηµειωθεί ότι οι δύο οπτικοί 3 db συζεύκτες, εκτός του διαχωρισµού της οπτικής δέσµης σε δύο συνιστώσες ίδιας ισχύος, εισάγουν και µια διαφορά φάσης ίση µε π/2 µεταξύ των δύο συνιστωσών, που εµφανίζονται στην έξοδό του. Το σήµα ελέγχου εισάγεται στο διακόπτη και, συγκεκριµένα, στο SOA του πάνω βραχίονα, µέσω ενός επιπλέον οπτικού συζεύκτη, ο οποίος είναι τοποθετηµένος στον πάνω βραχίονα, ακριβώς πριν τον ηµιαγωγό. Αποτέλεσµα αυτού είναι το σήµα ελέγχου να επιδρά µόνο στη µία από τις δύο χωρικές συνιστώσες του σήµατος εισόδου. Η λειτουργία αυτού του διακόπτη βασίζεται στον πρώτο συµβολοµετρικό διακόπτη τύπου Mach-Zehnder, που προτάθηκε για αµιγώς οπτική µεταγωγή. Στο σχήµα 2.3(α) περιγράφεται η λειτουργία του σε κατάσταση µη µεταγωγής ή αλλιώς στην κατάσταση OFF, απουσία, δηλαδή, σήµατος ελέγχου. Το σήµα ρολογιού διασπάται στο συζεύκτη εισόδου σε δύο πεδία, τα οποία αποκτούν διαφορά φάσης π/2 µεταξύ τους, διαδίδονται µέσα από τους δυο βραχίονες µε τους αντίστοιχους SOAs, και φτάνουν στις εισόδους του συζεύκτη εξόδου έχοντας την ίδια ακριβώς σχέση φάσης, π/2. Στο συζεύκτη εξόδου επανεισάγεται ολίσθηση φάσης κατά π/2 µεταξύ των οπτικών δεσµών, αλλά κατά αντίθετο τρόπο από ό,τι στο συζεύκτη εισόδου, µε αποτέλεσµα στη µια θύρα εξόδου του διακόπτη να υπάρχει διαφορά φάσης π µεταξύ των δύο συνιστωσών, και εποµένως πλήρως αναιρετική συµβολή, ενώ στην άλλη θύρα εξόδου η διαφορά φάσης µεταξύ των δύο συνιστωσών είναι 0, οπότε η συµβολή είναι πλήρως προσθετική. Το σύνολο, λοιπόν, του σήµατος εισόδου εξέρχεται από τη θύρα, στην οποία γίνεται πλήρως προσθετική συµβολή και η οποία ονοµάζεται θύρα µη µεταγωγής (Unswitched-port), ενώ η άλλη θύρα, στην οποία γίνεται πλήρως αναιρετική συµβολή, αποδίδει µηδενική οπτική ισχύ. Ο διακόπτης βρίσκεται σε κατάσταση µεταγωγής, όταν εισέρχεται οπτικός παλµός σήµατος ελέγχου στον ένα από τους δύο βραχίονες, και η κατάσταση αυτή

38 περιγράφεται στο σχήµα 2.3(β). Οι δύο συνιστώσες του σήµατος εισόδου φτάνουν στους αντίστοιχους SOAs µε τον ίδιο ακριβώς τρόπο, όπως περιγράφηκε στην κατάσταση µη µεταγωγής του συµβολοµέτρου. Εκεί, η µεν µία, που διαδίδεται µέσα από τον ηµιαγωγό που δεν δέχεται σήµα ελέγχου, θεωρητικά διατηρεί την αρχική της φάση, η δεύτερη συνιστώσα όµως «συνταξιδεύει» µες στο SOA µε τον ισχυρό παλµό ελέγχου, µε αποτέλεσµα να µεταβάλλεται ο δείκτης διάθλασης του ενισχυτή. Αποτέλεσµα της µεταβολής του δείκτη διάθλασης του ενισχυτή είναι η ολίσθηση τη φάσης της συνιστώσας του σήµατος ρολογιού στην έξοδο του SOA κατά π, σε σχέση µε τη φάση της ίδιας συνιστώσας στην είσοδο, λόγω του φαινοµένου της ετεροδιαµόρφωσης φάσης (XPM). Έτσι, στο συζεύκτη εξόδου οι δύο οπτικές δέσµες του σήµατος ρολογιού συµβάλλουν µε µια σχετική διαφορά φάσης π, συγκριτικά µε την κατάσταση µη µεταγωγής, οπότε στη θύρα µη µεταγωγής η συµβολή είναι τώρα πλήρως αναιρετική, ενώ στην άλλη θύρα είναι πλήρως προσθετική. Κατά συνέπεια, όλο το σήµα ρολογιού εξέρχεται τώρα από τη δεύτερη θύρα εξόδου, η οποία και ονοµάζεται θύρα µεταγωγής (Switch-port), και ο διακόπτης άλλαξε κατάσταση και βρίσκεται, πλέον, σε κατάσταση µεταγωγής, ή αλλιώς στην κατάσταση ΟΝ. Λόγω της οµόρροπης διάδοσης των σηµάτων ελέγχου και εισόδου θα εµφανίζεται, προφανώς, στην έξοδο του διακόπτη και ένα ανεπιθύµητο ποσοστό του σήµατος ελέγχου. Για το διαχωρισµό των δύο σηµάτων και την αποµόνωση του σήµατος ρολογιού έχουν προταθεί διάφορες λύσεις. Η µία αφορά στη χρήση διαφορετικών µηκών κύµατος για τα δύο σήµατα σε συνδυασµό µε τη χρήση οπτικού φίλτρου, επιλεκτικού ως προς το µήκος κύµατος, στην έξοδο της διάταξης. Μια δεύτερη, εναλλακτική αντιµετώπιση είναι η χρησιµοποίηση κυµατοδηγών SOA πολλαπλών τρόπων διάδοσης, όπου το σήµα εισόδου και ελέγχου είναι στον πρώτης τάξης και τον βασικό τρόπο, αντίστοιχα, και ο διαχωρισµός των τρόπων αυτών γίνεται µε χρήση MMI συζευκτών (Multi-Mode Interference couplers). Τέλος, µια ευρέως διαδεδοµένη λύση είναι η αλλαγή της γεωµετρίας του διακόπτη σε αντίρροπη συνδεσµολογία, όπου το σήµα ελέγχου διαδίδεται µες στο SOA σε αντίθετη κατεύθυνση από αυτήν του σήµατος εισόδου. Αναφορικά µε το σχήµα 2.3 η αντίρροπη συνδεσµολογία θα µπορούσε να υλοποιηθεί τοποθετώντας τον 3 db συζεύκτη εισαγωγής του σήµατος ελέγχου από τη µεριά της εξόδου του ηµιαγωγού, οπότε το σήµα ελέγχου θα είχε κατεύθυνση από την έξοδο προς την είσοδο του διακόπτη. Κατά αυτόν τον τρόπο δεν απαιτείται διαχωρισµός των δύο σηµάτων στην έξοδο του διακόπτη, και αποφεύγεται η χρήση επιπρόσθετου οπτικού στοιχείου. Στο παρακάτω σχήµα (2.5) απεικονίζεται η µορφή ενός ολοκληρωµένου διακόπτη Mach-Zehnder [22]. Σχήµα 2.5: Αναπαράσταση του διακόπτη Mach-Zehnder

39 Ο διακόπτης Mach-Zehnder έχει ήδη ολοκληρωθεί σε ένα και µόνο πλινθίο και είναι εµπορικά διαθέσιµος. Αυτό είναι ένα ιδιαίτερα σηµαντικό πλεονέκτηµα της διάταξης του MZI, καθώς βελτιώνει τη σταθερότητα, διευκολύνει τη χρήση του, και επιτρέπει, θεωρητικά, την κατασκευή πιο πολύπλοκων διατάξεων µε χρήση πολλαπλών πυλών. Το γεγονός, ότι η λειτουργία του διακόπτη Mach-Zehnder βασίζεται στο χωρικό διαχωρισµό του σήµατος εισόδου και, εποµένως, απαιτεί τη χρήση δύο ηµιαγώγιµων οπτικών ενισχυτών, αποτελεί, ταυτόχρονα, µειονέκτηµα και πλεονέκτηµα της διάταξης. Μειονέκτηµα, γιατί οι δύο ενισχυτές σηµαίνουν αύξηση του κόστους της διάταξης, συγκριτικά τουλάχιστον µε τα συµβολόµετρα µονού βραχίονα και τα συµβολόµετρα κλειστού βρόχου. Επίσης, η διάταξη απαιτεί ακριβή ρύθµιση σε µια σειρά σηµαντικών παραµέτρων, όπως µήκη των δύο βραχιόνων, κέρδη των δύο ενισχυτών και πολωτικές καταστάσεις των χωρικά διαχωρισµένων συνιστωσών εισόδου, για να είναι εφικτή η βέλτιστη απόδοσή της και η µεγιστοποίηση του λόγου αντίθεσης στην έξοδο. Ταυτόχρονα, όµως, η συνδεσµολογία του προσφέρει και σηµαντικά πλεονεκτήµατα, το κυριότερο από τα οποία είναι η δυνατότητα ολοκλήρωσής του. Επίσης, η χρήση δύο ενισχυτών επιτρέπει την ανεξάρτητη επέµβαση σε κάθε συνιστώσα του σήµατος εισόδου, προσφέροντας ευκολία στη δυνατότητα εναλλακτικών συνδεσµολογιών. Ο διακόπτης Mach-Zehnder έχει χρησιµοποιηθεί σε πληθώρα δικτυακών εφαρµογών, µε πολύ ικανοποιητικά αποτελέσµατα. Πολύ συνοπτικά, οι εφαρµογές αυτές περιλαµβάνουν την αποπολυπλεξία οπτικού καναλιού σε OTDM οπτικούς κόµβους [14], [17], την αναγέννηση οπτικού σήµατος, τη µετατροπή µήκους κύµατος [12], [15] καθώς και την υλοποίηση αµιγώς οπτικών πυλών, που επιτελούν λογικές Boolean συναρτήσεις σε υψηλές ταχύτητες λειτουργίας [19]-[21]. Χαρακτηριστικό παράδειγµα, στον τοµέα αυτό, είναι το γεγονός ότι, µε χρήση ολοκληρωµένου διακόπτη Mach Zehnder, παρουσιάστηκε πρόσφατα η οπτική πύλη XOR στα 40 Gb/s [10], η οποία είναι και η υψηλότερη ταχύτητα λειτουργίας µεταξύ των οπτικών πυλών XOR µε SOA, που έχει αναφερθεί µέχρι στιγµής Χαρακτηριστικά Mach Zehnder συµβολόµετρου Η λειτουργία κάθε συµβολοµετρικής διάταξης κρίνεται µε βάση τις επιδόσεις της σε µια σειρά από χαρακτηριστικά µεγέθη, τα οποία αποτελούν τα κριτήρια αξιολόγησης ενός οπτικού διακόπτη. Τα σηµαντικότερα από αυτά τα µεγέθη είναι, ο λόγος αντίθεσης ή ON-OFF του διακόπτη, ο λόγος ισχύος µεταξύ των θυρών του συµβολόµετρου, ο θόρυβος στην έξοδο, η σταθερότητα λειτουργίας, το παράθυρο µεταγωγής, που σχετίζεται άµεσα µε την ταχύτητα λειτουργίας, η ενέργεια µεταγωγής, η εισαγόµενη χρονική καθυστέρηση η δυνατότητα πολλαπλών συνδέσεων σε σειρά (cascadability) και η δυνατότητα ολοκλήρωσης του διακόπτη σε συµπαγή συσκευασία. Οι περισσότερες από τις παραπάνω έννοιες χρησιµοποιούνται στο υπόλοιπο της παρούσης διπλωµατικής για την περιγραφή των επιδόσεων των κυκλωµάτων, που υλοποιήθηκαν, και για το λόγο αυτό είναι χρήσιµη µια συνοπτική ανάλυση της κάθε µιας. Λόγος αντίθεσης ή ON-OFF (contrast ή extinction ratio), ο οποίος αποτελεί ένα πολύ σηµαντικό κριτήριο για την ποιότητα του οπτικού σήµατος στην έξοδο του διακόπτη. Ο λόγος αυτός ισούται µε το πηλίκο της ισχύος του σήµατος, που έχει µεταχθεί στην θύρα µετάδοσης παρουσία σήµατος ελέγχου, προς την ισχύ του ανεπιθύµητου σήµατος, που µετάγεται στη θύρα µετάδοσης ακόµα και όταν δεν υπάρχει σήµα ελέγχου. Στην ουσία εκφράζει τον λόγο αντίθεσης του σήµατος εξόδου. Για ελαχιστοποίηση του ρυθµού σφαλµάτων ο λόγος αυτός πρέπει να έχει όσο γίνεται µεγαλύτερη τιµή. Λόγος ισχύος µεταξύ των θυρών του συµβολόµετρου, ο οποίος είναι ουσιαστικά το πηλίκο µε αριθµητή την ισχύ της θύρας µεταγωγής και

40 παρανοµαστή την ισχύ στην θύρα µη µεταγωγής. Ο λόγος αυτός δείχνει κατά πόσο κυµατοδηγείται η οπτική ισχύς στην κατάλληλη έξοδο του συµβολόµετρου. Συγκεκριµένα σε κατάσταση ON του συµβολοµετρικού διακόπτη επιθυµούµε όσο το δυνατόν µεγαλύτερο λόγο ισχύος µεταξύ των θυρών ώστε να διέρχεται όλη η ισχύς από την θύρα µεταγωγής ενώ για την κατάσταση OFF θέλουµε όσο το δυνατόν µικρότερο λόγο ισχύος δηλαδή η ισχύς να διέρχεται από την θύρα µη µεταγωγής. Επειδή η µελέτη των διατάξεων σε αυτή τη διπλωµατική εργασία γίνεται στην κατάσταση µεταγωγή του διακόπτη (κατάσταση ON) επιθυµούµε όσο το δυνατόν υψηλότερο λόγο ισχύος µεταξύ των θυρών του διακόπτη. Θόρυβος (noise), η παρουσία του οποίου εξαρτάται από το αν η εκάστοτε συνδεσµολογία οπτικού διακόπτη χρησιµοποιεί κάποια πηγή θορύβου ή όχι. Οι οπτικοί διακόπτες, που χρησιµοποιούν οπτική ίνα σαν µη γραµµικό µέσο, προφανώς δεν προσθέτουν θόρυβο στο σήµα εξόδου, ενώ, αντίθετα, οι διακόπτες µε ηµιαγώγιµο οπτικό ενισχυτή αλλοιώνουν την εικόνα θορύβου του σήµατος λόγω της αυθόρµητης εκποµπής φωτονίων. Η επίδραση του θορύβου ενός οπτικού σήµατος είναι πολύ σηµαντική σε ένα δίκτυο, αφού υποβιβάζει την απόδοση αυτού. Ο θόρυβος καθορίζεται από δύο δείκτες. Ο πρώτος είναι ο σηµατοθορυβικός λόγος (Signal to Noise Ratio-SNR) και ο δεύτερος είναι ο δείκτης θορύβου (Noise Figure-NF). Σταθερότητα λειτουργίας (stability), η οποία είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό για την αξιολόγηση των οπτικών διακοπτών και την ενδεχόµενη εφαρµογή τους σε δικτυακό περιβάλλον. Η λειτουργία του διακόπτη προφανώς επηρεάζεται από περιβαλλοντικές διακυµάνσεις (π.χ. θερµοκρασιακές µεταβολές) λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της οπτικής ίνας. Η ελαχιστοποίηση της αστάθειας λειτουργίας, είτε λόγω µεταβολών των οπτικών σηµάτων, που εισέρχονται στο διακόπτη, είτε λόγω των εγγενών χαρακτηριστικών του διακόπτη, κρίνεται απολύτως απαραίτητη, τουλάχιστον όσον αφορά την εφαρµογή τους σε εµπορικά διαθέσιµα οπτικά συστήµατα. Οι δύο σηµαντικότεροι παράγοντες βελτίωσης της σταθερότητας λειτουργίας ενός διακόπτη είναι η χαµηλή πολωτική ευαισθησία των δοµικών του στοιχείων, καθώς και οι µικρές φυσικές του διαστάσεις. Αναφορικά µε το δεύτερο παράγοντα, σαφές πλεονέκτηµα παρέχουν οι οπτικοί διακόπτες, που είναι ολοκληρωµένοι σε συµπαγείς συσκευασίες. Παράθυρο µεταγωγής (switching window), το οποίο ορίζεται ως το χρονικό διάστηµα µέσα στο οποίο η κατάσταση του διακόπτη παραµένει ON, µέχρι ο διακόπτης να επανέλθει σε κατάσταση OFF µετά το πέρας της αλληλεπίδρασης της δέσµης ελέγχου µε το µη γραµµικό µέσο. Όσο µικρότερο είναι το παράθυρο µεταγωγής, τόσο µεγαλύτερη είναι η ταχύτητα λειτουργίας του διακόπτη, µε αποτέλεσµα το χρονικό εύρος του παραθύρου µεταγωγής να καθορίζει και τη µέγιστη ταχύτητα λειτουργίας του διακόπτη. Το χρονικό εύρος του παραθύρου µεταγωγής καθορίζει, επίσης, την ανεκτικότητα, που επιδεικνύει ο διακόπτης στη χρονική ολίσθηση (timing jitter) των παλµών του σήµατος ελέγχου. Το εύρος του παραθύρου µεταγωγής εξαρτάται, γενικά, από την ταχύτητα διέγερσης και επαναφοράς της µη γραµµικότητας, από τα χαρακτηριστικά των παλµών ελέγχου και από τη συνδεσµολογία του διακόπτη. Ο κλασσικός τρόπος µέτρησής του γίνεται µε εφαρµογή ενός σήµατος συνεχούς κύµατος (CW - continuous wave signal) ως σήµα ρολογιού στο διακόπτη, και παλµικού ως σήµα ελέγχου (τυπική διάταξη µετατροπής µήκους κύµατος). Η µορφή του µεταγόµενου (switched) οπτικού σήµατος στο µήκος κύµατος του σήµατος ρολογιού αποτελεί το παράθυρο µεταγωγής. Ενέργεια µεταγωγής (switching energy) ή κατανάλωση ισχύος (power consumption), η οποία είναι η ενέργεια των παλµών ελέγχου, που απαιτείται για την διέγερση της µη γραµµικότητας και την

41 αλλαγή της κατάστασης µεταγωγής του διακόπτη. Η ενέργεια αυτή είναι επιθυµητό να είναι όσο το δυνατόν µικρότερη, ώστε να µπορεί να επιτευχθεί µεταγωγή σε υπερυψηλές ταχύτητες µετάδοσης µε χαµηλή παρεχόµενη µέση ισχύ από τους διαθέσιµους οπτικούς ενισχυτές EDFΑ, και να διατηρείται η κατανάλωση ισχύος του κυκλώµατος χαµηλή, για να µπορεί το κύκλωµα να χρησιµοποιηθεί σε πραγµατικές εφαρµογές. Η ενέργεια µεταγωγής εξαρτάται κυρίως από το πόσο ισχυρή είναι η µη γραµµικότητα του υλικού. Χρονική καθυστέρηση (delay), η οποία είναι το χρονικό διάστηµα, που απαιτείται, για να διαδοθεί το εισερχόµενο σήµα από την είσοδο ως την έξοδο του διακόπτη. Ιδανικά, κάθε διακόπτης οφείλει να εισάγει όσο γίνεται µικρότερη καθυστέρηση, ούτως ώστε να αποφεύγεται η συµφόρηση στη ροή δεδοµένων του δικτύου και η εισαγωγή επιπλέον χρονικών καθυστερήσεων στη µετάδοση του σήµατος. Προφανώς, η κατασκευή του διακόπτη από διακριτά στοιχεία µε προσαρτήσεις οπτικής ίνας επιβαρύνει τον χρόνο διάδοσης του οπτικού σήµατος µέσα από αυτόν, λόγω του µεγάλου µήκους των διακριτών στοιχείων και της ίνας, και σίγουρα η λύση ενός ολοκληρωµένου οπτικού διακόπτη είναι προτιµητέα. ιαδοχική σύνδεση πολλαπλών διακοπτών (cascadability), η οποία αφορά στην ικανότητα ενός διακόπτη να οδηγεί απευθείας, από την έξοδό του, την θύρα εισόδου ενός άλλου. Η ικανότητα αυτή αποτελεί ένα από τα σηµαντικότερα κριτήρια για την αξιολόγηση της απόδοσης των οπτικών πυλών, δεδοµένου ότι καθορίζεται από όλα τα προαναφερθέντα κριτήρια. Η ανάγκη για διαδοχική σύνδεση πολλαπλών διακοπτών είναι µεγάλη, αφού αν µια πύλη δεν µπορεί να οδηγήσει µία άλλη καθίσταται ανέφικτη η σχεδίαση σύνθετων αµιγώς οπτικών κυκλωµάτων, τα οποία απαιτούν τη χρήση ενός µεγάλου αριθµού πυλών. υνατότητα ολοκλήρωσης (integrability) των διακοπτών σε συµπαγείς συσκευασίες µε το µικρότερο δυνατό µέγεθος, η οποία έχει καθοριστικό ρόλο στην απόδοση των οπτικών διακοπτών και στην αξιολόγηση αυτών για πιθανή χρήση τους σε πραγµατικές δικτυακές εφαρµογές. Το σενάριο για υλοποίηση των οπτικών διακοπτών σε διατάξεις µε µέγεθος ανάλογο αυτού των αντίστοιχων ηλεκτρονικών φαντάζει ακόµη απίθανο, αλλά η τεχνολογία της φωτονικής ολοκλήρωσης, τα τελευταία χρόνια, έχει κάνει πολύ σηµαντικά βήµατα προόδου. Ήδη ο διακόπτης τύπου Mach-Zehnder έχει παρουσιαστεί σε ολοκληρωµένη µορφή εδώ και µερικά χρόνια και πλέον είναι εµπορικά διαθέσιµος. Σχήµα 2.6: Φωτογραφία του διακόπτη Mach-Zehnder της CIP

42 Ένας εµπορικά διαθέσιµός οπτικός συµβολοµετρικός διακόπτης που βασίζεται σε Mach Zehnder µε ηµιαγώγιµους ενισχυτές SOAs και έχει όλες τις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας που αναφέραµε στις προηγούµενες παραγράφους παράγεται από την αγγλική εταιρία CIP και χρησιµοποιείται ευρέως για εφαρµογές κυρίως στα 40Gbps. Μια φωτογραφία της µορφής του φαίνεται στο προηγούµενο σχήµα (σχήµα 2.6) [22]. 2.3 Ηµιαγώγιµοι ενισχυτές SOAs To Mach Zehnder συµβολόµετρο που ήδη παρουσιάστηκε περιέχει σε κάθε ένα από τους δύο κλάδους του έναν ηµιαγώγιµο ενισχυτή SOA. Εποµένως κρίνεται αναγκαίο να αναφερθούµε αναλυτικότερα στους ηµιαγώγιµους ενισχυτές SOAs καθώς στην βασική αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται η χρήση του Mach Zehnder συµβολόµετρου ως οπτικός συµβολοµετρικός διακόπτης. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωµατικής εργασίας οι ηµιαγώγιµοι ενισχυτές SOAs παίζουν σηµαντικότατο ρόλο αφού θα προσοµοιωθούν διατάξεις που έχουν ως βασικό στοιχείο έναν τέτοιο ενισχυτή ή περιέχουν ένα Mach Zehnder συµβολόµετρο του οποίου η λειτουργία εξαρτάται από την συµπεριφορά αυτών των ενισχυτών. Μην αγνοούµε επίσης το γεγονός ότι οι βασικές µεταγωγικές διατάξεις είναι οπτικές συµβολοµετρικές πύλες µε ηµιαγώγιµους οπτικούς ενισχυτές (Semiconductor Optical Amplifiers). Η ανάλυση των ενισχυτών SOAs που θα ακολουθήσει αποσκοπεί στην εξοικείωση του αναγνώστη µε τα µεγέθη, τα οποία χαρακτηρίζουν τους ηµιαγώγιµους οπτικούς ενισχυτές, και µε τα φαινόµενα, τα οποία λαµβάνουν χώρα µέσα σε αυτούς, όταν οι ηµιαγώγιµοι οπτικοί ενισχυτές χρησιµοποιούνται ως µη γραµµικά µέσα σε διατάξεις οπτικών συµβολοµετρικών διακοπτών. Επίσης, παρέχονται τα χαρακτηριστικά των οπτικών ενισχυτών, που χρησιµοποιήθηκαν στα πλαίσια αυτής της διπλωµατικής. Πρέπει εδώ να τονίσουµε ότι στην διπλωµατική εργασία παρουσιάζονται µόνο προσοµοιώσεις στις οποίες όµως τα χαρακτηριστικά των οπτικών ενισχυτών ελήφθησαν από ενισχυτές SOAs που υπάρχουν και χρησιµοποιούνται σε πειράµατα στο Ε.Φ.Ε. (Εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών). Εποµένως η παρακάτω αναφορά θα περιέχει και στοιχεία που δεν αναφέρονται µόνο στις προσοµοιώσεις αλλά στην θεωρητική και πραγµατική εικόνα αυτόν των στοιχείων οµή των ηµιαγώγιµων οπτικών ενισχυτών Στο Σχήµα 2.7 φαίνεται η γενική διάταξη ενός οπτικού ενισχυτή ηµιαγωγού, του οποίου οι διαστάσεις της ενεργού περιοχής είναι (πλάτος πάχος µήκος) = (w d L). Οι ανακλαστικότητες των τερµατικών επιφανειών εισόδου και εξόδου συµβολίζονται µε R 1 και R 2. Σχήµα 2.7: Γενική διάταξη ενός οπτικού ενισχυτή ηµιαγωγού. Οι ενισχυτές που χρησιµοποιήθηκαν στην διπλωµατική ανήκουν στην κατηγορία ενισχυτών οδεύοντος κύµατος, υπό την έννοια ότι οι ανακλαστικότητες των δύο τερµατικών επιφανειών είναι πάρα πολύ µικρές για αποφυγή της λειτουργίας του

43 ενισχυτή ως πηγής laser. Όλοι οι ηµιαγωγοί, που χρησιµοποιήθηκαν, έχουν προφανώς την ίδια δοµή και τα ίδια χαρακτηριστικά. Το υλικό, από το οποίο είναι κατασκευασµένη η ενεργός περιοχή, είναι InGaAsP/InP και ο χρησιµοποιούµενος κυµατοδηγός είναι συµπαγής (bulk) και αυλακωτός (ridge). Η αυλακωτή δοµή του κυµατοδηγού περιορίζει το φως στην συµπαγή ενεργό περιοχή. Το αυλάκι του κυµατοδηγού έχει πλάτος 3 µm, η ενεργός περιοχή έχει πάχος 240 nm και το µήκος της µπορεί να έχει κάποια τιµή µεταξύ των 500 και 1500 µm. Το στρώµα της ενεργού περιοχής βρίσκεται ανάµεσα σε ένα στρώµα µανδύα InP p-τύπου και ένα υπόστρωµα n-τύπου από το ίδιο υλικό. Το σχηµατικό διάγραµµα της δοµής αυτών των SOA φαίνεται στο σχήµα 2.8. Το πάχος του υποστρώµατος n- τύπου έχει πάχος 2 ίντσες, ενώ το στρώµα µανδύα InP p-τύπου 70 nm. Για την ελαχιστοποίηση των ανακλάσεων στις τερµατικές όψεις ο κυµατοδηγός τοποθετείται υπό γωνία ~10 ο ως προς αυτές και χρησιµοποιούνται, επιπλέον, δύο στρώµατα αντιανακλαστικής επένδυσης (SiO/Al 2 O 3 ) πάνω σε αυτές, ώστε η κυµάτωση της καµπύλης του κέρδους να είναι η µικρότερη δυνατή. Τα πλινθία είναι τοποθετηµένα από την πλευρά του p-στρώµατος πάνω σε ένα υπόστρωµα χαλκού. Επίσης, για την επίτευξη χαµηλής ωµικής αντίστασης, οι µη-µεταλλικές επαφές σχηµατίζονται από στρώµατα εξατµισµένου Ti-Au στις αυλακώσεις p + -InGaAs. Το ολοκληρωµένο πλινθίο συσκευάζεται, στη συνέχεια, πλήρως. Σχήµα 2.8: οµή των οπτικών ηµιαγώγιµων ενισχυτών. Οι διαστάσεις της συσκευασίας που περιέχει τον SOA ενισχυτή είναι τελικά mm. Ένα πολύ σηµαντικό στάδιο κατά την συσκευασία του SOA είναι η αξονική προσαρµογή, ώστε να υπάρχει πλήρης σύζευξη της εισερχόµενης οπτικής ισχύος στον κυµατοδηγό του πλινθίου. Για τη διαδικασία αυτή χρησιµοποιούνται ειδικές εκλεπτυσµένες ίνες, οι οποίες έχουν φακούς αντιανακλαστικής επένδυσης, γι αυτό και ονοµάζονται φακοποιηµένες ίνες (lensed fibers). Αυτή η τεχνική συντελεί στην εισαγωγή 3 db απωλειών κατά τη σύζευξη του οπτικού σήµατος στον κυµατοδηγό του πλινθίου. Στο σχήµα 2.9(α) φαίνεται µια ανοικτή συσκευασία ενός τυπικού SOA, στην οποία διακρίνεται το πλινθίο του ενισχυτή και οι ηλεκτρικές συγκολλήσεις για την παροχή του ρεύµατος άντλησης και τον έλεγχο της θερµοκρασίας. Στο σχήµα 2.9(β) φαίνεται σε ανηγµένη κλίµακα το πλινθίο µε τον κεκλιµένο ηµιαγωγό και τις προσαρτώµενες ίνες, ενώ στο σχήµα 2,9(γ) φαίνεται µια φωτογραφία της συνολικής συσκευασία ενός SOA

44 Σχήµα 2.9 (α) ανοικτή συσκευασία ενός τυπικού SOA, (β) το πλινθίο µε τον κεκλιµένο ηµιαγωγό και τις προσαρτώµενες ίνες, (γ) φωτογραφία της συνολικής συσκευασία ενός SOA Αρχή λειτουργίας και βασικά χαρακτηριστικά Η αρχή λειτουργίας ενός SOA βασίζεται στη θεωρία επανασύνδεσης ηλεκτρονίων και οπών στην ενεργό περιοχή του ηµιαγωγού. Σύµφωνα µε τη θεωρία αυτή, θερµικές, ηλεκτρικές ή οπτικές διεγέρσεις των ηλεκτρονίων από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιµότητας συντελούν στη δηµιουργία ζευγών ηλεκτρονίων και οπών στην ενεργό περιοχή του ηµιαγωγού. Η διαδικασία αυτή καλείται αναστροφή πληθυσµού. Το κάθε ζεύγος ηλεκτρονίου και οπής ονοµάζεται φορέας. Η αντίστροφη διαδικασία της επανασύνδεσης ηλεκτρονίων και οπών µπορεί να είναι µη ακτινοβολούσα (δηµιουργία φωνονίου ή επανασύνδεση Auger) ή ακτινοβολούσα (δηµιουργία φωτονίου). Η ακτινοβολούσα επανασύνδεση συνίσταται στην αυθόρµητη αποδιέγερση των ηλεκτρονίων ή στην εξαναγκασµένη αποδιέγερση των φορέων λόγω εισερχόµενου φωτονίου. Η πρώτη διαδικασία προκαλεί την αυθόρµητη εκποµπή φωτός, ενώ η δεύτερη προκαλεί την εξαναγκασµένη εκποµπή φωτός. Η εξαναγκασµένη εκποµπή φωτός παράγει φωτόνια, τα οποία έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά µε τα εισερχόµενα φωτόνια, και είναι η διαδικασία, που αξιοποιείται για τη λειτουργία του SOA ως ενισχυτή. Ενίσχυση του εισερχόµενου οπτικού σήµατος µπορεί να επιτευχθεί αν ο ρυθµός εξαναγκασµένης εκποµπής υπερτερεί του ρυθµού απορρόφησης. Συνήθης τρόπος για την απαιτούµενη αναστροφή πληθυσµού είναι η ηλεκτρική διέγερση, δηλαδή η έγχυση ηλεκτρικού ρεύµατος στην ενεργό περιοχή. Βέβαια, η αυθόρµητη και η εξαναγκασµένη εκποµπή δρουν αντίθετα µε την έγχυση φορέων, αφού µειώνουν την συγκέντρωση των φορέων στη ζώνη αγωγιµότητας (πυκνότητα φορέων Ν). Η σύνδεση των πιο πάνω διαδικασιών περιγράφεται από τη γνωστή εξίσωση ροής, η οποία εκφράζει τη µεταβολή της πυκνότητας των φορέων στο χωρικό σηµείο z κατά µήκος του διαµήκη άξονα του ενισχυτή και κατά τη χρονική στιγµή t: dn(z, t) dt ( z, t) Γ g [ N( z, t) NT ] τ Ahω I N P( z, t) = (2.5) ev c Στην προηγούµενη σχέση, I είναι το ρεύµα έγχυσης, e το φορτίο ηλεκτρονίου, V ο όγκος της ενεργού περιοχής, τ c ο χρόνος ζωής των φορέων, Γ ο οπτικός παράγοντας σύµπτυξης οπτικής ισχύος (optical confinement factor), g ο παράγοντας κέρδους, N T η πυκνότητα των φορέων στην περιοχή διαφάνειας του ενισχυτή, Α το εµβαδό διατοµής της ενεργού περιοχής του ηµιαγωγού, h η σταθερά Planck, ω 0 η φέρουσα συχνότητα του εισερχόµενου οπτικού πεδίου, και P(z,t) η ισχύς του εισερχόµενου οπτικού σήµατος. Ο πρώτος όρος του δεξιού σκέλους της σχέσης, I ev, αποδίδει τη διέγερση φορέων λόγω έγχυσης ρεύµατος, ενώ ο δεύτερος και τρίτος όρος αποδίδουν την αποδιέγερση και, εποµένως, τη µείωση των φορέων λόγω της αυθόρµητης και της εξαναγκασµένης επανασύνδεσης, αντίστοιχα

45 Ενίσχυση οπτικού σήµατος και κέρδος του ενισχυτή Η διάδοση ενός οπτικού σήµατος κατά τη διεύθυνση του z-άξονα (διαµήκης άξονας) του ηµιαγωγού περιγράφεται από τη σχέση: ( z,t) dp dz [ Γ g [ ( z,t) N ] a ] P( z,t) = T N (2.6) Η σταθερά a s εκφράζει τις εσωτερικές απώλειες ισχύος του ενισχυτή λόγω σκέδασης του κυµατοδηγούµενου πεδίου. Οι εξισώσεις (2.5) και (2.6) αποτελούν τις δύο κλασσικές εξισώσεις ροής του ενισχυτή. Σε αυτό το σηµείο χρήζουν επεξήγησης ορισµένα µεγέθη, που εµφανίζονται στις δύο σχέσεις, καθώς, επίσης, και ορισµένες παραδοχές, που έχουν γίνει για την εξαγωγή των δύο σχέσεων, και φαινόµενα, που έχουν αγνοηθεί. Περιοχή διαφάνειας του ενισχυτή καλείται η περιοχή εκείνη, όπου το κέρδος του ενισχυτή είναι ίσο µε τη µονάδα. Ο οπτικός παράγοντας σύµπτυξης χαρακτηρίζει το λόγο του κέρδους του κυµατοδηγού προς το κέρδος του υλικού, και στην ουσία εκφράζει το ποσοστό της οπτικής ισχύος, που δεν διαχέεται εκτός του κυµατοδηγού. Επίσης, ο παράγοντας κέρδους g, αλλά και η πυκνότητα φορέων στην περιοχή διαφάνειας, είναι γενικά συναρτήσεις του µήκους κύµατος του σήµατος, η εξάρτηση αυτή, όµως, δε φαίνεται στις δύο προηγούµενες σχέσεις, καθώς θεωρούµε ότι µόνο ένα οπτικό σήµα σε ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος εισέρχεται στον ενισχυτή. Τέλος, στις δύο εξισώσεις ροής αγνοούνται τα ενδοζωνικά φαινόµενα (intraband effects) των φορέων, όπως δηµιουργία φασµατικής οπής (spectral hole burning), θέρµανση φορέων (carrier heating) και απορρόφηση ελεύθερων φορέωναπορρόφηση δύο φωτονίων (free carrier absorption two photon absorption). Αυτά τα ενδοζωνικά φαινόµενα έχουν πολύ µικρούς χαρακτηριστικούς χρόνους απόκρισης, που κυµαίνονται από µερικές δεκάδες έως µερικές εκατοντάδες fsec. Αποτέλεσµα των µικρών χρονικών σταθερών απόκρισης αυτών των φαινοµένων στην περίπτωση των οπτικών σηµάτων διάρκειας µερικών psec, όπως είναι τα σήµατα που χρησιµοποιήθηκαν στη διατριβή αυτή, είναι τα ενδοζωνικά φαινόµενα να επέρχονται σε σταθερή κατάσταση και να µην επηρεάζουν την απόκριση του ενισχυτή. Το κέρδος ενίσχυσης ενός SOA, θεωρώντας την περίπτωση ενίσχυσης οπτικού σήµατος συνεχούς (CW) κύµατος, ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος εξόδου από τον ενισχυτή προς την ισχύ εισόδου σε αυτόν. Αν θεωρήσουµε την ισχύ εισόδου ίση µε P ( 0) = Pin και την ισχύ εξόδου ίση µε P ( L) = Pout, όπου L το µήκος του κυµατοδηγού, το κέρδος περιγράφεται από την έκφραση s Pout P( L) G = = (2.7) P P(0) in Για τον αναλυτικό υπολογισµό του κέρδους του ηµιαγωγού θα πρέπει να εξετάσουµε δύο διαφορετικές περιπτώσεις, ανάλογα µε την περιοχή λειτουργίας του SOA. Έτσι αναφερόµαστε στην ακόρεστη (unsaturated) και στην κορεσµένη (saturated) περιοχή, όπου έχουµε αντίστοιχα το κέρδος ασθενούς σήµατος (small signal gain) και το κορεσµένο κέρδος (saturated gain) του ενισχυτή Κέρδος ασθενούς σήµατος Το κέρδος ασθενούς σήµατος του ενισχυτή είναι το κέρδος, που αποδίδει ο SOA, όταν το εισερχόµενο οπτικό σήµα έχει πολύ µικρή οπτική ισχύ. Στην περίπτωση αυτή, η πυκνότητα φορέων N(z,t) καθίσταται ανεξάρτητη από τη χωρική µεταβλητή z,

46 αφού η µικρή ισχύς του οπτικού σήµατος εισόδου θεωρούµε ότι δεν επηρεάζει τη συµπεριφορά του ενισχυτή. Θέτοντας, εποµένως, στη σχέση (2.5) P ( z, t) 0, και dn λύνοντας τη σχέση για τη µόνιµη κατάσταση = 0, υπολογίζεται τελικά το κέρδος dt ασθενούς σήµατος (µε βάση την σχέση 2.6 και τον ορισµό της 2.7) να είναι: G P( L, t) = exp P(0, t) [ Γ g [ N N ] L L] 0 = ss T a s (2.8) Για το υπόλοιπο της µαθηµατικής ανάλυσης των ηµιαγώγιµων οπτικών ενισχυτών αµελούµε τη διάσταση του µήκους του SOA και θεωρούµε τους ενισχυτές ως χωρικά συγκεντρωµένα στοιχεία. Για το σκοπό αυτό εισάγουµε την έννοια της συνολικής πυκνότητας φορέων N tot (t): N tot z= L [ N( z, t) NT ] ( t) = dz (2.9) z= 0 Με τη θεώρηση αυτή, το κέρδος πλέον του ενισχυτή σε κάθε χρονική στιγµή µπορεί να γραφτεί ως [ Γ g N ( t) a L] G( t) exp tot (2.10) = s Κορεσµένο κέρδος του SOA υπό την επίδραση CW σήµατος Αν ως είσοδος στον ενισχυτή θεωρηθεί οπτικό CW σήµα µε σταθερή οπτική ισχύ P CW στην είσοδο, τότε η πυκνότητα φορέων διαµορφώνεται πάλι σε µια µόνιµη σταθερή κατάσταση, διαφορετική όµως από αυτήν της περιοχής ασθενούς σήµατος. Η τιµή Ν(z) της πυκνότητας φορέων σε αυτήν την κατάσταση σε κάθε z βρίσκεται από τη σχέση 2.5, µηδενίζοντας τη χρονική παράγωγο της πυκνότητας φορέων και αγνοώντας, πλέον, τη χρονική εξάρτηση των υπολοίπων µεγεθών, οπότε προκύπτει ( N N ) ss T N( z) NT = (2.11) P( z) 1 + Psat όπου P(z) η ισχύς του CW σήµατος σε κάθε σηµείο z του ηµιαγωγού και hω0 A Psat = η ισχύς κορεσµού του SOA, η οποία εκφράζει το ποσό της ισχύος του Γgτ c σήµατος, που απαιτείται για να µειωθεί η συνολική πυκνότητα των φορέων στο µισό της αντίστοιχης τιµής της στην περιοχή ασθενούς σήµατος. Αγνοώντας τις εσωτερικές απώλειες a s του ενισχυτή στη σχέση 2.10, καθώς αυτές θεωρούνται αµελητέες ως προς το κέρδος του ενισχυτή, και χρησιµοποιώντας τις εκφράσεις των σχέσεων 2.8 και 2.11 στην 2.10, η 2.10 δίνει, τελικά, το κέρδος G CW στη µόνιµη κατάσταση, το οποίο γράφεται ως: CW [ ( G ) P P ] G = G 1 (2.12) 0 exp CW CW sat

47 Παρατηρούµε ότι το κέρδος εξαρτάται, πλέον, από την οπτική ισχύ του CW σήµατος στην είσοδο του SOA και από τα χαρακτηριστικά του ενισχυτή, τουτέστιν το κέρδος ασθενούς σήµατος και την παράµετρο ισχύος κορεσµού του SOA Κορεσµός του SOA από βραχύ οπτικό παλµό Θεωρούµε ότι ο ενισχυτής δέχεται ως είσοδο στενό οπτικό παλµό µη µηδενικής ισχύος, ενώ λειτουργεί στην περιοχή ασθενούς σήµατος. Σε αυτήν την περίπτωση το κυρίαρχο φαινόµενο για όση χρονική διάρκεια διαδίδεται ο παλµός µέσα από τον ενισχυτή είναι η αποδιέγερση των φορέων λόγω εξαναγκασµένης εκποµπής, δεδοµένου ότι στο µικρό αυτό χρονικό διάστηµα, που χρειάζεται για να διαδοθεί ο παλµός µέσα από το SOA, η διέγερση φορέων λόγω έγχυσης ρεύµατος και η αυθόρµητη εκποµπή φορέων συµβάλλουν σε πολύ µικρό βαθµό στη µεταβολή της πυκνότητας φορέων. Κατά συνέπεια, αγνοούµε τους δύο πρώτους όρους του δεξιού σκέλους της σχέσης 2.5, και λύνουµε την εξίσωση, που προκύπτει, µε τη βοήθεια κατάλληλων µετασχηµατισµών, οπότε το κέρδος κορεσµού του SOA από βραχύ οπτικό παλµό προκύπτει από την έκφραση 2.12: 1 U ( ) ( ) = 1 1 exp in t G t (2.13) G0 U sat Στην παραπάνω σχέση, U in (t) είναι η ενέργεια του παλµού, που βρίσκεται µέσα στον ενισχυτή τη χρονική στιγµή t. Αν θεωρήσουµε ως χρονική στιγµή 0 τη στιγµή, που ο παλµός µε κυµατοµορφή ισχύος P in (t) αρχίζει να εισέρχεται στο SOA, τότε η t U in (t) εκφράζεται ως U ( t) = P ( t ) dt. Η παράµετρος U sat, κατά αντιστοιχία µε την in 0 in P sat, είναι η ενέργεια κορεσµού του SOA και σχετίζεται µε την P sat µέσω της σχέσης U = τ. sat P sat c Η σχέση 2.13 δείχνει ότι το κέρδος του ηµιαγωγού µειώνεται για όσο χρονικό διάστηµα διαρκεί η διάδοση του στενού παλµού µέσα από τον ηµιαγωγό. Εποµένως, ο χρόνος κορεσµού του SOA µπορεί να είναι αρκετά µικρός και να µην υπερβαίνει τα µερικά psec Χρονική σταθερά ανάκαµψης φορέων Αµέσως µετά την έξοδο του στενού οπτικού παλµού από τον ενισχυτή, το κέρδος του ενισχυτή αρχίζει να ανακάµπτει λόγω της διέγερσης φορέων από την έγχυση ρεύµατος προς την αρχική του τιµή, η οποία στη συγκεκριµένη περίπτωση είναι η τιµή του κέρδους ασθενούς σήµατος. Ως χρόνος ανάκαµψης του κέρδους του ενισχυτή ορίζεται το χρονικό διάστηµα, που απαιτείται για να ανακάµψει το κέρδος από το 10% στο 90% της µέγιστης τιµής του G 0. Κατά την χρονική περίοδο της ανάκαµψης του κέρδους δεν υπάρχει οπτικό σήµα µέσα στο SOA, οπότε στη σχέση 2.5 αγνοούµε τον τρίτο όρο του δεξιού σκέλους, ο οποίος είναι ο όρος εξαναγκασµένης εκποµπής. Αν η ελάχιστη τιµή του κέρδους, στην οποία έχει φτάσει το κέρδος του SOA αµέσως µετά τον κορεσµό του από τον οπτικό παλµό, είναι G(t s ), όπου t s η χρονική στιγµή που εξέρχεται πλήρως ο παλµός από τον ηµιαγωγό, τότε από τη 2.5 µε τη βοήθεια κατάλληλων µετασχηµατισµών προκύπτει η έκφραση του κέρδους για τη χρονική διάρκεια της ανάκαµψης, η οποία δίνεται από τη σχέση:

48 G( t) = G 0 G( t G 0 s ) exp [ ( t ts ) τ c ], t t s (2.14) Με βάση αυτή την αναλυτική έκφραση ανάκαµψης του κέρδους, η χρονική σταθερά ανάκαµψης από το 10% στο 90% του G 0, προκύπτει ότι συνδέεται µε το ln 0,1 χρόνο ζωής των φορέων από τη σχέση τ r = τ c ln 3, 13 τ c. Τυπικές τιµές ln 0,9 χρονικών σταθερών ανάκαµψης κέρδους για τους ηµιαγωγούς είναι από µερικές δεκάδες ως µερικές εκατοντάδες psec. Η συµπεριφορά του κέρδους ενός ενισχυτή κατά τον κορεσµό του από στενό οπτικό παλµό και κατά την ανάκαµψή του µέχρι την αρχική του κατάσταση αποδίδεται γραφικά στο σχήµα Η χρονική σταθερά ανάκαµψης του SOA είναι πολύ σηµαντική παράµετρος για τη χρήση του ενισχυτή σε οπτικές µεταγωγικές διατάξεις, καθώς αυτή καθορίζει τη µέγιστη ταχύτητα λειτουργίας του ενισχυτή. Για αύξηση της ταχύτητας λειτουργίας είναι απαραίτητη η µείωση του χρόνου ανάκαµψης. Αυτό µπορεί να επιτευχθεί µε διάφορες τεχνικές επιτάχυνσης της χρονικής απόκρισης, όπως είναι η εφαρµογή ισχυρού CW σήµατος στον ενισχυτή µε µήκος κύµατος του σήµατος στην περιοχή κέρδους [23] ή στην περιοχή διαφάνειάς του ενισχυτή [24]. Χρήση αυτής της τεχνικής θα γίνει αρκετές φορές κατά την διάρκεια της διπλωµατικής όπως θα δούµε στα επόµενα κεφάλαια. Σχήµα 2.10: Κορεσµός από στενό οπτικό παλµό και ανάκαµψη του κέρδους ενός SOA. Στην πρώτη αυτών των µεθόδων, όπου το CW σήµα βρίσκεται στη φασµατική περιοχή κέρδους του ενισχυτή, είδαµε στην παράγραφο ότι το κέρδος του ενισχυτή µεταβάλλεται σε σχέση µε το κέρδος ασθενούς σήµατος. Αντίστοιχη µεταβολή υφίσταται και η χρονική σταθερά ανάκαµψης. Από την εξίσωση 2.5 και µε διαδικασία ανάλογη αυτής της εύρεσης της χρονικής σταθεράς ανάκαµψης απουσία σήµατος στο SOA, συµπεριλαµβάνοντας, επιπλέον, την επίδραση του CW σήµατος κατά την ανάκαµψη στον τρίτο όρο του δεξιού σκέλους της εξίσωσης, η χρονική σταθερά ανάκαµψης προκύπτει ότι είναι ίση µε τ e = τ cτ h ( τ c + τ h ), όπου τ = U P 2 και P CW η ισχύς του CW σήµατος στην είσοδο του ενισχυτή. h sat ( ) CW

49 είκτης διάθλασης του SOA Οι οπτικοί ενισχυτές ηµιαγωγού είναι µέσα, που παρουσιάζουν έντονη διασπορά, ακριβώς επειδή ο δείκτης διάθλασης της ενεργού περιοχής εξαρτάται από το µήκος κύµατος του προς ενίσχυση οπτικού σήµατος. Ο δείκτης διάθλασης n και το κέρδος του υλικού του ενισχυτή, το οποίο είναι g [ N( z, t) N T ], είναι συζευγµένα µεγέθη µέσω της εξίσωσης Kramers-Kronig, σύµφωνα µε την οποία ο δείκτης διάθλασης µπορεί να υπολογιστεί, όταν είναι γνωστοί οι συντελεστές κερδών για κάθε µήκος κύµατος. Κατά συνέπεια, και ο δείκτης διάθλασης του ενισχυτή είναι συνάρτηση της πυκνότητας φορέων του Ν, αφού αντίστοιχη εξάρτηση εµφανίζει το κέρδος του υλικού από την πυκνότητα των φορέων. Ο δείκτης διάθλασης των SOA είναι ένα µιγαδικό µέγεθος, του οποίου το πραγµατικό µέρος περιγράφει την συµπεριφορά της φάσης του εισερχόµενου οπτικού πεδίου, ενώ το φανταστικό του µέρος περιγράφει το κέρδος του υλικού: n = n jn (2.15) Έτσι, το πλάτος και η φάση ενός οπτικού πεδίου αφού διαδοθεί µέσα από τον ενισχυτή, περιγράφεται ως E E out in 2π nl n L n L j 2π 2π j ϕ exp = exp j exp j = e G (2.16) λ λ λ = όπου φ η διαφορά φάσης, G το κέρδος ισχύος του υλικού, L το µήκος του µέσου και λ το µήκος κύµατος του φωτός. Σε µία πρώτη προσέγγιση τόσο το µιγαδικό όσο και το πραγµατικό µέρος του δείκτη διάθλασης εξαρτώνται γραµµικά από την πυκνότητα των φορέων για ηµιαγωγούς µε υλικό InGaAsP. Η παράµετρος, που συσχετίζει τη µεταβολή στη φάση µε το κέρδος του υλικού, είναι ο παράγοντας επαύξησης ή διεύρυνσης φασµατικής γραµµής-α (linewidth enhancement factor), και ισχύει: d n dn = α (2.17) dn dn Τυπικές τιµές για το συντελεστή α είναι από 3 ως 11. Με βάση τις σχέσεις (2.15) και (2.16), η διαφορά φάσης και ο λόγος των κερδών για δύο διαφορετικές καταστάσεις κέρδους του ενισχυτή συνδέονται µε τη σχέση α G1 ϕ = ϕ1 ϕ 2 = ln (2.18) 2 G2 Αποτέλεσµα της εξάρτησης της φάσης του πεδίου από το κέρδος, όταν το πεδίο, που διαδίδεται, είναι ένας στενός οπτικός παλµός, είναι η εµφάνιση ολίσθησης συχνότητας (chirp) κατά µήκος του παλµού. Αν είναι P(t) η κυµατοµορφή ισχύος του παλµού και G(t) η απόκριση του κέρδους του SOA στην είσοδο αυτού του παλµού, τότε η φάση του παλµού, καθώς αυτός διαδίδεται µέσα από τον ενισχυτή, α είναι η χρονικά εξαρτώµενη συνάρτηση ϕ( t) = ln G( t). Η µη γραµµική 2 απόκριση κέρδους του ενισχυτή κατά τον κορεσµό του, όπως αποδίδεται από τη σχέση 2.13, έχει ως αποτέλεσµα το προπορευόµενο χρονικό τµήµα του παλµού να αντιλαµβάνεται µεγαλύτερο κέρδος από το πίσω τµήµα του παλµού. Κατά συνέπεια,

50 κάθε χρονικό τµήµα του παλµού αποκτά διαφορετική φάση κατά τη διάδοσή του και αντιλαµβάνεται διαφορετική συχνότητα ως φέρουσα συχνότητα. Αποτέλεσµα αυτής της διαδικασίας είναι η αλλοίωση του σχήµατος του παλµού, όπως επίσης και η αλλοίωση του φασµατικού του περιεχοµένου, το οποίο, µάλιστα, διευρύνεται. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται αυτοδιαµόρφωση φάσης (Self-Phase Modulation) ιάδοση δύο οπτικών σηµάτων σε SOA Στην προηγούµενη ενότητα περιγράφηκε µε τη βοήθεια αναλυτικών σχέσεων η απόκριση του ενισχυτή σε είσοδο ενός µόνο οπτικού σήµατος. Στην περίπτωση διάδοσης δύο οπτικών σηµάτων οι εξισώσεις που περιγράφουν τη συµπεριφορά του ενισχυτή και την επίδρασή της στην οπτική ισχύ και τη φάση των δύο σηµάτων διαφέρουν σε σχέση µε αυτές που ήδη παρουσιάστηκαν για ένα σήµα και είναι πιο πολύπλοκες. Για λόγους απλότητας δεν θα παρουσιαστούν στα πλαίσια της διπλωµατικής αλλά θα γίνει µια µικρή αναφορά στα φαινόµενα που εµφανίζονται κατά την διάδοση δύο σηµάτων διαφορετικής συχνότητας διαµέσου του ενισχυτή SOA των οποίων όµως η συχνότητα εµπίπτει στην φασµατική περιοχή του ενισχυτή. Αναλόγως µε την µορφή και την ισχύ καθενός από το δύο σήµατα µπορεί να εµφανιστεί κορεσµός του ενισχυτή µε αποτέλεσµα το κέρδος που «βλέπει» το ένα σήµα να είναι αρκετά µικρότερο από αυτό που θα «έβλεπε» κανονικά (ετεροδιαµόρφωση κέρδους), ή µπορεί λόγω υψηλής ισχύς να διεγείρει το ένα σήµα την µη γραµµικότητα του ενισχυτή µε αποτέλεσµα να αλλάξει ο δείκτης διάθλασης του υλικού του ενισχυτή και να έχουµε αλλαγή της διαφοράς φάσης του άλλου σήµατος (ετεροδιαµόρφωσης φάσης). Αυτά είναι τα βασικότερα φαινόµενα που παρατηρούνται σε έναν ενισχυτή SOA κατά τη διάδοση δύο σηµάτων και σε αυτά βασίζεται η υλοποίηση αρκετών εφαρµογών που έχουν ως στοιχεία ενισχυτές SOAs ή άλλα στοιχεία που περιέχουν τέτοιους ενισχυτές. Επίσης µπορεί να εµφανιστεί παραµόρφωση κάποιου σήµατος εξαιτίας της πολύ υψηλής ισχύς του άλλου ή να παρουσιαστούν φαινόµενα συµβολής αν τα σήµατα έχουν περίπου την ίδια συχνότητα. Και τα δύο αυτά φαινόµενα θεωρούνται ανεπιθύµητα και γίνονται προσπάθειες για να αποφευχθούν. 2.4 Το φίλτρο Fabry Perot Το συµβολόµετρο Fabry-Perot πήρε την ονοµασία του από τα επίθετα δυο φυσικών Charles Fabry και Alfred Perοt που ασχολήθηκαν µε προβλήµατα συµβολής τον 19 ο αιώνα. Η λειτουργία του βασίζεται στην συµβολή µε διαίρεση πλάτους και µια σύντοµη εξήγηση της λειτουργίας δίδεται παρακάτω. Το φίλτρο, ή αλλιώς συµβολόµετρο, Fabry-Perot αποτελείται από µία κοιλότητα, η οποία σχηµατίζεται µεταξύ δύο παράλληλων ανακλαστικών επιφανειών (καθρεπτών), όπως φαίνεται στο σχήµα Σχήµα 2.11: Το φίλτρο Fabry-Perot

51 Το φαινόµενο που λαµβάνει χώρα στο εσωτερικό του φίλτρου είναι η προσθετική συµβολή των ανακλώµενων οπτικών δεσµών της αρχικής δέσµης φωτός. Πιο συγκεκριµένα, η αρχική προσπίπτουσα οπτική δέσµη εισέρχεται στο διηλεκτρικό της κοιλότητας Fabry-Perot και υφίσταται διαδοχικές ανακλάσεις στις εσωτερικές επιφάνειες των καθρεπτών. Θεωρώντας ότι το οπτικό πεδίο του προσπίπτοντος σήµατος εισόδου είναι της µορφής [25]: ~ jωt E = E e (2.19) in in και ότι κάθε ανακλαστική επιφάνεια έχει συντελεστή ανακλαστικότητας ίσο µε R, τότε το ποσοστό του πεδίου, που εισέρχεται στο συµβολόµετρο µέσω της πρώτης ανακλαστικής επιφάνειας, είναι: ~ jωt E = 1 R E in e (2.20) Το πεδίο αυτό ταξιδεύει µέσα στην κοιλότητα µήκους L του φίλτρου µέχρι να συναντήσει το δεύτερο κάτοπτρο, οπότε τότε ένα ποσοστό του εξέρχεται του φίλτρου, ενώ το υπόλοιπο οπτικό πεδίο ανακλάται από το κάτοπτρο πίσω και µέσα, ξανά, στην κοιλότητα. Το πεδίο, που εξέρχεται µετά από αυτήν την πρώτη διέλευση µέσα από την κοιλότητα, είναι: E ~ R E ( j t kl in e ω + = (2.21) 0 1 ( ) ) όπου k η σταθερά διάδοσης µέσα από το διηλεκτρικό υλικό της κοιλότητας του φίλτρου. Το υπόλοιπο τµήµα του οπτικού πεδίο, το οποίο ανακλάται ξανά µέσα στην κοιλότητα, υφίσταται συνολικά δύο διαδοχικές ανακλάσεις µέχρι να φτάσει πάλι στο κάτοπτρο εξόδου, οπότε το πεδίο, που προκύπτει στην έξοδο από τη δύο φορές ανακλώµενη δέσµη, είναι: ~ ( jωt+ kl+ 2kL E = R R E in e (2.22) 1 1 ( ) ) Με αντίστοιχη διαδικασία, το πεδίο εξόδου, που προκύπτει από την n-ιοστή ανακλώµενη δέσµη φωτός, βρίσκεται ότι είναι: ~ kl En = in n ( jωt+ kl+ n 2 ) ( 1 R) R E e (2.23) Η σταθερά διάδοσης k, ως γνωστόν, γράφεται ως συνάρτηση της συχνότητας f 2πn του πεδίου σύµφωνα µε τη σχέση k = f, όπου n σ αυτή τη σχέση ο δείκτης c διάθλασης του διηλεκτρικού του φίλτρου. Κάνοντας χρήση αυτής της σχέσης, η συνάρτηση µεταφοράς ισχύος ως προς τη συχνότητα του φίλτρου Fabry-Perot δίνεται από την έκφραση: T ~ 2 4 nl 2 E π n f n 1 R = c ~ R e = π Ein n= 0 1 R e out ( f ) = ( 1 R) 4 nl f c 2 (2.24) Ορίζοντας την παράµετρο του φίλτρου ελεύθερη φασµατική περιοχή (Free Spectral Region) ως FSR=c/2nL, η τελευταία σχέση ξαναγράφεται ως T( f ) = R R 1 π f sin FSR 2 (2.25)

52 Η τελευταία σχέση ορίζει τη συνθήκη πλήρους προσθετικής συµβολής των δεσµών φωτός στην έξοδο του φίλτρου, η οποία λαµβάνει χώρα όταν το διπλάσιο του οπτικού δρόµου µεταξύ των δύο κατόπτρων είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του µήκους κύµατος της οπτικής δέσµης. Σε αυτήν την περίπτωση, στην έξοδο του φίλτρου εξέρχεται το σύνολο της ισχύος του αρχικά προσπίπτοντος οπτικού πεδίου. Σε οποιαδήποτε άλλη περίπτωση, η συµβολή δεν είναι πλήρως προσθετική, οπότε µόνο ένα ποσοστό του αρχικού οπτικού πεδίου εξέρχεται του φίλτρου. Η σχέση 2.25 περιγράφει, εποµένως, µια περιοδική συνάρτηση ως προς τη συχνότητα, η οποία εµφανίζει κορυφές µετάδοσης σε κάθε τιµή συχνότητας, στην οποία υπάρχει πλήρως προσθετική συµβολή στην έξοδο του φίλτρου. Το φασµατικό 3-dB εύρος κάθε φασµατικής κορυφής της σχέσης 2.25 εύκολα βρίσκεται ότι είναι ίσο µε: 2 FSR 1 R B = arcsin π 2 R (2.26), που δείχνει ότι το εύρος ζώνης µειώνεται, καθώς αυξάνει η ανακλαστικότητα των κατόπτρων. Μια βασική παράµετρος του φίλτρου, η οποία συνδέει την ελεύθερη φασµατική περιοχή µε το εύρος ζώνης κάθε κορυφής, είναι η λεπτότητα (finesse F) του φίλτρου, η οποία δίνεται από τη σχέση: F = FSR B π = 1 R 2 arcsin 2 R (2.27) Για µεγάλες τιµές ανακλαστικότητας η λεπτότητα προσεγγίζεται από τη σχέση: F π 1 R R (2.28) Η λεπτότητα σχετίζεται άµεσα µε το γνωστό παράγοντα Q, ο οποίος χαρακτηρίζει κάθε στοιχείο φιλτραρίσµατος και υποδεικνύει την ικανότητά του να αποµονώνει και να φιλτράρει το επιθυµητό φασµατικό περιεχόµενο. Η σχέση, που συνδέει τη λεπτότητα µε τον παράγοντα Q,είναι : F Q (2.29) 3 και δείχνει ότι τα δύο µεγέθη είναι ευθέως ανάλογα

53 Σχήµα 2.12: Συνάρτηση µεταφοράς του Fabry-Perot φίλτρου για διάφορες τιµές λεπτότητας. Τα παραπάνω γίνονται περισσότερο σαφή µε τη βοήθεια του σχήµατος 2.12, το οποίο απεικονίζει τη µορφή της συνάρτησης µεταφοράς ως προς τη συχνότητα, που δίνεται από τη σχέση 2.27, για διάφορες τιµές λεπτότητας του φίλτρου. Όπως εύκολα φαίνεται, όσο αυξάνει η λεπτότητα του φίλτρου, τόσο στενεύει το εύρος ζώνης των κορυφών µετάδοσης, οπότε επιτυγχάνεται καλύτερη αποµόνωση φασµατικών συνιστωσών (φιλτράρισµα). Επίσης, η περιοδικότητα της συνάρτησης µεταφοράς ως προς τη συχνότητα σηµαίνει ότι το στοιχείο έχει ιδιότητες µνήµης. Αυτό γίνεται καλύτερα κατανοητό από την αντίστοιχη χρονική ανάλυση της απόκρισης του Fabry-Perot. Συγκεκριµένα, η χρονική έξοδος του φίλτρου Fabry-Perot σε είσοδο µια κρουστική διέγερση της µορφής E(t)=δ(t), δίνεται από την έκφραση n n h( t) R δ t (2.30) FSR = (1 R) n= 0 Η γραφική αναπαράσταση της περιβάλλουσας αυτής της συνάρτησης απεικονίζεται στο σχήµα 2.13, όπου φαίνεται καθαρά η ιδιότητα µνήµης του συµβολόµετρου. Για παράδειγµα, αν ως είσοδος στο φίλτρο χρησιµοποιηθεί ένας οπτικός παλµός µοναδιαίου πλάτους, τότε η τιµή κάθε καµπύλης του σχήµατος 2.13 σε κάθε χρονική στιγµή k/fsr δείχνει το πλάτος του k-οστού παλµού εξόδου του φίλτρου, όπου k ακέραιος, θεωρώντας ως αναφορά το πλάτος του παλµού εισόδου. Τα βασικά χαρακτηριστικά της λειτουργίας του φίλτρου ως στοιχείου µνήµης είναι τα εξής: Ο αριθµός των παραγόµενων παλµών στην έξοδο του φίλτρου είναι ανάλογος της ανακλαστικότητας (ή ισοδύναµα της λεπτότητας) του φίλτρου. Αυτός ο αριθµός χαρακτηρίζει, επίσης, τη χρονική σταθερά ζωής του στοιχείου. Ο όρος της χρονικής σταθεράς ζωής του φίλτρου θα χρησιµοποιείται, από εδώ και στο εξής στις επόµενες ενότητες του κεφαλαίου, µε την έννοια του αριθµού των ψηφίων, τον οποίο παρέχει το φίλτρο στην έξοδό του µέχρι το πλάτος των παλµών εξόδου να γίνει ίσο µε το 1/e του πλάτους του πρώτου παλµού εξόδου, όταν ως είσοδος χρησιµοποιείται ένας, µόνο, οπτικός παλµός. Οι παραγόµενοι παλµοί έχουν σταθερή περίοδο ίση µε το αντίστροφο της ελεύθερης φασµατικής περιοχής

54 Σχήµα 2.13: Χρονική απόκριση του Fabry-Perot φίλτρου για διάφορες τιµές λεπτότητας µε είσοδο έναν οπτικό παλµό. Ο συντονισµός του Fabry Perot φίλτρου στο επιθυµητό µήκος κύµατος επιτυγχάνεται µεταβάλλοντας τον δείκτη διάθλασης του υλικού που υπάρχει µεταξύ των δύο κατόπτρων. Αυτό στην φωτονική τεχνολογία γίνεται µε τη τεχνική της ελεγχόµενης από τάση µεταβολής του δείκτη διάθλασης. Το πλεονέκτηµα αυτής της µεθόδου είναι όχι µόνο η αύξηση της περιοχής συντονισµού αλλά και της ταχύτητας συντονισµού καθώς οι ηλεκτρονικοί µηχανισµοί είναι πάρα πολύ γρήγοροι. Η βασική ιδέα είναι η χρησιµοποίηση ενός ηλεκτροοπτικού υλικού για την κοιλότητα του προτύπου µε δείκτη διάθλασης εξαρτώµενο από την τάση. Τα υλικά που χρησιµοποιούνται προς αυτόν τον σκοπό είναι σύνθετες ουσίες υγρών κρυστάλλων των οποίων τα µόρια στρέφονται µε την εφαρµογή ηλεκτρικής τάσης. Τα υλικά αυτά είναι υλικά µεγάλης διπλοθλαστικότητας οπότε το φως που προσπίπτει εξαρτάται από το σχετικό προσανατολισµό του επιπέδου πόλωσης του ως προς τον προσανατολισµό των µορίων, ο οποίος προσανατολισµός των µορίων εξαρτάται από το εφαρµοζόµενο ηλεκτρικό πεδίο. Η λεπτότητα που επιτυγχάνεται µε αυτήν την µέθοδο φτάνει το 350 µε εσωτερικές απώλειες 1 έως 2dB. Ορισµένα από τα πλεονεκτήµατα τώρα των Fabry Perot φίλτρων είναι τα παρακάτω [26]: ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ιδιαίτερα υψηλή διακριτική ικανότητα εν δηµιουργούν επιπρόσθετες παρεµβολές Είναι µικρά και η αρχή λειτουργίας τους είναι σχετικά απλή Ελαχιστοποιούνται φαινόµενα περίθλασης Παρέχουν δυνατότητα µέτρησης χρονικής µετατόπισης ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Σε πολύπλοκα συστήµατα µετάδοσης που βασίζονται στην πολυπλεξία, όπως τα WDM, δυσκολεύει την πολυπλεξία. Γι αυτό συνήθως τοποθετούνται αµέσως µετά της πηγές laser. Απαιτούνται φακοποιηµένες ίνες για να προσαρµοστούν πάνω σε µία διάταξη ενώ παρουσιάζουν µεγάλη ευαισθησία σε ζητήµατα εστίασης και δυσκολίες στις συνδέσεις τους. Τα Fabry Perot φίλτρα υψηλής ποιότητας είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα σε αποσυντονισµούς εξαιτίας του στενού εύρους φάσµατος που αφήνουν να περάσουν

55 εν υπάρχει µηχανισµός που να επιτρέπει µικρές µετακινήσεις στα δύο κάτοπτρα ώστε να συντονίζεται το φίλτρο σε όποια συχνότητα θέλουµε µε αποτέλεσµα να αναγκαζόµαστε να αλλάζουµε τον δείκτη διάθλασης. Απαιτούν σύµφωνο φως για διαδικασίες στο πεδίο του χρόνου. Τα φίλτρα Fabry-Perot έχουν ένα ευρύ πεδίο εφαρµογών σε πολλούς τοµείς της οπτικής. Ιδιαίτερα όσον αφορά τον τοµέα των φωτονικών τηλεπικοινωνιών, τα φίλτρα Fabry-Perot έχουν χρησιµοποιηθεί για αποπολυπλεξία µήκους κύµατος (wavelength demultiplexing), για ανάκτηση σήµατος ρολογιού [1], για την καταπίεση ανεπιθύµητων αρµονικών και τη βελτιστοποίηση της απόδοσης υψίρρυθµων οπτικών πηγών δακτυλίου ίνας για τον πολλαπλασιασµό του ρυθµού µετάδοσης οπτικών παλµικών πηγών καθώς, επίσης, και για την παραγωγή σηµάτων ελέγχου-απόφασης από ψηφία επικεφαλίδας για κόµβους µεταγωγής πακέτων. Πρόσφατα παρουσιάστηκε το πρώτο ολοκληρωµένο φίλτρο του οποίου η αρχή λειτουργίας βασίζεται στο Fabry Perot φίλτρο [27]. Το φίλτρο αυτό έχει µέγεθος 20µm και αποτελείται από µια διδιάστατη µικροκοιλότητα υψηλής λεπτότητας. Το υλικό της διάταξης είναι Si/SiO 2. Το φίλτρο περιέχει έναν πλευρικό κυµατοδηγό ο οποίος στην είσοδο και την έξοδο έχει χαραγµένους στο υλικό ανακλαστήρες Bragg οι οποίοι στην συγκεκριµένη περίπτωση αυξάνουν την ανακλαστικότητα των κατόπτρων και κατά συνέπεια αυξάνουν κατά πολύ την λεπτότητα του φίλτρου. Η ισχύς που απαιτείται για την λειτουργία αυτού του φίλτρου είναι πολύ µικρή, το πολύ 20mW, µε αποτέλεσµα να ξεπερνιούνται τα προβλήµατα θέρµανσης και οι µεταβολές που αυτά τα φαινόµενα µπορούν να προκαλέσουν στα χαρακτηριστικά µιας τόσο µικρής διάταξης. Η διάταξη βασίζεται σε p-i-n συµβολή η οποία βασίζεται από την πλευρά της στο ηλεκτροοπτικό φαινόµενο, όµως µε την µορφή της επιφάνειας της διάταξης ενισχύεται ένας µηχανισµός θερµικής διαµόρφωσης που υπερισχύει του ηλεκτροοπτικού φαινοµένου. Τα προηγούµενα σε συνδυασµό µε την υψηλή λεπτότητα έχουν σαν αποτέλεσµα όταν οδηγείται δέσµη laser πολύ χαµηλής ισχύς να µπορούµε να λαµβάνουµε στην έξοδο το επιθυµητό µήκος κύµατος. Η µορφή του φίλτρου φαίνεται στο σχήµα Βασικό µειονέκτηµα της διάταξης είναι το αυξηµένο ποσοστό σκέδασης της διερχόµενης δέσµης στο εσωτερικό της διάταξης. Αν λυθεί αυτό το πρόβληµα τότε η συγκεκριµένη διάταξη θα είναι πολύ αποδοτική. Σχήµα 2.14: Το πρώτο ολοκληρωµένο φίλτρο που βασίζεται στην αρχή λειτουργίας του Fabry Perot [27] Όσον αφορά τα Fabry Perot φίλτρα που κυκλοφορούν στο εµπόριο χαρακτηριστική είναι η περίπτωση της Micron Optics [28], [29] (σχήµα 2.15) η οποία µε το παρακάτω Fabry-Perot φίλτρο εγγυάται απώλειες µικρότερες του 1dB, υψηλό σηµατοθορυβικό λόγο, γραµµικότητα στην απόκριση και αναισθησία σε θερµοκρασίες από 0 έως 65 o C. Tα φίλτρα αυτά περιέχουν µεταξύ των κατόπτρων κενό αέρος ή ειδικό γυαλί που διατηρεί σταθερές τις ιδιότητές του κατά την αύξηση

56 της θερµοκρασίας που προκαλεί η δέσµη laser. Τέτοια φίλτρα χρησιµοποιούνται κατά κόρον στα πειράµατα που διεξάγονται στο Εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών. Σχήµα 2.15: Φωτογραφία Fabry-Perot φίλτρου. 2.5 Το πρόγραµµα προσοµοίωσης Το λογισµικό προσοµοίωσης που χρησιµοποιήθηκε στην παρούσα διπλωµατική είναι το VPI, που έχει αναπτυχθεί και χρησιµοποιείται ευρέως τα τελευταία χρόνια στην προσοµοίωση διατάξεων που σχετίζονται µε την φωτονική τεχνολογία. Το πλεονέκτηµα που µας δίνει η χρήση αυτού του προγράµµατος είναι η γρήγορη και οικονοµική λήψη αποτελεσµάτων σχετικά µε την απόδοση συγκεκριµένων διατάξεων χωρίς να είναι αναγκαίο να καταφύγουµε σε πραγµατοποίηση πειράµατος µε ότι αρνητικά αυτό συνεπάγεται από πλευράς κόστους, χρόνου και προσπάθειας. Η ύπαρξη πάρα πολλών στοιχείων µε όλες τις παραµέτρους που παρουσιάζουν στην πραγµατικότητα αυτά τα στοιχεία καθώς και η ύπαρξη ικανοποιητικών µαθηµατικών µοντέλων για την περιγραφή της λειτουργίας τους καθιστούν το VPI µία από της πιο αξιόπιστες και αποδοτικές λύσεις για την λήψη αποτελεσµάτων που δεν απέχουν σηµαντικά από τα αντίστοιχα πειραµατικά. Παρακάτω παρουσιάζονται περισσότερες πληροφορίες σχετικά µε το λογισµικό VPI και τα χαρακτηριστικά που παρέχει για τα στοιχεία της διπλωµατικής εργασίας Μέθοδος προσοµοίωσης του SOA στο πρόγραµµα VPI Από το πακέτο προσοµοίωσης VPI για την προσοµοίωση του SOA χρησιµοποιήθηκε το εργαλείο VPIcomponentMaker Active Photonics. Σε αυτό το πακέτο η ανάλυση των οπτικών ηµιαγώγιµων στοιχείων όπως είναι τα Lasers και οι SOAs γίνονται µε την χρήση του µοντέλου Transmission-Line Laser Module (TLLM). Το µοντέλο αυτό επιλύει χρονικά σε πολλές επαναλήψεις τις διαφορικές εξισώσεις της εµπρόσθιας και οπίσθιας διάδοση οπτικών σηµάτων µέσα στον ηµιαγωγό χωρίζοντας την κοιλότητα του SOA σε πολλά διαµήκη τµήµατα. Το µήκος του κάθε τµήµατος είναι η µέση απόσταση που διανύει το σήµα σε ένα βήµα. Το κάθε βήµα καθορίζεται από τη συχνότητα δειγµατοληψίας της προσοµοίωσης. Πιο συγκεκριµένα εάν θεωρηθεί ότι η συχνότητα δειγµατοληψίας είναι f sample = 2560GHz, τότε το κάθε βήµα έχει χρονική διάρκεια 1/f sample 390fs. Λαµβάνοντας υπόψιν ότι ο οµαδικός δείκτης διάθλασης των InGaAs ηµιαγωγών της ενεργού περιοχής των

57 SOAs είναι n gr 3.5 (µεταξύ 3 και 4), προκύπτει ότι το κάθε τµήµα του SOA για το οποίο υπολογίζονται οι διαφορικές εξισώσεις διάδοσης είναι: 8 s = 1/ f c / n = 390 fs 3 10 / 3.5 = 33.5 m sample gr µ Εποµένως για SOAs µε µήκος µεγαλύτερο από 1mm, που χρησιµοποιούνται συνήθως στις εφαρµογές οπτικής επεξεργασίας σήµατος, το VPI χωρίζει τον ηµιαγωγό σε τουλάχιστον σε 30 µέρη. ιπλασιάζοντας την δειγµατοληψία τότε γίνεται κατανοητό ότι διπλασιάζεται και ο αριθµός των µερών που χωρίζεται ο SOA. Ανάλογα λοιπόν µε την ακρίβεια που επιθυµείται στην συµπεριφορά της προσοµοίωσης του SOA τίθεται ανάλογα και η συχνότητα δειγµατοληψίας. Υπάρχει, όµως, ένα όριο δειγµατοληψίας πέρα από το οποίο η µακροσκοπική συµπεριφορά του SOA παραµένει αµετάβλητη. Σχήµα 2.16: Σχηµατική αναπαράσταση ενός Laser ηµιαγωγού και του µοντέλου TLLM (Transmission- Line Laser Model), δείχνοντας έναν κόµβο µέσα σε ένα τµήµα του µοντέλου. Κάθε τµήµα µέσα στο πρόγραµµα εφαρµόζει διάφορους τελεστές στα οπτικά σήµατα που διέρχονται µέσα από αυτό σε κάθε επανάληψη. Οι τελεστές αυτοί µιµούνται φυσικές λειτουργίες όπως είναι η ενίσχυση (εξαναγκασµένη εκποµπή), οι απώλειες (σκεδάσεις και απορρόφηση), τον θόρυβο (τυχαία εκποµπή) όπως, επίσης, και την αλλαγή του δείκτη διάθλασης. Η ισχύ των φαινοµένων αυτών εξαρτάται από την πυκνότητα των φορέων σε κάθε τµήµα και για αυτό ονοµάζεται και τοπική πυκνότητα φορέων (local carrier density). Η τοπική πυκνότητα των φορέων υπολογίζεται σε κάθε τµήµα µέσω µίας ή περισσότερων διαφορικών εξισώσεων ανάλογα µε τη δοµή του ηµιαγωγού (άµορφος ή κβαντικών πηγαδιών). Η έξοδος του µοντέλου είναι µια ακολουθία δειγµάτων (optical field samples) µε ρυθµό που καθορίζεται κατά επιλογή όπως προαναφέρθηκε. Το οπτικό φάσµα του σήµατος που παράγεται στην έξοδο µπορεί εύκολα να υπολογιστεί παίρνοντας τον µετασχηµατισµό Fourier αυτών των δειγµάτων Παράµετροι των SOAs που χρησιµοποιήθηκαν Το πρόγραµµα VPI έχει µια µεγάλη λίστα µε παραµέτρους που απαιτούνται για την προσοµοίωση των SOAs όπως φαίνεται και από τον Πίνακα 2.1 που ακολουθεί. Πολλές από τις παραµέτρους αυτές έχουν προσδιοριστεί από την CIP και εποµένως δε χωρά αµφιβολία για την τιµή τους. Οι παράµετροι αυτοί συµβολίζονται µε ( * ). Υπάρχει µια δεύτερη κατηγορία παραµέτρων που καθορίστηκαν έτσι ώστε τα αποτελέσµατα των προσοµοιώσεων των SOAs να έχουν την ίδια µακροσκοπική συµπεριφορά µε τα πειραµατικά αποτελέσµατα. Η µακροσκοπική συµπεριφορά που απαιτείται να επιτυγχάνεται αφορά, πρώτον τις καµπύλες κέρδους που παρουσιάζει ο ηµιαγωγός ως προς την εισερχόµενη οπτική ισχύ για διάφορα ρεύµατα έκχυσης και

58 δεύτερον τo χρόνος που χρειάζεται για να ανακτήσει το κέρδος του όταν παλµός συγκεκριµένης οπτικής ισχύς εισέρχεται σε αυτόν. Οι παράµετροι αυτοί συµβολίζονται µε ( ). Τέλος υπάρχει και µια τρίτη οµάδα παραµέτρων οι οποίες δεν έχουν µεταβληθεί καθώς αναφέρονται σε λειτουργίες του SOA οι οποίες δεν είναι ενδιαφέρουσες για τη ερευνητική περιοχή του Ε.Φ.Ε. Αυτές συµβολίζονται µε ( )

59 ΠΙΝΑΚΑΣ 2.1: Παράµετροι των SOAs για τις προσοµοιώσεις Parameter CIP SOA parameters Unit Nominalwavelength e-06 m LaserChipLength e-06* m ActiveRegionWidth 1.2e-06 * m ActiveRegionThickness 0.1e-06 * m ConfinementFactor 0.17 * GroupEffectiveIndex 3.5 LeftFacetReflectivity 1e-6 RightFacetReflectivity 1e-6 OpticalCouplingEfficiency 0.5* FixedInternalLoss /m CarrierDependentInternalLossCoefficient 0.0 m^2 MaterialLinewidthEnhancementFactor 6 * DifferentialRefractiveIndex -1.11e-26 m^3 ChirpReferenceCarrierDensity 2.0e+24 1/m CurrentInjectionEfficiency 1.0 LinearRecombinationCoefficient 1e7 1/s BimolecularRecombinationCoefficient 1.0e-17 m^3/s AugerRecombinationCoefficient 9.4e-41 m^6/s LinearMaterialGainCoefficient 5e-20 m^2 TransparencyCarrierDensity 0.3e+24 1/m^3 NonlinearGainCoefficient 3e-23 m^3 NonlinearGainTimeconstant 200e-15 s GainPeakFrequency e12* Hz GainPeakFreqCarrierDependence 3.6e-10 Hz*m^3 GainCoefficientSpectralWidth 1.0e+13 Hz GainCoeffSpectralWidthCarrierDependence 0.0 Hz*m^3 PopulationInversionParameter 8 SpontaneousEmissionPeakFrequency e12 * Hz SpontaneousEmissionFreqCarrierDependence 0.0 Hz*m^3 SpontaneousEmissionSpectralWidth 1e+15 * Hz SpontaneousSpectralWidthCarrierDependence 0.0 Hz*m^3 InitialCarrierDensity 0.6e+24 1/m^3-57 -

60 2.5.3 Παράµετροι στην πλευρά του δέκτη Στην παράγραφο αναφέρθηκαν οι παράµετροι που αποτελούν τα κριτήρια αξιολόγησης ενός οπτικού διακόπτη. Με βάση τις επιδόσεις µιας συµβολοµετρικής διάταξης σε αυτές, χαρακτηρίζεται η λειτουργία της. Στο κεφάλαιο 3 της παρούσα διπλωµατική εργασία για τη µελέτη της λειτουργίας του ΜΖΙ, που αποτέλεσε το θεµέλιο λίθο των µελετούµενων πυλών AND, χρησιµοποιήθηκε ο λόγος αντίθεσης και ο ρυθµός λαθών ανά ψηφίο στο δέκτη - BER (Bit Error Rate). Το BER ορίζεται ως η πιθανότητα ένα ψηφίο να ανιχνεύεται λανθασµένα από το δέκτη, δηλαδή ένα µεταδιδόµενο 1 να ανιχνεύεται ως 0,ή ένα µεταδιδόµενο 0 να ανιχνεύεται ως 1. Υπό την απλούστερη έννοια, το θεµελιώδες κριτήριο για το χαρακτηρισµό της απόδοσης ενός ψηφιακού συστήµατος επικοινωνίας είναι η ακρίβεια που χρειάζεται ο δέκτης έτσι ώστε να προσδιορίσει τη λογική κατάσταση κάθε µεταδιδόµενου ψηφίου. Η ικανότητα του δέκτη να διακρίνει µεταξύ των λογικών 0 και των λογικών 1 είναι άλλωστε και η βασική απαίτηση για οποιοδήποτε σύστηµα µετάδοσης. Το ΒER ορίζεται µαθηµατικά ως εξής: BER= E( t) N( t) όπου E(t) είναι ο αριθµός των δυφίων που ελήφθησαν λανθασµένα κατά τη διάρκεια του χρόνου t και N(t) είναι ο συνολικός αριθµός των ψηφίων που µεταδόθηκαν στον ίδιο χρόνο t. Τo BER είναι ένα στατιστικό µέγεθος υπό την έννοια ότι ο αριθµός των σφαλµάτων εξαρτάται από το χρόνο t (χρόνο συγκέντρωσης-gating time) κατά τον οποίο γίνεται η συλλογή των δεδοµένων, καθώς και από τις διαδικασίες που προκαλούν τα σφάλµατα. Για σφάλµατα που οφείλονται κατά κύριο λόγο σε θόρυβο που έχει κατανοµή Gauss, ένας σχετικά µικρός αριθµός σφαλµάτων ( εσφαλµένα ψηφία) είναι επαρκής ώστε να προσδιοριστεί η απόδοση του συστήµατος. Εάν όµως η εµφάνιση των σφαλµάτων πραγµατοποιείται σε µορφή ριπής (burst) από µη τυχαία φαινόµενα, όπως η διαφωνία καναλιών ή εξωτερικές παρεµβολές, τότε θα πρέπει να συγκεντρωθούν σηµαντικά υψηλότεροι αριθµοί εσφαλµένων γεγονότων, έτσι ώστε το ΒΕR να αντιπροσωπεύει επαρκώς την απόδοση του συστήµατος. Στο σηµείο αυτό θα πρέπει να τονιστεί ότι για συστήµατα πληροφορίας, ο σηµερινά αποδεκτός ρυθµός µετάδοσης σφάλµατος ψηφίων είναι της τάξης του Στη συνέχεια, στον Πίνακα 2.2 παρουσιάζονται ορισµένες παράµετροι του δέκτη που καθορίζουν τη λειτουργία του και τη διαδικασία προσδιορισµού του BER. Πιο συγκεκριµένα, δίνονται οι τιµές της κεντρικής συχνότητας του ανιχνευώµενου σήµατος που χρησιµοποιείται σε υπολογισµούς σχετικούς µε το θόρυβο και της συχνότητας αποκοπής των φίλτρων που χρησιµοποιούνται στο δέκτη. Επίσης, φαίνονται οι τιµές της ευαισθησίας της φωτοδιόδου του δέκτη, που περιγράφει το εξερχόµενο ηλεκτρικό ρεύµα ανά µονάδα προσπίπτουσας οπτικής ισχύος στη φωτοδίοδο, και του ηλεκτρικού ρεύµατος εξόδου της φωτοδιόδου που προκύπτει απουσία φωτός. Ακόµα, καθορίζονται παράµετροι όπως ο χρόνος δειγµατοληψίας που δίνεται ως κλάσµα της χρονικής διάρκειας ψηφίου, η φασµατική πυκνότητα ισχύος και το εύρος ζώνης του θερµικού προσθετικού θορύβου τύπου Gauss και το κατώφλι ισχύος µε βάση το οποίο λαµβάνεται η απόφαση εάν το µεταδιδόµενο διφύο είναι 0 ή 1. Η τιµή 0.5 είναι κατάλληλη για δέκτες όπου κυριαρχεί ο θερµικός θόρυβος

61 ΠΙΝΑΚΑΣ 2.2: Χαρακτηριστικά του δέκτη Parameter Receiver parameters Unit CentralFrequency e12 Hz Responsivity 0.7 A/W DarkCurrent 15e-9 A ThermalNoise 45e-12 A/Hz^0.5 ElecNoiseBandwidth 40.0e9 Hz SampleTime 0.5 Threshold 0.5 CutOffFrecuency 0.75*BitRateDefault Hz FilterOrder

62 - 60 -

63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜACH ZEHNDER ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΟΥ 3.1 Εισαγωγή Όπως έχει προαναφερθεί τα Mach Zehnder συµβολόµετρα χρησιµοποιούνται σήµερα σε πάρα πολλές εφαρµογές στην έρευνα γύρω από αµιγώς οπτικά δίκτυα. Η χρήση τους σε διαδικασίες µεταγωγής, εξαγωγής επικεφαλίδας πακέτων, µετατροπής µήκους κύµατος, αναγέννησης σήµατος που έχει παραµορφωθεί αισθητά κατά την διάδοσή του αλλά και εφαρµογές ανάκτησης ρολογιού και ισοστάθµισης της ισχύς διαφορετικών εισερχοµένων πακέτων καθιστά αναγκαία της χρήσης των Mach Zehnder (ΜΖΙ) συµβολόµετρων σε καταστάσεις βέλτιστης λειτουργίας. Αυτό συνεπάγεται ορισµένα χαρακτηριστικά που θα τα καθιστούν αποδοτικά για τις παραπάνω χρήσεις. Μερικά από αυτά είναι η όσο το δυνατόν ελάχιστη προσθήκη στο σήµα επιπλέον θορύβου, η λειτουργία τους µε όσο το δυνατόν µικρότερες απαιτήσεις σε οπτική ισχύς, η ικανοποιητική αύξηση του σηµατοθορυβικού λόγου του σήµατος εξόδου σε σχέση µε το σηµατοθορυβικό λόγο του σήµατος εισόδου και η µη παραµόρφωση του σήµατος κατά την διέλευσή του από το συµβολόµετρο. Η συνεχής εξέλιξη των Μach Zehnder συµβολόµετρων από τις κατασκευαστικές εταιρίες τείνει να µειώσει κάποια από τα παραπάνω προβλήµατα, παρόλα αυτά οι ερευνητές που ασχολούνται µε αυτά τα ζητήµατα προσπαθούν να αναπτύξουν τεχνικές ώστε να κάνουν την λειτουργία των Μach Zehnder ικανοποιητική για οποιαδήποτε εφαρµογή. Η βελτιστοποίηση της λειτουργίας τους θα δώσει µεγαλύτερη ώθηση στην ανάπτυξη και βελτίωση των διατάξεων επεξεργασίας των οπτικών σηµάτων. Στόχος αυτής της διπλωµατικής εργασίας είναι σε πρώτο στάδιο η µελέτη της βελτιστοποίησης της λειτουργίας ενός Μach Zehnder συµβολόµετρου σε εφαρµογή

64 µεταγωγής οπτικού σήµατος. Σε αυτήν την περίπτωση το συµβολόµετρο συµπεριφέρεται σαν µία οπτική πύλη AND όπου αν υπάρχει σήµα ελέγχου προωθεί το εισερχόµενο σήµα στην θύρα µεταγωγής της εξόδου του ενώ στην αντίθετη περίπτωση (χωρίς σήµα ελέγχου) προωθεί το εισερχόµενο σήµα στην θύρα µη µεταγωγής της εξόδου του. Η κατάσταση µεταγωγής χαρακτηρίζεται ως ΟΝ και η κατάσταση µη µεταγωγής ως OFF. Χαρακτηριστικό είναι το παρακάτω σχήµα: Σχήµα 3.1: κατάσταση µεταγωγής (α) OFF και (β) ON ενός συµβολοµετρικού διακόπτη. 3.2 Θεωρητικό µοντέλο βελτιστοποίησης της λειτουργίας ενός Μach Zehnder συµβολόµετρου Ένα από τα βασικότερα προβλήµατα που εµφανίζονται καθώς το οπτικό σήµα διέρχεται από ένα Μach Zehnder συµβολόµετρο είναι η αύξηση του θορύβου. Ο λόγος είναι ότι οι δύο ενισχυτές SOAs, που υπάρχουν σε κάθε κλάδο του συµβολόµετρου, έχουν µεγάλη εικόνα θορύβου (Noise Figure > 6dB) µε αποτέλεσµα στην έξοδο του συµβολόµετρου να έχουµε ποιοτικά χειρότερο σήµα σε σχέση µε αυτό που εισήλθε στο συµβολόµετρο. Το γεγονός αυτό εµποδίζει την ανάπτυξη διατάξεων επεξεργασίας οπτικών σηµάτων καθώς φαίνεται µη πραγµατοποιήσιµη η σύνδεση σε σειρά πολλών συµβολόµετρων Μach Zehnder, τα οποία όπως έχει προαναφερθεί λειτουργούν και σαν οπτικές πύλες. Η δυσανάλογη ενίσχυση του πρόσθετου θορύβου, σε σχέση µε το επιθυµητό σήµα, σε κάθε επιπλέον συµβολόµετρο από το οποίο διέρχεται το σήµα οδηγεί πολύ γρήγορα σε απώλεια του σήµατος. Ακόµα και αν δεν φθάσουµε στο επίπεδο να µην µπορούµε να ξεχωρίσουµε το σήµα από τον θόρυβο η ποιότητα των διατάξεων επεξεργασίας οπτικών σηµάτων που βασίζονται σε Μach Zehnder συµβολόµετρα θα είναι µη ικανοποιητική για την χρήση που προορίζονται. Η φωτονική τεχνολογία όµως δεν έχει ως µόνο στόχο να ανταποκριθεί στις σύγχρονες απαιτήσεις και να ικανοποιήσει κάποιες συγκεκριµένες προδιαγραφές ποιότητας αλλά και να ανταγωνιστεί την τεχνολογία των ηλεκτρονικών που παρόλο των αδυναµιών της στις υπερυψηλές ταχύτητες παρουσιάζει εµφανέστατα πλεονεκτήµατα ως προς την ποιότητα και την αξιοπιστία των διατάξεων της. Το παραπάνω πρόβληµα που εµφανίζουν τα Μach Ζehnder συµβολόµετρα επιλύεται µε χρήση κάποιων τεχνικών που ελαχιστοποιούν την ενίσχυση του θορύβου και την εµφάνιση παραµόρφωσης στο εισερχόµενο σήµα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα το εξερχόµενο σήµα να παρουσιάζεται σε αρκετές των περιπτώσεων ποιοτικά βελτιωµένο σε σχέση µε το αναµενόµενο, γεγονός ιδιαίτερα επιθυµητό. Οι τεχνικές που έχουν προταθεί και χρησιµοποιούνται στις πειραµατικές διατάξεις έχουν σαν βασική αρχή την χρήση ενός επιπλέον σήµατος, το οποίο δεν περιέχει καµία απολύτως πληροφορία, και έχει ως µοναδικό στόχο να φέρει τους SOAs των Mach Zehnder συµβολόµετρων στην επιθυµητή κατάσταση λειτουργίας ανάλογα µε την εφαρµογή. Στην κατάσταση αυτή τα φαινόµενα παραµόρφωσης σήµατος, ενίσχυσης

65 θορύβου, αλλά και εµφάνισης επιπλέον θορύβου από τους ενισχυτές SOA εξαιτίας αυθόρµητης εκποµπής, φαινόµενο ASE (Amplified Spontaneous Emission), ελαχιστοποιούνται. Ένα από τους συνηθέστερους τρόπους που χρησιµοποιείται µε αρκετά ικανοποιητικά αποτελέσµατα είναι η συνεχής τροφοδοσία των ενισχυτών SOAs µε ένα σήµα συνεχούς κύµατος (Continuous Wave), µήκους κύµατος διαφορετικού από αυτού που χρησιµοποιούν τα υπόλοιπα εισερχόµενα σήµατα αλλά που να εµπίπτει στην φασµατική περιοχή κέρδους του SOA. Κατά τον τρόπο αυτό, η στάθµη ισχύος του CW σήµατος καθορίζει το σηµείο λειτουργίας των SOAs και κατ επέκταση του Μach Zehnder συµβολόµετρου (MZI) όπου βελτιστοποιείται η λειτουργία τους. Σε αρκετές των περιπτώσεων το CW σήµα είναι αρκετά ισχυρό ώστε να διατηρούνται οι SOAs συνεχώς στην περιοχή κοντά στο σηµείο κορεσµού τους και το κέρδος τους να διατηρείται σε σχετικά χαµηλά επίπεδα. Σε αυτήν την κατάσταση το συµβολόµετρο ικανοποιεί της προαναφερθείσες απαιτήσεις λειτουργίας. Σηµαντικό µειονέκτηµα αυτής της τεχνικής είναι η σηµαντικότατη µείωση του κέρδους των ενισχυτών µε αποτέλεσµα το σήµα εξόδου να έχει πολλές φορές αρκετά µικρή οπτική ισχύς. Στην πλειονότητα των περιπτώσεων το σήµα θα πρέπει να διέλθει κατόπιν από άλλη διάταξη επεξεργασίας γεγονός που επιβάλλει, εξαιτίας της χαµηλής ισχύος, την χρήση οπτικών ενισχυτών ίνας ερβίου (EDFA) που ανεβάζει το κόστος, την πολυπλοκότητα αλλά και τον χρόνο επεξεργασίας. Η χρήση ενισχυτών ίνας ερβίου απαιτεί την χρήση φίλτρων και προσθέτει επιπλέον θόρυβο στην διάταξη ενώ δηµιουργεί προβλήµατα στην ολοκλήρωση της διάταξης. Παρόλα τα προβλήµατα η παραπάνω µέθοδος είναι από τις συνηθέστερες και πιο αποδοτικές µεθόδους. Το πρόβληµα όµως είναι ακόµα ανοικτό σε νέες ιδέες για την βελτιστοποίηση της λειτουργίας των Μach Zehnder διακοπτών. Στην διπλωµατική θα παρουσιαστεί ένας νέος τρόπος βελτιστοποίησης της λειτουργίας του συµβολόµετρου Μach Zehnder που βασίζεται στην χρήση διαφορετικού βοηθητικού σήµατος από το συνεχές κύµα CW. Όπως έχει προαναφερθεί σε προηγούµενο κεφάλαιο το κέρδος των ενισχυτών SOAs δεν είναι σταθερό. Συγκεκριµένα µειώνεται καθώς αυξάνεται η συνολική ισχύς φωτός που διέρχεται µέσα από το Μach Zehnder συµβολόµετρο και κατ επέκταση µέσα από τους SOAs. Εποµένως είναι προφανές ότι κατά την διάρκεια που δεν έχουµε διέλευση οπτικού σήµατος πληροφορίας διαµέσου των SOAs ο παραγόµενος από το συµβολόµετρο θόρυβος ενισχύεται αρκετά αφού δεν υπάρχει αρκετή ισχύς να φέρει τους SOAs κοντά στο σηµείο κορεσµού τους και να µειώσει το κέρδος τους, σε πλήρη αντίθεση µε ότι συµβαίνει όταν περνάει το σήµα πληροφορίας. Συγκεκριµένα το κέρδος για έναν τυπικό SOA στην περιοχή λειτουργίας ασθενούς σήµατος είναι περίπου 30dB, δηλαδή 1000 φορές. Το κέρδος του στην περιοχή λειτουργίας ισχυρού σήµατος είναι αρκετά µικρότερο. Θεωρώντας µια τυπική τιµή των 10dB, που ισοδυναµεί µε κέρδος 10 φορές, παρατηρούµε ότι το κέρδος του SOA έχει µειωθεί κατά 100 φορές. Αυτό σηµαίνει ότι κατά την διέλευση του σήµατος πληροφορίας µαζί µε το σήµα ελέγχου ο SOA παρουσιάζει µικρότερο κέρδος από ότι µεταξύ των κενών που δεν έχουµε διέλευση οπτική ισχύος. Εποµένως ο θόρυβος µεταξύ των πακέτων µπορεί να είναι µέχρι και 20dB περισσότερο ενισχυµένος από ότι το πραγµατικό σήµα µαζί µε τον θόρυβο που έχει προστεθεί πάνω στο σήµα πληροφορίας. Η τόσο υψηλή αύξηση των επιπέδων θορύβου µπορεί να οδηγήσει σε λάθη ή σε µη ορθή λειτουργία της διάταξης. Αυτό το φαινόµενο θέλουµε να εξαλειφθεί. Ένας απλός τρόπος είναι, όπως έχει προαναφερθεί σε αυτή την ενότητα, η χρήση ενός ισχυρού CW σήµατος που θα φέρει τους SOAs του Μach Ζehnder κοντά στο σηµείο κορεσµού τους µε αποτέλεσµα είτε εισέρχεται σήµα πληροφορίας είτε όχι οι SOAs να παραµένουν στην περιοχή κορεσµού χωρίς να µεταβάλλεται σηµαντικά το κέρδος τους. Εύλογα θα µπορούσε να σκεφτεί κάποιος γιατί να µην χρησιµοποιούµε χαµηλή ισχύς για το σήµα πληροφορίας και το σήµα ελέγχου έτσι ώστε να διατηρούµε τους SOAs του συµβολόµετρου σε λειτουργία ασθενούς σήµατος και το κέρδος σε υψηλές τιµές αλλά ταυτόχρονα µε µικρή διακύµανση. Στην

66 πραγµατικότητα το σήµα ελέγχου είναι αυτό που θα διεγείρει την µη γραµµικότητα του ενός SOA µε αποτέλεσµα να έχουµε µεταβολή του δείκτη διάθλασής του. Η µεταβολή αυτή του δείκτη διάθλασης γίνεται αντιληπτή από το σήµα πληροφορίας ως αλλαγή της φάσης του. Για να έχουµε µεταγωγή επιθυµούµε η αλλαγή φάσης να είναι ίση µε π. Η µεταβολή όµως του δείκτη διάθλασης εξαρτάται από την οπτική ισχύς του σήµατος ελέγχου. Εποµένως για να λειτουργεί το συµβολόµετρο ως διακόπτης πρέπει η ισχύς του σήµατος ελέγχου να είναι συγκεκριµένη. Επιπλέον η ισχύς του σήµατος πληροφορίας πρέπει να είναι ρυθµισµένη σε τέτοια τιµή ώστε να έχουµε όσο το δυνατόν καλύτερη µεταγωγή στην επιθυµητή έξοδο. Από τα παραπάνω καταλαβαίνουµε ότι σε οποιαδήποτε εφαρµογή το Μach Zehnder συµβολόµετρο πρέπει να ρυθµιστεί έτσι ώστε οι ισχύς των σηµάτων να το οδηγούν σε κατάσταση λειτουργίας διακόπτη. Αναγνωρίζοντας τώρα ότι το συγκεκριµένο συµβολόµετρο δεν µας παρέχει πολλές ελευθερίες όσον αφορά την επιλογή της ισχύς του σήµατος ελέγχου και πληροφορίας καταφεύγουµε στην επιλογή της χρήσης ενός τρίτου βοηθητικού σήµατος για την επίτευξη του στόχου µας. Στην περίπτωσή µας ως βοηθητικό σήµα χρησιµοποιήθηκε η ανάστροφη περιβάλλουσα του σήµατος πληροφορίας. Το σήµα αυτό έχει όπως το CW µήκος κύµατος διαφορετικό του σήµατος εισόδου και του σήµατος ελέγχου αλλά που να εµπίπτει στην φασµατική περιοχή κέρδους του SOA. Έχοντας ήδη θεωρήσει ότι το σήµα πληροφορίας έχει την µορφή πακέτων που διαχωρίζονται µεταξύ τους µε κενά τότε για σήµα πληροφορίας µήκους δύο πακέτων η ανάστροφη περιβάλλουσα θα έχει σχηµατικά και πρακτικά την παρακάτω µορφή: Σχήµα 3.2: Μορφή του σήµατος εισόδου και της ανάστροφης περιβάλλουσας που χρησιµοποιείται σαν βοηθητικό σήµα Το σήµα αυτό παρέχει στους SOAs του Μach Zehnder ισχύς µόνο όταν δεν διέρχεται από αυτούς κανένα άλλο σήµα µε αποτέλεσµα να τους διατηρεί κοντά στην περιοχή κορεσµού τους. Σε αντίθεση το CW σήµα παρέχει σταθερή ισχύς σε όλη την διάρκεια της λειτουργίας µε αποτέλεσµα όταν συνυπάρχουν και τα σήµατα ελέγχου και πληροφορίας να έρχονται οι ενισχυτές SOAs σε µεγαλύτερο κορεσµό από τον επιθυµητό και να ελαττώνεται µε αυτόν τον τρόπο το κέρδος τους. Αυτό είναι το βασικό προτέρηµα αυτής της µεθόδου, να ισοσταθµιστεί η ισχύς που περνάει από τους SOAs ώστε να διατηρείται σταθερό το κέρδος τους και αν τα τελικά αποτελέσµατα είναι ικανοποιητικά θα µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε αρκετές εφαρµογές που χρησιµοποιούν Μach Zehnder συµβολόµετρα. Το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας έχει χρησιµοποιηθεί µέχρι τώρα τόσο σε διαδικασίες αναγέννησης οπτικού σήµατος [30] όσο και σε διαδικασίες βελτιστοποίησης της λειτουργίας ηµιαγώγιµων ενισχυτών SOAs [31]. H χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας ως βοηθητικό σήµα στην πρώτη περίπτωση επιτυγχάνει µείωση του BER και ισοστάθµιση µεταξύ των παλµών του ίδιου ψηφίου που µπορεί να έχουν αρχική διακύµανση έως και 8dB ενώ παράλληλα υποβιβάζεται ο θόρυβος και λαµβάνεται στην έξοδο της διάταξης αρκετά καλός λόγος αντίθεσης. Η χρήση της τώρα στην δεύτερη περίπτωση οδηγεί σε βελτίωση της λειτουργίας του SOA. Πιο συγκεκριµένα παρατηρείται βελτίωση του λόγου αντίθεσης και µείωση της διακύµανσης του jitter εξαιτίας της µείωσης του κέρδους του ενισχυτή SOA. Απώτερος στόχος σε αυτό το κεφάλαιο είναι η χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας ως βοηθητικό σήµα για την βελτίωση της λειτουργίας ενός Mach Zehnder συµβολόµετρου σε διαδικασία µεταγωγής

67 3.2.1 ιάταξη ανίχνευσης της ανάστροφης περιβάλλουσας Η ανάστροφη περιβάλλουσα ως βοηθητικό σήµα θα πρέπει, όπως είναι αυτονόητο, να ταιριάζει µε το σήµα εισόδου. Συγκεκριµένα η ανάγκη να έχει µέγεθος όσο το κενό µεταξύ των οπτικών δεδοµένων προϋποθέτει την εξαγωγή της από το σήµα πληροφορίας, ή σήµα εισόδου, µε µια διαδικασία που θα λαµβάνει χώρα κάθε φορά που θα έχουµε άφιξη πακέτων δεδοµένων. Η διαδικασία αυτή θα προηγείται προφανώς της όποιας διαδικασίας επεξεργασίας και µεταγωγής του σήµατος στον κάθε κόµβο ενός αµιγώς οπτικού δικτύου. Η διαδικασία αυτή στο υπόλοιπο της διπλωµατικής θα αναφέρεται ως ανίχνευση της ανάστροφης περιβάλλουσας δεδοµένου σήµατος πληροφορίας. Η διάταξη ανίχνευσης της ανάστροφης περιβάλλουσας θα λειτουργεί συνεχώς παρέχοντας στις βαθµίδες που χρησιµοποιούν Μach Zehnder συµβολόµετρα το αποτέλεσµα της εξόδου της. Για την υλοποίηση αυτής της διάταξης µπορεί να χρησιµοποιηθεί ένα Μach Zehnder συµβολόµετρο όπου ως σήµα ελέγχου λαµβάνει το σήµα πληροφορίας και σαν σήµα εισόδου ένα CW σήµα. Η ανάστροφη περιβάλλουσα θα προκύψει στην θύρα µη µεταγωγής του συµβολόµετρου και θα είναι µήκους κύµατος ιδίου µε αυτό του συνεχούς κύµατος CW που έχουµε θέσει ως σήµα εισόδου. Για να είναι τα αποτελέσµατα ικανοποιητικά το σήµα ελέγχου, που δεν είναι άλλο από το αρχικό σήµα, πριν εισέλθει στο Μach Zehnder συµβολόµετρο κρίνεται αναγκαίο να διέλθει από ένα φίλτρο Fabry Perot. Ο λόγος που γίνεται αυτό θα αναλυθεί κατά εκτενή τρόπο παρακάτω. Παρόλο που η παραπάνω µέθοδος είναι υλοποιήσιµη και δίνει πολύ καλά αποτελέσµατα σε αυτήν την ενότητα της διπλωµατικής εργασίας χρησιµοποιήθηκε µια άλλη µέθοδος. Έχει παρατηρηθεί πειραµατικά ότι αν εισέλθει το σήµα πληροφορίας µαζί µε ένα σήµα CW µέσα σε έναν µόνο ενισχυτή SOA, και όχι σε Mach Zehnder συµβολόµετρο, τότε στην έξοδο του SOA θα έχουµε την ανάστροφη περιβάλλουσα του σήµατος πληροφορίας [30]. Στην περίπτωση µας το σήµα πληροφορίας εισέρχεται αντίρροπα µέσα στον SOA ενώ έχει ήδη περάσει από ένα Fabry Perot φίλτρο (σχήµα 3.3). Πιο συγκεκριµένα στην είσοδο του SOA συνδέουµε µια πηγή συνεχούς οπτικού κύµατος CW µήκους κύµατος διαφορετικού από το µήκος κύµατος του σήµατος. Το µήκος κύµατος πρέπει προφανώς να εµπίπτει στην φασµατική περιοχή που παρουσιάζει κέρδος ο ενισχυτής SOA. Επειδή η ανάστροφη περιβάλλουσα θα προκύψει στο ίδιο µήκος κύµατος εξυπακούεται ότι µπορούµε να ορίσουµε το µήκος κύµατος του CW σε κάποια επιθυµητή τιµή. Το σήµα πληροφορίας εισέρχεται από την έξοδο του SOA και κινείται µέσα στον ενισχυτή αντίθετα από το CW σήµα. Η αλληλεπίδρασή τους θα δώσει το επιθυµητό αποτέλεσµα. Η παραπάνω συνδεσµολογία είναι γνωστή ως αντίρροπη συνδεσµολογία (Counter Propagate) και χρησιµοποιείται ευρέως στην φωτονική τεχνολογία. Η άλλη δυνατή συνδεσµολογία είναι η οµόρροπη συνδεσµολογία (Co Propagate) όπου τα σήµατα διαδίδονται ταυτόχρονα προς την ίδια κατεύθυνση µέσα στο συµβολόµετρο. Η αντίρροπη συνδεσµολογία προτιµάται συνήθως γιατί δεν απαιτεί την χρήση επιπλέον φίλτρου στην έξοδο του συµβολόµετρου. Για την ανίχνευση της ανάστροφης περιβάλλουσας και οι δύο δίνουν αποτελέσµατα

68 Σχήµα 3.3: ιάταξη ανίχνευσης της ανάστροφης περιβάλλουσας Η αρχή λειτουργίας της διάταξης βασίζεται στο φαινόµενο της ετεροδιαµόρφωσης κέρδους (XGM). Το ισχυρό σήµα πληροφορίας που εισέρχεται στον ενισχυτή µεταβάλλει το κέρδος του ενισχυτή SOA µε αποτέλεσµα να διαµορφώνει το CW σήµα στην µορφή που έχει η ανάστροφη περιβάλλουσα των δεδοµένων. Από τα παραπάνω γίνεται σαφές ότι όταν το πακέτο περιέχει bit µε µηδέν, δηλαδή δεν υπάρχει οπτικός παλµός εκείνη την στιγµή, το κέρδος του SOA αυξάνεται. Για να έχουµε ανίχνευσή της ανάστροφής περιβάλλουσας απαιτείται ο ενισχυτής SOA να είναι όσο το δυνατόν πιο αργός στις αποκρίσεις του. Αυτό επιτυγχάνεται διατηρώντας την ισχύς του σήµατος δεδοµένων συνεχώς σε υψηλά επίπεδα. Για να το καταφέρουµε αυτό χρησιµοποιούµε το Fabry Perot φίλτρο το οποίο όπως έχει περιγραφεί αναλυτικότερα στο προηγούµενο κεφάλαιο αποδίδει µέρος της ισχύς κάθε εισερχόµενου παλµού σε επόµενες χρονικές στιγµές. Ο ρόλος του Fabry Perot φίλτρου είναι να µετατρέπει τα δεδοµένα εισόδου σε ένα υποτυπώδες σήµα ρολογιού, το οποίο διατηρεί τα χαρακτηριστικά των αρχικών πακέτων δεδοµένων εισόδου, αλλά εµφανίζει έντονη διαµόρφωση πλάτους µεταξύ των παλµών του. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα στα διαστήµατα που κανονικά δεν υπήρχε κανένας παλµός (µηδενικά bit του πακέτου των δεδοµένων) να εµφανίζεται µέρος της ισχύς των προηγούµενων παλµών. Με αυτό το τρόπο πετυχαίνουµε την συνεχή παροχή ισχύς στο SOA. Παρόλο που η χρήση του ανακτηµένου ρολογιού των πακέτων δεδοµένων θα ήταν πολύ καλή λύση προτιµούµε την χρήση µόνο ενός Fabry Perot φίλτρου για προφανείς λόγους απλότητας. Η εξαγωγή του ανακτηµένου ρολογιού από το σήµα εισόδου απαιτεί συγκεκριµένη διαδικασία αρκετά πιο πολύπλοκη από την χρήση ενός Fabry Perot φίλτρου. Στην περίπτωση πάντως που προϋπάρχει το κύκλωµα αυτό σε µία ευρύτερη διάταξη που πραγµατοποιεί σε κάποιο στάδιο της µεταγωγή µε χρήση Μach Zehnder τότε µπορεί να χρησιµοποιηθεί το ανακτηµένο ρολόι αντί του σήµατος που διέρχεται από το Fabry Perot φίλτρο. Παράλληλα η τροφοδοσία µε συνεχές ηλεκτρικό ρεύµα του ηµιαγώγιµου αυτού ενισχυτή, που διατηρεί την συγκέντρωση των φορέων, πρέπει να είναι χαµηλή. Στην περίπτωση που η τροφοδοσία παραµένει σε χαµηλά επίπεδα η άντληση µέσω της έκχυσης του ρεύµατος δεν προλαβαίνει να επαναδιεγείρει τους απαιτούµενους φορείς για την ενίσχυση των φωτονίων. Εποµένως όσο λιγότεροι οι φορείς τόσο πιο εύκολα έρχεται σε κορεσµό ο ενισχυτής που συνεπάγεται και µεγαλύτερο χρόνο ανάκτησης κέρδους. Κάτω από αυτές τις συνθήκες ο ενισχυτής µπορεί να χαρακτηριστεί αργός, µια κατάσταση αναγκαία για να λάβουµε το επιθυµητό αποτέλεσµα. Έχοντας πετύχει µε αυτό τον τρόπο την ανίχνευση της ανάστροφης προχωράµε στο επόµενο στάδιο που δεν είναι άλλο από την εφαρµογή της σε ένα Mach Zehnder συµβολόµετρο για την βελτιστοποίηση της λειτουργίας του

69 3.2.2 ιάταξη µεταγωγής µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας Στο προηγούµενο κεφάλαιο έχει αναλυθεί σε εκτενή βαθµό η λειτουργία ενός Μach Zehnder συµβολόµετρου. Εποµένως είναι γνωστές οι καταστάσεις µεταγωγής και µη µεταγωγής του συµβολόµετρου. Εδώ θα περιγραφεί η λειτουργία του συµβολόµετρου όταν γίνεται χρήση του βοηθητικού σήµατος. Ξεκινώντας την ανάλυση µας θα πρέπει πρώτα να αναφέρουµε τα σήµατα που θα χρησιµοποιηθούν. Σαν βασικό σήµα στην είσοδο του συµβολόµετρου έχουµε το σήµα πληροφορίας που έχει την µορφή πακέτων δεδοµένων µε κενά. Ως σήµα ελέγχου έχουµε το ανακτηµένο ρολόι του σήµατος πληροφορίας. Ως βοηθητικό σήµα τώρα χρησιµοποιείται η ανάστροφη περιβάλλουσα που έχει προκύψει από το προηγούµενο στάδιο. Το σήµα ελέγχου έχει συνδεθεί σε oµόρροπη συνδεσµολογία ενώ το βοηθητικό σήµα έχει εν τέλει τοποθετηθεί τόσο σε oµόρροπη συνδεσµολογία (σχήµα 3.4) όσο και σε αντίρροπη συνδεσµολογία (σχήµα 3.5). Κατά την διαδικασία της προσοµοίωσης θα µελετηθούν και οι δύο συνδεσµολογίες. Προφανώς τα µήκη κύµατος και των τριών χρησιµοποιούµενων σηµάτων είναι διαφορετικά µεταξύ τους έτσι ώστε να αποφευχθούν φαινόµενα συµβολής µεταξύ των τριών αυτών διαφορετικών σηµάτων. Επειδή η µεταγωγή είναι διαδικασία που απαιτεί το σήµα εξόδου να έχει ικανοποιητική ισχύς γίνεται αντιληπτό ότι οι ενισχυτές SOAs, που υπάρχουν στους δύο κλάδους του συµβολόµετρου, δεν θα είναι έντονα κορεσµένοι όπως ο SOA στην περίπτωση ανίχνευσης της ανάστροφης περιβάλλουσας. Αυτό συνεπάγεται ότι το ρεύµα έκχυσης θα είναι σε σχετικά υψηλά επίπεδα για την επίτευξη υψηλού κέρδους άρα και στροφής φάσης ενώ θα προσπαθήσουµε να λάβουµε τα καλύτερα δυνατά αποτελέσµατα µε χαµηλή ισχύς στην είσοδο του συµβολόµετρου. Η ανάγκη για χαµηλή ισχύ στην είσοδο του συµβολόµετρου επιβάλλεται από καθαρά λειτουργικούς λόγους, υψηλή ισχύς σε πραγµατικό συµβολόµετρο θα οδηγούσε σε αύξηση της θερµοκρασίας του µε ανεπιθύµητα ως προς την λειτουργία του αποτελέσµατα και πιθανώς σε καταστροφή των δύο ηµιαγώγιµων ενισχυτών, αλλά και από πρακτικούς λόγους, επιθυµούµε η διάταξη να καταναλώνει όσο το δυνατόν λιγότερο για να είναι οικονοµικά συµφέρουσα και το σηµαντικότερο να µην χρειάζεται η χρήση οπτικού ενισχυτή στην είσοδο του συµβολόµετρου στην περίπτωση που τα προηγούµενα στάδια της διάταξης έχουν εξασθενίσει αρκετά το σήµα εισόδου. Σχήµα 3.4: ιάταξη µεταγωγής µε οµόρροπη συνδεσµολογία του βοηθητικού σήµατος Στην είσοδο του συµβολόµετρου έχουµε το σήµα µε την πληροφορία. Αυτό το σήµα επιθυµούµε να µεταβεί στην θύρα µεταγωγής του συµβολόµετρου (σχήµα 3.4&3.5) χωρίς απώλεια των δεδοµένων η παραµόρφωση του. Επιπλέον αν το σήµα έχει πολύ θόρυβο κρίνεται επιθυµητό να µειωθεί όσο το δυνατόν περισσότερο. H βασική ιδέα που ακολουθείτε µέχρι τώρα για να µειωθούν τα παραπάνω προβλήµατα είναι η χρήση ενός σήµατος CW. Το CW σήµα ουσιαστικά προσθέτει στην διάταξη επιπλέον σταθερή ισχύς η οποία οδηγεί τους ενισχυτές SOAs του συµβολόµετρου πιο κοντά στο σηµείο κορεσµού τους. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα να περιοριστεί το

70 κέρδος τους και να µειωθεί ο χρόνος ανάκαµψης στην αρχική τους κατάσταση. Η επίδραση στο εισερχόµενο σήµα είναι ότι η ενίσχυση θα είναι κάπως περιορισµένη αλλά ταυτόχρονα η συµπεριφορά των SOAs θα είναι πιο σταθερή. Συγκεκριµένα η διαµόρφωση των παλµών στην έξοδο του συµβολόµετρου θα είναι πιο µικρή, δηλαδή οι παλµοί στην έξοδο θα είναι πιο ισοσταθµισµένοι, ενώ επιπρόσθετα εξαιτίας της µείωσης του κέρδους θα έχουµε περιορισµένη ενίσχυση του θορύβου που υπάρχει στο σήµα αλλά και µικρότερη προσθήκη θορύβου από τους ίδιους τους ενισχυτές. Στόχος αυτού του κεφαλαίου είναι η ανάστροφη περιβάλλουσα να αντικαταστήσει το CW σήµα. Στην πραγµατικότητα αναµένουµε να λειτουργεί σαν CW σήµα όταν δεν υπάρχουν πακέτα δεδοµένων µέσα στο συµβολόµετρο µε στόχο να µειώνει τα επίπεδα θορύβου στα κενά µεταξύ των πακέτων. Έτσι ελαχιστοποιείται η περίπτωση ο αυξηµένος θόρυβος να ληφθεί σαν χρήσιµο σήµα ενώ ταυτόχρονα δεν περιορίζεται η ενίσχυση του σήµατος κατά την διάρκεια που διέρχονται τα πακέτα δεδοµένων διαµέσου των ενισχυτών. Το κατά πόσο αυτό είναι εφικτό εξαρτάται πρώτον από το αν µπορούµε να λάβουµε ανάστροφη περιβάλλουσα µε σταθερή ισχύς στην κορυφή της (χωρίς έντονες διακυµάνσεις) και κατά δεύτερον αν κατά την διάρκεια της µεταγωγής των πακέτων δεδοµένων τα δύο άλλα σήµατα (σήµα ελέγχου και σήµα δεδοµένων) µπορούν να φέρουν τους ενισχυτές SOAs στην κατάλληλη περιοχή λειτουργίας τους δίχως την ανάγκη χρήσης ταυτόχρονα ενός CW σήµατος. Σχήµα 3.5: ιάταξη µεταγωγής µε αντίρροπη συνδεσµολογία του βοηθητικού σήµατος Στην συνέχεια του κεφαλαίου παρουσιάζονται προσοµοιώσεις που στόχο έχουν να αποδείξουν την αποδοτικότητα της παραπάνω ιδέας. Οι παράγοντες που παίζουν καθοριστικό ρόλο στις προσοµοιώσεις θα αναφερθούν παρακάτω αναλυτικά. Αυτό που µας ενδιαφέρει σε αυτή την φάση περισσότερο είναι η παρουσίαση των µεγεθών που θα καθορίσουν την ποιότητα των αποτελεσµάτων. Αυτά είναι : Ο λόγος αντίθεσης (extinction ratio) που µας δείχνει ουσιαστικά αν έχουµε ικανοποιητικό σηµατοθορυβικό λόγο στην έξοδο του συµβολόµετρου. Ο λόγος ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρας µη µεταγωγής ο οποίος δείχνει το κατά πόσο έχουµε κυµατοδήγηση της οπτικής ισχύος στην επιθυµητή θύρα (θύρα µεταγωγής) Η διαµόρφωση των παλµών του σήµατος εξόδου Και τέλος το σηµαντικότερο από όλα το BER. Από τα παραπάνω επιζητούµε όσο το δυνατόν υψηλότερο λόγο αντίθεσης και λόγο ισχύος µεταξύ των θυρών ώστε να πιστοποιείται ότι η οπτική ισχύς διέρχεται από την επιθυµητή έξοδο και δεν υπάρχει ενίσχυση του θορύβου. Αν ο λόγος αντίθεσης µεταξύ των δύο θυρών είναι µεγαλύτερος από 8dB θεωρούµε ότι είναι αρκετά ικανοποιητικός ενώ αν ξεπερνάει τα 10dB έχουµε πολύ καλά αποτελέσµατα

71 Ο λόγος αντίθεσης (extinction ratio) στην έξοδο του συµβολόµετρου επιθυµούµε να είναι όσο το δυνατόν υψηλότερος γίνεται (οπωσδήποτε από 8dB και άνω). Ο λόγος αντίθεσης όπως έχουµε ήδη αναφέρει είναι το πηλίκο µε αριθµητή την ισχύ του παλµού χαµηλότερης στάθµης και παρανοµαστή την µέγιστη ισχύ θορύβου που µπορούµε να µετρήσουµε. Αν o λόγος αντίθεσης στην έξοδο του συµβολόµετρου είναι υψηλός σηµαίνει ότι αυξήσαµε την διαφορά µεταξύ ισχύς πραγµατικού σήµατος και ισχύς θορύβου δηλαδή έχουµε καταφέρει να ενισχύσουµε το πραγµατικό σήµα περισσότερο από το θόρυβο. Ένα άλλο κριτήριο της ποιότητας του σήµατος εξόδου είναι η µικρή διαµόρφωση παλµών. Επιθυµούµε όλοι οι παλµοί στην έξοδο του συµβολόµετρου να έχουν περίπου την ίδια ισχύ ή όσο το δυνατόν µικρότερη διακύµανση στα επίπεδα της ισχύς τους. Τα δύο αυτά µεγέθη, λόγο αντίθεσης και διαµόρφωση παλµών, θα υπολογίζονται από το διάγραµµα µατιού (Eye Diagram) του σήµατος εξόδου που δεν είναι τίποτα παραπάνω από την αποτύπωση όλων των εξερχόµενων παλµών στο ίδιο χρονικό παράθυρο. Με αυτό τον τρόπο βρίσκεται εύκολα ο παλµός µε την µέγιστη ισχύ, ο παλµός µε την ελάχιστη ισχύ και τα υψηλότερα επίπεδα θορύβου ώστε να µπορούν να υπολογιστούν τα παραπάνω µεγέθη. Τέλος επιθυµούµε όσο το δυνατόν χαµηλότερη τιµή BER µέγεθος που υποδηλώνει το κατά πόσο η διάταξη είναι αξιόπιστη. Επιθυµητή κρίνεται η λήψη BER κοντά στο που σηµαίνει ότι αν λάβει κάποιος δέκτης το σήµα εξόδου υπάρχει πιθανότητα να κάνει λάθος 1bit από τα 1 τρισεκατοµµύρια bits που θα του αποσταλούν. Στην πραγµατικότητα θα υπολογίσουµε την καµπύλη του BER, δηλαδή την καµπύλη που δείχνει πως µεταβάλλεται η τάξη του BER (από 10-6 έως ) καθώς αυξάνεται η ισχύς που λαµβάνει ο δέκτης µετρηµένη σε dbm. Αξίζει να σηµειωθεί ότι η ισχύς αυτή είναι πολύ µικρότερη από την ισχύ του σήµατος στην έξοδο του Μach Zehnder γι αυτό και οι τιµές της σε dbm είναι αρνητικές. Ο τρόπος που προκύπτει µια καµπύλη BER είναι απλός, συγκρίνουµε τα bits που λαµβάνει ο δέκτης από το σήµα εξόδου µε αυτά που κανονικά θα έπρεπε να λάβει αν δεν υπήρχε λάθος. Το ποσοστό των λαθών δίνει την τιµή του BER. Η καµπύλη προκύπτει σαρώνοντας µια περιοχή τιµών ισχύος εφαρµόζοντας την παραπάνω διαδικασία. Συγκρίνοντας της διάφορες καµπύλες BER µεταξύ τους παρατηρούµε για ποια διάταξη έχουµε τα καλύτερα αποτελέσµατα. 3.3 Προσοµοίωση στα 10GHz Στην ενότητα αυτή θα γίνει προσοµοίωση της προαναφερθείσας διάταξης για να υλοποιηθεί η λειτουργία της και να ληφθούν χρήσιµα αποτελέσµατα για την λειτουργικότητά και την αποδοτικότητά της. Η προσοµοίωση πραγµατοποιείται στα 10GHz. Αρχικά θα πραγµατοποιηθεί ανίχνευση της ανάστροφης περιβάλλουσας ενός οπτικού σήµατος και κατόπιν θα εισέλθει το αποτέλεσµα της πρώτης αυτής προσοµοίωσης στο δεύτερο στάδιο της προσοµοίωσης που είναι η διαδικασία µεταγωγής µε χρήση ενός Μach Zehnder συµβολόµετρου. Για την προσοµοίωση χρησιµοποιήθηκε ως σήµα δεδοµένων σήµα µήκους 512 bits το οποίο αποτελείται από δύο πακέτα µε ενδιάµεσα κενά. Κάθε πακέτο αποτελείται από 184 bits και µεταξύ τους υπάρχει κενό 72 bits. Επιπρόσθετα µετά από το δεύτερο πακέτο υπάρχουν 72 bits κενό ακόµα (σχήµα 3.2). Οι παλµοί που χρησιµοποιούνται είναι RZ µορφής (επιστροφής στο µηδέν) όπου το δυαδικό ψηφίο 1 αναπαριστάται µε ένα παλµό Gauss και το δυαδικό ψηφίο 0 από την µη ύπαρξη κανενός παλµού. Τα bits των πακέτων έχουν προέλθει από ψευδοτυχαία ακολουθία PRBS. Το µήκος επιλέχθηκε στα 512bits έτσι ώστε να έχουµε αποδεκτά αποτελέσµατα µε όσο το δυνατόν µικρότερο χρόνο πραγµατοποίησης της προσοµοίωσης. Η µορφή αυτή του σήµατος εισόδου ανταποκρίνεται συνεπέστατα σε πραγµατικές µορφές πακέτων που χρησιµοποιούνται στα σηµερινά φωτονικά δίκτυα

72 3.3.1 Προσοµοίωση ανίχνευσης της ανάστροφης περιβάλλουσας Η διάταξη του VPI που χρησιµοποιήθηκε για αυτήν την προσοµοίωση απαρτίζεται για χάρη απλότητας και ευκολίας στην ταχύτερη λήψη των αποτελεσµάτων από δύο µέρη. Στο πρώτο µέρος έχουµε το σήµα πληροφορίας καθώς διέρχεται από ένα Fabry Perot φίλτρο (Σχήµα 3.6). Ενώ στο δεύτερο στάδιο το σήµα εισέρχεται στον ενισχυτή SOA για να δώσει το επιθυµητό αποτέλεσµα (Σχήµα 3.7) Σχήµα 3.6: Πρώτο στάδιο της διάταξης για προσοµοίωση της ανίχνευσης της ανάστροφης περιβάλλουσας Σχήµα 3.7: εύτερο στάδιο της διάταξης για προσοµοίωση της ανίχνευσης της ανάστροφης περιβάλλουσας Για να ανταποκρίνεται η προσοµοίωση σε πραγµατικά δεδοµένα και για να λάβουµε ρεαλιστικά αποτελέσµατα, δηλαδή τα αποτελέσµατα που θα είχαµε αν εκτελούσαµε το αντίστοιχο πείραµα αντί της προσοµοίωσης, έχουµε προσθέσει στο σήµα θόρυβο ενώ οι παλµοί εµφανίζουν χρονικό jitter όπως ακριβώς και οι παλµοί που παράγονται από µία γεννήτρια παραγωγής ψευδοτυχαίας ακολουθίας. Τα χαρακτηριστικά του SOA παραµένουν σταθερά κατά την διάρκεια της προσοµοίωσης. Οι τιµές των χαρακτηριστικών του SOA έχουν ληφθεί από αντίστοιχους ενισχυτές SOA που κυκλοφορούν στο εµπόριο και παρουσιάζονται στον πίνακα 2.1 του κεφαλαίου 2 της εργασίας. Οι παράγοντες που µας απασχολούν και θα µεταβληθούν κατά την διαδικασία της προσοµοίωσης είναι η ισχύς του σήµατος

73 εισόδου, η λεπτότητα (finesse) του Fabry Perot φίλτρου, η ισχύς του συνεχούς CW σήµατος στην είσοδο του SOA και το ρεύµα έκχυσης του ενισχυτή. Θεωρούµε ότι το φίλτρο θα είναι συντονισµένο στην σωστή κεντρική συχνότητα και θα παρουσιάζει το κατάλληλο εύρος συχνοτήτων όπου θα επιτρέπει την διέλευση του επιθυµητού µόνο σήµατος. Στο πρώτο στάδιο της προσοµοίωσης το σήµα εισόδου έχει ισχύ κορυφής (peak power) 800mW και η συχνότητά του είναι 193,1THz,δηλαδή 1553,59nm. Το χρονικό jitter που παρουσιάζει το σήµα είναι 1ps ενώ στο σήµα έχει προστεθεί θόρυβος µέσης ισχύος 20x10-18 W. Η µορφή του φαίνεται στο σχήµα 3.8. Το σήµα αυτό διέρχεται από ένα οπτικό φίλτρο τύπου Fabry Perot το οποίο έχει ελεύθερη φασµατική περιοχή (FSR) ίση µε 10GHz ενώ ο δείκτης λεπτότητας (Finesse) του φίλτρου µεταβάλλεται κατά την διαδικασία της προσοµοίωσης. Ο ρόλος του φίλτρου είναι, όπως έχει ήδη αναφερθεί, να «αποθηκεύει» οπτική ενέργεια και να την αποδίδει τµηµατικά σε τακτά χρονικά διαστήµατα ίσα µε το αντίστροφο της ελεύθερης φασµατικής του περιοχής. Το σήµα µετά την έξοδο από το φίλτρο φαίνεται στο σχήµα 3.9. Η ισχύς του σήµατος εισόδου, όπως φαίνεται και στους πίνακες των αποτελεσµάτων (ισχύς εισόδου στον SOA στους πίνακες 3.1, 3.2), µειώνεται σηµαντικά µετά την διέλευση του από το φίλτρο. Σχήµα 3.8: Σήµα πακέτων δεδοµένων Σχήµα 3.9: Σήµα πακέτων δεδοµένων µετά την έξοδο από το Fabry Perot φίλτρο µε Finesse = 29,8 Κατά την διάρκεια την διάρκεια της προσοµοίωσης ελήφθησαν αποτελέσµατα για διάφορες τιµές της λεπτότητας του φίλτρου. Συγκεκριµένα ελήφθησαν µετρήσεις για Finesse ίσο µε F= 61,24, F=50,76, F=43,28, F=37,6, F=29,8, F=19,31, F=14,05 και τέλος F=8,76. Τα αποτελέσµατα προωθήθηκαν στο δεύτερο στάδιο της προσοµοίωσης (σχήµα 3.7). Σε αυτό το στάδιο η ισχύς του συνεχούς CW σήµατος τίθεται στα 100µW ενώ η συχνότητά του είναι 192,5THz που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1558,4nm. Στην έξοδο του ενισχυτή έχει τοποθετηθεί, όπως φαίνεται στο σχήµα 3.7, φίλτρο συντονισµένο στην κεντρική συχνότητα 192,5THz µε εύρος 50GHz. Ο λόγος που χρησιµοποιείται τόσο µικρό εύρος συχνοτήτων είναι γιατί το αποτέλεσµα στην έξοδο είναι η ανάστροφη περιβάλλουσα που παρουσιάζει µικρό εύρος συχνοτήτων. Ενώ ο λόγος που έχει συντονιστεί στην συχνότητα του CW είναι ότι το σήµα εισόδου θα διαµορφώσει το CW στην µορφή της ανάστροφης περιβάλλουσας των πακέτων δεδοµένων η οποία θα προκύψει προφανώς στην ίδια συχνότητα. Όσον αφορά το ρεύµα έκχυσης, που όπως είχαµε προαναφέρει στην ανάλυση της διάταξης το θέλουµε σε όσο το δυνατόν χαµηλότερες τιµές, παρατηρούµε ότι έχουµε τα καλύτερα αποτελέσµατα για τιµές 60mA και 100mA µε

74 διαφορετική όµως τιµή κάθε φορά στη λεπτότητα του Fabry Perot φίλτρου. Στην έξοδο του ενισχυτή για ρεύµα έκχυσης 60mA και για τιµές λεπτότητας του φίλτρου 50,76, 37,6 και 29,8 έχουµε τις γραφικές παραστάσεις του σχήµατος Ενώ για το ίδιο ρεύµα έκχυσης παρουσιάζονται στον πίνακα 3.1 η µέση ισχύς του σήµατος στην είσοδο του ενισχυτή SOA και η µέση ισχύς της ανάστροφής περιβάλλουσας που προκύπτει στην έξοδο του SOA. Σκιαγραφηµένα είναι τα καλύτερα αποτελέσµατα. ΠΙΝΑΚΑΣ 3.1: Αποτελέσµατα ισχύος για διαφορετικές τιµές στη λεπτότητα του φίλτρου στα 60mA Λεπτότητα φίλτρου Ισχύς εισόδου σε mw Ισχύς εξόδου σε µw 50, ,4 37,6 8, ,8 8,5 231,2 (α) (β) (γ) Σχήµα 3.10: Ανάστροφες περιβάλλουσες για ρεύµα έκχυσης του ενισχυτή SOA ίσο µε 60mA και λεπτότητας φίλτρου ίσης µε α) F=0,06, β) F=0,08 και γ) F=0,1-72 -

75 Οµοίως στην έξοδο του ενισχυτή για ρεύµα έκχυσης 100mA και για τιµές λεπτότητας του φίλτρου 37,6, 29,8, 19,31 και 14,05 έχουµε τις γραφικές παραστάσεις του σχήµατος Ενώ ο πίνακας 3.2 είναι ο αντίστοιχος του πίνακα 3.1 για ρεύµα έκχυσης όµως 100mA. Και εδώ τα σκιαγραφηµένα αντιστοιχούν στα καλύτερα αποτελέσµατα κάτι που το αποδεικνύουν και οι αντίστοιχες γραφικές παραστάσεις ενώ οποιαδήποτε αλλά αποτελέσµατα λάβαµε µε χαµηλότερες τιµές στον δείκτη λεπτότητας του Fabry Perot φίλτρου ή µε υψηλότερα ρεύµατα έκχυσης και τιµές ισχύος του σήµατος εισόδου και CW έδωσαν µη αποδεκτά αποτελέσµατα. ΠΙΝΑΚΑΣ 3.2: Αποτελέσµατα ισχύος για διαφορετικές τιµές στη λεπτότητα του φίλτρου στα 100mA Λεπτότητα φίλτρου Ισχύς εισόδου σε mw Ισχύς εξόδου σε µw 37,6 8, ,8 8,5 613,36 19,31 8, ,05 9, ,2 Παρατηρώντας εκ πρώτης όψεως τα αποτελέσµατα φαίνεται ότι για την επίτευξη του στόχου µας απαιτούνται σχετικά υψηλές τιµές λεπτότητας του φίλτρου. Πιο συγκεκριµένα για 60mA ρεύµατος έκχυσης θέλουµε υψηλότερη λεπτότητα (τιµές από 29,8 έως 37,6) από ότι για ρεύµα έκχυσης 100mA (τιµές από 14,05 έως 29,8). Παρατηρήθηκε ακόµα ότι όσο αυξάναµε την λεπτότητα του φίλτρου τόσο µειωνόταν η διαµόρφωση πλάτους στην έξοδο του Fabry Perot φίλτρου. Αυτό είναι προφανές αφού όσο µεγαλύτερη είναι η λεπτότητα του φίλτρου τόσο µεγαλύτερο ποσοστό της οπτικής ενέργειας «αποθηκεύεται» στο φίλτρο και αποδίδεται σε επόµενες χρονικές στιγµές. Κανονικά θα επιθυµούσαµε µεγάλες τιµές στο δείκτη λεπτότητας όµως εµφανίζεται το εξής πρόβληµα: µέρος της οπτικής ενέργειας που παραµένει µέσα στο φίλτρο θα αποδεσµευτεί µετά το τέλος των πακέτων, δηλαδή στις χρονικές θέσεις των κενών. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα, όπως φαίνεται και σε κάποιες από τις γραφικές παραστάσεις, η ανάστροφη περιβάλλουσα να είναι πιο στενή από το επιθυµητό και να µην καλύπτει όλο το κενό µεταξύ των πακέτων. Το πρόβληµα αντιµετωπίζεται αποκλειστικά µε µείωση της λεπτότητας του φίλτρου. Όµως στην περίπτωση των 60mA για ρεύµα έκχυσης η µείωση της λεπτότητας προκαλεί την εµφάνιση απότοµων κορυφών στο σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας γεγονός που οφείλεται στο πολύ χαµηλό ρεύµα έκχυσης. Για ρεύµα έκχυσης 100mA λάβαµε πολύ καλύτερα αποτελέσµατα και µάλιστα για τιµές λεπτότητας από 14,05 έως 29,8 είχαµε τα καλύτερα δυνατά. Παρατηρήθηκε σε αυτά ότι η τιµή της λεπτότητας ήταν τέτοια ώστε η διαφορά µεταξύ του παλµού µε την υψηλότερη κορυφή σε σχέση µε αυτού που είχε την χαµηλότερη κορυφή ήταν περίπου 6 φορές. Αυτά τα αποτελέσµατα χρησιµοποιήθηκαν και στο επόµενο στάδιο της προσοµοίωσης. Τέλος αξίζει να αναφερθεί ότι το ρεύµα έκχυσης ενισχυτή SOA στα 60mA θεωρείται πολύ µικρή τιµή για τα πειραµατικά δεδοµένα

76 (α) (β) (γ) (δ) Σχήµα 3.11: Ανάστροφες περιβάλλουσες για ρεύµα έκχυσης του ενισχυτή SOA ίσο µε 100mA και λεπτότητας φίλτρου ίσης µε α) F=0,08, β) F=0,1,γ) F=0,15 και δ) F=0, Προσοµοίωση µεταγωγής µε στόχο την βελτιστοποίησή της Όπως έχουµε προαναφέρει απώτερος στόχος µας είναι να µελετήσουµε την διαδικασία της µεταγωγής µε χρήση Μach Zehnder συµβολόµετρου και να βελτιστοποιήσουµε την λειτουργία του χρησιµοποιώντας ως βοηθητικό σήµα την αναστροφή περιβάλλουσα που λάβαµε από την προηγούµενη προσοµοίωση. Για την επίτευξη του στόχου µας θα προσοµοιώσουµε την είσοδο στο συµβολόµετρο του βοηθητικού σήµατος τόσο σε οµόρροπη συνδεσµολογία όσο και σε αντίρροπη συνδεσµολογία. Επιπλέον θα λάβουµε και αποτελέσµατα µε µη χρήση του βοηθητικού σήµατος αλλά µε χρήση αντί αυτού ενός CW σήµατος ως βοηθητικού σήµατος. Αναφορικά µε τις προσοµοιώσεις που θα ακολουθήσουν παρουσιάζονται τα σήµατα που θα χρησιµοποιηθούν και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που θα έχουν όλες οι προσοµοιώσεις. Το σήµα εισόδου είναι όµοιο µε αυτό που χρησιµοποιήθηκε στο προηγούµενο στάδιο εισέρχεται από την είσοδο του συµβολόµετρου και έχει συχνότητα 193,1THz που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1553,59nm. Το σήµα παρουσιάζει µέση τιµή jitter 1ps και έχει επιπλέον προστεθεί θόρυβος µέσης ισχύος 10x10-18 W. Ο θόρυβος αυτός θεωρείται σταθερής ισχύος στην περιοχή κοντά στα 193,1THz. Ως σήµα ελέγχου χρησιµοποιείται το ανακτηµένο ρολόι των πακέτων δεδοµένων το οποίο έχει συχνότητα 193,7THz που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1548,78nm. Επιπλέον το

77 σήµα ανακτηµένου ρολογιού έχει χρόνο ανάκτησης (rise time) ίσο µε 10ps. Στο σήµα ελέγχου έχει προστεθεί θόρυβος µέσης ισχύος 1x10-18 W. Τέλος ως βοηθητικό σήµα χρησιµοποιούνται τα αποτελέσµατα της προηγούµενης προσοµοίωσης για λεπτότητες φίλτρου 0,1 και 0,15. Το σήµα αυτό είναι στα 192.5THz που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1558,4nm. Τα σήµατα παρουσιάζονται στο σχήµα Επιπρόσθετα στις δύο εξόδους του Μach Zehnder συµβολόµετρου έχουν τοποθετηθεί σε σειρά δύο φίλτρα συντονισµένα στην κεντρική συχνότητα 193,1THz και µε εύρος συχνοτήτων 100GHz. Για τον συγχρονισµό των σηµάτων χρησιµοποιούνται στοιχεία καθυστέρησης (delays) ενώ για την ρύθµιση της ισχύος των σηµάτων όπου κρίνεται αναγκαίο χρησιµοποιούνται εξασθενητές (Attenuators). (α) (β) (γ) (δ) Σχήµα 3.12: Σήµατα εισόδου στο Μach Zehnder συµβολόµετρο α) σήµα πληροφορίας, β) σήµα ελέγχου, γ) σήµα ανάστροφης περιβάλλουσας µε Finesse=0,1 και ρεύµα έκχυσης 100mA και δ) σήµα ανάστροφης περιβάλλουσας µε Finesse=0,15 και ρεύµα έκχυσης 100mA Παρακάτω ακολουθούν οι προσοµοιώσεις µε χρήση ως βοηθητικού σήµατος (injected signal) της ανάστροφης περιβάλλουσας σε οµόρροπη συνδεσµολογία, ενός CW σήµατος σε οµόρροπη συνδεσµολογία, ενός CW σε αντίρροπη συνδεσµολογία και τέλος της ανάστροφης περιβάλλουσας σε αντίρροπη συνδεσµολογία

78 Προσοµοίωση µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας σε οµόρροπη συνδεσµολογία Η διάταξη της προσοµοίωσης όπως υλοποιήθηκε στο VPI φαίνεται στο σχήµα Από την άνω είσοδο του Μach Zehnder εισέρχεται το σήµα ελέγχου ενώ, όπως φαίνεται στο κάτω αριστερό µέρος του σχήµατος 3.13, η ανάστροφη περιβάλλουσα των πακέτων δεδοµένων εισέρχεται στο Mach Zehnder µαζί µε το σήµα δεδοµένων. Το κάθε σήµα βρίσκεται σε διαφορετικό µήκος κύµατος οπότε και δεν εµφανίζονται φαινόµενα συµβολής. Η ανάστροφη περιβάλλουσα φορτώνεται από τα αρχεία που είχαν αποθηκευτεί τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης της ανίχνευσης της ανάστροφης περιβάλλουσας που ήδη έχουν παρουσιαστεί σε προηγούµενη ενότητα. Επιπλέον επειδή η προσοµοίωση πραγµατοποιείται στα 10GHz και θέλουµε να διατηρήσουµε το κέρδος των ηµιαγώγιµων ενισχυτών σε σταθερά επίπεδα υποχρεωνόµαστε να χρησιµοποιήσουµε ένα CW σήµα ισχύος 100µW, που ερµηνεύεται σε µόλις 12,5µW στον κάθε κλάδο του συµβολόµετρου. Όπως θα φανεί παρακάτω το CW σήµα είναι κατά πολύ χαµηλότερης ισχύος από τα υπόλοιπα σήµατα ενώ η συχνότητά του είναι 194.1THz (1545,59nm). Σχήµα 3.13: ιάταξη προσοµοίωσης της βελτιστοποίησης του Mach Zehnder µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας ως βοηθητικό σήµα σε οµόρροπη συνδεσµολογία Κατά την προσοµοίωση υπολογίστηκαν η ισχύς των σηµάτων δεδοµένων, ελέγχου και του βοηθητικού σήµατος, η ένταση του ρεύµατος έκχυσης φορέων των δύο ενισχυτών SOA που υπάρχουν σε κάθε κλάδο του συµβολόµετρου, η καθυστέρηση του ενός από τα σήµατα δεδοµένων και ελέγχου σε σχέση µε το άλλο και τέλος η καθυστέρηση που πρέπει αν έχουν αυτά τα δύο σήµατα ώστε το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας να «πέσει» ανάµεσα στα κενά που δηµιουργούν τα πακέτα δεδοµένων και υπάρχουν αντιστοίχως στο σήµα ελέγχου. Στόχος του βοηθητικού σήµατος είναι να κρατήσει το κέρδος των ενισχυτών σε χαµηλές τιµές όταν δεν διέρχονται δεδοµένα έτσι ώστε να µην εµφανίσουν οι ενισχυτές µεγάλη διακύµανση του κέρδους τους όταν θα εισέλθουν τα πρώτα bit των πακέτων µε άσχηµα αποτελέσµατα για την µορφή του µεταγώµενου σήµατος. Αρχικά υπολογίστηκε ότι η καθυστέρηση του σήµατος δεδοµένων ως προς το σήµα ελέγχου είναι 100ps. Κατόπιν ενεργοποιήθηκε το βοηθητικό σήµα και υπολογίστηκε η επιπλέον καθυστέρηση των άλλων σηµάτων σε 150ps, δηλαδή η καθυστέρηση του σήµατος ελέγχου είναι 150ps και του σήµατος δεδοµένων 250ps. Εν συνεχεία βρέθηκε ότι η ισχύς κορυφής (peak power) του σήµατος ελέγχου είναι

79 ίση µε 0,4mW ενώ η µέση ισχύς του κατά την είσοδο στο συµβολόµετρο είναι 146,5µW. Τελικά η ισχύς κορυφής που θα διεγείρει την µη γραµµικότητα του SOA είναι 0,1mW, δηλαδή το ¼ της συνολικής αρχικής ισχύος. Η ισχύς του σήµατος εισόδου βρέθηκε στα 2mW ενώ η µέση ισχύς του σήµατος στην είσοδο του Μach Zehnder µετρήθηκε στα 51µW. Η ισχύς αυτή θα διέλθει και από τους δύο κλάδους του Μach Zehnder. Όσον αφορά το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας η ισχύς του ρυθµίζεται µε την χρήση ενός εξασθενητή και η µέση ισχύς του βρέθηκε στα 165µW. Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει η ισχύς της κορυφής του σήµατος της ανάστροφης περιβάλλουσας γιατί είναι αυτή ακριβώς η ισχύς που θα κρατήσει κορεσµένους τους SOAs. Η τιµή της είναι 600µW. Τέλος όσον αφορά την ένταση του ρεύµατος έκχυσης των φορέων των ενισχυτών SOA παρατηρήθηκε ότι για 100mA είχαµε πολύ καλά αποτελέσµατα ενώ ελήφθησαν και αποτελέσµατα όχι και τόσο καλά για ρεύµα έκχυσης 200mA. Συγκεκριµένα τα αποτελέσµατα για ρεύµα έκχυσης 100mA είναι: Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 445µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 71µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 6,27 που ισοδυναµεί µε 7,97dB Τέλος από το διάγραµµα µατιού υπολογίσαµε την διαµόρφωση πλάτους των παλµών σε 1,35 που ισοδυναµεί µε 1,3dB και τον λόγο αντίθεσης µεταξύ επιθυµητού και ανεπιθύµητου σήµατος (extinction ratio) ίσο µε 34,54 που ισοδυναµεί µε 15,4dB Τα γραφήµατα του σήµατος εξόδου και του διαγράµµατος µατιού (Eye Diagram) φαίνονται στο σχήµα Σχήµα 3.14: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής για 100mA ρεύµα έκχυσης διάγραµµα µατιού σε οµόρροπη συνδεσµολογία και το αντίστοιχο Ενώ τα αποτελέσµατα για ρεύµα έκχυσης 200mA είναι τα παρακάτω και φαίνονται στο σχήµα 3.15 : Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 604,2µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 115,4µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 5,24 που ισοδυναµεί µε 7,19dB Τέλος από το διάγραµµα µατιού υπολογίσαµε την διαµόρφωση πλάτους των παλµών σε 1,45 που ισοδυναµεί µε 1,6dB και τον λόγο αντίθεσης

80 µεταξύ επιθυµητού και ανεπιθύµητου σήµατος (extinction ratio) ίσο µε 9,8 που ισοδυναµεί µε 9,9dB Σχήµα 3.15: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής για 200mA ρεύµα έκχυσης διάγραµµα µατιού σε οµόρροπη συνδεσµολογία και το αντίστοιχο Από τα παραπάνω συµπεραίνουµε ότι για ρεύµα έκχυσης των ενισχυτών SOAs στα 100mA έχουµε τα καλύτερα αποτελέσµατα. Η διαµόρφωση πλάτους είναι αρκετά µικρή για τα 100mA ενώ αυξάνεται για τα 200mA. Το διάγραµµα µατιού δεν είναι ικανοποιητικό στα 200mA ενώ ο λόγος αντίθεσης έχει µειωθεί σε αυτήν την περίπτωση σηµαντικότατα. Αξίζει εδώ να αποσαφηνιστεί ότι η καθυστέρηση µεταξύ των σηµάτων και τα µεγέθη της ισχύος των σηµάτων αναφέρονται αποκλειστικά για την συγκεκριµένη διάταξη και προφανώς σε διαφορετική διάταξη µπορεί να εµφανίζονται σηµαντικές διακυµάνσεις στις τιµές τους Προσοµοίωση µε χρήση ενός CW ως βοηθητικού σήµατος σε οµόρροπη συνδεσµολογία Η διάταξη της προσοµοίωσης όπως υλοποιήθηκε στο VPI φαίνεται στο σχήµα Στην προηγούµενη διάταξη προσοµοίωσης το βοηθητικό σήµα εισερχόταν στο συµβολόµετρο από αρχεία όπου είχαν αποθηκευτεί τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης ανίχνευσης περιβάλλουσας. Στην συγκεκριµένη διάταξη έχει απενεργοποιηθεί αυτή η δυνατότητα και υπάρχει µόνο το CW σήµα. Το σήµα αυτό έχει συχνότητα 194,1THz που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1545,59nm. Οι παράγοντες που διερευνήθηκαν και προσδιορίστηκαν έτσι ώστε να ληφθούν τα παρακάτω αποτελέσµατα είναι η ισχύς των σηµάτων δεδοµένων, ελέγχου και του CW σήµατος, η ένταση του ρεύµατος έκχυσης φορέων των δύο ενισχυτών SOA που υπάρχουν σε κάθε κλάδο του συµβολόµετρου και τέλος η καθυστέρηση του ενός από τα σήµατα δεδοµένων και ελέγχου σε σχέση µε το άλλο. Η ύπαρξη καθυστέρησης, στην συγκεκριµένη περίπτωση του σήµατος δεδοµένων σε σχέση µε το σήµα ελέγχου, επιβάλλεται ώστε τα δύο σήµατα να εισέλθουν µαζί µέσα στο συµβολόµετρο και η διαφορά φάσης π που θα επιβάλλει το σήµα ελέγχου στο σήµα δεδοµένων να λάβει χώρα για όλο το πακέτο των δεδοµένων. Τέλος το CW σήµα απαιτείται για να µειώσει το κέρδος των ενισχυτών SOAs µε αποτέλεσµα να περιορίσει όσο το δυνατόν περισσότερο την ενίσχυση του θορύβου και να ισοσταθµίσει την ισχύ των παλµών εξόδου. Επιπρόσθετα µε το CW σήµα η ρύθµιση της ισχύς του σήµατος εισόδου πρέπει να γίνει µε τέτοιο τρόπο ώστε το συµβολόµετρο να οδηγήσει όλο το σήµα στη θύρα µεταγωγής και να ελαχιστοποιηθεί η οπτική ισχύς που εξέρχεται από τη θύρα µη µεταγωγής

81 Σχήµα 3.16 : ιάταξη προσοµοίωσης της βελτιστοποίησης του Mach Zehnder µε χρήση ενός CW ως βοηθητικό σήµα σε οµόρροπη συνδεσµολογία Η πρώτη ενέργεια που πραγµατοποιήθηκε κατά την προσοµοίωση ήταν να υπολογιστεί η καθυστέρηση του σήµατος δεδοµένων ως προς το σήµα ελέγχου ώστε τα δύο σήµατα εν τέλει να συγχρονιστούν µέσα στο συµβολόµετρο. Η καθυστέρηση αυτή υπολογίστηκε στα 100ps κάτι που περιµέναµε αφού αυτό ήταν και το αποτέλεσµα της προηγούµενης προσοµοίωσης. Κατόπιν υπολογίστηκε η ισχύς του σήµατος ελέγχου ώστε να έχουµε εµφάνιση του σήµατος δεδοµένων και της οπτικής ισχύος στην θύρα µεταγωγής. Η ισχύς κορυφής (peak power) του σήµατος ελέγχου βρέθηκε να είναι 1mW. Όπως µπορεί να παρατηρήσει κανείς από το σχήµα 3.14 το σήµα ελέγχου θα διέλθει από έναν οπτικό συζεύκτη (coupler) σε εκείνο το σηµείο η ισχύς κορυφής είναι 0,5mW και η µέση ισχύς µετρήθηκε στα 364,4µW. Για τον ίδιο λόγο τελικά η ισχύς κορυφής του σήµατος ελέγχου που θα διεγείρει την µη γραµµικότητα του πάνω SOA είναι ίση µε 0,25mW. Όσον αφορά το σήµα δεδοµένων τα καλύτερα αποτελέσµατα ελήφθησαν για ισχύς κορυφής 3,8mW η οποία µεταφράζεται σε 0,475mW στον κάθε ένα από τους δύο SOAs ενώ η µέση ισχύς τους σήµατος στην είσοδο του συµβολόµετρου µετρήθηκε στα 86,3µW. ιακυµάνσεις στην ισχύς του σήµατος δεδοµένων ακόµα και κατά 1mW φαίνεται ότι δεν αναιρούν την διαδικασία της µεταγωγής απλώς στην παραπάνω τιµή µετρήθηκε ο µεγαλύτερος λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής. Αντιθέτως µεταβολή της ισχύς του σήµατος ελέγχου ακόµα και 0,1mW οδηγείς σε µη επιθυµητά αποτελέσµατα. Η ισχύς του CW βρέθηκε να είναι 0,6mW κάτι που συνεπάγεται 150µW σε κάθε SOA. Η τιµή αυτή είναι ίδια µε την ισχύ κορυφής της ανάστροφης περιβάλλουσας της προηγούµενης προσοµοίωσης. Τέλος όσον αφορά την ένταση του ρεύµατος έκχυσης των φορέων των ενισχυτών SOA παρατηρήθηκε ότι για 100mA και 200mA είχαµε πολύ καλά αποτελέσµατα. Συγκεκριµένα τα αποτελέσµατα για ρεύµα έκχυσης 100mA είναι: Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 341µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 31,3µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 10,89 που ισοδυναµεί µε 10,37dB Τέλος από το διάγραµµα µατιού υπολογίσαµε την διαµόρφωση πλάτους των παλµών σε 1,26 που ισοδυναµεί µε 1dB και τον λόγο αντίθεσης µεταξύ

82 επιθυµητού και ανεπιθύµητου σήµατος (extinction ratio) ίσο µε 67 που ισοδυναµεί µε 18,26dB Τα γραφήµατα του σήµατος εξόδου και το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού φαίνονται στο σχήµα Σχήµα 3.17: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής για 100mA ρεύµα έκχυσης διάγραµµα µατιού σε οµόρροπη συνδεσµολογία και το αντίστοιχο Ενώ τα αποτελέσµατα για ρεύµα έκχυσης 200mA είναι τα παρακάτω και φαίνονται στο σχήµα 3.18 : Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 500,6µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 52µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 9,63 που ισοδυναµεί µε 9,84dB Τέλος από το διάγραµµα µατιού υπολογίσαµε την διαµόρφωση πλάτους των παλµών σε 1,25 που ισοδυναµεί µε 1dB και τον λόγο αντίθεσης µεταξύ επιθυµητού και ανεπιθύµητου σήµατος (extinction ratio) ίσο 46,5 που ισοδυναµεί µε 16,67dB Σχήµα 3.18: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής για 200mA ρεύµα έκχυσης και το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού σε οµόρροπη συνδεσµολογία

83 Από τα παραπάνω συµπεραίνουµε ότι για ρεύµα έκχυσης των ενισχυτών SOAs στα 100mA έχουµε καλύτερα αποτελέσµατα κάτι που φάνηκε και στην προηγούµενη προσοµοίωση όπου είχαµε αντί για CW σήµα την ανάστροφη περιβάλλουσα. Επιπρόσθετα έχουµε και πολύ καλά αποτελέσµατα για ρεύµα έκχυσης 200mA κάτι που δεν το είχαµε στην προηγούµενη προσοµοίωση. Αξίζει πάντως να αναφερθεί ότι η διαµόρφωση πλάτους είναι πολύ µικρή, ο λόγος αντίθεσης αρκετά υψηλός και η αντίθεση ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να κυµαίνεται από 8dB µέχρι 10dB. Όπως είχε αναφερθεί σε προηγούµενη ενότητα στο τέλος των προσοµοιώσεων ελήφθησαν µετρήσεις BER ώστε να έχουµε µία σαφή ένδειξη για το ποια περίπτωση δίνει πραγµατικά τα καλύτερα αποτελέσµατα. Σε αυτή τη φάση παρουσιάζεται στο σχήµα 3.19 το αποτέλεσµα για όλες τις προσοµοιώσεις που έγιναν σε οµόρροπη συνδεσµολογία. Ενώ σχολιασµός των BER αποτελεσµάτων θα γίνει συγκεντρωτικά στο τέλος της ενότητας. Αναφορικά όµως µπορούµε να πούµε ότι το CW ως βοηθητικό σήµα πλεονεκτεί σε σχέση µε την ανάστροφη περιβάλλουσα των πακέτων δεδοµένων. Σχήµα 3.19: Αποτελέσµατα µέτρησης BER για οµόρροπη συνδεσµολογία Προσοµοίωση µε χρήση ενός CW ως βοηθητικό σήµα σε αντίρροπη συνδεσµολογία Στην συγκεκριµένη προσοµοίωση (σχήµα 3.20) έχουµε συνδέσει στις εξόδου των SOA ένα CW σήµα. Η ισχύς του σήµατος διαιρείται στα δύο µέσω ενός οπτικού συζεύκτη 50:50 και εισέρχεται στους SOA µε στόχο να µειώσει το κέρδος του. Αναµένεται λόγω της συνδεσµολογίας να χρησιµοποιήσουµε πολύ χαµηλότερη ισχύς από αυτήν που χρησιµοποιούσαµε σε οµόρροπη συνδεσµολογία όσον αφορά το CW σήµα. Επιπρόσθετα επειδή η συνδεσµολογία αλλάζει πρέπει να βρεθούν οι νέες τιµές για την ισχύς των σηµάτων δεδοµένων, ελέγχου, το ρεύµα έκχυσης των SOAs και την καθυστέρηση µεταξύ των δύο σηµάτων

84 Σχήµα 3.20 : ιάταξη προσοµοίωσης της βελτιστοποίησης του Mach Zehnder µε χρήση ενός CW ως βοηθητικό σήµα σε αντίρροπη συνδεσµολογία Η καθυστέρηση µεταξύ των σηµάτων δεδοµένων και ελέγχου υπολογίστηκε στα 100ps όταν το ρεύµα έκχυσης στους SOAs είναι 100mA, ενώ όταν το ρεύµα έκχυσης γίνει ίσο µε 200mA τότε η καθυστέρηση µεταξύ των δύο παραπάνω σηµάτων θα πρέπει να ρυθµιστεί στα 250ps. Η ισχύς κορυφής του σήµατος ελέγχου βρέθηκε στα 1,4mW που αντιστοιχεί σε 0,35mW ισχύος στον SOA. Η ισχύς αυτή αντιστοιχεί σε ρεύµα έκχυσης 100mA ενώ για ρεύµα έκχυσης 200mA η τιµή της ισχύος του σήµατος ελέγχου διαφοροποιείται από τα 1,4mW στα 1,2mW (µέση ισχύς 437µW). Η ισχύς του σήµατος δεδοµένων ρυθµίστηκε, για να λάβουµε την µέγιστη οπτική ισχύ στην θύρα µεταγωγής, στα 3,5mW που αντιστοιχεί σε 80,3µW µέσης ισχύος στη είσοδο του Μach Zehnder. Τέλος η ισχύς του CW βρέθηκε στα 200µW κάτι που περιµέναµε αφού όπως ήδη έχει αναφερθεί η ισχύς του CW αναµενόταν πιο χαµηλή από αυτή που υπολογίσαµε σε οµόρροπη συνδεσµολογία. Αν παρατηρήσουµε την διάταξη προσοµοίωσης συµπεραίνουµε εύκολα ότι ουσιαστικά ο κάθε ενισχυτής του συµβολόµετρου τροφοδοτείται µε 50µW. Όπως και στις προσοµοιώσεις που προηγήθηκαν και εδώ ελήφθησαν αποτελέσµατα τόσο για 100mA όσο και για 200mA ρεύµατος έκχυσης φορέων των ενισχυτών SOAs. Συγκεκριµένα τα αποτελέσµατα για ρεύµα έκχυσης 100mA είναι: Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 374µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 71,8µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 5,21 που ισοδυναµεί µε 7,17dB Τέλος από το διάγραµµα µατιού υπολογίσαµε την διαµόρφωση πλάτους των παλµών σε 1,34 που ισοδυναµεί µε 1,28dB και τον λόγο αντίθεσης µεταξύ επιθυµητού και ανεπιθύµητου σήµατος (extinction ratio) ίσο µε 36,5 που ισοδυναµεί µε 15,6dB Τα αντίστοιχα γραφικά αποτελέσµατα της προσοµοίωσης φαίνονται στο σχήµα

85 Σχήµα 3.21: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής για 100mA ρεύµα έκχυσης και το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού σε αντίρροπη συνδεσµολογία Τα αποτελέσµατα τώρα για ρεύµα έκχυσης 200mA είναι: Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 820µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 116,6µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 7,03 που ισοδυναµεί µε 8,47dB Τέλος από το διάγραµµα µατιού υπολογίσαµε την διαµόρφωση πλάτους των παλµών σε 1,25 που ισοδυναµεί µε 0,95dB και τον λόγο αντίθεσης µεταξύ επιθυµητού και ανεπιθύµητου σήµατος (extinction ratio) ίσο µε 19,25 που ισοδυναµεί µε 12,8dB Τα αντίστοιχα γραφικά αποτελέσµατα της προσοµοίωσης φαίνονται στο σχήµα 3.22 Σχήµα 3.22: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής για 200mA ρεύµα έκχυσης και το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού σε αντίρροπη συνδεσµολογία Συγκρίνοντας τα αποτελέσµατα µεταξύ 100mA και 200mA παρατηρούµε ότι στη πρώτη περίπτωση πετυχαίνουµε µεγαλύτερο λόγο αντίθεσης που είναι και το βασικότερο ίσως µέγεθος που µας ενδιαφέρει ενώ στην δεύτερη περίπτωση παρόλο που ο λόγος αντίθεσης είναι µικρότερος παρουσιάζεται µικρότερη διαµόρφωση παλµών και έχουµε µεγαλύτερο µέρος της ισχύς στην επιθυµητή θύρα εξόδου

86 Προσοµοίωση µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας σε αντίρροπη συνδεσµολογία Αυτή είναι η τελευταία προσοµοίωση που θα παρουσιαστεί για την συγκεκριµένη διάταξη στα 10GHz. Η µορφή της διάταξης της προσοµοίωσης είναι ίδια µε αυτήν της προηγούµενης περίπτωσης (σχήµα 3.20) µε την µόνη διαφορά ότι µαζί µε το CW σήµα τροφοδοτούνται οι ενισχυτές SOAs του Μach Zehnder συµβολόµετρου και µε το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας των πακέτων δεδοµένων. Η ανάστροφη περιβάλλουσα λαµβάνεται από αρχείο όπου είχαν αποθηκευτεί τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης ανίχνευσης περιβάλλουσας και έχει συχνότητα 192.5ΤΗz (1558,4nm). Αντίστοιχα µε την οµόρροπη συνδεσµολογία επιλέχθηκαν τα αποτελέσµατα µε λεπτότητα φίλτρου 0,1 και 0,15 γιατί όπως φάνηκε από τις προσοµοιώσεις έχουµε τα καλύτερα αποτελέσµατα. Στις άλλες περιπτώσεις η ανάστροφη περιβάλλουσα ή έχει πιο µικρό µήκος από τα κενά µεταξύ των πακέτων (υψηλή λεπτότητα φίλτρου) ή παρουσιάζει µεγαλύτερο µήκος από τα κενά (χαµηλή λεπτότητα φίλτρου). Το CW σήµα και σε αυτή την περίπτωση έχει συχνότητα 194.1THz και η ισχύς του είναι µόλις στα 100µW. Το αποτέλεσµα της χρήσης του είναι η µείωση του κέρδους των ενισχυτών SOAs µε συνέπεια να περιορίζεται η ενίσχυση του θορύβου. Η τιµή του είναι όµως αρκετά µικρή για να αντικαταστήσει την ανάγκη για χρήση του σήµατος της ανάστροφης περιβάλλουσας. Στο σχήµα 3.23 η µορφή του βοηθητικού σήµατος (CW και ανάστροφη περιβάλλουσα µαζί). Σχήµα 3.23: Μορφή βοηθητικού σήµατος που απαρτίζεται από CW 100µW και την ανάστροφη περιβάλλουσα Σε αυτήν την περίπτωση παρότι η καθυστέρηση µεταξύ των σηµάτων ελέγχου και δεδοµένων είναι αναµενόµενα ίση µε 100ps χρειάστηκε να βρεθεί η καθυστέρηση που αυτά πρέπει να έχουν σε σχέση µε το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας ώστε να µην βρεθούν τα τρία σήµατα ταυτόχρονα µέσα στους ενισχυτές SOAs. Στην περίπτωση που η ανάστροφη περιβάλλουσα δεν «πέσει» ακριβώς στα κενά µεταξύ των πακέτων τότε στην έξοδο του συµβολόµετρου θα εµφανίζονται τα τελευταία ή πρώτα bits των πακέτων µε σηµαντικά µειωµένη ισχύς. Αυτό προφανώς θα µας έδινε αποτέλεσµα µε έντονη διαµόρφωση παλµών και χαµηλό λόγο αντίθεσης. Προφανώς λόγο της χαµηλής ισχύς κάποιων παλµών το BER προκύπτει µη ικανοποιητικό. Άρα επιθυµούµε τέτοιο συγχρονισµό µεταξύ των σηµάτων ώστε να τροφοδοτούνται οι ενισχυτές µε το βοηθητικό σήµα της ανάστροφής περιβάλλουσας όταν δεν υπάρχουν τα σήµατα ελέγχου και δεδοµένων. Ο συγχρονισµός αυτός επιτυγχάνεται όταν καθυστερούν τα σήµατα δεδοµένων και ελέγχου σε σχέση µε το βοηθητικό σήµα κατά 1250ps, δηλαδή το σήµα ελέγχου πρέπει να έχει καθυστέρηση 1250ps και το

87 σήµα δεδοµένων 1350ps ώστε να πληρούνται και οι δύο προϋποθέσεις. Φυσικά και σε αυτήν την προσοµοίωση λάβαµε αποτελέσµατα για ρεύµα έκχυσης των SOAs τόσο στα 100mA όσο και στα 200mA. Αρχικά όµως θα αναφέρουµε τις τιµές των άλλων µεγεθών. Η ισχύς του σήµατος ελέγχου υπολογίστηκε στα 0,7mW (πρόκειται για ισχύς κορυφής) που αντιστοιχεί στην είσοδο του ΜΖΙ σε 255,4µW. Η ισχύς του σήµατος δεδοµένων βρέθηκε στα 1,5mW τιµή που στην είσοδο του συµβολόµετρου δίνει µέση τιµή 41,4µW. Με την χρήση ενός εξασθενητή ρυθµίσαµε την µέση ισχύ της ανάστροφης περιβάλλουσας στα 59µW για την περίπτωση που το ρεύµα έκχυσης ήταν 100mA και στα 71µW για την περίπτωση των 200mA ρεύµατος έκχυσης. Αυτό έγινε ρυθµίζοντας τον εξασθενητή στα 11dB και 7dB αντίστοιχα. Τα αποτελέσµατα για ρεύµα έκχυσης 100mA είναι: Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 328,7µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 56,1µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 5,86 που ισοδυναµεί µε 7,68dB Τέλος από το διάγραµµα µατιού υπολογίσαµε την διαµόρφωση πλάτους των παλµών σε 1,55 που ισοδυναµεί µε 1,9dB και τον λόγο αντίθεσης µεταξύ επιθυµητού και ανεπιθύµητου σήµατος (extinction ratio) ίσο µε 18,67 που ισοδυναµεί µε 12,7dB Τα αντίστοιχα γραφικά αποτελέσµατα της προσοµοίωσης φαίνονται στο σχήµα Σχήµα 3.24: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής για 100mA ρεύµα έκχυσης και το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού σε αντίρροπη συνδεσµολογία Τα αποτελέσµατα τώρα για ρεύµα έκχυσης 200mA είναι: Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 690µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 131µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 5,27 που ισοδυναµεί µε 7,21dB Τέλος από το διάγραµµα µατιού υπολογίσαµε την διαµόρφωση πλάτους των παλµών σε 1,6 που ισοδυναµεί µε περίπου 2dB και τον λόγο αντίθεσης µεταξύ επιθυµητού και ανεπιθύµητου σήµατος (extinction ratio) ίσο µε 12,2 που ισοδυναµεί µε 10,86dB

88 Τα αντίστοιχα γραφικά αποτελέσµατα της προσοµοίωσης φαίνονται στο σχήµα Σχήµα 3.25: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής για 200mA ρεύµα έκχυσης και το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού σε αντίρροπη συνδεσµολογία Παρατηρείται και σε αυτήν την προσοµοίωση ότι για 100mA έχω καλύτερα αποτελέσµατα ενώ δεν πρέπει να παραληφθεί ότι ο λόγος αντίθεσης προκύπτει αρκετά χαµηλός και η διαµόρφωση παλµών ιδιαίτερα αυξηµένη. Όσον αφορά το Αντίρροπη συνδεσµολογία έχει ληφθεί και σε αυτήν την συνδεσµολογία διάγραµµα BER που παρουσιάζεται στο σχήµα Παρατηρούµε ότι το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας δίνει µικρότερο BER από ότι το CW σήµα. Αυτό είναι πολύ καλό για την τεκµηρίωση της άποψης ότι το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας µπορεί να αντικαταστήσει το CW. Σχήµα 3.26: Αποτελέσµατα µέτρησης BER για αντίρροπη συνδεσµολογία

89 Συµπεράσµατα Παρατηρώντας τα αριθµητικά και γραφικά αποτελέσµατα των προηγούµενων προσοµοιώσεων µπορούµε να καταλήξουµε στα εξής συµπεράσµατα : Προτιµότερη είναι η χρήση ρεύµατος έκχυσης στα 100mA στις περιπτώσεις που χρησιµοποιείται η ανάστροφη περιβάλλουσα καθώς παρατηρήθηκαν µεγαλύτερες τιµές λόγου αντίθεσης, χαµηλότερες τιµές διαµόρφωσης παλµών και µεγαλύτερος λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ των δύο θυρών του συµβολόµετρου σε σχέση µε τα 200mA. Τα αριθµητικά αποτελέσµατα επιβεβαιώνονται και από το διάγραµµα της εξόδου και το διάγραµµα µατιού. Όπως φαίνεται και από το συγκεντρωτικό διάγραµµα BER (σχήµα 3.27) έχουµε πλεονέκτηµα στα 100mA σε σχέση µε τα 200mΑ τόσο σε οµόρροπη όσο και σε αντίρροπη συνδεσµολογία. Στην περίπτωση που υπήρχε CW σήµα παρατηρήσαµε µια ισορροπία µεταξύ των αποτελεσµάτων για 100mA και 200mA. Στα 100mA είχαµε µεγαλύτερο λόγο αντίθεσης και µεγαλύτερο λόγο αντίθεσης µεταξύ των δύο θυρών του συµβολόµετρου για οµόρροπη συνδεσµολογία. Ενώ στα 200mA η διαµόρφωση παλµών ήταν µικρότερη ενώ ο λόγος αντίθεσης ήταν µεγαλύτερος για αντίρροπη συνδεσµολογία. Μελετώντας το σχήµα 3.27 φαίνεται ότι δεν παρουσιάζεται διαφορά στο BER για τις παραπάνω τιµές ρεύµατος σε οµόρροπη συνδεσµολογία ενώ σε αντίρροπη συνδεσµολογία έχουµε καλύτερα αποτελέσµατα για 200mA. Εν τέλει µπορούµε να καταλήξουµε στο ότι γενικά καλύτερη θεωρείται η χρήση ρεύµατος έκχυσης στα 100mA και για της δύο συνδεσµολογίες καθώς τα βασικότερα µεγέθη που κρίνουν την λειτουργία της διάταξης είναι ο λόγος αντίθεσης και το BER. Σχήµα 3.27: Συνολικά αποτελέσµατα µέτρησης BER

90 Η διαµόρφωση πλάτους υπολογίστηκε στην καλύτερη των περιπτώσεων 0,95dB ενώ στην χειρότερη 2dB. Τα πιο πολλά αποτελέσµατα ήταν µεταξύ 1dB και 1,3 db. Για τιµές κοντά στο 1dB η διαµόρφωση των παλµών µπορεί να θεωρηθεί σχετικά µικρή και εποµένως οι µετρήσεις µας αποδεκτές. Για τα 2dB όµως που είχαµε στην περίπτωση του CW σε Αντίρροπη συνδεσµολογία η διαµόρφωση παλµών είναι µεγάλη µε ορατές τις επιπτώσεις τις στην καµπύλη του BER. Ο λόγος αντίθεσης υπολογίστηκε σε όλες τις προσοµοιώσεις υψηλότερο των 10dB µε καλύτερη στα 18,26dB όπου είχαµε CW σε οµόρροπη συνδεσµολογία. Όλες οι µετρήσεις κρίνονται τουλάχιστον ικανοποιητικές. Όσον αφορά τον λόγο αντίθεσης ισχύος (ON-ΟFF) µεταξύ των δύο θυρών µετρήθηκε από 7,2dB µέχρι 10,37dB. Επιθυµητό κρίνεται όταν είναι υψηλότερος από 8dB κάτι που ισχύει στα περισσότερα από τα παραπάνω αποτελέσµατα. Παρατηρώντας τις δύο συνδεσµολογίες διαπιστώνουµε εύκολα ότι το CW σήµα λειτουργεί καλύτερα σε οµόρροπη συνδεσµολογία ενώ η ανάστροφη περιβάλλουσα δίνει παρόµοια αποτελέσµατα σε σχέση µε το CW σε αντίρροπη συνδεσµολογία. To BER είναι σχεδόν ίδιο για όλες τους συνδυασµούς όπου χρησιµοποιήθηκε ως βοηθητικό σήµα η ανάστροφη περιβάλλουσα. Προτιµότερη πάντως είναι η περίπτωση που εισερχόταν το βοηθητικό σήµα από την είσοδο του Μach Zehnder (οµόρροπη συνδεσµολογία) και το ρεύµα ήταν ρυθµισµένο στα 100mA. Η διαφορές πάντως µεταξύ των µετρήσεων BER είναι µικρές. Συγκεκριµένα το καλύτερο αποτέλεσµα απέχει µόνο 0,6dB από τα αποτελέσµατα που δίνουν οι προσοµοιώσεις µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας. Το γεγονός ότι ακόµα και µε το βοηθητικό σήµα κρίνεται αναγκαία η χρήση σήµατος συνεχούς χαµηλής ισχύος (CW=100µW) για τον κορεσµό των ενισχυτών οδηγεί στη διαπίστωση ότι η ανάστροφη περιβάλλουσα δεν φαίνεται να µπορεί να αντικαταστήσει επάξια το CW σήµα. Αυτό τουλάχιστον παρατηρούµε ότι συµβαίνει για ρυθµούς µετάδοσης 10GHz. Συγκρίνοντας τις δύο συνδεσµολογίες καταλήγουµε στην οµόρροπη συνδεσµολογία καθώς ελήφθησαν τα καλύτερα αποτελέσµατα. Ειδικότερα στην περίπτωση όπου χρησιµοποιήθηκε ισχυρό CW σήµα. Τέλος ένα σηµαντικό ζήτηµα που αναπτύχθηκε στην αρχή του κεφαλαίου είναι η βελτίωση του σήµατος εισόδου κατά την διέλευση του από το συµβολόµετρο. Αυτό συνεπάγεται ότι το σήµα εισόδου που περιέχει τα δεδοµένα εµφανίζει µια σχετικά υψηλή στάθµη θορύβου που επιζητούµε να µειωθεί και έντονη διαµόρφωση παλµών η οποία πρέπει να περιοριστεί (σχήµατα 3.28 α),β)). Τα χαρακτηριστικά αυτά προέκυψαν κατά την µετάδοση του µέσω της οπτικής ίνας ή από κάποια προηγούµενη βαθµίδα επεξεργασίας που εδώ δεν µας ενδιαφέρει. Εποµένως το ζητούµενο είναι αν η διάταξη µεταγωγής που χρησιµοποιήσαµε (Μach Zehnder συµβολόµετρο) µε την ανάστροφη περιβάλλουσα και το CW σήµα µπορούν να βελτιώσουν την µορφή του σήµατος πληροφορίας που εισέρχεται στο συµβολόµετρο. Στα σχήµατα 3.28 γ),δ) φαίνεται χαρακτηριστικά ότι τόσο τα επίπεδα θορύβου όσο και η διαµόρφωση των παλµών έχουν µειωθεί κατά την διαδικασία της µεταγωγής µε την χρήση CW σήµατος όπου έχουµε και τα καλύτερα αποτελέσµατα ενώ αντίστοιχα θετικά αποτελέσµατα έχουµε µε τη χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας (σχήµατα 3.28 ε),στ)). Στην ενότητα είχαµε αναφέρει ότι η ανάστροφη περιβάλλουσα δεν θα περιόριζε την ενίσχυση του µεταδιδόµενου σήµατος κάτι που πραγµατοποιείται όταν χρησιµοποιείται το CW σήµα. Αναφορικά µε αυτό προέκυψε ότι για οµόρροπη συνδεσµολογία έχουµε µια αισθητή µείωση της µέσης ισχύς εξόδου κατά 100µW που όµως δεν είναι ιδιαίτερα µεγάλη ενώ για αντίρροπη συνδεσµολογία δεν υπάρχει εµφανείς διαφοροποίηση στα επίπεδα της ισχύς. Το ρεύµα έκχυσης των SOAs είναι

91 ουσιαστικά ο παράγοντας που καθορίζει τον συντελεστή ενίσχυσης του σήµατος και το βοηθητικό σήµα µόνο σε µικρό βαθµό µπορεί να τον διαφοροποιήσει. (α) (β) (γ) (δ) (ε) Σχήµα 3.28: α), β) Σήµα εισόδου δεδοµένων µε το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού γ), δ) Σήµα εξόδου µε το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού µε χρήση CW ως βοηθητικό σήµα ε), στ) Σήµα εξόδου µε το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας ως βοηθητικό σήµα. (στ)

92 3.4 Προσοµοίωση στα 40GHz Στην ενότητα αυτή θα επαναληφθούν οι προηγούµενες προσοµοιώσεις στα 40GHz για να διαπιστώσουµε αν η αρχική ιδέα της βελτιστοποίησης της λειτουργίας του συµβολόµετρου σε διαδικασία µεταγωγής µε την χρήση ως βοηθητικού σήµατος της ανάστροφης περιβάλλουσας δώσει ικανοποιητικά αποτελέσµατα. Υπενθυµίζουµε ότι από τις προσοµοιώσεις που προηγήθηκαν στα 10GHz διαπιστώσαµε ότι η χρήση ενός µόνο ισχυρού CW σήµατος είναι αποτελεσµατικότερη λύση για την βέλτιστη λειτουργία του Mach Zehnder παρόλο που και οι προσοµοιώσεις µε την ανάστροφη περιβάλλουσα κατέληξαν σε παρόµοια αποτελέσµατα. Αρχικά θα πραγµατοποιηθεί ανίχνευση της ανάστροφης περιβάλλουσας ενός οπτικού σήµατος και κατόπιν θα εισέλθει το αποτέλεσµα της πρώτης αυτής προσοµοίωσης στο δεύτερο στάδιο της προσοµοίωσης που είναι η διαδικασία µεταγωγής µε χρήση ενός Μach Zehnder συµβολόµετρου. Για την προσοµοίωση χρησιµοποιήθηκε ως σήµα δεδοµένων σήµα µήκους 1024bits το οποίο αποτελείται από δύο πακέτα µήκους 312 bits µε το µεταξύ τους κενό να ανέρχεται στα 200 bits. Επιπρόσθετα µετά από το δεύτερο πακέτο υπάρχουν επιπλέον 200 bits κενό (σχήµα 3.2). Οι παλµοί που χρησιµοποιούνται είναι RZ (επιστροφής στο µηδέν) όπου το δυαδικό ψηφίο 1 αναπαριστάται µε ένα παλµό Gauss και το δυαδικό ψηφίο 0 από την µη ύπαρξη κανενός παλµού. Ο τρόπος δηµιουργίας των πακέτων είναι ίσιος µε την αυτών των προηγούµενων προσοµοιώσεων απλώς εξαιτίας του υψηλότερου ρυθµού µετάδοσης αναγκαστήκαµε να αυξήσουµε το µήκος του σήµατος δεδοµένων στα 1024bits έτσι ώστε να µπορούµε να τρέξουµε τις προσοµοιώσεις µε όσο το δυνατόν πιο αντιπροσωπευτικό σήµα Προσοµοίωση ανίχνευσης της ανάστροφης περιβάλλουσας Η διάταξη του VPI που χρησιµοποιήθηκε για αυτήν την προσοµοίωση απαρτίζεται όπως και στα 10GHz από δύο µέρη. Στο πρώτο µέρος έχουµε το σήµα πληροφορίας καθώς διέρχεται από ένα Fabry Perot φίλτρο (Σχήµα 3.29). Ενώ στο δεύτερο στάδιο το σήµα εισέρχεται στον ενισχυτή SOA για να δώσει το επιθυµητό αποτέλεσµα (Σχήµα 3.30) Σχήµα 3.29: Πρώτο στάδιο της διάταξης για προσοµοίωση της ανίχνευσης της ανάστροφης περιβάλλουσας

93 Σχήµα 3.30: εύτερο στάδιο της διάταξης για προσοµοίωση της ανίχνευσης της ανάστροφης περιβάλλουσας Για να ανταποκρίνεται η προσοµοίωση σε πραγµατικά δεδοµένα έχουµε προσθέσει στο σήµα θόρυβο ενώ οι παλµοί εµφανίζουν χρονικό jitter. Κάναµε επιπλέον τον τρόπο παραγωγής παλµών πιο πολύπλοκο σε σχέση µε την προσοµοίωση των 10GHz για να ανταποκρίνεται πλήρως στον τρόπο που αυτοί παράγονται από µία πειραµατική γεννήτρια για να χρησιµοποιηθούν εν συνεχεία σε οποιοδήποτε πείραµα. Τα χαρακτηριστικά του SOA παραµένουν και σε αυτήν την περίπτωση σταθερά κατά την διάρκεια της προσοµοίωσης και παρουσιάζονται στον πίνακα 2.1 του κεφαλαίου 2. Οι παράγοντες που µας απασχολούν και θα µεταβληθούν κατά την διαδικασία της προσοµοίωσης είναι η ισχύς του σήµατος εισόδου, η λεπτότητα (finesse) του Fabry Perot φίλτρου, η ισχύς του συνεχούς κύµατος CW στην είσοδο του SOA και το ρεύµα έκχυσης του ενισχυτή. Θεωρούµε ότι το φίλτρο θα είναι συντονισµένο στην σωστή κεντρική συχνότητα και θα παρουσιάζει το κατάλληλο εύρος συχνοτήτων όπου θα επιτρέπει την διέλευση του επιθυµητού µόνο σήµατος. Στο πρώτο στάδιο της προσοµοίωσης το σήµα εισόδου έχει ισχύ κορυφής 500mW και η συχνότητά του είναι 193,1THz, δηλαδή 1553,59nm. Το χρονικό jitter που παρουσιάζει το σήµα είναι 0,25ps ενώ στο σήµα έχει προστεθεί θόρυβος µέσης ισχύος 20x10-18 W. Η µορφή του φαίνεται στο σχήµα 3.31(Το σήµα του σχήµατος είναι χωρίς θόρυβο παρόλο που στην προσοµοίωση τα αποτελέσµατα ελήφθησαν µε θόρυβο). Το σήµα αυτό διέρχεται από ένα οπτικό φίλτρο τύπου Fabry Perot το οποίο έχει ελεύθερη φασµατική περιοχή (FSR) ίση µε 10GHz ενώ ο δείκτης λεπτότητας (Finesse) του φίλτρου µεταβάλλεται κατά την διαδικασία της προσοµοίωσης. Το σήµα µετά την έξοδο του φαίνεται στο σχήµα 3.32 µε την ισχύς του να µειώνεται σηµαντικά µετά την διέλευση του από το Fabry Perot φίλτρο. Κατά την προσοµοίωση στα 10GHz είχε οριστεί η ελεύθερη φασµατική περιοχή στα 10GHz µε αποτέλεσµα η οπτική ισχύς να αποδίδεται τµηµατικά σε τακτά χρονικά διαστήµατα ίσα µε το αντίστροφο της ελεύθερης φασµατικής του περιοχής. Τα τακτά χρονικά διαστήµατα ταυτίζονταν µε τα χρονικά διαστήµατα όπου είχαµε ή δεν είχαµε παλµούς. Στην περίπτωση των 40GHz συµβαίνει ακριβώς το ίδιο µε ελεύθερη φασµατική περιοχή (FSR) ορισµένη και εδώ στα 10GHz. Υπενθυµίζουµε ότι Fabry Perot φίλτρου είναι να ισοσταθµίσει κατά κάποιο τρόπο την ισχύ που περιέχει το σήµα πληροφορίας

94 Σχήµα 3.31: Σήµα πακέτων δεδοµένων Σχήµα 3.32: Σήµα πακέτων δεδοµένων µετά την έξοδο από το Fabry Perot φίλτρο µε Finesse = 29,8 Κατά την διάρκεια την διάρκεια της προσοµοίωσης ελήφθησαν αποτελέσµατα για διάφορες τιµές της λεπτότητας του φίλτρου. Συγκεκριµένα ελήφθησαν µετρήσεις για λεπτότητα ίση µε F=50,76, F=37,6, F=29,8, F=19,31, F=14,05 και τέλος F=8,76. Τα αποτελέσµατα προωθήθηκαν στο δεύτερο στάδιο της προσοµοίωσης (σχήµα 3.30). Σε αυτό το στάδιο η ισχύς του CW σήµατος τίθεται στα 100µW ενώ η συχνότητά του είναι 194,15THz που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1545,19nm. Στην έξοδο του ενισχυτή έχει τοποθετηθεί, όπως φαίνεται στο σχήµα 3.30, φίλτρο συντονισµένο στην κεντρική συχνότητα 194,15THz µε εύρος 50GHz. Όσον αφορά το ρεύµα έκχυσης λάβαµε αποτελέσµατα για τιµές 60mA,100mA και 200mA µε διαφορετική όµως τιµή κάθε φορά στον δείκτη λεπτότητας του Fabry Perot φίλτρου. Συγκεκριµένα τα καλύτερα αποτελέσµατα ελήφθησαν για ρεύµα 60mA µε τη λεπτότητα του φίλτρου ρυθµισµένη στα 29,8 και στα 14,05 ενώ όταν αυξήθηκε το ρεύµα στα 100mA και 200mA χρησιµοποιήθηκαν υψηλότερες τιµές λεπτότητας (κοντά στο 37,6). Η καλύτερη µέτρηση αντιστοιχεί σε ρεύµα έκχυσης 200mA και λεπτότητα (Finesse) φίλτρου στα 37,6. Τα αποτελέσµατα των µετρήσεων παρουσιάζονται στον πίνακα 3.3 όπου η ισχύς εξόδου ανταποκρίνεται αυτή την φορά στην ισχύ που έχει η κορυφή της ανάστροφης περιβάλλουσας και όχι στην µέση ισχύ. Εξαιτίας όµως της µεγάλης κυµάτωσης που παρουσιάζει η ισχύς στην περιοχή της κορυφής του σήµατος εκτιµούµε µια µέση τιµή στη ισχύ της κορυφής της ανάστροφης περιβάλλουσας και τη καταγράφουµε σαν ισχύ εξόδου. Σκιαγραφηµένη είναι η ικανοποιητικότερη µέτρηση που θα χρησιµοποιηθεί αποκλειστικά στο επόµενο στάδιο της προσοµοίωσης των 40GHz. Τα αντίστοιχα γραφήµατα του πίνακα 3.3 παρουσιάζονται στο σχήµα ΠΙΝΑΚΑΣ 3.3: Αποτελέσµατα ισχύος για διαφορετικές τιµές στη λεπτότητα του φίλτρου και στο ρεύµα έκχυσης Λεπτότητα φίλτρου Ρεύµα έκχυσης SOA σε ma Ισχύς εξόδου σε mw 37, ,8 37, ,8 60 1,1 14, ,

95 (α) (β) (γ) (δ) Σχήµα 3.33: Ανάστροφες περιβάλλουσες: α) F=0,08 µε ρεύµα έκχυσης του SOA στα 100mA, β) F=0,08 µε ρεύµα έκχυσης του SOA στα 200mA γ) F=0,1 µε ρεύµα έκχυσης του SOA στα 60mA και δ) F=0,2 µε ρεύµα έκχυσης του SOA στα 60mA Μελετώντας τον πίνακα 3.3 καταλήγουµε εύλογα στην διαπίστωση ότι καθώς αυξάνουµε το ρεύµα έκχυσης πρέπει να αυξήσουµε ταυτόχρονα και την λεπτότητα του Fabry Perot φίλτρου για να εµφανιστεί όσο το δυνατόν καλύτερο το επιθυµητό σήµα εξόδου ενώ για χαµηλές τιµές στο ρεύµα έκχυσης του SOA ενισχυτή απαιτείται µείωση της τιµής της λεπτότητας. Θυµίζουµε ότι η προσοµοίωση στα 10GHz είχε δείξει ότι ισχύει ακριβώς το αντίθετο, δηλαδή όσο αυξανόταν το ρεύµα έκχυσης µειωνόταν η λεπτότητα του φίλτρου. Η ερµηνεία για τα 40GHz είναι ότι καθώς αυξάνεται το ρεύµα έκχυσης ο ενισχυτής SOA γίνεται πιο γρήγορος στις αποκρίσεις του µε αποτέλεσµα να χρειαζόµαστε µεγαλύτερη ισοστάθµιση της ισχύς στην είσοδό του (υψηλότερη δηλαδή λεπτότητα στο Fabry Perot φίλτρο) ώστε να λάβουµε το επιθυµητό αποτέλεσµα. Αντιθέτως όσο µειώνεται το ρεύµα µικραίνει ο χρόνος επιστροφής του ενισχυτή στο αρχικό του κέρδος, στο κέρδος δηλαδή που είχε πριν την είσοδο των παλµών του σήµατος, µε αποτέλεσµα να λαµβάνουµε ικανοποιητικά αποτελέσµατα χωρίς την ανάγκη να χρησιµοποιήσουµε υψηλή λεπτότητα που θα οδηγούσε σε στενότερη της επιθυµητής κορυφής της ανάστροφης περιβάλλουσας. Όσο και να φαίνεται περίεργο από τις τιµές των µετρήσεων το ίδιο ισχύει και στην περίπτωση των 10GHz µόνο που υπάρχει µια σηµαντική διαφορά που παίζει πολύ σηµαντικό ρόλο στην λήψη αποτελεσµάτων. Στα 10GHz ο ρυθµός µετάδοσης είναι αρκετά αργός για τους χρόνους απόκρισης του ενισχυτή SOA µε αποτέλεσµα αν για χαµηλά ρεύµατα χρησιµοποιούσαµε και χαµηλές τιµές λεπτότητας, όπως συνέβη

96 στα 40GHz, τότε η κυµάτωση στο σηµείο της κορυφής της ανάστροφης περιβάλλουσας θα ήταν υπερβολικά µεγάλη για να θεωρήσουµε ότι έχουµε το επιζητούµενο αποτέλεσµα. Πάντως και για τους δύο ρυθµούς µετάδοσης δεν κατέστη εφικτό να µειώσουµε περαιτέρω την έντονη κυµάτωση που παρουσιάζεται στην κορυφή της ανάστροφης περιβάλλουσας όλων των αποτελεσµάτων Προσοµοίωση µεταγωγής µε στόχο της βελτιστοποίησή της Όπως συνέβη και στην περίπτωση των 10GHz θα εκτελέσουµε και για την περίπτωση των 40GHz προσοµοίωση της διαδικασίας µεταγωγής µε Μach Zehnder συµβολόµετρο χρησιµοποιώντας ως βοηθητικό σήµα την αναστροφή περιβάλλουσα που λάβαµε από την προηγούµενη προσοµοίωση και µε προφανή στόχο την βελτιστοποίηση της διαδικασίας. Για την επίτευξη του στόχου µας θα προσοµοιώσουµε την είσοδο στο συµβολόµετρο του βοηθητικού σήµατος τόσο σε οµόρροπη συνδεσµολογία όσο και σε αντίρροπη συνδεσµολογία, όπου εξ αρχής αναφέρουµε ότι δεν βρέθηκε κάτι το ικανοποιητικό και για αυτό θα παρουσιαστεί περιληπτικά, ενώ επιπλέον θα λάβουµε αποτελέσµατα µε χρήση ενός CW σήµατος σε οµόρροπη συνδεσµολογία. Πριν παρουσιαστούν τα αποτελέσµατα που ελήφθησαν µε της διάφορες συνδεσµολογίες θα αναφερθούµε στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που θα έχουν όλες οι προσοµοιώσεις και στα σήµατα που θα χρησιµοποιηθούν σε αυτές. Το σήµα εισόδου είναι όµοιο µε αυτό που χρησιµοποιήθηκε στο προηγούµενο στάδιο εισέρχεται από την είσοδο του συµβολόµετρου αλλά έχει συχνότητα 192,75THz που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1556,42nm (σχήµα 3.34α)). Το σήµα παρουσιάζει jitter 0,25ps και έχει επιπλέον προστεθεί θόρυβος µέσης ισχύος 10x10-18 W. Ο θόρυβος αυτός θεωρείται σταθερής ισχύος στην περιοχή κοντά στα 192,75THz. Ως σήµα ελέγχου χρησιµοποιείται το ανακτηµένο ρολόι των πακέτων δεδοµένων το οποίο έχει συχνότητα 193,25THz που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1552,39nm (σχήµα 3.34β)). Επιπλέον το σήµα ανακτηµένου ρολογιού έχει χρόνο ανάκτησης (rise time) ίσο µε 10ps. Στο σήµα ελέγχου έχει προστεθεί θόρυβος µέσης ισχύος 1x10-18 W. Τέλος ως βοηθητικό σήµα χρησιµοποιείται το αποτέλεσµα της προηγούµενης προσοµοίωσης για λεπτότητα φίλτρου 0,1 και ρεύµα έκχυσης στα 200mA. Το σήµα αυτό είναι στα THz που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1545,19nm (σχήµα 3.34γ)). Στις δύο εξόδους του Μach Zehnder συµβολόµετρου έχουν τοποθετηθεί σε σειρά δύο φίλτρα συντονισµένα στην κεντρική συχνότητα 192,75THz και µε εύρος συχνοτήτων 200GHz. Για τον συγχρονισµό των σηµάτων χρησιµοποιούνται στοιχεία καθυστέρησης (delays) ενώ για την ρύθµιση της ισχύος των σηµάτων όπου κρίνεται αναγκαίο χρησιµοποιούνται εξασθενητές (Attenuators)

97 (α) (β) (γ) Σχήµα 3.34: Σήµατα εισόδου στο Μach Zehnder συµβολόµετρο α) σήµα πληροφορίας, β) σήµα ελέγχου, γ) σήµα ανάστροφης περιβάλλουσας µε Finesse=0,1 και ρεύµα έκχυσης του ενισχυτή SOA ίσο µε 200mA Προσοµοίωση µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας σε οµόρροπη συνδεσµολογία Η διάταξη της προσοµοίωσης όπως υλοποιήθηκε στο VPI φαίνεται στο σχήµα 3.35 µε τα τρία σήµατα εισόδου να βρίσκονται στο αριστερό µέρος της διάταξης ενώ στα δεξιά έχουµε τις θύρες εξόδου. Η άνω δεξιά έξοδος αποτελεί την θύρα µεταγωγής. Η ανάστροφη περιβάλλουσα φορτώνεται από το αρχείο που είχε αποθηκευτεί το αποτέλεσµα της προσοµοίωσης της ανίχνευσης της ανάστροφης περιβάλλουσας για λεπτότητα φίλτρου 0,1 και ρεύµα έκχυσης 200mA. Σε πλήρη αντίθεση µε τα 10GHz δεν χρειάζεται να χρησιµοποιηθεί πηγή συνεχούς κύµατος CW χαµηλής ισχύος ώστε να διατηρηθεί σταθερό και σε χαµηλά επίπεδα το κέρδος των ενισχυτών SOA του συµβολόµετρου. Ο ρυθµός µετάδοσης των 40Gbps είναι αρκετά υψηλός µε αποτέλεσµα να διατηρεί το κέρδος των ηµιαγώγιµων ενισχυτών SOAs σχεδόν σταθερό δίχως αυτό να προλαβαίνει να επιστρέψει στα φυσιολογικά του επίπεδα. Στην πραγµατικότητα πάντως το κέρδος των ενισχυτών προλαβαίνει να ανακάµψει όταν υπάρχουν πολλά µηδενικά bit στην σειρά (από 4 και άνω) αλλά προφανώς ο χρόνος πλήρης ανάκαµψης του κέρδους των ενισχυτών είναι πολύ µεγαλύτερος από το ρυθµό µε τον οποίο εισέρχονται στους ενισχυτές οι παλµοί του

98 σήµατος δεδοµένων. Στα 10GHz ο ρυθµός είναι µικρότερος µε αποτέλεσµα να έχουµε πιο εµφανή προβλήµατα που περιορίζονται όπως είδαµε σε προηγούµενες ενότητες µε την χρήση CW χαµηλής ισχύος. Σχήµα 3.35: ιάταξη προσοµοίωσης της βελτιστοποίησης του Mach Zehnder µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας ως βοηθητικό σήµα σε οµόρροπη συνδεσµολογία Κατά την προσοµοίωση υπολογίστηκαν η ισχύς των σηµάτων δεδοµένων, ελέγχου και του βοηθητικού σήµατος, η ένταση του ρεύµατος έκχυσης φορέων των δύο ενισχυτών SOA που υπάρχουν σε κάθε κλάδο του συµβολόµετρου, η καθυστέρηση του ενός από τα σήµατα δεδοµένων και ελέγχου σε σχέση µε το άλλο και τέλος η καθυστέρηση που πρέπει αν έχουν αυτά τα δύο σήµατα ώστε το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας να «πέσει» ανάµεσα στα κενά που δηµιουργούν τα πακέτα δεδοµένων και υπάρχουν αντιστοίχως στο σήµα ελέγχου. Στόχος του βοηθητικού σήµατος είναι να κρατήσει το κέρδος των ενισχυτών σε χαµηλές τιµές όταν δεν διέρχονται δεδοµένα έτσι ώστε να µην εµφανίσουν οι ενισχυτές µεγάλη διακύµανση του κέρδους τους όταν θα εισέλθουν τα πρώτα bit των πακέτων µε άσχηµα αποτελέσµατα για την µορφή του µεταγώµενου σήµατος. Αρχικά υπολογίστηκε ότι η καθυστέρηση του σήµατος δεδοµένων ως προς το σήµα ελέγχου είναι 100ps. Κατόπιν ενεργοποιήθηκε το βοηθητικό σήµα και υπολογίστηκε η επιπλέον καθυστέρηση των άλλων σηµάτων σε 160ps, δηλαδή η καθυστέρηση του σήµατος ελέγχου είναι 160ps και του σήµατος δεδοµένων 260ps. Λόγω του υψηλού ρυθµού µετάδοσης η διαδικασία είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη σε µικρές µεταβολές των καθυστερήσεων των σηµάτων σε αντίθεση µε τα 10GHz όπου φαινόταν να συγχρονίζονται τα σήµατα για µια σχετικά ευρύτερη περιοχή τιµών όσων αφορά την µεταξύ τους καθυστέρηση. Εν συνεχεία βρέθηκε ότι η ισχύς κορυφής (peak power) του σήµατος ελέγχου είναι ίση µε 0,2mW ενώ η µέση ισχύς του κατά την είσοδο στο συµβολόµετρο είναι 64µW. Τελικά η ισχύς κορυφής που θα διεγείρει την µη γραµµικότητα του SOA είναι 50µW δηλαδή το ¼ της συνολικής αρχικής ισχύος. Η ισχύς του σήµατος εισόδου βρέθηκε στα 2mW ενώ η µέση ισχύς του σήµατος στην είσοδο του Μach Zehnder µετρήθηκε στα 58µW. Η ισχύς αυτή θα µοιραστεί στους δύο κλάδους του Μach Zehnder µέσω ενός 50:50 οπτικού συζεύκτη. Όσον αφορά το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας η ισχύς του ρυθµίζεται µε την χρήση ενός εξασθενητή και η µέση ισχύς του βρέθηκε στα 94µW. Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζει η ισχύς της κορυφής του σήµατος της ανάστροφης περιβάλλουσας γιατί είναι αυτή ακριβώς η ισχύς που θα κρατήσει κορεσµένους τους SOAs όταν δεν θα

99 υπάρχουν µέσα στο συµβολόµετρο άλλα σήµατα και µετρήθηκε στην είσοδο του Μach Zehnder στα 220µW. Τέλος η ένταση του ρεύµατος έκχυσης των φορέων των ενισχυτών SOA ρυθµίστηκε στα 200mA όπου ελήφθησαν τα παρακάτω αποτελέσµατα ενώ µετρήσεις µε ικανοποιητικά αποτελέσµατα ελήφθησαν και για ρεύµα έκχυσης 300mA. Συγκεκριµένα τα αποτελέσµατα είναι: Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 560µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 71µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 7,88 που ισοδυναµεί µε 8,96dB Τέλος από το διάγραµµα µατιού υπολογίσαµε την διαµόρφωση πλάτους των παλµών σε 1,7 που ισοδυναµεί µε 2,3dB και τον λόγο αντίθεσης µεταξύ επιθυµητού και ανεπιθύµητου σήµατος (extinction ratio) ίσο µε 7,5 που ισοδυναµεί µε 8,75dB Τα γραφήµατα του σήµατος εξόδου και του διαγράµµατος µατιού για 200mA φαίνονται στο σχήµα Σχήµα 3.36: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής και το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού σε οµόρροπη συνδεσµολογία Τα παραπάνω αποτελέσµατα δείχνουν ξεκάθαρα ότι παρόλο που έχουµε πετύχει αρκετά υψηλό λόγο αντίθεσης ισχύος µεταξύ της θύρας µεταγωγής και µη µεταγωγής έχουµε έντονη διαµόρφωση παλµών στο σήµα εξόδου ενώ ο λόγος αντίθεσης είναι σχετικά χαµηλός. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της προσοµοίωσης στα 40GHz είναι η δυνατότητα να µεταβάλλουµε την ισχύς του σήµατος πληροφορίας σε ένα µεγάλο φάσµα τιµών και να λαµβάνουµε ικανοποιητικά αποτελέσµατα. Παρότι στην συγκεκριµένη προσοµοίωση παρουσιάστηκαν τα αποτελέσµατα για ισχύς σήµατος πληροφορίας στα 2mW εξίσου καλά αποτελέσµατα λάβαµε µε ισχύ στα 4mW και στα 8mW αλλά και σε ενδιάµεσες τιµές. Η παρατήρηση αυτή είναι αρκετά σηµαντική καθώς σε µια ευρύτερη εφαρµογή το σήµα πληροφορίας διέρχεται από άλλες βαθµίδες και φθάνει στο στάδιο της µεταγωγής σε κάποια θύρα χωρίς να έχει πάντα µια προκαθορισµένη ισχύ αλλά η ισχύς του να κυµαίνεται σε µία περιοχή τιµών. Οι αντίστοιχες µετρήσεις στα 300mA ρεύµατος έκχυσης για τις παραπάνω τιµές ισχύος έδειξαν µία σχετική σταθεροποίηση των αποτελεσµάτων ως προς την λειτουργία της διάταξης. Για ευνόητους λόγους από αυτά τα αποτελέσµατα θα παρουσιαστούν µόνο οι καµπύλες του BER (σχήµα 3.37 και σχήµα 3.43) µιας και αυτό αποτελεί το βασικότερο κριτήριο για την αποδοτικότητα της διάταξης. Αξιοσηµείωτο είναι ότι για

100 τα 8mW έχουµε όπως φαίνεται και στο σχήµα 3.37 το χαµηλότερο BER κάτι που δεν περιµέναµε παρατηρώντας το όχι και τόσο καλό διάγραµµα µατιού του σε σχέση µε τα υπόλοιπα. Σχήµα 3.37: Αποτελέσµατα µέτρησης BER για οµόρροπη συνδεσµολογία και µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας Προσοµοίωση µε χρήση ενός CW ως βοηθητικό σήµα σε οµόρροπη συνδεσµολογία Η διάταξη της προσοµοίωσης όπως υλοποιήθηκε στο VPI φαίνεται στο σχήµα Αντί για το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας χρησιµοποιείται ένα CW σήµα. Το CW σήµα θα βοηθήσει ως γνωστό στην βελτιστοποίηση της λειτουργίας της διάταξης περιορίζοντας όσο το δυνατόν περισσότερο την ενίσχυση του θορύβου και ισοσταθµίζοντας την ισχύ των παλµών εξόδου. Επιπρόσθετα µε το CW σήµα έχουµε ένα σηµείο αναφοράς για να συγκρίνουµε τα αποτελέσµατα της προηγούµενης προσοµοίωσης ως προς την αποδοτικότητάς τους

101 Σχήµα 3.38 : ιάταξη προσοµοίωσης της βελτιστοποίησης του Mach Zehnder µε χρήση ενός CW ως βοηθητικό σήµα σε οµόρροπη συνδεσµολογία Η πρώτη ενέργεια που πραγµατοποιήθηκε κατά την προσοµοίωση ήταν να υπολογιστεί η καθυστέρηση του σήµατος δεδοµένων ως προς το σήµα ελέγχου ώστε τα δύο σήµατα εν τέλει να συγχρονιστούν µέσα στο συµβολόµετρο. Η καθυστέρηση αυτή υπολογίστηκε στα 100ps κάτι που περιµέναµε εξαιτίας της οµοιότητας των σηµάτων εισόδου µε αυτά της προηγούµενης προσοµοίωσης. Το ρεύµα έκχυσης των ενισχυτών είναι ίσο µε 200mA ενώ όπως και στην προηγούµενη περίπτωση έγιναν προσοµοιώσεις και για τα 300mA. Σχετικά µε το σήµα ελέγχου υπολογίσαµε την ισχύ κορυφής (peak power) του σήµατος ελέγχου στα 0,6mW µε µέση ισχύς στα 187µW. Για τον ίδιο λόγο τελικά η ισχύς κορυφής του σήµατος ελέγχου που θα διεγείρει την µη γραµµικότητα του πάνω SOA είναι ίση µε 0,15mW. Για το σήµα δεδοµένων τα καλύτερα αποτελέσµατα ελήφθησαν για ισχύς κορυφής 4,5mW η οποία µεταφράζεται σε 100µW µέση ισχύ στην είσοδο του συµβολόµετρου. Μεταβάλλοντας την ισχύ του σήµατος δεδοµένων από 2mW µέχρι και 8mW παρατηρήθηκε µια σταθεροποίηση της διάταξης κοντά στα αποτελέσµατα που βρέθηκαν και παρουσιάζονται παρακάτω. Αντιθέτως η παραµικρή µεταβολή της ισχύς του σήµατος ελέγχου αναιρεί την κυµατοδήγηση της οπτικής ισχύς στην θύρα µεταγωγής. Τέλος η ισχύς του CW βρέθηκε να είναι 0,4mW κάτι που συνεπάγεται 200µW στην είσοδο του συµβολόµετρου. Η τιµή αυτή είναι σχεδόν ίδια µε την ισχύ κορυφής της ανάστροφης περιβάλλουσας της προηγούµενης προσοµοίωσης (220µW) γεγονός που καθιστά την άµεση σύγκριση των δύο προσοµοιώσεων εφικτή ώστε να προκύψουν αξιόπιστα συµπεράσµατα. Τα αποτελέσµατα και οι γραφικές παραστάσεις παρουσιάζονται παρακάτω: Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 409,75µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 34,26µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 11,96 που ισοδυναµεί µε 10,8dB Τέλος από το Eye Diagram υπολογίσαµε την διαµόρφωση πλάτους των παλµών σε 1,42 που ισοδυναµεί µε 1,5dB και τον λόγο αντίθεσης µεταξύ επιθυµητού και ανεπιθύµητου σήµατος (extinction ratio) ίσο µε 27 που ισοδυναµεί µε 14,13dB

102 Σχήµα 3.39: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής και το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού σε οµόρροπη συνδεσµολογία Τα αποτελέσµατα αυτής της διάταξης προέκυψαν πάρα πολύ καλά. Τα επίπεδα του θορύβου είναι πολύ χαµηλά κάτι που µαρτυράει και η ιδιαίτερα υψηλή τιµή του λόγου αντίθεσης (14,13dB) που είναι και από τις υψηλότερες σε αυτό το κεφάλαιο. Ο λόγος αντίθεση ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής στα 10,8dB είναι επίσης ο υψηλότερος που έχει βρεθεί στις προσοµοιώσεις που έγιναν ενώ η διαµόρφωση παλµών λαµβάνει µια σχετικά τυπική τιµή. Και σε αυτήν την περίπτωση λάβαµε καµπύλες BER (σχήµα 3,40) χρησιµοποιώντας τις εξής τιµές ισχύος για το σήµα πληροφορίας (2mW, 4mW, 4,5mW, 8mW). Είναι προφανές ότι για 4,5mW πετυχαίνουµε χαµηλότερο BER ενώ το δεύτερο καλύτερο αποτέλεσµα λαµβάνεται για τα 8mW. Σχήµα 3.40: Αποτελέσµατα µέτρησης BER για οµόρροπη συνδεσµολογία και µε χρήση CW σήµατος

103 Προσοµοίωση µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας σε αντίρροπη συνδεσµολογία Αυτή είναι η τελευταία προσοµοίωση που θα παρουσιαστεί στο συγκεκριµένο κεφάλαιο. Η µορφή της διάταξης της προσοµοίωσης φαίνεται στο σχήµα Αντίστοιχα µε την προσοµοίωση των 40GHz όπου χρησιµοποιήθηκε το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας χρησιµοποιήθηκε και εδώ το αποτέλεσµα µε λεπτότητα φίλτρου 0,1 και ρεύµα έκχυσης 200mA. Το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας έχει ήδη παρουσιαστεί στην αρχή της ενότητας και φαίνεται στο σχήµα 3.34 ενώ και σε αυτή την περίπτωση, όπως και για οµόρροπη συνδεσµολογία, δεν χρειάστηκε η επιπρόσθετη χρήση CW χαµηλής ισχύος για λόγους που έχουν ήδη διατυπωθεί. Σχήµα 3.41 : ιάταξη προσοµοίωσης της βελτιστοποίησης του Mach Zehnder µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας ως βοηθητικό σήµα σε αντίρροπη συνδεσµολογία Σε αυτήν την περίπτωση παρότι η καθυστέρηση µεταξύ των σηµάτων ελέγχου και δεδοµένων είναι αναµενόµενα ίση µε 100ps χρειάστηκε να βρεθεί η καθυστέρηση που αυτά πρέπει να έχουν σε σχέση µε το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας ώστε να µην βρεθούν τα τρία σήµατα ταυτόχρονα µέσα στους ενισχυτές SOAs. Ο συγχρονισµός επιτυγχάνεται όταν καθυστερούν τα σήµατα δεδοµένων και ελέγχου σε σχέση µε το βοηθητικό σήµα κατά 460ps και 360ps αντίστοιχα. Για την ισχύ των τριών σηµάτων ελήφθησαν οι εξής µετρήσεις. Το σήµα ελέγχου υπολογίστηκε στα 0,2mW που αντιστοιχεί στην είσοδο του Μach Zehnder σε 64µW. Η ισχύς του σήµατος δεδοµένων βρέθηκε στα 4mW τιµή που στην είσοδο του συµβολόµετρου δίνει µέση τιµή 91µW. Με την χρήση ενός εξασθενητή ρυθµίσαµε την µέση ισχύ της ανάστροφης περιβάλλουσας στα 547µW. Τα αποτελέσµατα σχετικά µε τις ισχύς στις εξόδους του Μach Zehnder συµβολόµετρου, του λόγου αντίθεσης, της διαµόρφωσης παλµών και του λόγου ισχύος µεταξύ των δύο θυρών του συµβολόµετρου παρουσιάζονται ευθύς αµέσως. Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 687µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 99mW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 6,94 που ισοδυναµεί µε 8,41dB Τέλος από το διάγραµµα µατιού υπολογίσαµε την διαµόρφωση πλάτους των παλµών σε 2,6 που ισοδυναµεί µε 4,1dB και τον λόγο αντίθεσης µεταξύ

104 επιθυµητού και ανεπιθύµητου σήµατος (extinction ratio) ίσο µε 4,55 που ισοδυναµεί µε 6,6dB Σχήµα 3.42: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής σε αντίρροπη συνδεσµολογία Ο λόγος αντίθεσης είναι πάρα πολύ χαµηλό και η διαµόρφωση παλµών τόσο υψηλή ώστε κρίνεται ανούσιος να µετρήσουµε BER για αυτή την περίπτωση. Το γεγονός ότι ο υψηλότερος παλµός είναι 2,6 φορές µεγαλύτερος από τον χαµηλότερο συνεπάγεται πολύ χαµηλό BER και την ανάγκη ισοστάθµισης των παλµών στην έξοδο µεταγωγής του συµβολόµετρου Συµπεράσµατα Συγκεντρωτικά µπορούµε να καταλήξουµε στα εξής συµπεράσµατα : Η οµόρροπη συνδεσµολογία υπερισχύει προφανέστατα της αντίρροπης συνδεσµολογίας η οποία όπως παρουσιάστηκε αδυνατεί να δώσει ικανοποιητικά αποτελέσµατα Μεγαλύτερο λόγο αντίθεσης και λόγο ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής έχουµε όταν ο κορεσµός των ενισχυτών πραγµατοποιείται µε την βοήθεια CW σήµατος και όχι της ανάστροφης περιβάλλουσας. Οι διαφορά µάλιστα είναι αρκετά µεγάλη για να χωρέσει αµφιβολία ως προς το προηγούµενο συµπέρασµα. Επιπρόσθετα η διαµόρφωση των παλµών είναι µικρότερη µε την χρήση του CW. Στο σχήµα 3.43 φαίνονται τα αποτελέσµατα τόσο για CW όσο και για ανάστροφη περιβάλλουσα για ρεύµα έκχυσης 300mA. Οι καµπύλες αντιστοιχούν σε διαφορετική ισχύ του σήµατος πληροφορίας. Τα αποτελέσµατα δείχνουν ότι η χρήση CW σε οποιαδήποτε από τις µετρούµενες τιµές ισχύος είναι προτιµότερη από την χρήση ανάστροφης περιβάλλουσας ενώ η ισχύς του σήµατος πληροφορίας δεν παίζει ουσιαστικό ρόλο αφού οι καµπύλες BER που διαφέρουν µόνο ως προς αυτή την παράµετρο φαίνονται να ταυτίζονται. Στο σχήµα 3.44 εκτελούµε µια σύγκριση για το ποια τιµή ρεύµατος έκχυσης είναι η προτιµότερη. Οι καµπύλες BER που χρησιµοποιήθηκαν αναφέρονται σε 4mW ισχύς του σήµατος πληροφορίας ενώ παράλληλα λαµβάνουµε υπόψη και τα δύο βοηθητικά σήµατα. Συγκεκριµένα η κόκκινη και µαύρη καµπύλη αντιστοιχούν σε ρεύµα 200mA ενώ η κίτρινη και µπλε καµπύλη σε ρεύµα 300mA. Και δια γυµνού οφθαλµού στα 200mA τα αποτελέσµατα είναι καλύτερα

105 Σχήµα 3.43: Αποτελέσµατα µέτρησης BER για οµόρροπη συνδεσµολογία και µε ρεύµα έκχυσης στα 300mA Σχήµα 3.44: Συγκριτικά αποτελέσµατα BER για σήµα εισόδου 4mW µε χρήση CW αλλά και ανάστροφης περιβάλλουσας στα 200mA και 300mA Γνωρίζοντας ότι το CW δουλεύει καλύτερα και το ρεύµα έκχυσης των ενισχυτών SOAs πρέπει να είναι 200mA δεν µας µένει παρά να αποσαφηνίσουµε πότε έχουµε την βέλτιστη λειτουργία της διάταξής µας

106 σύµφωνα βέβαια µε τις µετρήσεις BER. Από το σχήµα 3.45, όπου έχουµε συγκεντρώσει όλα τα αποτελέσµατα των προσοµοιώσεων για τα 200mA, φαίνεται η υπεροχή του συνδυασµού CW και ισχύος του σήµατος πληροφορίας στα 4,5mW ενώ φαίνεται επίσης ότι η χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας δίνει ταυτόσηµες καµπύλες BER µε αυτές που δίνει το CW για τις υπόλοιπες τιµές ισχύος. Τέλος καθώς αυξάνουµε την ισχύ του σήµατος δεδοµένων το BER των προσοµοιώσεων µε βοηθητικό σήµα την ανάστροφη περιβάλλουσα µπορούµε να παρατηρήσουµε ότι µικραίνει. Το BER µπορεί, όπως έχουµε αναφέρει ήδη, να είναι το βασικότερο µέγεθος µέτρησης της αποδοτικότητας µίας διάταξης αλλά δεν είναι και το µοναδικό. Ο λόγος αντίθεσης, η διαµόρφωση παλµών και ο λόγος της ισχύος µεταγωγής µεταξύ των θυρών του Μach Zehnder συµβολόµετρου που παρουσιάστηκαν στις προηγούµενες παραγράφους µας δίνουν σηµαντικότατα στοιχεία για την λειτουργικότητα της διάταξης και συνηγορούν υπέρ του συµπεράσµατος ότι η ανάστροφη περιβάλλουσα σαν βοηθητικό σήµα δεν µπορεί να αντικαταστήσει επάξια το CW σήµα που ως γνωστό χρησιµοποιείται ευρέως ως τρόπος βελτιστοποίησης του Μach Zehnder συµβολόµετρου. Σχήµα 3.45: Συνολικά αποτελέσµατα µέτρησης BER για 200mA Παρατηρώντας την µέση ισχύς εξόδου για όλες τις προσοµοιώσεις που έγιναν στα 40GHz οδηγούµαστε, όπως και στα 10GHz, στο συµπέρασµα ότι ναι µεν µε την χρήση CW περιορίζεται η ενίσχυση των δεδοµένων σε σχέση µε την περίπτωση όπου χρησιµοποιείται η ανάστροφη περιβάλλουσα αλλά αυτό γίνεται σε περιορισµένο βαθµό. Τέλος ελέγχουµε, όπως κάναµε και για τα 10GHz, το κατά πόσο η διάταξη µας βελτιώνει ποιοτικά το σήµα πληροφορίας που δέχεται στην είσοδό της. Στο σχήµα 3.46 έχουµε την µορφή του σήµατος στην είσοδο µε το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού καθώς και τις µορφές που λαµβάνουµε στην θύρα µεταγωγής. Αν συγκρίνουµε τις γραφικές παραστάσεις µεταξύ τους οδηγούµαστε στην διαπίστωση ότι πράγµατι υπάρχει σηµαντική βελτίωση στην µορφή του και περιορισµός της στάθµης του θορύβου

107 (α) (β) (γ) (δ) (ε) (στ) Σχήµα 3.46: α), β) Σήµα πληροφορίας στην είσοδο του Μach Zehnder µε το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού γ), δ) Σήµα εξόδου µε το αντίστοιχο διάγραµµά µατιού µε χρήση της ανάστροφης περιβάλλουσας ε), στ) Σήµα εξόδου µε το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού µε χρήση του CW ως βοηθητικού σήµατος

108 3.5 Επίλογος Σε αυτό το κεφάλαιο της διπλωµατικής εργασίας έγιναν προσοµοιώσεις µε στόχο να αποδειχθεί ότι υπάρχουν και άλλα βοηθητικά σήµατα, πέρα του σήµατος συνεχής ισχύος CW, που µπορούν να βελτιστοποιήσουν την λειτουργία ενός Mach Zehnder συµβολόµετρου. Το σήµα που χρησιµοποιήθηκε είναι η ανάστροφη περιβάλλουσα του σήµατος πληροφορίας. Το σήµα αυτό δεν είναι κατά ανάγκη το µοναδικό που µπορεί να ικανοποιήσει τον στόχο µας αλλά είναι αυτό που χρησιµοποιήθηκε στην παρούσα περίπτωση. Η επιλογή του δεν ήταν τυχαία αλλά προέκυψε από µία ιδέα που έχει γραφτεί και αιτιολογηθεί στην αρχή του κεφαλαίου. Τα αποτελέσµατα των προσοµοιώσεων τόσο στα 10GHz όσο και στα 40GHz δείχνουν ότι ναι µεν η χρήση αυτού του σήµατος βελτιώνει την λειτουργία του Μach Zehnder και σε πολλές περιπτώσεις δίνει και πολύ καλά αποτελέσµατα αλλά από την άλλη δεν µπορεί να ανταγωνιστεί επάξια τα αποτελέσµατα που δίνει η χρήση CW σήµατος κάτι που αποτελούσε και αρχικό στόχο της διπλωµατικής

109 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΜACH ZEHNDER ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΟΥ 4.1 Εισαγωγή Αρκετές φορές, σε προηγούµενες ενότητες, έγινε αναφορά στην σηµασία που δίνει τα τελευταία χρόνια η φωτονική τεχνολογία στα Mach Zehnder συµβολόµετρα. Οι δυνατότητες και ο χώρος εφαρµογής αυτών των συµβολόµετρων διευρύνεται συνεχώς καθώς νέες ιδέες οδηγούν την έρευνα για ανάπτυξη καινούργιων εφαρµογών και διατάξεων που θα βασίζονται σε αυτά. Τα αποτελέσµατα των τελευταίων τριών ετών είναι µάλλον ενθαρρυντικά αποδεικνύοντας ταυτόχρονα ότι ακόµα υπάρχουν µεγάλα περιθώρια βελτίωσης και εξέλιξη στον τοµέα αυτό. ύο από τις διαδικασίες που θα µας απασχολήσουν σε αυτό το κεφάλαιο είναι η µεταγωγή µε χρήση ενός Mach Zehnder συµβολόµετρου, που έχει περιγραφεί και στο κεφάλαιο 3 και η µετατροπή µήκους κύµατος µε χρήση πάλι ενός Mach Zehnder συµβολόµετρου. Στην διαδικασία της µεταγωγής το συµβολόµετρο συµπεριφέρεται σαν µία οπτική πύλη AND όπου αν υπάρχει σήµα ελέγχου προωθεί το εισερχόµενο σήµα στην θύρα µεταγωγής (Switched Port) ενώ στην αντίθετη περίπτωση (χωρίς σήµα ελέγχου) προωθεί το εισερχόµενο σήµα στην θύρα µη µεταγωγής (Unswitched Port). Η κατάσταση µεταγωγής χαρακτηρίζεται ως ΟΝ και η κατάσταση µη µεταγωγής ως OFF. Στην διαδικασία της µετατροπής µήκους κύµατος το σήµα ελέγχου, που βρίσκεται σε µήκος κύµατος διαφορετικό από το µήκος κύµατος του σήµατος εισόδου, έρχεται και «γράφεται», εξαιτίας του φαινοµένου της ετεροδιαµόρφωσης φάσης (XPM), πάνω στο σήµα εισόδου που συνήθως είναι ένα συνεχές CW σήµα. Το αποτέλεσµα αυτής της διαδικασίας είναι στην θύρα µεταγωγής του συµβολόµετρου να λάβουµε το σήµα ελέγχου στο µήκος κύµατος του σήµατος εισόδου

110 4.2 Θεωρητικό µοντέλο διερεύνησης της λειτουργίας ενός Μach Zehnder συµβολόµετρου Σε αυτό το κεφάλαιο µας απασχολεί η διερεύνηση της λειτουργίας του Mach Zehnder συµβολόµετρου µε χρήση ως σήµατος εισόδου της περιβάλλουσας που προκύπτει από το σήµα δεδοµένων. Οι διαδικασίες που θα µελετηθούν είναι η µεταγωγή και η µετατροπή µήκους κύµατος ενώ όπως ήδη έχει αναφερθεί στην εισαγωγή (κεφάλαιο 1) οι προσοµοιώσεις πραγµατοποιούνται στα 10GHz µε σήµα NRZ µορφής και στα 40GHz µε σήµα RZ µορφής. Η ανάγκη για την παραπάνω µελέτη προέκυψε από το ενδιαφέρον που παρουσιάζεται σε διάφορες δηµοσιεύσεις γύρω από την χρήση του σήµατος της περιβάλλουσας σε διαδικασίες όπου γίνεται µεταγωγή πακέτων πληροφορίας από κάποια είσοδο στην επιθυµητή έξοδο. Το ξεχωριστό σε αυτές τις διατάξεις είναι το ότι στην είσοδο τους εισέρχονται πακέτα διαφορετικής προέλευσης. Αν σκεφτεί κανείς µία διάταξη η οποία αρχικά αναγεννάει τα πακέτα πληροφορίας που λαµβάνονται από διαφορετικές πηγές, έχουν προφανώς µεταξύ τους διαφορετικά επίπεδα ισχύς, και κατόπιν πραγµατοποιεί µεταγωγή από κάποια είσοδο σε κάποια έξοδο τότε έχει κάποιος ουσιαστικά έναν οπτικό δροµολογητή. Βέβαια η διαδικασία δεν είναι τόσο απλή, υπάρχουν και άλλες βασικές προϋποθέσεις, όµως η βασική αρχή λειτουργίας είναι αυτή που ήδη περιγράφθηκε. Η διαδικασία µεταγωγής θα µπορούσε να πραγµατοποιηθεί χρησιµοποιώντας Mach Zehnder συµβολόµετρα σε σειρά. Υπάρχει όµως ένα σηµαντικό πρόβληµα. Η πιθανότητα ταυτόχρονης άφιξης των πακέτων πληροφορίας που θα οδηγούσε σε ανεπιθύµητες συγκρούσεις κατά την διαδικασία της µεταγωγής. Αυτό δεν θα το θέλαµε σε καµία περίπτωση για αυτό πρέπει να υλοποιηθεί κάποιος τρόπος ώστε να αποφεύγονται τέτοιες καταστάσεις. Μια πρόταση που έχει ήδη παρουσιαστεί µε επιτυχία βασίζεται στην ανίχνευση της περιβάλλουσας των πακέτων δεδοµένων για κάθε σήµα διαφορετικής προέλευσης ξεχωριστά και χρήση των περιβαλλουσών για την διαδικασία της µεταγωγής αφού πρώτα συγκριθούν µεταξύ τους και δεν υπάρχει επικάλυψη [32]. Στην περίπτωση που υπάρχει επικάλυψη προωθείτε το ένα από τα σήµατα, ανάλογα µε το ποιο έχει προτεραιότητα, και ακολουθεί κατόπιν το επόµενο στην διαδικασία της µεταγωγής. Από τα παραπάνω φαίνεται ότι η περιβάλλουσα του σήµατος δεδοµένων µπορεί να διαδραµατίσει σηµαντικότατο ρόλο σε µελλοντικές διατάξεις (προωθήσεις των πακέτων σε αµιγώς οπτικούς πίνακες µεταγωγής). Επιπρόσθετα η περιβάλλουσα ενός σήµατος δεδοµένων έχει σαν σήµα το ίδιο µήκος µε αυτό των πακέτων δεδοµένων, είναι ουσιαστικά το ίχνος των πακέτων δεδοµένων. Αυτό το χαρακτηριστικό δείχνει αρκετά ελκυστικό για χρήση της και σε άλλες διαδικασίες πέρα από αυτή που πριν λίγο αναφέραµε. Η περιβάλλουσα του σήµατος δεδοµένων (σχήµα 4.1) είναι ένα σήµα που παρουσιάζει σχεδόν σταθερή ισχύς για την περιοχή όπου το σήµα πληροφορίας περιέχει πακέτα, δηλαδή δυφία, ενώ µηδενίζεται στην περιοχή όπου το σήµα πληροφορίας µηδενίζεται. Σαν σήµα η περιβάλλουσα χρησιµοποιείται συνήθως για την ανίχνευση της ύπαρξης πακέτων αλλά και για την διάρκεια που αυτά έχουν. Η εξαγωγή της αποτελεί µια σχετικά απλή διαδικασία [32], [33]. Το σήµα αυτό µπορεί εποµένως να εξαχθεί εύκολα για κάθε σήµα εισόδου και να χρησιµοποιηθεί κατόπιν ως σήµα σύγκρισης ώστε να αποφευχθούν οι συγκρούσεις στο εσωτερικό της διάταξης µεταξύ των διαφόρων σηµάτων εισόδου. Σχήµα 4.1: Μορφή του σήµατος εισόδου και της περιβάλλουσας που προκύπτει από αυτό

111 4.2.1 ιάταξη ανίχνευσης της περιβάλλουσας Η ανίχνευση της περιβάλλουσας έχει ήδη πραγµατοποιηθεί σε πειραµατικό επίπεδο µε την χρήση ενός ring laser βασισµένο σε SOA [32]. Η τεχνική που χρησιµοποιήθηκε στην διπλωµατική εργασία είναι διαφορετική και βασίζεται στην χρήση ενός Μach Zehnder συµβολόµετρου. Συγκεκριµένα αν στην είσοδο του συµβολόµετρου τοποθετηθεί ένα σήµα συνεχούς ισχύος CW και ως σήµα ελέγχου χρησιµοποιηθεί το σήµα πληροφορίας τότε στην θύρα µεταγωγής του συµβολόµετρου θα προκύψει η περιβάλλουσα του σήµατος πληροφορίας ενώ στην θύρα µη µεταγωγής θα προκύψει η ανάστροφη περιβάλλουσα του σήµατος πληροφορίας. Και τα δύο σήµατα εξόδου θα είναι στην ίδια συχνότητα µε το CW σήµα εισόδου. Για να είναι τα αποτελέσµατα ικανοποιητικά πριν το σήµα ελέγχου, που δεν είναι άλλο από το σήµα πληροφορίας, εισέλθει στο Mach Zehnder συµβολόµετρο κρίνεται αναγκαίο να διέλθει από ένα φίλτρο Fabry Perot. Τα µήκη κύµατος των σηµάτων ελέγχου και εισόδου (CW) πρέπει προφανώς να εµπίπτουν στην φασµατική περιοχή που παρουσιάζουν κέρδος οι ενισχυτές SOAs του συµβολόµετρου. Σχήµα 4.2: ιάταξη ανίχνευσης της περιβάλλουσας σε οµόρροπη συνδεσµολογία Όπως φαίνεται µπορούµε µε αυτό τον τρόπο να λάβουµε και το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας που χρησιµοποιήθηκε για διαφορετική σκοπιµότητα στο προηγούµενο κεφάλαιο. Τα αποτελέσµατα όµως και για τα δύο σήµατα, που θα παρουσιαστούν σε επόµενες ενότητες, δείχνουν ότι αυτή η τεχνική λήψης της περιβάλλουσας και της ανάστροφης περιβάλλουσας ενός σήµατος δεδοµένων δεν υστερεί σε τίποτα σε σχέση µε την τεχνική του βασισµένο σε SOA Ring Laser [32] όσον αφορά την εξαγωγή της περιβάλλουσα ούτε του ενός SOA που έχει ήδη χρησιµοποιηθεί για την εξαγωγή της ανάστροφης περιβάλλουσας. Εδώ όµως πρέπει να αποσαφηνιστεί ξεκάθαρα ότι τα συµπεράσµατα αυτά προκύπτουν από τα αποτελέσµατα που είχαµε στα 40GHz. Αντιθέτως στα 10GHz η χρήση του Mach Zehnder µε σήµα RZ παλµών υστερεί σε σχέση µε τις δύο προηγούµενες µεθόδους. Παρότι τέλος για την ανάστροφη περιβάλλουσα οι δύο τεχνικές παρουσιάζουν αρκετές οµοιότητες θεωρήθηκε πιο απλή και οικονοµική, στο προηγούµενο κεφάλαιο, η χρήση ενός ηµιαγώγιµου ενισχυτή SOA από την χρήση ολόκληρου Mach Zehnder συµβολόµετρου και για να έχουµε τα καλύτερα δυνατά αποτελέσµατα στα 10GHz. Αναλυτικότερα η διάταξη µας αποτελείται από ένα Mach Zehnder συµβολόµετρο, ένα Fabry Perot φίλτρο και µία πηγή παραγωγής του σήµατος πληροφορίας. Το σήµα πληροφορίας εισέρχεται ως σήµα ελέγχου στον ένα κλάδο του Mach Zehnder συµβολόµετρου µε αποτέλεσµα να διεγείρει την µη γραµµικότητα του ενός από τους δύο SOAs του συµβολόµετρου. Στην είσοδο του συµβολόµετρου είναι συνδεδεµένη µια πηγή σήµατος CW συγχρονισµένη στο µήκος κύµατος που επιθυµούµε να προκύψει το σήµα της περιβάλλουσας

112 Η αρχή λειτουργίας της διάταξης βασίζεται στο φαινόµενο της ετεροδιαµόρφωσης φάσης (XPM). Το ισχυρό σήµα ελέγχου που εισέρχεται στον ενισχυτή SOA του ενός κλάδου του συµβολόµετρου προκαλεί µεταβολή της φάσης του σήµατος εισόδου κατά π. Από τον άλλο κλάδο του συµβολόµετρου διέρχεται µόνο το σήµα εισόδου, δηλαδή το CW σήµα, ενισχυµένο εξαιτίας της διέλευσής του από τον ενισχυτή SOA. Τα δύο αυτά σήµατα θα συµβάλλουν ως γνωστόν προσθετικά και αναιρετικά στις δύο θύρες εξόδου του συµβολόµετρου. Συγκεκριµένα κατά την διάρκεια διέλευσης των πακέτων θα υπάρχει σήµα ελέγχου µε αποτέλεσµα να έχουµε προσθετική συµβολή των σηµάτων στην θύρα µεταγωγής και αναιρετική συµβολή στην θύρα µη µεταγωγής. Αυτό σηµαίνει ότι η οπτική ισχύς, που είναι σταθερή εξαιτίας του συνεχούς ισχύος σήµατος εισόδου, θα εξέλθει στην θύρα µεταγωγής ενώ στην θύρα µη µεταγωγής δεν θα υπάρχει ισχύς. Αντίστοιχα όταν δεν έχουµε διέλευση πακέτων το σήµα ελέγχου θα έχει µηδενική ισχύ µε αποτέλεσµα να έχουµε αντίστροφα προσθετική συµβολή στην θύρα µη µεταγωγής, από όπου θα εξέλθει η οπτική ισχύς του σήµατος εισόδου και αναιρετική συµβολή στην θύρα µεταγωγής όπου και δεν θα υπάρχει ισχύς. Συνδυάζοντας τα παραπάνω είναι προφανές ότι στην θύρα µεταγωγής θα εµφανιστεί εν τέλει η περιβάλλουσα του σήµατος ελέγχου ενώ στην θύρα µη µεταγωγής του Mach Zehnder θα προκύψει η ανάστροφη περιβάλλουσα του σήµατος ελέγχου. Στις επόµενες παραγράφους θα αναφέρουµε δύο σηµαντικές λεπτοµέρειες που θα διαδραµατίζουν σπουδαίο ρόλο στην λήψη του επιθυµητού αποτελέσµατος. Φαίνεται από την παραπάνω περιγραφή του φαινοµένου ότι εµφανίζεται σηµαντικότατο πρόβληµα στην περίπτωση που στα πακέτα δεδοµένων υπάρχει bit ίσο µε µηδέν, δηλαδή δεν υπάρχει παλµός και κατά συνέπεια το σήµα ελέγχου έχει µηδενική ισχύ. Σε αυτήν την περίπτωση θα αναµέναµε την µη µεταγωγή της οπτικής ισχύς στην θύρα µεταγωγής αλλά την έξοδό της στην θύρα µη µεταγωγής µε άµεσο αποτέλεσµα να µην µπορεί να προκύψει η περιβάλλουσα. Για να λυθεί το πρόβληµα αυτό χρησιµοποιούµε το Fabry Perot φίλτρο που έχουµε ήδη προαναφέρει ότι χρησιµοποιείται στην διάταξη χωρίς να διευκρινίζεται η σκοπιµότητα της χρήσης του. Το σήµα πληροφορίας αφού παραχθεί διέρχεται από το Fabry Perot φίλτρο. Το Fabry Perot φίλτρο χρησιµοποιείται για να ισοσταθµίσει την ισχύ του σήµατος πληροφορίας αποδίδοντας µέρος της ισχύς κάθε εισερχόµενου παλµού σε επόµενες χρονικές στιγµές. Αυτό που στην πραγµατικότητα κάνει είναι να µετατρέπει τα δεδοµένα εισόδου σε ένα υποτυπώδες σήµα ρολογιού, το οποίο διατηρεί τα χαρακτηριστικά των αρχικών πακέτων δεδοµένων εισόδου, αλλά εµφανίζει έντονη διαµόρφωση πλάτους µεταξύ των παλµών του. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσµα στα διαστήµατα που κανονικά δεν υπήρχε κανένας παλµός (µηδενικά bit του πακέτου των δεδοµένων) να εµφανίζεται µέρος της ισχύς των προηγούµενων παλµών πετυχαίνοντας της συνεχή παροχή ισχύς στο κορεσµένο SOA. Με αυτό τον τρόπο αντιµετωπίζεται αποτελεσµατικά το παραπάνω πρόβληµα. Μάλιστα για να βελτιώσουµε και άλλο τα αποτελέσµατα φροντίζουµε το ρεύµα έκχυσης των ενισχυτών SOAs, που διατηρούν την συγκέντρωση των φορέων, να είναι χαµηλό. Στην περίπτωση που η τροφοδοσία παραµένει σε χαµηλά επίπεδα η άντληση µέσω της έκχυσης του ρεύµατος δεν προλαβαίνει να επαναδιεγείρει τους απαιτούµενους φορείς για την ενίσχυση των φωτονίων. Εποµένως όσο λιγότεροι οι φορείς τόσο πιο εύκολα έρχεται σε κορεσµό ο ενισχυτής που συνεπάγεται µεγαλύτερο χρόνο ανάκτησης κέρδους και µεγαλύτερο χρόνο επιστροφής στην µηδενική φάση. Εδώ πρέπει να θυµηθούµε από το κεφάλαιο 2 ότι η γραφική παράσταση της µεταβολής του κέρδους και της φάσης ως προς την εισερχόµενη ισχύ για έναν ενισχυτή SOA είναι ίδιες. Κάτω από αυτές τις συνθήκες ο ενισχυτής µπορεί να χαρακτηριστεί αργός, µια κατάσταση αναγκαία για να λάβουµε το επιθυµητό αποτέλεσµα. Μία σηµαντική ακόµα λεπτοµέρεια που πρέπει να παρατηρήσουµε είναι το γεγονός ότι οι δύο ενισχυτές SOAs του Mach Zehnder δεν παρουσιάζουν το ίδιο κέρδος. Συγκεκριµένα η ύπαρξη του σήµατος ελέγχου στον ένα SOA κατά την διάρκεια διέλευσης των πακέτων δεδοµένων οδηγεί σε µείωση του κέρδους του

113 ενισχυτή ταυτόχρονα µε την µεταβολή της φάσης κατά π. Αυτό έχει ως αποτέλεσµα µόνο κατά την διάρκεια ύπαρξης του σήµατος ελέγχου (δηλαδή πακέτων), όπου εµφανίζεται η ασυµµετρία, να µην έχουµε πλήρη αναιρετική συµβολή στην θύρα µη µεταγωγής και η προσθετική συµβολή στις δύο θύρες να διαφέρει αναλόγως µε την διαφορά κέρδους µεταξύ των ενισχυτών. Αναλυτικότερα αναµένουµε από αυτήν την ασυµµετρία να µην έχουµε µηδενικά επίπεδα ισχύος για το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας ενώ η ισχύς κορυφής της περιβάλλουσας θα είναι χαµηλότερη από την ισχύ κορυφής της ανάστροφης περιβάλλουσας. Η περιβάλλουσα ως σήµα θα πρέπει, όπως είναι αυτονόητο, να ταιριάζει στο µήκος µε το σήµα εισόδου. Συγκεκριµένα η ανάγκη να έχει µέγεθος ίσο µε το µήκος των πακέτων προϋποθέτει την συνεχή εξαγωγή της από το σήµα πληροφορίας µε µια διαδικασία που θα λαµβάνει χώρα κάθε φορά που θα έχουµε άφιξη πακέτων δεδοµένων στην διάταξή µας. Η διαδικασία αυτή, όπως χαρακτηρίστηκε και στο προηγούµενο κεφάλαιο, θα προηγείται προφανώς της όποιας διαδικασίας επεξεργασίας και µεταγωγής του σήµατος. Σε ένα κόµβο για παράδειγµα αµιγώς οπτικού δικτύου µπορεί να πραγµατοποιείται στην αρχή, µετά ίσως από την διαδικασία ανάκτησης ρολογιού. Η διαδικασία αυτή στο υπόλοιπο της διπλωµατικής θα αναφέρεται ως ανίχνευση της περιβάλλουσας δεδοµένου σήµατος πληροφορίας. Η διάταξη ανίχνευσης της περιβάλλουσας θα λειτουργεί συνεχώς παρέχοντας στις επόµενες βαθµίδες το αποτέλεσµα της εξόδου της. Σχήµα 4.3: ιάταξη ανίχνευσης της περιβάλλουσας σε αντίρροπη συνδεσµολογία Έχοντας ολοκληρώσει την ανάλυση της διάταξης που θα προσοµοιώσουµε για την ανίχνευση της περιβάλλουσας του σήµατος δεδοµένων και έχοντας επίσης καταστήσει γνωστά ορισµένα από τα βασικά χαρακτηριστικά που έχει η συγκεκριµένη διάταξη δεν µένει παρά να διευκρινιστεί τι ακριβώς θα περιλαµβάνουν οι προσοµοιώσεις που θα παρουσιαστούν σε επόµενη ενότητα. Η παρουσιασθείσα διάταξη θα προσοµοιωθεί λοιπόν τόσο στα 10 όσο και στα 40GHz ενώ η σύνδεση του σήµατος ελέγχου µε το Mach Zehnder συµβολόµετρο θα πραγµατοποιηθεί τόσο σε οµόρροπη συνδεσµολογία (σχήµα 4.2) όσο και σε αντίρροπη συνδεσµολογία (σχήµα 4.3). Τα αποτελέσµατα θα αναλυθούν και θα συγκριθούν µεταξύ τους ώστε να προσδιοριστεί σε ποια συνδεσµολογία έχουµε το πιο επιθυµητό αποτέλεσµα ιάταξη µεταγωγής µε χρήση της περιβάλλουσας Στο προηγούµενο κεφάλαιο είχαν παρουσιαστεί προσοµοιώσεις πάνω σε διάταξη µεταγωγής της οπτικής ισχύος στην θύρα µεταγωγής ενός Mach Zehnder συµβολόµετρου. Πιο συγκεκριµένα στόχος µας ήταν να παρουσιάσουµε µία µέθοδο βελτίωσης αυτής της διαδικασίας χρησιµοποιώντας ένα βοηθητικό σήµα, το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας του σήµατος δεδοµένων. Ως σήµα εισόδου είχε χρησιµοποιηθεί το σήµα δεδοµένων και ως σήµα ελέγχου το ανακτηµένο ρολόι του σήµατος δεδοµένων

114 Σε αυτό το κεφάλαιο θα υλοποιηθεί η διαδικασία µεταγωγής µε την µόνη διαφορά, σε σχέση µε την διαδικασία που παρουσιάστηκε στο προηγούµενο κεφάλαιο, ότι αντί για το σήµα ρολογιού θα χρησιµοποιηθεί ως σήµα ελέγχου το σήµα της περιβάλλουσας. Η διαφορά αυτή εκ πρώτης όψεως φαίνεται σχεδόν ασήµαντη στην πραγµατικότητα όµως αποτελεί µία καινοτόµο ιδέα για την διαδικασία µεταγωγής καθώς αν είναι εφαρµόσιµη απαλείφεται η ανάγκη χρήσης ως σήµατος ελέγχου του ανακτηµένου ρολογιού. Εδώ θα πρέπει να τονίσουµε ξανά ότι το σήµα ρολογιού ανακτάται πριν από οποιαδήποτε άλλη διαδικασία επεξεργασίας και χρησιµοποιείται κυρίως για την ανίχνευση του σήµατος, τον συγχρονισµό του στις διαδικασίες επεξεργασίας αλλά και ως αναγκαίο σήµα για την πραγµατοποίηση διαδικασιών όπως η µεταγωγή µε χρήση Mach Zehnder συµβολόµετρου. Η περιβάλλουσα, όπως ήδη έχει αναφερθεί, µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε κάποιες περιπτώσεις για την επίτευξη των ίδιων λειτουργιών. Αν πετύχουµε την επάξια αντικατάσταση του σήµατος ρολογιού σε διαδικασίες µεταγωγής από το σήµα της περιβάλλουσας τότε ανοίγουν οι δρόµοι για περαιτέρω χρήση αυτού του σήµατος και ίσως για νέες υλοποιήσεις στον σχεδιασµό διατάξεων επεξεργασίας πακέτων οπτικών δεδοµένων. Ξεκινώντας την ανάλυση µας θα πρέπει πρώτα να αναφέρουµε τα σήµατα που θα χρησιµοποιηθούν. Σαν βασικό σήµα στην είσοδο του συµβολόµετρου έχουµε το σήµα πληροφορίας που έχει την µορφή πακέτων δεδοµένων. Στο κεφάλαιο αυτό θα παρουσιαστούν προσοµοιώσεις όπου το σήµα πληροφορίας θα είναι τόσο RZ όσο και NRZ µορφής. Περισσότερες λεπτοµέρειες θα δοθούν στις ενότητες που παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα των προσοµοιώσεων. Ως σήµα ελέγχου έχουµε την περιβάλλουσα του σήµατος πληροφορίας. Ως βοηθητικό σήµα χρησιµοποιείται ένα CW. Το σήµα ελέγχου έχει συνδεθεί αποκλειστικά σε οµόρροπη συνδεσµολογία καθώς στόχος µας δεν είναι η βελτιστοποίηση της λειτουργία της συγκεκριµένης διάταξης οπότε να χρειάζεται να διερευνήσουµε όλες τις δυνατές συνδεσµολογίες αλλά η λήψη ικανοποιητικών αποτελεσµάτων που θα πιστοποιήσουν την ορθότητά της. Η επιλογή της Co συνδεσµολογίας προέρχεται από το κεφάλαιο 3 όπου διαπιστώθηκε ότι όταν είναι σε Co συνδεσµολογία τόσο το σήµα ελέγχου όσο και το βοηθητικό σήµα λαµβάνουµε τα καλύτερα αποτελέσµατα. Προφανώς τα µήκη κύµατος και των τριών χρησιµοποιούµενων σηµάτων είναι διαφορετικά µεταξύ τους έτσι ώστε να αποφευχθούν φαινόµενα συµβολής. Τέλος το CW σήµα χρησιµοποιείται για να οδηγήσει τους ενισχυτές SOAs του συµβολόµετρου πιο κοντά στο σηµείο κορεσµού τους. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα να περιοριστεί το κέρδος τους και να αυξηθεί ο χρόνος ανάκαµψης στην αρχική τους κατάσταση. Η επίδραση στο εισερχόµενο σήµα είναι ότι η ενίσχυση θα είναι κάπως περιορισµένη αλλά ταυτόχρονα η συµπεριφορά των SOAs θα είναι πιο σταθερή. Συγκεκριµένα η διαµόρφωση των παλµών στην έξοδο του συµβολόµετρου θα είναι πιο µικρή, δηλαδή οι παλµοί στην έξοδο θα είναι πιο ισοσταθµισµένοι, ενώ επιπρόσθετα εξαιτίας της µείωσης του κέρδους θα έχουµε περιορισµένη ενίσχυση του θορύβου που υπάρχει στο σήµα αλλά και µικρότερη προσθήκη θορύβου από τους ίδιους τους ενισχυτές. Επειδή η µεταγωγή είναι διαδικασία που απαιτεί το σήµα εξόδου να έχει ικανοποιητική ισχύς γίνεται αντιληπτό ότι οι ενισχυτές SOAs, που υπάρχουν στους δύο κλάδους του συµβολόµετρου, δεν θα είναι έντονα κορεσµένοι. Αυτό συνεπάγεται ότι το ρεύµα έκχυσης θα είναι σε κανονικά επίπεδα. Επιπρόσθετα κρίνεται επιθυµητό για πρακτικούς λόγους η ισχύς των σηµάτων να είναι σε όσο το δυνατόν πιο χαµηλά επίπεδα

115 Σχήµα 4.4: ιάταξη µεταγωγής µε οµόρροπη συνδεσµολογία του σήµατος ελέγχου RZ µορφής Στην είσοδο του συµβολόµετρου έχουµε το σήµα µε την πληροφορία (σχήµα 4.4& 4.5). Αυτό το σήµα επιθυµούµε να µεταβεί στην θύρα µεταγωγής του συµβολόµετρου χωρίς απώλεια των δεδοµένων η παραµόρφωση του. Επιπλέον αν το σήµα έχει πολύ θόρυβο κρίνεται επιθυµητό να µειωθεί όσο το δυνατόν περισσότερο. Στόχος αυτού του κεφαλαίου είναι να αποδειχθεί η ικανότητα της περιβάλλουσας να λειτουργήσει ως σήµα ελέγχου σε αυτή τη διαδικασία, αντί για το σήµα ρολογιού. Για να γίνει αυτό εφικτό πρέπει το σήµα της περιβάλλουσας να έχει : σηµαντική ισχύ καθώς το σήµα ελέγχου απαιτείται να είναι αρκετά ισχυρό για να µπορέσει να διεγείρει την µη γραµµικότητα του ενισχυτή SOA του ενός κλάδου του Mach Zehnder µε αποτέλεσµα να εµφανιστεί η διαφορά φάσης π µεταξύ των δύο σηµάτων. Το πόσο υψηλή ισχύ µπορεί να έχει η περιβάλλουσα εξαρτάται από την διάταξη ανίχνευσής της που παρουσιάστηκε στην προηγούµενη ενότητα. Την ίδια χρονική διάρκεια για να έχουµε µεταγωγή του σήµατος πληροφορίας στην θύρα µεταγωγής του συµβολόµετρου. Αν τα δύο αυτά σήµατα δεν συγχρονιστούν καλά και δεν υπάρχει σήµα ελέγχου καθ όλη την διάρκεια µετάδοσης της πληροφορίας τότε µέρος της οπτικής ισχύς του σήµατος πληροφορίας θα οδηγηθεί στην θύρα µη µεταγωγής γεγονός ανεπιθύµητο. Ενώ τέλος η διαµόρφωση παλµών του σήµατος της περιβάλλουσας πρέπει να είναι όσο το δυνατόν µικρότερη για να περνάνε όλα τα δυφία του σήµατος εισόδου µε την ίδια στροφή φάσης. Σχήµα 4.5: ιάταξη µεταγωγής µε οµόρροπη συνδεσµολογία του σήµατος ελέγχου ΝRZ µορφής Στην συνέχεια του κεφαλαίου παρουσιάζονται προσοµοιώσεις που στόχο έχουν να αποδείξουν την αποδοτικότητα της παραπάνω ιδέας. Οι παράγοντες που παίζουν καθοριστικό ρόλο στις προσοµοιώσεις θα αναφερθούν παρακάτω αναλυτικά. Αυτό

116 που µας ενδιαφέρει σε αυτή την φάση περισσότερο είναι η παρουσίαση των µεγεθών που θα καθορίσουν την ποιότητα των αποτελεσµάτων. Αυτά είναι : Ο λόγος αντίθεσης που µας δείχνει ουσιαστικά αν έχουµε ικανοποιητικό σηµατοθορυβικό λόγο στην έξοδο του συµβολόµετρου. Ο λόγος ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρας µη µεταγωγής ο οποίος δείχνει το κατά πόσο έχουµε κυµατοδήγηση της οπτικής ισχύος στην επιθυµητή θύρα (θύρα µεταγωγής). Η διαµόρφωση πλάτους των παλµών του σήµατος εξόδου. Από τα παραπάνω επιζητούµε όσο το δυνατόν υψηλότερο λόγο αντίθεσης (extinction ratio) και λόγο ισχύος µεταξύ των θυρών, ώστε να πιστοποιείται ότι η οπτική ισχύς διέρχεται από την επιθυµητή έξοδο και δεν υπάρχει ενίσχυση του θορύβου, ενώ η διαµόρφωση πλάτους των παλµών πρέπει να είναι όσο το δυνατόν µικρότερη. Ο λόγος αντίθεσης στην έξοδο του συµβολόµετρου κρίνεται επιθυµητό να είναι όσο το δυνατόν υψηλότερος (οπωσδήποτε από 8dB και άνω). Ο λόγος αντίθεσης υπενθυµίζουµε ότι είναι το πηλίκο µε αριθµητή την ισχύ του παλµού χαµηλότερης στάθµης και παρανοµαστή την µέγιστη ισχύ θορύβου που µπορούµε να µετρήσουµε. Αν ο λόγος αντίθεσης στην έξοδο του συµβολόµετρου είναι υψηλός σηµαίνει ότι αυξήθηκε η διαφορά µεταξύ ισχύς πραγµατικού σήµατος και ισχύς θορύβου ενώ αν είναι υψηλότερος από το λόγο αντίθεσης του σήµατος στην είσοδο του συµβολόµετρου τότε έχουµε καταφέρει να ενισχύσουµε το πραγµατικό σήµα περισσότερο από το θόρυβο. Αν τώρα ο λόγος αντίθεσης µεταξύ των δύο θυρών είναι µεγαλύτερος από 8dB θεωρούµε ότι είναι αρκετά ικανοποιητικός ενώ γενικά επιθυµούµε να ξεπερνάει τα 10dB για να χαρακτηρίσουµε τα αποτελέσµατα πολύ καλά. Μία τελευταία απαίτηση είναι όλοι οι παλµοί στην έξοδο του συµβολόµετρου να έχουν περίπου την ίδια ισχύ ή όσο το δυνατόν µικρότερη διακύµανση στα επίπεδα της ισχύς τους. Τα δύο αυτά µεγέθη, λόγος αντίθεσης και διαµόρφωση πλάτους των παλµών, θα υπολογίζονται ως γνωστό από το διάγραµµα µατιού του σήµατος εξόδου που δεν είναι τίποτα παραπάνω από την αποτύπωση όλων των εξερχόµενων παλµών στο ίδιο χρονικό παράθυρο. Παρότι στο προηγούµενο κεφάλαιο είχαµε αναφέρει ότι το πιο σηµαντικό µέγεθος για να προσδιοριστεί η ποιότητα µίας τέτοιας διάταξης είναι το BER και είχαν παρουσιαστεί και σχολιαστεί λεπτοµερώς αποτελέσµατα µετρήσεων BER σε αυτό το µέρος της διπλωµατικής εργασίας δεν θα ασχοληθούµε µε την µέτρηση του συγκεκριµένου µεγέθους. Τα διαγράµµατα µατιού και οι µορφές των σηµάτων εξόδου µπορούν από µόνα τους να µας δώσουν σαφής ενδείξεις για την ποιότητα και την λειτουργικότητα της διάταξής µας. Επιπρόσθετα ως µέτρο σύγκρισης των αποτελεσµάτων που θα λάβουµε από τις προσοµοιώσεις όπου όπως είπαµε ως σήµα ελέγχου θα χρησιµοποιηθεί η περιβάλλουσα θα χρησιµοποιήσουµε τα αποτελέσµατα που λάβαµε στο προηγούµενο κεφαλαίο όπου σήµα ελέγχου ήταν το σήµα ρολογιού και βοηθητικό σήµα ένα CW σε οµόρροπη συνδεσµολογία (Co Propagate) ιάταξη µετατροπής µήκους κύµατος µε χρήση της περιβάλλουσας Η τελευταία διάταξη που θα παρουσιαστεί αφορά την µετατροπή µήκους κύµατος του σήµατος δεδοµένων χρησιµοποιώντας την περιβάλλουσα. Όπως έχουµε προαναφερθεί στην εισαγωγή της διπλωµατικής µία από τις πρώτες εφαρµογές που καθιέρωσαν το Mach Zehnder συµβολόµετρο ως ένα από τα βασικότερα στοιχεία στα οποία θα βασιστεί η εξέλιξη της φωτονικής τεχνολογίας ήταν η µετατροπή µήκους κύµατος (Wavelength Conversion). Σε αυτήν την διαδικασία επιθυµούµε να αλλάξουµε την φέρουσα συχνότητα ενός σήµατος µεταφέροντάς το σε κάποια άλλη. ηλαδή ένα σήµα που βρίσκεται σε µήκος κύµατος λ 1 να αποκτήσει µήκος κύµατος λ 2. Ο λόγος που αυτή η διαδικασία είναι πολύ σηµαντική είναι ότι στα οπτικά δίκτυα

117 δεύτερης γενιάς, όπως έχουµε ήδη προαναφέρει, η δροµολόγηση γίνεται βάσει του µήκους κύµατος. Κάθε χρήστης λαµβάνει ένα µήκος κύµατος πάνω στο οποίο αποστέλλει την πληροφορία και αποδεσµεύεται από αυτό όταν δεν το χρειάζεται. Η διαδικασία που προβλέπει την δηµιουργία καναλιών σε διαφορετικά µήκη κύµατος και κατάληψή τους για µετάδοση των δεδοµένων κάθε χρήστη περιλαµβάνει και τη διαδικασία της µετατροπής µήκους κύµατος ώστε να µπορεί να πραγµατοποιηθεί η απόδοση των καναλιών στους χρήστες αλλά και η αλλαγή καναλιού κατά την διαδικασία της µετάδοσης εφόσον σε κάποιο σηµείο του δικτύου έχει ανατεθεί το ίδιο κανάλι σε κάποιο άλλο χρήστη. Στα οπτικά δίκτυα τρίτης γενιάς παρότι αλλάζει η αρχιτεκτονική σε σχέση µε τα οπτικά δίκτυα δεύτερης γενιάς και γίνεται πιο πολύπλοκη η εφαρµογή της µετατροπής µήκους κύµατος φαίνεται να λαµβάνει και σε αυτή την περίπτωση πρωτεύοντα ρόλο. Πριν παρουσιάσουµε την διάταξη που θα προσοµοιώσουµε κρίνεται αναγκαίο να αναφερθούµε εκτενέστερα στην διαδικασία της µετατροπής µήκους κύµατος µε χρήση Mach Zehnder συµβολόµετρου. Εδώ για να προχωρήσει η ανάλυση θα πρέπει να αναφέρουµε ότι η διάταξη της διαδικασίας µετατροπής µήκους κύµατος (Wavelength Conversion), σε αντίθεση µε όσες διαδικασίες έχουν ήδη παρουσιαστεί, διαφέρει στη περίπτωση που χρησιµοποιείται NRZ σήµα από ότι όταν χρησιµοποιείται RZ σήµα. Προτρέχοντας λίγο σε ζητήµατα που αναγράφονται σε επόµενες ενότητες του κεφαλαίου αναφέρουµε χωρίς περαιτέρω ανάλυση ότι στην προσοµοίωση στα 10GHz χρησιµοποιείται NRZ σήµα ενώ στην προσοµοίωση στα 40GHz χρησιµοποιείται RZ σήµα. Αυτό µας υποχρεώνει να παρουσιάσουµε για κάθε περίπτωση ξεχωριστά την διάταξη για την µετατροπή µήκους κύµατος. Ξεκινάµε την παρουσίαση µε την διάταξη που χρησιµοποιείται στην µετατροπή µήκους κύµατος όταν το σήµα µε τα δεδοµένα είναι NRZ µορφής. Η διάταξη αυτή αποτελείται από ένα Mach Zehnder συµβολόµετρο στην είσοδο του οποίου εφαρµόζονται δύο σήµατα. Το πρώτο είναι το σήµα πληροφορίας που χρησιµοποιείται ως σήµα ελέγχου και το δεύτερο είναι ένα σήµα CW διαφορετικού µήκους κύµατος που εισέρχεται από την κανονική είσοδο του συµβολόµετρου. Πάνω στο CW σήµα θα γραφτεί το σήµα πληροφορίας. Τελικά στην έξοδο µεταγωγής του συµβολόµετρου θα παρουσιαστεί το σήµα πληροφορίας στην συχνότητα όµως του CW σήµατος. Αµφότερα τα δύο σήµατα εµπίπτουν στην φασµατική περιοχή κέρδους των ηµιαγώγιµων ενισχυτών SOAs. Εδώ είναι σηµαντικό να τονιστεί ότι το σήµα ελέγχου διεγείρει µόνο τον ένα από τους δύο SOAs του Mach Zehnder. Η µορφή της διάταξης φαίνεται στο σχήµα 4.6. Σχήµα 4.6: ιάταξη µετατροπής µήκους κύµατος για NRZ σήµα. Πιο αναλυτικά όταν κάποια συγκεκριµένη στιγµή το σήµα πληροφορίας περιέχει παλµό τότε ουσιαστικά έχουµε σήµα ελέγχου το οποίο διεγείρει την µη γραµµικότητα του ενός SOA και οδηγεί στην εµφάνιση διαφοράς φάσης π στον κλάδο του συµβολόµετρου που εισέρχεται το σήµα ελέγχου. Αυτό µε την σειρά του έχει ως αποτέλεσµα την εµφάνιση τετραγωνικού παλµού, λόγω προσθετικής συµβολής, στην

118 θύρα µεταγωγής του συµβολόµετρου και µάλιστα στην συχνότητα του CW σήµατος. Στην θύρα µη µεταγωγής του συµβολόµετρου λόγω αναιρετικής συµβολής δεν θα εµφανιστεί παλµός αν και για λόγους που έχουν ήδη αναφερθεί διεξοδικά σε προηγούµενη ενότητα θα έχουµε εµφάνιση µικρού µέρους της οπτικής ισχύς. Αν την δεδοµένη στιγµή το σήµα πληροφορίας δεν περιέχει παλµό αλλά κενό τότε δεν υπάρχει σήµα ελέγχου και η οπτική ισχύς εξέρχεται από την θύρα µη µεταγωγής του συµβολόµετρου δηµιουργώντας έτσι τα κενά στο εξερχόµενο από την θύρα µεταγωγής σήµα που είναι και το επιθυµητό. Παρόλο που θεωρητικά στην θύρα µη µεταγωγής θα περιµέναµε να λάβουµε το αντίστροφο του σήµατος πληροφορίας (δηλαδή εκεί που το σήµα πληροφορίας έχει παλµούς αυτό να µην έχει και εκεί που το σήµα πληροφορίας έχει κενά αυτό να εµφανίζει παλµούς) αυτό δεν γίνεται κανονικά στην πραγµατικότητα εξαιτίας τη µη συµµετρίας του Mach Zehnder. ηλαδή για τις τιµές ισχύος των σηµάτων εισόδου που έχουµε τα καλύτερα αποτελέσµατα στην θύρα µεταγωγής δεν έχουµε αντιστοίχως το ίδιο καλά αποτελέσµατα στην θύρα µη µεταγωγής. Αν παρατηρήσουµε λίγο προσεκτικότερα την παραπάνω διάταξη θα καταλήξουµε στο συµπέρασµα ότι δεν διαφέρει ιδιαίτερα σε σχέση µε την διάταξη που παρουσιάστηκε για την ανίχνευση της περιβάλλουσας του σήµατος δεδοµένων. Και σε εκείνη την περίπτωση ως σήµα στην είσοδο του Mach Zehnder είχαµε ένα CW και ως σήµα ελέγχου το σήµα πληροφορίας που είχε όµως διέλθει εκ των προτέρων µέσω ενός Fabry Perot φίλτρου. Αυτή είναι και η µοναδική διαφορά µεταξύ των δύο διατάξεων. Στην περίπτωση της ανίχνευσης περιβάλλουσας η διέλευση από το Fabry Perot φίλτρο οδήγησε στην δηµιουργία ενός υποτυπώδους σήµατος ρολογιού. Το, έστω και υποτυπώδες, σήµα ρολογιού ήταν απαραίτητο για τον κορεσµό του ενός ενισχυτή SOA. Αν αντί για το σήµα ρολογιού είχαµε το σήµα πληροφορίας που περιέχει παλµούς και κενά στην περιοχή των πακέτων πληροφορίας τότε το κέρδος του ενισχυτή SOA θα προλάβαινε να ανακάµψει µε αποτέλεσµα το CW σήµα να µην διαµορφωνόταν στην µορφή της περιβάλλουσας αλλά στην µορφή του σήµατος ελέγχου. Μην ξεχνάµε ότι και η περιβάλλουσα προέκυψε στο µήκος κύµατος του CW σήµατος, δηλαδή ουσιαστικά πραγµατοποιήθηκε ένα είδος µετατροπής µήκους κύµατος µε αποτέλεσµα όµως όχι την εµφάνιση του ίδιου του σήµατος ελέγχου αλλά της περιβάλλούσας του. Το συµπέρασµα από τα παραπάνω είναι ότι όταν έχουµε NRZ σήµα η διάταξη µετατροπής µήκους κύµατος έχει την ίδια αρχή λειτουργίας µε την διάταξη ανίχνευσης της περιβάλλούσας. Αυτό µπορεί να γίνει εύκολα κατανοητό αν σκεφτεί κανείς ότι τα NRZ διατηρούν την ισχύ κορυφής τους για όλη την περίοδο τους (για bits 1 ) ή έχουν µηδενική ισχύ (για bits 0 ), δηλαδή ουσιαστικά το σήµα πληροφορίας αποτελείται από πολύ µικρές περιβάλλουσες που εναλλάσσονται µεταξύ τους µε κενά. Επειδή όµως στόχος µας είναι να λάβουµε το σήµα πληροφορίας, µε την µορφή που εισήλθε στο Mach Zehnder, στην θύρα µεταγωγής σε διαφορετικό µήκος κύµατος δεν χρησιµοποιούµε το Fabry Perot φίλτρο και ρυθµίζουµε το ρεύµα έκχυσης των ενισχυτών SOAs σε υψηλές τιµές ώστε οι ενισχυτές να έχουν µικρό χρόνο ανάκαµψης. Μην ξεχνάµε ότι γρήγορη ανάκαµψη του κέρδους ενός ηµιαγώγιµου οπτικού ενισχυτή SOA συνεπάγεται και γρήγορη ανάκαµψη της φάσης που επιβάλει στο σήµα που διέρχεται από αυτόν. Με τις παραπάνω ρυθµίσεις είµαστε σε θέση να λάβουµε τελικά το επιθυµητό αποτέλεσµα. Η διάταξη που µόλις περιγράφθηκε χρησιµοποιείται πολύ συχνά για την µετατροπή του µήκους κύµατος σε NRZ παλµοσειρές. Η διαφοροποίηση της διάταξης που θα παρουσιάσουµε ευθύς αµέσως (σχήµα 4.7) και θα προσοµοιώσουµε εν συνεχεία στα 10GHz έγκειται στο γεγονός ότι αντί για ένα CW ως σήµα εισόδου στο Mach Zehnder χρησιµοποιούµε το σήµα της περιβάλλουσας που προέκυψε από προηγούµενες προσοµοιώσεις. Το σήµα της περιβάλλουσας βρίσκεται προφανώς σε διαφορετικό µήκος κύµατος από το σήµα ελέγχου

119 Σχήµα 4.7: ιάταξη µετατροπής µήκους κύµατος για NRZ σήµα µε χρήση της περιβάλλουσας Όσον αφορά την διάταξη µετατροπής µήκους κύµατος για σήµα πληροφορίας που είναι RZ µορφής γίνεται εύκολα κατανοητό ότι δεν µπορεί να προκύψει µε τον παραπάνω τρόπο. Ο λόγος είναι ότι το RZ σήµα έχει την µορφή ενός παλµού Gauss, µορφή που δεν µπορεί να προκύψει µε ένα σήµα ελέγχου. Η ιδέα πάνω στην οποία βασίζονται οι ήδη υπάρχουσες διατάξεις για την διαδικασία µετατροπής µήκους κύµατος µε χρήση Mach Zehnder συµβολόµετρου στηρίζεται στην διέγερση και των δύο SOAs του Mach Zehnder, δηλαδή στην ύπαρξη δύο σηµάτων ελέγχου. Το ένα σήµα ελέγχου ονοµάζεται συνήθως σήµα ώθησης (Push) και διεγείρει τον πρώτο SOA του συµβολόµετρου ενώ το άλλο σήµα ελέγχου ονοµάζεται σήµα έλξης (Pull) και διεγείρει τον δεύτερο SOA του συµβολόµετρου. Ως σήµα ελέγχου έχουµε προφανώς και σε αυτήν την περίπτωση το σήµα πληροφορίας. Η µορφή της διάταξής φαίνεται στο σχήµα 4.8. Σχήµα 4.8: ιάταξη µετατροπής µήκους κύµατος για RZ σήµα. Ουσιαστικά έχουµε το ίδιο σήµα ελέγχου και στους δύο κλάδους του Mach Zehnder µε την µόνη διαφορά ότι στον ένα κλάδο προσθέτουµε µια ελάχιστη καθυστέρηση σε σχέση µε τον άλλο. Στο κλάδο µε την καθυστέρηση επιβάλλεται να είναι η ισχύς του αρκετά χαµηλότερη. Ο λόγος που η συγκεκριµένη διάταξη µπορεί να πραγµατοποιήσει µετατροπή µήκους κύµατος δίδοντας σαν αποτέλεσµα στην έξοδο του συµβολόµετρου RZ σήµα οφείλεται στον τρόπο µε τον οποίο µεταβάλλεται η φάση του σήµατος εισόδου όταν διέρχεται µέσω ενός SOA που διεγείρεται από σήµα ελέγχου. Η γραφική παράσταση που αναπαριστά τον παραπάνω τρόπο µεταβολής αλλά και την εµφάνιση του RZ σήµατος στην έξοδο του Mach Zehnder είναι αυτή του σχήµατος

120 Σχήµα 4.9: Γραφική παράσταση της µεταβολής φάσης που επιβάλλει διεγερµένος από σήµα ελέγχου SOA και ο τρόπος δηµιουργίας του RZ σήµατος. Όπως φαίνεται στο σχήµα 4.9 αν διεγείρουµε τους δύο οπτικούς ενισχυτές SOAs του συµβολόµετρου µε µια µικρή χρονική διαφορά της τάξης ελάχιστων ps (η τιµή εξαρτάται από το εύρος που έχουν οι παλµοί για τον ρυθµό µετάδοσης που επιθυµούµε να χρησιµοποιήσουµε) τότε το σήµα εισόδου θα υποστεί τέτοια αλλαγή στην φάση του κατά την διάδοση του σε κάθε κλάδο του Mach Zehnder ξεχωριστά ώστε η προσθετική συµβολή στην θύρα µεταγωγής του συµβολόµετρου να µας δώσει σαν αποτέλεσµα RZ σήµα στην συχνότητα του σήµατος εισόδου. Οι παλµοί θα εµφανίζονται µόνο όταν θα υπάρχουν αντίστοιχοι παλµοί στο σήµα ελέγχου (βασική προϋπόθεση για έχουµε προσθετική συµβολή στην θύρα µεταγωγής) οπότε έχουµε µετατροπή µήκους κύµατος. Αξίζει εδώ να αναφέρουµε ότι για να προκύψει η επιθυµητή µεταβολή της φάσης του σήµατος που διαδίδεται στο κλάδο που καθυστερεί (σήµα έλξης) πρέπει να χρησιµοποιήσουµε αρκετά χαµηλότερη ισχύς. Αυτό φαίνεται και στο σχήµα 4.9 (το σήµα ώθησης εµφανίζεται µε την µαύρη γραµµή και το σήµα έλξης µε την κόκκινη γραµµή). Και σε αυτήν την περίπτωση η διαφοροποίηση της διάταξής µας βασίζεται στην χρήση της περιβάλλουσας αντί του CW σήµατος στην είσοδο του Mach Zehnder. Σχηµατικά αυτό µπορούµε να το δούµε στο σχήµα 4.10 Σχήµα 4.10: ιάταξη µετατροπής µήκους κύµατος για RZ σήµα µε χρήση της περιβάλλουσας Τα µεγέθη που θα µας απασχολήσουν στις προσοµοιώσεις και θα µας βοηθήσουν στην εξαγωγή των συµπερασµάτων σχετικά µε την ποιότητα και αποδοτικότητα της διάταξης µας είναι ίδια µε αυτά που παρουσιάστηκαν στην προηγούµενη ενότητα για την διαδικασία της µεταγωγής. Όποτε δεν κρίνεται αναγκαίο να αναφερθούµε πάλι σε αυτά. Ευελπιστούµε ότι µε την χρήση της περιβάλλουσας θα µπορέσουµε να αντικαταστήσουµε επάξια το CW σήµα λαµβάνοντας εξίσου ικανοποιητικά αποτελέσµατα. Η συνεχής τροφοδότηση του συµβολόµετρου Mach Zehnder µε ισχύς εξαιτίας του CW οδηγεί σε υψηλή κατανάλωση ισχύος. Η ανάγκη για περιορισµό της

121 χρήσης CW σηµάτων υφίσταται εξαιτίας του γεγονότος ότι τα σύγχρονα οπτικά δίκτυα (οπτικά δίκτυα τρίτης γενιάς) βασίζονται στην λεγόµενη εκρηκτική µετάδοση και επεξεργασία δεδοµένων µε αποτέλεσµα οι διατάξεις που πραγµατοποιούν αυτές τις διαδικασίες να µένουν εκτός λειτουργίας για µεγάλα χρονικά διαστήµατα. Σε αυτά τα χρονικά διαστήµατα είναι ανούσιο και µη οικονοµικό να ξοδεύεται τόση ισχύς χωρίς εµφανή λόγο. Με το σήµα της περιβάλλουσας το πρόβληµα αυτό λαµβάνει τέλος καθώς η περιβάλλουσα αποκτάει ισχύς, και κατά συνέπεια οι διατάξεις που την χρησιµοποιούν, µόνο όταν έχουν άφιξη πακέτων πληροφορίας και εποµένως στα διαστήµατα που δεν υπάρχει πληροφορία έχει µηδενική ισχύ. 4.3 Προσοµοίωση στα 10GHz µε NRZ σήµα Στην ενότητα αυτή θα παρουσιαστούν οι εξής προσοµοιώσεις στα 10GHz: Ανίχνευση περιβάλλουσας µε χρήση Mach Zehnder σε οµόρροπη συνδεσµολογία Ανίχνευση περιβάλλουσας µε χρήση Mach Zehnder σε αντίρροπη συνδεσµολογία Μεταγωγή του σήµατος δεδοµένων µε χρήση της περιβάλλουσας ως σήµα ελέγχου σε οµόρροπη συνδεσµολογία Μετατροπή µήκους κύµατος µε χρήση αντί για CW της περιβάλλουσας σε οµόρροπη συνδεσµολογία Τα χαρακτηριστικά των παραπάνω προσοµοιώσεων έχουν αναλυθεί στις προηγούµενες ενότητες ενώ η παρουσίασή τους θα γίνει µε την σειρά που τώρα παρουσιάστηκαν. Ορισµένα στοιχεία που αφορούν όλες τις προσοµοιώσεις στα 10GΗz θα δοθούν ευθύς αµέσως ενώ τα υπόλοιπα δεδοµένα θα υπάρχουν αναλυτικά σε κάθε προσοµοίωση ξεχωριστά. Συγκεκριµένα στις προσοµοιώσεις χρησιµοποιήθηκε ως σήµα δεδοµένων σήµα µήκους 512 bits το οποίο αποτελείται από δύο πακέτα. Κάθε πακέτο αποτελείται από 180 bits και µεταξύ τους υπάρχει κενό 76 bits. Επιπρόσθετα µετά από το δεύτερο πακέτο υπάρχουν 76 bits κενό ακόµα (σχήµα 4.1). Οι παλµοί που χρησιµοποιούνται είναι NRZ (No Return to Zero) όπου το δυαδικό ψηφίο 1 αναπαριστάται µε ένα τετραγωνικό παλµό που έχει Dutycycle ίσο µε 1 και το δυαδικό ψηφίο 0 από την µη ύπαρξη κανενός παλµού. Για να γίνει πιο κατανοητή η µορφή των δεδοµένων αξίζει να εξηγήσουµε ότι το Dutycycle=1 σηµαίνει ότι ο τετραγωνικός παλµός διατηρεί την ισχύ κορυφής του για όλη την διάρκεια της περιόδου του. Αυτό συνεπάγεται ότι διαδοχικά bit 1 αναπαρίστανται µε τετραγωνικούς παλµούς κολληµένους µεταξύ τους που δεν επιστρέφουν στο 0 (από εκεί βγαίνει και η ονοµασία του). Τα κανονικοποιηµένα επίπεδα ισχύς των NRZ δυφίων ορίστηκαν για το δυφίο 1 στα 0,95 και για το δυφίο 0 στα 0,005 για να φαίνονται πιο ρεαλιστικά. Τα bits των πακέτων αυτά έχουν προέλθει από ψευδοτυχαία ακολουθία PRBS. Το µήκος επιλέχθηκε στα 512bits έτσι ώστε να έχουµε αποδεκτά αποτελέσµατα µε όσο το δυνατόν µικρότερο χρόνο πραγµατοποίησης της προσοµοίωσης. Η µορφή αυτή του σήµατος δεδοµένων ευνοεί και την µελέτη του granularity δηλαδή της δυνατότητας να επεξεργάζονται οι διατάξεις αυτές, που υλοποιούνται για τα δίκτυα τρίτης γενιάς, µικρών σε µήκος πακέτων Προσοµοίωση ανίχνευσης της περιβάλλουσας Η διάταξη του VPI που χρησιµοποιήθηκε για αυτήν την προσοµοίωση απαρτίζεται, για χάρη απλότητας και ευκολίας τόσο για την ταχύτερη λήψη των αποτελεσµάτων όσο και για την παρουσίασή τους, από δύο µέρη. Στο πρώτο µέρος έχουµε την παραγωγή του σήµατος δεδοµένων και την προσθήκη σε αυτού θορύβου και την διέλευσή του από ένα Fabry Perot φίλτρο (Σχήµα 4.11). Στο δεύτερο στάδιο,

122 που θα παρουσιαστεί στις δύο επόµενες ενότητες, το σήµα εισέρχεται στο Mach Zehnder συµβολόµετρο ως σήµα ελέγχου για να δώσει το επιθυµητό αποτέλεσµα. Σχήµα 4.11: Πρώτο στάδιο της διάταξης για προσοµοίωση της ανίχνευσης της περιβάλλουσας Στο σήµα δεδοµένων έχουµε προσθέσει, όπως ήδη αναφέρθηκε, κατά την διάρκεια παραγωγής του θόρυβος ώστε να ανταποκρίνεται στα πραγµατικά δεδοµένα ενώ οι παλµοί εµφανίζουν χρονικό jitter όπως ακριβώς και οι παλµοί που παράγονται από µία γεννήτρια δεδοµένων. Το χρονικό jitter που παρουσιάζει το σήµα έχει µέση τιµή 1ps ενώ η µέση ισχύς του προστιθέµενου θορύβου είναι στα 20x10-18 W. Οι παράγοντες που µας απασχολούν και θα µεταβληθούν κατά την διαδικασία της προσοµοίωσης είναι η ισχύς του σήµατος εισόδου και η λεπτότητα (finesse) του Fabry Perot φίλτρου. Σχήµα 4.12: Σήµα πακέτων δεδοµένων Στο πρώτο στάδιο της προσοµοίωσης το σήµα εισόδου ρυθµίστηκε να έχει κορυφή ισχύος ίση µε 400mW και η συχνότητά του είναι 193,1THz, δηλαδή 1553,59nm. Η µορφή του φαίνεται στο σχήµα Το σήµα αυτό διέρχεται από ένα οπτικό φίλτρο τύπου Fabry Perot το οποίο έχει ελεύθερη φασµατική περιοχή (FSR) ίση µε 10GHz ενώ ο δείκτης λεπτότητας (Finesse) του φίλτρου µεταβάλλεται κατά την διαδικασία της προσοµοίωσης. Ο ρόλος του φίλτρου είναι, όπως έχει ήδη αναφερθεί, να «αποθηκεύει» οπτική ενέργεια και να την αποδίδει τµηµατικά σε τακτά χρονικά διαστήµατα ίσα µε το αντίστροφο της ελεύθερης φασµατικής του περιοχής. Η διέλευση όµως του σήµατος από το φίλτρο οδηγεί σε µεγάλη απώλεια ισχύος γι αυτό

123 είναι αναγκαίο στην έξοδο της πηγής παραγωγής του σήµατος η ισχύς να είναι ιδιαίτερα υψηλή (µε αυτό τον τρόπο δικαιολογείται η ιδιαίτερα υψηλή ισχύς που έχει το σήµα δεδοµένων τόσο σε αυτήν όσο και σε αντίστοιχες προσοµοιώσεις του προηγούµενου κεφαλαίου). Πάντως σε αυτό το σηµείο πρέπει να διευκρινιστεί ότι υψηλή ισχύς µέσα στο συµβολόµετρο θα οδηγούσε σε πραγµατικά δεδοµένα στην καταστροφή των ηµιαγώγιµων ενισχυτών SOAs γι αυτό πρέπει να δοθεί προσοχή ώστε η µέγιστη ισχύς που θα προκύψει από την έξοδο του Fabry Perot φίλτρου να είναι χαµηλότερη των 50mW. Οι τιµές της λεπτότητας του φίλτρου για τις οποίες λάβαµε αποτελέσµατα που προωθήθηκαν στο δεύτερο στάδιο της διαδικασίας για την ανίχνευση της περιβάλλουσας είναι για F= 61,24, F=50,76, F=43,28, F=37,6, F=29,8, F=19,31, F=14,05 και τέλος F=8,76. Από τις προσοµοιώσεις που έπονται παρατηρήθηκε ότι ικανοποιητικά αποτελέσµατα είχαµε µόνο για τιµές µεταξύ F= 61,24 και F=29,8. Τα καλύτερα µάλιστα ελήφθησαν για F=43,28, δηλαδή για λεπτότητα φίλτρου περίπου στο 40. Εκ των προτέρων µπορούµε να αναφέρουµε ότι όλα τα αποτελέσµατα που θα παρουσιαστούν στις δύο επόµενες υποενότητες ελήφθησαν για αυτή την τιµή λεπτότητας του Fabry Perot φίλτρου. Αξίζει τέλος να αναφέρουµε ότι η µέση ισχύς στην έξοδο του Fabry Perot είναι ίση µε 49,16mW γεγονός που θα µας υποχρεώσει να χρησιµοποιήσουµε έναν εξασθενητή στην είσοδο του Mach Zehnder ώστε να το προφυλάξουµε και φυσικά να ρυθµίσουµε την ισχύ στα επιθυµητά επίπεδα Προσοµοίωση ανίχνευσης της περιβάλλουσας σε οµόρροπη συνδεσµολογία Η διάταξη σε οµόρροπη συνδεσµολογία της προσοµοίωσης για την ανίχνευση της περιβάλλουσας στο VPI φαίνεται στο σχήµα 4.13 που ακολουθεί. Το σήµα ελέγχου έτσι όπως προέκυψε µετά την διέλευσή του από το Fabry Perot φίλτρο εισέρχεται από το άνω αριστερό άκρο στο Mach Zehnder ενώ στην είσοδο του Mach Zehnder υπάρχει συνδεδεµένο το CW σήµα. Σχήµα 4.13: εύτερο στάδιο της διάταξης για προσοµοίωση της ανίχνευσης της περιβάλλουσας σε οµόρροπη συνδεσµολογία Το σήµα ελέγχου είναι ως γνωστό στα 1553,59nm ενώ το CW σήµα έχει συχνότητα 192,5THz που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1558,4nm. Στην κάθε έξοδο του Mach Zehnder έχουν τοποθετηθεί, όπως φαίνεται στο σχήµα 4.8, δύο φίλτρα σε σειρά συντονισµένα στην κεντρική συχνότητα 192,5THz µε εύρος 50GHz. Τα µεγέθη

124 που θα µας απασχολήσουν σε αυτήν την προσοµοίωση είναι η ισχύς του σήµατος ελέγχου, η ισχύς του σήµατος εισόδου και το ρεύµα έκχυσης των ενισχυτών SOAs του Mach Zehnder. Επειδή το σήµα εισόδου είναι ένα CW δεν τίθεται προφανώς ζήτηµα συγχρονισµού των δύο αυτών σηµάτων. Όσον αφορά την ρύθµιση της ισχύς του σήµατος ελέγχου χρησιµοποιείται ένας εξασθενητής (Attenuator). Με την βοήθεια του εξασθενητή µειώνουµε τα επίπεδα της ισχύς ανά όσα db επιθυµούµε. Στην συγκεκριµένη περίπτωση επειδή όπως είδαµε η ισχύς είναι αρκετά υψηλή αναµένουµε σηµαντική εξασθένηση στο σήµα ελέγχου. Ταυτόχρονα µε τον υπολογισµό της ισχύς του σήµατος ελέγχου διερευνήθηκε και η ισχύς που πρέπει να έχει το CW σήµα ώστε να προκύψει στην θύρα µεταγωγής του συµβολόµετρου η περιβάλλουσα. Στον πίνακα 4.1 παρουσιάζονται οι τιµές µέσης ισχύς του CW µαζί µε τις αντίστοιχες τιµές της ισχύς του σήµατος ελέγχου για τις οποίες λαµβάνουµε τα ζητούµενα αποτελέσµατα. Μάλιστα για το σήµα ελέγχου παρουσιάζονται οι τιµές εξασθένησης (Attenuation) και οι τιµές µέσης ισχύος που µετρήθηκαν αµέσως µετά τον εξασθενητή. Εντύπωση µας προκάλεσε το γεγονός ότι και για τους τρεις συνδυασµούς του πίνακα 4.1 λάβαµε τα ίδια αποτελέσµατα. Η ανάγκη όµως εύρεσης των καλύτερων δυνατών αποτελεσµάτων µε την µικρότερη απαίτηση σε ισχύ µας οδήγησε στην επικράτηση των τιµών της πρώτης γραµµής του πίνακα 4.1 για την λήψη των αποτελεσµάτων που παρουσιάζονται στο σχήµα 4.14 και που θα χρησιµοποιηθούν στις επόµενες εφαρµογές. ΠΙΝΑΚΑΣ 4.1: Ισχύς σήµατος εισόδου αναφορικά µε τον βαθµό εξασθένησης Ισχύς CW σε mw Εξασθένηση σε db Ισχύς σήµατος ελέγχου σε mw 0,5 15 1, ,08 1,5 9 6,145 Όσον αφορά το ρεύµα έκχυσης παρατηρήσαµε ότι παίζει δευτερεύοντα ρόλο καθώς η µεταβολή του από 100 µέχρι 500mA δεν επηρέασε σηµαντικά την µορφή και την ποιότητα του σήµατος εξόδου. Παρόλα αυτά φάνηκε ότι τα 150mA είναι η καταλληλότερη τιµή ρεύµατος έκχυσης για την συγκεκριµένη εφαρµογή και για αυτήν λάβαµε τα αποτελέσµατα του σχήµατος (α) (β) Σχήµα 4.14: Αποτελέσµατα α) της περιβάλλουσας στη θύρα µεταγωγής του Mach Zehnder και β) της ανάστροφης περιβάλλουσας στη θύρα µη µεταγωγής του Mach Zehnder

125 Η ισχύ κορυφής της περιβάλλουσας µετρήθηκε στα 6mW ενώ για την ανάστροφη περιβάλλουσα η ισχύς έχει ελάχιστή τιµή αντί του µηδενός τα 2mW και µέγιστη τιµή στην κορυφή της τα 12mW. Υπενθυµίζουµε ότι αυτό συµβαίνει επειδή στους δύο κλάδους του Mach Zehnder οι ενισχυτές SOAs δεν έχουν το ίδιο κέρδος όταν το συµβολόµετρο λειτουργεί στη κατάσταση ΟΝ, δηλαδή όταν έχουµε σήµα ελέγχου, µε αποτέλεσµα η αναιρετική συµβολή στην έξοδο του Mach Zehnder να µην είναι πλήρης και να εµφανίζεται η στάθµη των 2mW ενώ η προσθετική συµβολή στην οποία οφείλεται η εµφάνιση της περιβάλλουσας πραγµατοποιείται µε περιορισµένο το κέρδος του άνω SOA και έτσι έχουµε 6mW αντί των 12mW. Επιπρόσθετα µεταβάλλοντας την τιµή του ρεύµατος έκχυσης των ενισχυτών από 150 έως 500mA και έχοντας όπως και πριν το CW στα 0,5mW και το σήµα ελέγχου στα 1,544mW µέσης ισχύς πετυχαίνουµε τα ίδια σχεδόν γραφικά αποτελέσµατα για το σήµα της περιβάλλουσας αυξάνοντας όµως την ισχύ της κορυφής της λόγω αύξησης του κέρδους του SOA. Τα αποτελέσµατα των µετρήσεων φαίνονται στον πίνακα 4.2. ΠΙΝΑΚΑΣ 4.2: Ισχύς περιβάλλουσας αναφορικά µε την τιµή του ρεύµατος έκχυσης Ρεύµα έκχυσης σε ma Ισχύς περιβάλλουσας σε mw 0,15 6 0,25 9 0,35 12,5 0,5 18 Μία σηµαντικότατη παρατήρηση που προέκυψε κατά την διάρκεια της προσοµοίωσης είναι ότι µειώνοντας λίγο ακόµα την ισχύ του σήµατος ελέγχου κατά 1 µε 2dB πετυχαίνουµε µείωση της κυµάτωσης που εµφανίζεται στην κορυφή της περιβάλλουσας. Αυτό θα φάνταζε ιδανικό µόνο που παράλληλα εµφανίζεται σηµαντική µείωση στην ισχύ της περιβάλλουσας που αντιστοιχεί στα πρώτα bits. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα πρώτα bits λόγω της διέλευσής τους από το Fabry Perot φίλτρο έχουν µικρότερη ισχύ από τα επόµενα και µε την περαιτέρω µείωση της ισχύς τους από τον εξασθενητή δεν έχουν τελικά την απαιτούµενη ισχύ για να κορέσουν τον SOA και να λειτουργήσει το Mach Zehnder ως ψαλιδιστής. Τα συµπεράσµατα που προκύπτουν από την µελέτη των αποτελεσµάτων είναι: Και σε αυτή την περίπτωση για την επίτευξη του στόχου µας απαιτούνται σχετικά υψηλές τιµές λεπτότητας του φίλτρου (τιµές από 50 έως 28). Αυξάνοντας την τιµή της λεπτότητας πετυχαίνουµε αύξηση του µήκους της κορυφής της περιβάλλουσας εις βάρος του µήκους των κενών ενώ µειώνοντάς την έχουµε τα αντίθετα ακριβώς αποτελέσµατα. Πρέπει όµως να διευκρινιστεί ότι για να λάβουµε την περιβάλλουσα απαιτείται οι τιµές της λεπτότητας του Fabry Perot φίλτρου να είναι ανάµεσα σε προαναφερθείσες τιµές. Επειδή οι δύο κλάδοι του Mach Zehnder δεν συµπεριφέρονται µε τον ίδιο τρόπο (σε µεγάλο ποσοστό αυτό οφείλεται στην ύπαρξη στον ένα µόνο κλάδο και του σήµατος ελέγχου) γι αυτό δεν µπορούµε να έχουµε ταυτόχρονα ποιοτικά καλή περιβάλλουσα και ανάστροφη περιβάλλουσα. Μεταβάλλοντας λίγο τις τιµές για τις οποίες λάβαµε τα αποτελέσµατα θα παρατηρήσουµε µια µικρή βελτίωση του ενός σήµατος εξόδου µε ταυτόχρονη χειροτέρευση ή διατήρηση του άλλου. Το σήµα ελέγχου ουσιαστικά διαµορφώνει το CW στην µορφή των σηµάτων εξόδου µεταβάλλοντας την διαφορά φάσης του σήµατος του ενός κλάδου σε σχέση µε τον άλλο. Για να γίνει αυτό πρέπει, όπως φαίνεται από τα

126 αποτελέσµατα, να υπάρξει κάποια συγκεκριµένη αναλογία µεταξύ της ισχύς του CW και του σήµατος ελέγχου. Αν παρατηρήσουµε τις τιµές αυτών των µεγεθών και την συνδεσµολογία της διάταξης στο σχήµα 4.7 τότε προκύπτει ότι το σήµα ελέγχου πρέπει να έχει περίπου τριπλάσια µέση ισχύ από το CW, ενώ για τον κλάδο του Mach Zehnder όπου έχουµε την ταυτόχρονη διέλευση και των δύο σηµάτων το σήµα ελέγχου έχει εξαπλάσια ισχύ. Προφανώς διπλασιάζοντας την ισχύ του ενός σήµατος επιβάλλεται ο διπλασιασµός και του άλλου ώστε να ληφθούν τα επιθυµητά αποτελέσµατα (πίνακας 1). Η µεταβολή του ρεύµατος έκχυσης έδωσε όπως είδαµε τα ίδια γραφικά αποτελέσµατα µε µόνη διαφορά την αλλαγή των επίπεδων ισχύος της κορυφής της περιβάλλουσας. Εποµένως συµπεραίνουµε ότι µε το ρεύµα έκχυσης µπορούµε εύκολα να µεταβάλλουµε την ισχύ του σήµατος εξόδου χωρίς να χρειάζεται να µεταβάλλουµε τις ισχύς των σηµάτων εισόδου και χωρίς το σηµαντικότερο να έχουµε αλλοίωση της µορφής των σηµάτων εξόδου Προσοµοίωση ανίχνευσης της περιβάλλουσας σε αντίρροπη συνδεσµολογία Η αντίστοιχη διάταξη σε αντίρροπη συνδεσµολογία που χρησιµοποιήθηκε στο VPI για την εξαγωγή της περιβάλλουσας φαίνεται στο σχήµα 4.15 που ακολουθεί. Το σήµα ελέγχου έτσι όπως προέκυψε µετά την διέλευσή του από το Fabry Perot φίλτρο βρίσκεται στο το άνω αριστερό άκρο της διάταξης και εισέρχεται στο Mach Zehnder αντίρροπα από την έξοδο του άνω SOA. Στην είσοδο του Mach Zehnder υπάρχει συνδεδεµένο το CW σήµα. Σχήµα 4.15: εύτερο στάδιο της διάταξης για προσοµοίωση της ανίχνευσης της περιβάλλουσας σε αντίρροπη συνδεσµολογία Το σήµα ελέγχου είναι και σε αυτή την περίπτωση στα 1553,59nm µε αρχική µέση ισχύ 49,16mW ενώ το CW σήµα έχει µήκος κύµατος 1558,4nm. Στην κάθε έξοδο του Mach Zehnder έχουν τοποθετηθεί, όπως και στην προηγούµενη προσοµοίωση, δύο φίλτρα σε σειρά συντονισµένα στην κεντρική συχνότητα 192,5THz µε εύρος 50GHz. Τα µεγέθη που θα υπολογιστούν και εδώ είναι η ισχύς

127 του σήµατος ελέγχου, η ισχύς του σήµατος εισόδου και το ρεύµα έκχυσης των ενισχυτών SOAs του Mach Zehnder. Το σήµα ελέγχου έχει προφανώς προκύψει για λεπτότητα φίλτρου περίπου 40 ενώ η ρύθµιση της ισχύς του πραγµατοποιήθηκε µε την βοήθεια ενός εξασθενητή. Εξαιτίας της αντίρροπης συνδεσµολογίας η ισχύς του σήµατος ελέγχου που απαιτείται για την εµφάνιση της περιβάλλουσας είναι αρκετά µικρότερη από ότι στη οµόρροπη συνδεσµολογία. Ο λόγος είναι προφανής, η απευθείας σύνδεση στην έξοδο του άνω SOA (φαίνεται καθαρά στο σχήµα 4.15) οριοθετεί την αναγκαία για την επίτευξη του στόχου µας ισχύ σε πολύ χαµηλότερα επίπεδα. Ταυτόχρονα µε τον υπολογισµό της ισχύς του σήµατος ελέγχου υπολογίστηκε και η ισχύς που πρέπει να έχει το CW σήµα ώστε να προκύψει στην θύρα µεταγωγής του συµβολόµετρου η περιβάλλουσα. Στον πίνακα 4.3 παρουσιάζονται οι τιµές µέσης ισχύς του CW µαζί µε τις αντίστοιχες τιµές της ισχύς του σήµατος ελέγχου για τις οποίες λαµβάνουµε τα ζητούµενα αποτελέσµατα. Και για τους τρεις συνδυασµούς του πίνακα 4.3 λάβαµε πάλι παρόµοια αποτελέσµατα κάτι που είχε παρατηρηθεί και στο οµόρροπη συνδεσµολογία. Από τον πίνακα 3 προτιµήθηκαν για την λήψη των γραφικών παραστάσεων του σχήµατος 4.16 τα αποτελέσµατα µε τις χαµηλότερες τιµές ισχύος, δηλαδή για 0,5mW ισχύ του CW και 0,38mW µέσης ισχύς του σήµατος ελέγχου. ΠΙΝΑΚΑΣ 4.3: Ισχύς σήµατος εισόδου αναφορικά µε τον βαθµό εξασθένησης Ισχύς CW σε mw Εξασθένηση σε db Ισχύς σήµατος ελέγχου σε mw 0,5 22 0, , ,916 Σχετικά µε το ρεύµα έκχυσης καταλήξαµε στα ίδια συµπεράσµατα µε αυτά της Co συνδεσµολογίας. Μεταβάλλοντας την τιµή του από 100 µέχρι 500mA δεν παρατηρήσαµε κάποια σηµαντική διαφοροποίηση στην µορφή και στην ποιότητα του σήµατος εξόδου αλλά µονάχα αύξηση της ισχύος της περιβάλλουσας. Παρόλα αυτά προτιµήθηκαν και σε αυτή την περίπτωση τα 150mA ως η καταλληλότερη τιµή ρεύµατος έκχυσης για την συγκεκριµένη εφαρµογή και για αυτήν τέλος λάβαµε τα αποτελέσµατα του σχήµατος (α) (β) Σχήµα 4.16: Αποτελέσµατα α) της περιβάλλουσας στη θύρα µεταγωγής του Mach Zehnder και β) της ανάστροφης περιβάλλουσας στη θύρα µη µεταγωγής του Mach Zehnder

128 Η ισχύ κορυφής της περιβάλλουσας µετρήθηκε στα 6mW ενώ για την ανάστροφη περιβάλλουσα η ισχύς έχει ελάχιστη τιµή αντί του µηδενός τα 2mW και µέγιστη τιµή στην κορυφή της λίγο πάνω από τα 12mW. Η κυµάτωση που εµφανίζεται στη περιβάλλουσα δεν υπερβαίνει τα 0,7dB. Επιπρόσθετα πολύ καλά αποτελέσµατα, των οποίων όµως οι γραφικές παραστάσεις δεν παρουσιάζονται εδώ, ελήφθησαν για ισχύ σήµατος ελέγχου στα 1,604mW, µε ισχύ CW στο 1mW και ρεύµα έκχυσης των ενισχυτών SOAs στα 150mA. Σε αυτή την περίπτωση η ισχύς της κορυφής της περιβάλλουσας είναι πάλι στα 6mW ενώ η διαµόρφωση παλµών που παρουσιάζει στην κορυφή της δεν ξεπερνάει τα 0,7dB. Όσο για την ανάστροφη περιβάλλουσα που προκύπτει στην έξοδο µη µεταγωγής του Mach Zehnder, αυτή έχει ισχύ κορυφής περίπου 14mW και ελάχιστη τιµή ισχύος πολύ κοντά στο µηδέν. Υπενθυµίζουµε αυτό που είχαµε αναφέρει και στην προηγούµενη ενότητα ότι για την διάταξη ανίχνευσης της περιβάλλουσας και της ανάστροφης περιβάλλουσας µεταβάλλοντας τις τιµές ισχύος µπορούµε να βελτιώσουµε το ένα σήµα χειροτερεύοντας ή διατηρώντας ίδιο το άλλο σήµα. Τα αποτελέσµατα όπως φαίνεται ξεκάθαρα και από τις γραφικές παραστάσεις του σχήµατος 4.16 είναι ακριβώς τα ίδια µε αυτά της προηγούµενης προσοµοίωσης. Αυτό σηµαίνει ότι µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε οποιαδήποτε από τις δύο συνδεσµολογίες µας βολεύει. Πλεονέκτηµα έχει πάντως η αντίρροπη έναντι της οµόρροπης συνδεσµολογίας καθώς σε πειραµατικό επίπεδο δεν χρειάζεται να τοποθετηθούν στην έξοδο του Mach Zehnder επιπλέον φίλτρα για την αποκοπή του σήµατος ελέγχου. Επιπλέον απαιτείται σε αυτή την συνδεσµολογία χαµηλότερη τιµή ισχύος για το σήµα ελέγχου. Μία σηµαντικότατη παρατήρηση που προέκυψε και εδώ είναι ότι µειώνοντας λίγο ακόµα την ισχύ του σήµατος ελέγχου κατά 1 µε 2dB πετυχαίνουµε µείωση της κυµάτωσης που εµφανίζεται στην κορυφή της περιβάλλουσας µε ταυτόχρονη όµως σηµαντική µείωση της ισχύς της περιβάλλουσας που αντιστοιχεί στα πρώτα bits. Το γεγονός αυτό έχει ήδη εξηγηθεί. Τα συµπεράσµατα που προκύπτουν από την µελέτη των αποτελεσµάτων είναι ακριβώς ίδια µε αυτά για Οµόρροπη συνδεσµολογία οπότε δεν υπάρχει λόγος να τα αναφέρουµε πάλι αφού υπάρχουν στην προηγούµενη ενότητα. Τέλος πραγµατοποιήθηκε προσοµοίωση για ανίχνευση της περιβάλλουσας µε χρήση Mach Zehnder συµβολόµετρου µε την µόνη διαφορά, σε σχέση µε τις παραπάνω προσοµοιώσεις, να αφορά την µορφή του σήµατος που χρησιµοποιήθηκε. Συγκεκριµένα χρησιµοποιήθηκε RZ σήµα και τα αποτελέσµατα που ελήφθησαν δεν ήταν ικανοποιητικά. Ο λόγος είναι ότι το Mach Zehnder είναι αρκετά «γρήγορο» µε αποτέλεσµα οι SOAs να µην µπορούν να κρατηθούν κορεσµένοι σε ακολουθίες που έχουν αρκετά µηδενικά bit και έτσι να εµφανίζεται ανεπιθύµητα µεγάλη διαµόρφωση παλµών στην περιβάλλουσα. Με το NRZ σήµα το πρόβληµα αυτό δεν υφίσταται καθώς έχουµε για µεγαλύτερη διάρκεια διατήρηση της κορυφής του παλµού ενώ στα συνεχόµενα bits 1 δεν έχουµε επιστροφή στο µηδέν µε αποτέλεσµα να διατηρούνται οι SOAs για σχετικά µεγάλα χρονικά διαστήµατα κορεσµένοι Προσοµοίωση µεταγωγής µε χρήση της περιβάλλουσας Στόχος µας είναι να µελετήσουµε την διαδικασία της µεταγωγής µε χρήση Mach Zehnder συµβολόµετρου και ως σήµατος ελέγχου το σήµα της περιβάλλουσας που εξάγεται από το σήµα δεδοµένων. Για την επίτευξη του στόχου µας θα εκτελέσουµε προσοµοιώσεις µονάχα σε οµόρροπη συνδεσµολογία. Η διάταξη της προσοµοίωσης στο VPI φαίνεται στο σχήµα

129 Σχήµα 4.17: ιάταξη προσοµοίωσης της µεταγωγής σε οµόρροπη συνδεσµολογία Το σήµα εισόδου εισέρχεται από την είσοδο του συµβολόµετρου και έχει συχνότητα 193,1THz που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1553,59nm. Το σήµα αυτό παρουσιάζει jitter µε µέση τιµή 1ps ενώ έχει επιπλέον προστεθεί θόρυβος µέσης ισχύος 20x10-18 W. Ο θόρυβος αυτός θεωρείται σταθερής ισχύος στην περιοχή κοντά στα 193,1THz. Το σήµα ελέγχου, που δεν είναι άλλο από το σήµα της περιβάλλουσας που λάβαµε στην έξοδο της προηγούµενης διαδικασίας, έχει συχνότητα 192,5THz που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1558,4nm. Στο σήµα ελέγχου δεν έχει προστεθεί θόρυβος αλλά περιέχει ήδη θόρυβο εξαιτίας της διαδικασίας µέσω της οποίας προέκυψε. Ως βοηθητικό σήµα τώρα για τον κορεσµό των ενισχυτών SOAs χρησιµοποιείται CW σήµα ρυθµισµένο στα 194,1THz, δηλαδή στα 1545,59nm. Τέλος στις δύο εξόδους του Mach Zehnder συµβολόµετρου έχουν τοποθετηθεί σε σειρά δύο φίλτρα συντονισµένα στην κεντρική συχνότητα 193,1THz και µε εύρος συχνοτήτων 100GHz ενώ για την ρύθµιση της ισχύος του σήµατος ελέγχου χρησιµοποιείται ένας εξασθενητής. Η µορφές των σηµάτων εισόδου και ελέγχου στο Mach Zehnder συµβολόµετρο φαίνονται στο σχήµα Η περιβάλλουσα φορτώνεται από τα αρχεία που είχαν αποθηκευτεί τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης της ανίχνευσης της περιβάλλουσας που ήδη έχουν παρουσιαστεί σε προηγούµενη ενότητα. Εισάγεται τέλος στο Mach Zehnder µέσω του άνω αριστερού οπτικού συζεύκτη του συµβολόµετρου. Κατά την προσοµοίωση υπολογίστηκαν η ισχύς των σηµάτων δεδοµένων, ελέγχου και του βοηθητικού σήµατος, η ένταση του ρεύµατος έκχυσης φορέων των δύο ενισχυτών SOA που υπάρχουν σε κάθε κλάδο του συµβολόµετρου και η καθυστέρηση του σήµατος δεδοµένων σε σχέση µε το σήµα ελέγχου. Στόχος του βοηθητικού σήµατος είναι να κρατήσει το κέρδος των ενισχυτών σε χαµηλές τιµές έτσι ώστε πρώτον να εµφανίζεται στο σήµα εξόδου µικρότερη διαµόρφωση παλµών µε ταυτόχρονα χαµηλότερα επίπεδα θορύβου και δεύτερον όταν δεν διέρχονται δεδοµένα να διατηρούνται οι ενισχυτές κορεσµένοι έτσι ώστε να µην εµφανιστεί µεγάλη διακύµανση του κέρδους τους όταν θα εισέλθουν τα πρώτα bit των πακέτων µε άσχηµα αποτελέσµατα για τους πρώτους παλµούς του σήµατος εξόδου

130 (α) (β) Σχήµα 4.18: Σήµατα εισόδου στο Mach Zehnder συµβολόµετρο α) σήµα πληροφορίας, β) σήµα ελέγχου Αρχικά υπολογίστηκε ότι η καθυστέρηση του σήµατος δεδοµένων ως προς το σήµα ελέγχου είναι 100ps. Το σήµα ελέγχου, που δεν είναι άλλο από την περιβάλλουσα, προέκυψε όπως ήδη γνωρίζουµε µε ισχύ κορυφής περίπου 6mW. Η ισχύς αυτή είναι ιδιαίτερα υψηλή για σήµα ελέγχου για αυτό και υποχρεωθήκαµε να χρησιµοποιήσουµε έναν εξασθενητή. Βρέθηκε ότι η εξασθένηση που πρέπει να επιβάλλουµε στο σήµα ελέγχου ώστε να λάβουµε τα επιθυµητά αποτελέσµατα είναι ίση µε 5,5dB. Αυτό αντιστοιχεί σε µέση ισχύς του σήµατος ελέγχου κατά την είσοδο του στο συµβολόµετρο ίση µε 1256µW, δηλαδή περίπου 1,25mW. Η ισχύς του σήµατος εισόδου βρέθηκε στα 4mW ενώ η µέση ισχύς του σήµατος στην είσοδο του Mach Zehnder µετρήθηκε στα 345µW. Η ισχύς αυτή θα διέλθει και από τους δύο κλάδους του Mach Zehnder. Όσον αφορά την ισχύ του CW σήµατος αυτή ρυθµίστηκε στα 1,1mW. Τέλος παρατηρήθηκε για την ένταση του ρεύµατος έκχυσης των φορέων των ενισχυτών SOA ότι τόσο για 200 όσο και για 300mΑ µπορούµε να λάβουµε αποτελέσµατα. Συγκεκριµένα τα αποτελέσµατα για ρεύµα έκχυσης 200mA είναι: Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 967µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 107µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 9,037 που ισοδυναµεί µε 9,56dB Τέλος από στο διάγραµµα µατιού του σχήµατος 4.19 µπορούµε να παρατηρήσουµε την µορφή που έχει το εξερχόµενο NRZ σήµα. Στην κορυφή των NRZ υπάρχει όπως φαίνεται θόρυβος αλλά και παραµόρφωση που προέκυψε κατά την διαδικασία της µεταγωγής. Ο υπολογισµός της διαµόρφωσης πλάτους των παλµών και του λόγου αντίθεσης είναι δύσκολο να πραγµατοποιηθεί µε ακρίβεια για αυτόν τον λόγο αρκούµαστε µόνο στην παρατήρηση του διαγράµµατος για την λήψη οποιονδήποτε συµπερασµάτων. Τα γραφήµατα του σήµατος εξόδου και του διαγράµµατος µατιού φαίνονται στο παρακάτω σχήµα

131 Σχήµα 4.19: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής για 200mA ρεύµα έκχυσης και το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού σε οµόρροπη συνδεσµολογία Ενώ τα αποτελέσµατα για ρεύµα έκχυσης 300mA είναι τα παρακάτω και φαίνονται στο σχήµα 4.20 : Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 1416,6µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 161µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 8,8 που ισοδυναµεί µε 9,44dB Τέλος από το διάγραµµα µατιού µπορούµε και σε αυτή την περίπτωση να παρατηρήσουµε τα επίπεδα θορύβου στις κορυφές των παλµών αλλά και την παραµόρφωση που εµφανίζει το NRZ σήµα. Σχήµα 4.20: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής για 300mA ρεύµα έκχυσης διάγραµµα µατιού σε οµόρροπη συνδεσµολογία και το αντίστοιχο Από τα παραπάνω συµπεραίνουµε ότι για ρεύµα έκχυσης των ενισχυτών SOAs στα 200mA έχουµε τα καλύτερα αποτελέσµατα. Ο λόγος της οπτικής ισχύος µεταξύ της θύρας µεταγωγής και της θύρας µη µεταγωγή είναι ελάχιστα µεγαλύτερος (9,56dB αντί 9,44dB ) αλλά η µορφή των εξερχόµενων παλµών όπως φαίνεται στο σχήµα 4.19α) είναι καλύτερη. Μια σηµαντική παρατήρηση που έχει να κάνει µε τα διαγράµµατα µατιού (Eye Diagrams) αφορά τις κορυφές των εξερχόµενων NRZ µορφών. Φαίνεται ξεκάθαρα

132 ότι το NRZ σήµα µετά την διέλευση του από το Mach Zehnder συµβολόµετρο εµφανίζει κυµάτωση της ισχύς στις κορυφές τους. Αυτό είναι λογικό καθώς το µεγάλο πλάτος των κορυφών τους σε συνδυασµό µε το γεγονός ότι µπορεί να έχουµε συνεχόµενα bits 1 οδηγεί σε µεταβολή (µείωση) του κέρδους των ενισχυτών µε αποτέλεσµα να µην ενισχύεται όλο το τµήµα των παλµών µε τον ίδιο τρόπο. Η κυµάτωση αυτή δεν φαίνεται να µπορεί να αποφευχθεί κυρίως λόγο του χαµηλού ρυθµού µετάδοσης. Ένας ακόµα παράγοντας που σε πολύ µεγάλο βαθµό προκαλεί τις έντονες παραµορφώσεις είναι και η υψηλή ισχύς του σήµατος ελέγχου που απαιτήθηκε για την πραγµατοποίηση της µεταγωγής. Επιπρόσθετα ο θόρυβος στην βάση των παλµών είναι πολύ µικρός κάτι που συνεπάγεται ότι τελικά το συµβολόµετρο δεν προσθέτει θόρυβο ενώ αντίθετα έχουµε αύξηση των επιπέδων θορύβου στις κορυφές των παλµών. Γενικά µπορούµε να πούµε ότι οι παλµοί στην έξοδο του Mach Zehnder δεν εµφανίζουν υψηλή διαµόρφωση πλάτους ενώ τα επίπεδα ισχύς του θορύβου δεν είναι ιδιαίτερα υψηλά. Ασχέτως µε την έντονη κυµάτωση και τα σηµαντικά επίπεδα θορύβου που υπάρχουν στις κορυφές του NRZ σήµατος µπορεί να γίνει αναγνώριση της ύπαρξης ή όχι ύπαρξης δυφίου οπότε και ανάκτηση της πληροφορίας. Άρα µπορούµε εκ πρώτης όψεως να πούµε ότι η περιβάλλουσα µπορεί να χρησιµοποιηθεί επιτυχώς για τον σκοπό που προτάθηκε θα πρέπει όµως πρώτα να πραγµατοποιηθεί µεγαλύτερη διερεύνηση επί του ζητήµατος. Συγκρίσεις µε τα αποτελέσµατα του προηγούµενου κεφαλαίου όσον αφορά µεταγωγή µε χρήση Mach Zehnder στα 10GHz δεν µπορούν να γίνουν καθώς στο προηγούµενο κεφάλαιο για τις προσοµοιώσεις στα 10GHz είχαν χρησιµοποιηθεί RZ σήµατα και όχι NRZ Προσοµοίωση µετατροπής µήκους κύµατος µε χρήση της περιβάλλουσας Στόχος µας είναι να µελετήσουµε την διαδικασία της µετατροπής µήκους κύµατος µε χρήση Mach Zehnder συµβολόµετρου και ως σήµατος εισόδου το σήµα της περιβάλλουσας που εξάγεται από το σήµα δεδοµένων. Για την επίτευξη του στόχου µας θα εκτελέσουµε προσοµοιώσεις σε οµόρροπη συνδεσµολογία µε διάταξη προσοµοίωσης αυτήν του σχήµατος Κατόπιν για να έχουµε ένα µέτρο σύγκρισης επαναλαµβάνουµε την προσοµοίωση µε χρήση αντί της περιβάλλουσας ενός CW σήµατος στην είσοδο του Mach Zehnder. Τα αποτελέσµατα συγκρίνονται για να λάβουµε µια εικόνα σχετικά µε την λειτουργικότητα της ιδέας µας. Σχήµα 4.21: ιάταξη προσοµοίωσης της µετατροπής µήκους κύµατος σε οµόρροπη συνδεσµολογία

133 Στην περίπτωση µας το σήµα εισόδου που φαίνεται στο κέντρο αριστερά της διάταξης προσοµοίωσης έχει συχνότητα 192,5THz, δηλαδή µήκος κύµατος 1558,4nm. Το σήµα αυτό δεν είναι άλλο από την περιβάλλουσα που προέκυψε από την διάταξη της ενότητας Ως σήµα ελέγχου έχουµε το σήµα πληροφορίας το οποίο, όπως και σε όλες τις προηγούµενες προσοµοιώσεις, εµφανίζει χρονικό jitter µέσης τιµής 1ps ενώ έχει επιπλέον προστεθεί θόρυβος µέσης ισχύος 0,5x10-18 W. Η συχνότητα του σήµατος ελέγχου είναι 193.1THz, δηλαδή 1553,59nm, ενώ ο θόρυβος που χρησιµοποιήθηκε θεωρείται σταθερής ισχύος στην περιοχή κοντά στα 193,1THz. Η ιδιαίτερα µικρή τιµή που έχει δοθεί στο θόρυβο οφείλεται στο γεγονός ότι η λειτουργία του Mach Zehnder, όπως έχει φανεί και σε προηγούµενες προσοµοιώσεις, είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη σε µικρές µεταβολές της ισχύς του σήµατος ελέγχου αλλά και στην περίπτωση που αυτό δεν έχει «καλή» µορφή (περιπτώσεις µε αυξηµένα επίπεδα θορύβου). Θόρυβος υπάρχει και στην περιβάλλουσα ο οποίος προστέθηκε κατά την διαδικασία εξαγωγής της από το σήµα δεδοµένων. Βοηθητικό σήµα CW για τον κορεσµό των ενισχυτών SOAs χρησιµοποιήθηκε και είχε συχνότητα 194,1THz, δηλαδή 1545,59nm. Ο λόγος χρήσης του CW σήµατος οφείλεται καθαρά ανάγκη για µείωση των επιπέδων θορύβου στο σήµα εξόδου που πραγµατοποιείται περιορίζοντας το κέρδος των ενισχυτών. Τέλος στις δύο εξόδους του Mach Zehnder συµβολόµετρου έχουν τοποθετηθεί σε σειρά δύο φίλτρα συντονισµένα στην κεντρική συχνότητα 192,5THz, συχνότητα όπου θα προκύψει το νέο σήµα, και µε εύρος συχνοτήτων 100GHz ενώ για την ρύθµιση της ισχύος του σήµατος εισόδου χρησιµοποιείται ένας εξασθενητής. Η µορφές των σηµάτων εισόδου και ελέγχου στο Mach Zehnder συµβολόµετρο φαίνονται στο σχήµα Η περιβάλλουσα φορτώνεται από τα αρχεία που είχαν αποθηκευτεί τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης της ανίχνευσης της περιβάλλουσας που ήδη έχουν παρουσιαστεί σε προηγούµενη ενότητα. (α) (β) Σχήµα 4.22: Σήµατα εισόδου στο Mach Zehnder συµβολόµετρο α) σήµα ελέγχου, β) σήµα εισόδου Κατά την προσοµοίωση υπολογίστηκαν η ισχύς των σηµάτων ελέγχου, η εξασθένηση της περιβάλλουσας, η ένταση του ρεύµατος έκχυσης φορέων των δύο ενισχυτών SOA που υπάρχουν σε κάθε κλάδο του συµβολόµετρου και η καθυστέρηση του σήµατος ελέγχου σε σχέση µε την περιβάλλουσα. Αρχικά υπολογίστηκε ότι η καθυστέρηση του σήµατος ελέγχου ως προς την περιβάλλουσα είναι ίση µε 200ps. Στη συνέχεια ρυθµίστηκε το ρεύµα έκχυσης των δύο ενισχυτών SOAs στα 300mA όπου διαπιστώσαµε ότι έχουµε τα επιθυµητά αποτελέσµατα. Παρατηρήθηκε ταυτόχρονα ότι για χαµηλότερες τιµές ρεύµατος έκχυσης δεν µπορούµε να λάβουµε στην θύρα µεταγωγής το επιθυµητό αποτέλεσµα κάτι που ήταν έτσι και αλλιώς αναµενόµενο αφού µε αυτόν τον τρόπο µεγαλώνει ο χρόνος ανάκαµψης του κέρδους των ενισχυτών

134 Μεταβάλλοντας τις τιµές του σήµατος ελέγχου από 1 µέχρι 20mW και της τιµές της εξασθένησης της περιβάλλουσας από 0 έως 15dB διαπιστώσαµε ότι για τους συνδυασµούς του πίνακα 4.4 λαµβάναµε αποτελέσµατα στην θύρα µεταγωγής του Mach Zehnder. ΠΙΝΑΚΑΣ 4.4: Στοιχεία σηµάτων εισόδου Ισχύς σήµατος ελέγχου σε mw Εξασθένηση περιβάλλουσας σε db Μέση ισχύς περιβάλλουσας σε mw 8 3 2, , ,56 Τα αποτελέσµατα αυτά δεν ήταν όµως καλά. Συγκεκριµένα εµφανίζονταν ιδιαίτερα αυξηµένα επίπεδα θορύβου τα οποία ήταν καταστρεπτικά για το σήµα εξόδου. Μοναδική λύση ήταν η χρήση ενός CW, που ήδη αναφέραµε, για τον κορεσµό των SOAs και την µείωση µε αυτόν τον τρόπο των επιπέδων θορύβου αλλά και για την επιτάχυνση του κέρδους των SOAs. Τα αποτελέσµατα που τελικά λάβαµε στη έξοδο του συµβολόµετρου και τα αντίστοιχα διαγράµµατα µατιού παρουσιάζονται στα σχήµατα και ελήφθησαν για τιµές ισχύος που φαίνονται στον πίνακα 4.5 ενώ φυσικά το ρεύµα έκχυσης είναι και εδώ στα 300mA. ΠΙΝΑΚΑΣ 4.5: Στοιχεία σηµάτων εισόδου Ισχύς σήµατος ελέγχου σε mw Εξασθένηση περιβάλλουσας σε db Μέση ισχύς περιβάλλουσας σε mw Ισχύς CW σε mw 2 5 1,409 0, , ,56 -- Σχήµα 2.23: Σήµα εξόδου µε το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού για σήµα ελέγχου 2mW, εξασθένηση 5dB και ισχύς CW στα 0,5mW

135 Σχήµα 2.24: Σήµα εξόδου µε το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού για σήµα ελέγχου 2mW, εξασθένηση 5dB και ισχύς CW στα 1mW Σχήµα 2.25: Σήµα εξόδου µε το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού για σήµα ελέγχου 2mW και εξασθένηση 9dB και χωρίς χρήση CW Από τα παραπάνω γραφικά αποτελέσµατα µπορεί κανείς εύκολα να διαπιστώσει ότι η διάταξη δεν λειτουργεί και τόσο καλά. Τα επίπεδα θορύβου είναι ιδιαίτερα υψηλά ακόµα και όταν χρησιµοποιούµε ισχυρό CW σήµα για τον κορεσµό των SOAs. Πάντως φαίνεται ότι για σήµα ελέγχου 2mW, εξασθένηση της περιβάλλουσας στα 5dB και ισχύς CW στα 0,5mW έχουµε τα λιγότερα άσχηµα αποτελέσµατα ενώ όταν δεν χρησιµοποιούµε CW (σχήµα 2.25) ο θόρυβος είναι υπερβολικά υψηλός. Αντικαθιστούµε τώρα την περιβάλλουσα µε ένα CW ώστε να λάβουµε αποτελέσµατα που θα αποτελέσουν σηµείο αναφοράς για την όποια εκτίµηση γίνει. Το CW έχει συχνότητα 192.5THz, ίδια µε την περιβάλλουσα, γι αυτό δεν χρειάζεται να αλλάξουµε τις ρυθµίσεις στα φίλτρα. Προφανώς δεν απαιτείται και δεύτερο συνεχές σήµα για µειώσει τα επίπεδα θορύβου που παράγουν οι ενισχυτές SOAs. Τα αποτελέσµατα που ελήφθησαν ήταν για ρεύµα έκχυσης στα 300mA, ισχύς του συνεχούς ισχύος σήµατος εισόδου στα 1mW και ισχύς του σήµατος ελέγχου στα 2 και 2,5mW αντίστοιχα. Οι µορφές των αποτελεσµάτων φαίνονται στα σχήµατα 2.26 και 2.27 που ακολουθούν

136 Σχήµα 2.26: Σήµα εξόδου µε το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού για σήµα ελέγχου 2mW και σήµα εισόδου 1mW Σχήµα 2.27: Σήµα εξόδου µε το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού για σήµα ελέγχου 2,5mW και σήµα εισόδου 1mW Προφανώς και στην περίπτωση που δεν χρησιµοποιείται η περιβάλλουσα τα αποτελέσµατα δεν είναι εµφανώς καλύτερα. Αυτό µπορεί να ερµηνευτεί ως το ότι η ιδέα για την χρήση της περιβάλλουσας αντί του CW δεν ήταν και τόσο ανεπιτυχής µόνο που και σε αυτή την περίπτωση χρειαζόµαστε ένα συνεχές σήµα για τη µείωση του θορύβου. Γενικές παρατηρήσεις και συµπεράσµατα που προκύπτουν από τα αποτελέσµατα αλλά και από την µελέτη των ιδιαιτεροτήτων που είχαν οι συγκεκριµένες προσοµοιώσεις αναγράφονται στις επόµενες παραγράφους. Όπως είχαµε αναφέρει και στην ενότητα που έγινε παρουσίαση της διαδικασίας µετατροπής µήκους κύµατος για NRZ σήµα σηµαντικό στοιχείο για την πραγµατοποίηση της διαδικασίας είναι ο µικρός χρόνος ανάκαµψης των ενισχυτών SOAs. Αυτό µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε υψηλά ρεύµατα διέγερσης και προσπαθώντας να αποφύγουµε τον κορεσµό των ενισχυτών SOAs. Η κατάσταση αυτή όµως συνεπάγεται και υψηλά επίπεδα θορύβου καθώς όσο πιο πολύ φορείς διεγείρονται τόσο υψηλότερη αυθόρµητη εκποµπή θορύβου θα έχουµε από τους ενισχυτές. Η αρχική ιδέα για την υλοποίηση της διάταξης δεν περιελάµβανε χρήση CW ώστε οι ενισχυτές SOAs να είναι αρκετά «γρήγοροι» για να µπορεί να πραγµατοποιηθεί η µετατροπή του µήκους κύµατος. Ο ιδιαίτερα όµως υψηλός

137 θόρυβος οδήγησε επιτακτικά στην χρήση του. Ακόµα όµως και µε την χρήση CW σήµατος ο θόρυβος δεν απαλείφεται οριστικά αλλά µειώνεται σε σηµαντικό βαθµό. Ένα γεγονός που δεν µπορεί να µείνει ασχολίαστο είναι η έντονη παραµόρφωση που εµφανίζουν οι παλµοί στην έξοδο του συµβολόµετρου. Παρατηρώντας τόσο τα διαγράµµατα που εµφανίζουν το σήµα στην έξοδο του συµβολόµετρου όσο και τα διαγράµµατα µατιού φαίνεται ξεκάθαρα ότι το NRZ σήµα δεν έχει σταθερή ισχύ στην κορυφή του αλλά πέρα από µια µικρή κυµάτωση παρουσιάζουν και µία κορυφή ισχύος. Αυτό είναι λογικό καθώς το µεγάλο πλάτος των κορυφών τους σε συνδυασµό µε το γεγονός ότι µπορεί να έχουµε συνεχόµενα bits 1 οδηγεί σε µεταβολή (µείωση) του κέρδους των ενισχυτών µε αποτέλεσµα να µην ενισχύεται όλο το τµήµα των NRZ µορφών µε τον ίδιο τρόπο. Επιπρόσθετα ένας ακόµα παράγοντας που σε πολύ µεγάλο βαθµό προκαλεί τις έντονες παραµορφώσεις είναι και η υψηλή ισχύς του σήµατος ελέγχου που απαιτήθηκε για την πραγµατοποίηση της διαδικασίας. Από την άλλη όµως η παραπάνω διαµόρφωση πλάτους δεν φαίνεται να µπορεί να αποφευχθεί κυρίως λόγο του χαµηλού ρυθµού µετάδοσης. Ασχέτως µε την έντονη διαµόρφωση πλάτους και τα σηµαντικά επίπεδα θορύβου που υπάρχουν στις κορυφές των παλµών µπορεί να γίνει αναγνώριση της ύπαρξης ή όχι παλµού οπότε και ανάκτηση της πληροφορίας. Άρα µπορούµε εκ πρώτης όψεως να πούµε ότι η περιβάλλουσα µπορεί να χρησιµοποιηθεί επιτυχώς για τον σκοπό που προτάθηκε κυρίως λόγο της λήψης αντίστοιχων σε ποιότητα αποτελεσµάτων µε της προσοµοιώσεις που έγιναν χρησιµοποιώντας CW. Η εφαρµογή της παραπάνω διάταξης σε Αντίρροπη συνδεσµολογία δεν έδωσε αποτελέσµατα. Μια γρήγορη ερµηνεία είναι ότι το σήµα πληροφορίας δεν προλαβαίνει να διαµορφώσει την περιβάλλουσα στην επιθυµητή µορφή ενώ παρουσιάζεται πολύ υψηλή παραµόρφωση στους παλµούς εξόδου εξαιτίας της έντονης ετεροδιαµόρφωσης φάσης. 4.4 Προσοµοίωση στα 40GHz µε RZ σήµα Στην ενότητα αυτή θα παρουσιαστούν οι εξής προσοµοιώσεις στα 40GHz: Ανίχνευση περιβάλλουσας µε χρήση Mach Zehnder σε οµόρροπη συνδεσµολογία Ανίχνευση περιβάλλουσας µε χρήση Mach Zehnder σε αντίρροπη συνδεσµολογία Μεταγωγή του σήµατος δεδοµένων µε χρήση της περιβάλλουσας ως σήµα ελέγχου σε οµόρροπη συνδεσµολογία Μετατροπή µήκους κύµατος µε χρήση αντί για CW της περιβάλλουσας σε οµόρροπη συνδεσµολογία Οι παραπάνω προσοµοιώσεις δεν διαφέρουν µε εξαίρεση το ρυθµό µετάδοσης σε τίποτα άλλο από αυτές που παρουσιάστηκαν πρωτύτερα στα 10GHz. Τα χαρακτηριστικά και οι ιδιαιτερότητες τους έχουν ήδη αναλυθεί στις εισαγωγικές ενότητες ενώ η παρουσίαση των αποτελεσµάτων θα γίνει σε αυτή την ενότητα. Ορισµένα βασικά στοιχεία που αφορούν όλες τις προσοµοιώσεις στα 40GΗz είναι δίδονται τώρα για µην χρειάζεται να τα επαναλαµβάνουµε συνέχεια. Για την προσοµοίωση χρησιµοποιήθηκε ως σήµα δεδοµένων σήµα µήκους 1024 bits το οποίο αποτελείται από δύο πακέτα µε ενδιάµεσο κενό και επιπλέον ένα κενό ίδιου µήκους στο τέλος. Το κάθε πακέτο αποτελείται από 312bits και το κάθε κενό από 200bits. Η µορφή του φαίνεται στην αρχή του κεφαλαίου (σχήµα 4.1). Το σήµα που χρησιµοποιείται σε αυτή την περίπτωση είναι RZ (επιστροφής στο µηδέν) όπου το δυαδικό ψηφίο 1 αναπαριστάται µε ένα παλµό Gauss και το δυαδικό ψηφίο 0 από την µη ύπαρξη κανενός παλµού. Σε αντίθεση µε τα 10GHz στα 40GHz λόγω του ιδιαίτερα υψηλού ρυθµού µετάδοσης αναµένουµε ότι δεν θα αντιµετωπίσουµε

138 πρόβληµα χρησιµοποιώντας RZ σήµα. Τα bits των πακέτων που αποτελούν το σήµα πληροφορίας έχουν προέλθει από ψευδοτυχαία ακολουθία PRBS. Το µήκος επιλέχθηκε στα 1024bits για λόγους ταχύτητας όσον αφορά την πραγµατοποίηση της προσοµοίωσης καθώς ως γνωστό η επίλυση του µοντέλου της διάταξης απαιτεί αρκετό υπολογιστικό χρόνο ο οποίος αυξάνεται σηµαντικά µε την αύξηση του µήκους της επεξεργάσιµης πληροφορίας. Η µορφή αυτή ευνοεί προφανώς και την µελέτη του granularity δηλαδή της δυνατότητας να επεξεργάζονται αυτές οι διατάξεις πακέτα µικρού µήκους Προσοµοίωση ανίχνευσης της περιβάλλουσας Η διαδικασία λήψης της περιβάλλουσας και στα 40GHz ακολουθεί την ίδια πορεία µε αυτή που ακολουθήσαµε στα 10GHz. Η διάταξη του VPI που χρησιµοποιήθηκε για αυτήν την προσοµοίωση αποτελείται από δύο µέρη. Στο πρώτο µέρος (σχήµα 4.28) έχουµε την παραγωγή του σήµατος δεδοµένων και την διέλευσή του από ένα Fabry Perot φίλτρο. Σχήµα 4.28: Πρώτο στάδιο της διάταξης για προσοµοίωση της ανίχνευσης της περιβάλλουσας Στο σήµα δεδοµένων έχει προστεθεί κατά την διάρκεια παραγωγής του θόρυβος µέσης ισχύς 10x10-18 W γύρω από την κεντρική συχνότητα 193,1THz ενώ οι παλµοί εµφανίζουν jitter µέσης τιµής 0,25ps. Οι παράγοντες που µας απασχολούν και θα µεταβληθούν κατά την διαδικασία της προσοµοίωσης είναι η ισχύς του σήµατος εισόδου και η λεπτότητα (finesse) του Fabry Perot φίλτρου. Το σήµα εισόδου ρυθµίστηκε να έχει ισχύ κορυφής ίση µε 800mW και η συχνότητά του είναι 193,1THz, δηλαδή 1553,59nm. Η µορφή του φαίνεται στο σχήµα Παρόλο που στο σχήµα 4.29 δεν φαίνεται να έχουµε προσθέσει θόρυβο η ανίχνευση της περιβάλλουσας έγινε µε ύπαρξη θορύβου µε την προαναφερθείσα ισχύ. Το σήµα αυτό διέρχεται από ένα οπτικό φίλτρο τύπου Fabry Perot το οποίο έχει ελεύθερη φασµατική περιοχή (FSR) ίση µε 40GHz ενώ ο δείκτης λεπτότητας (Finesse) του φίλτρου µεταβάλλεται κατά την διαδικασία της προσοµοίωσης. Η υψηλή ισχύς του σήµατος δεδοµένων κατά την παραγωγή του δικαιολογείται από τις µεγάλες απώλειες ισχύος κατά την διέλευσή του από το φίλτρο. Οι τιµές της λεπτότητας του φίλτρου για τις οποίες λάβαµε αποτελέσµατα που προωθήθηκαν στο δεύτερο στάδιο της διαδικασίας για την ανίχνευση της περιβάλλουσας είναι για F= 61,24, F=50,76, F=43,28, F=37,6, F=29,8, F=19,31, F=14,05 και τέλος F=8,

139 Σχήµα 4.29: Σήµα πακέτων δεδοµένων Από τις προσοµοιώσεις που έπονται παρατηρήθηκε ότι ικανοποιητικά αποτελέσµατα είχαµε µόνο για τιµές µεταξύ F= 50,76 και F=29,8 ενώ εν τέλει χρησιµοποιήθηκε η τιµή F=37,6. Και για την περίπτωση των 40GHz όπως και για την περίπτωση των 10GHz φαίνεται ότι τιµές λεπτότητας του Fabry Perot φίλτρου κοντά στο 40 δίνουν τα καλύτερα αποτελέσµατα. Αξίζει να αναφέρουµε ότι η µέση ισχύς στην έξοδο του Fabry Perot είναι ίση µε 4,5mW Προσοµοίωση ανίχνευσης της περιβάλλουσας σε οµόρροπη συνδεσµολογία Η διάταξη σε οµόρροπη συνδεσµολογία της προσοµοίωσης για την ανίχνευση της περιβάλλουσας στο VPI φαίνεται στο σχήµα 4.30 που ακολουθεί. Σχήµα 4.30: εύτερο στάδιο της διάταξης για προσοµοίωση της ανίχνευσης της περιβάλλουσας σε οµόρροπη συνδεσµολογία Το σήµα ελέγχου είναι ως γνωστό στα 193,1THz ενώ το CW σήµα έχει συχνότητα 192,5THz. Στην κάθε έξοδο του Mach Zehnder έχουν τοποθετηθεί, όπως φαίνεται στο σχήµα 4.8, δύο φίλτρα σε σειρά συντονισµένα στην κεντρική συχνότητα 192,5THz µε εύρος 50GHz. Τα µεγέθη που θα υπολογιστούν και εδώ είναι η ισχύς

140 του σήµατος ελέγχου, η ισχύς του σήµατος εισόδου και το ρεύµα έκχυσης των ενισχυτών SOAs του Mach Zehnder. Όσον αφορά την ρύθµιση της ισχύς του σήµατος ελέγχου χρησιµοποιείται ένας εξασθενητής. Ρυθµίζοντας την εξασθένηση στα 4,8dB που αντιστοιχεί σε 2,55mW µέσης ισχύς του σήµατος ελέγχου και ρυθµίζοντας αντίστοιχα το CW σήµα, που βρίσκεται στην είσοδο του Mach Zehnder, στα 1,2mW λαµβάνουµε τα αποτελέσµατα που φαίνονται στο σχήµα 4.31 και είναι τα καλύτερα που βρέθηκαν για ρυθµό µετάδοσης 40Gbps και οµόρροπη συνδεσµολογία. Το ρεύµα έκχυσης που είχαν οι ενισχυτές SOAs κατά την λήψη των παρακάτω αποτελεσµάτων είναι ίσο µε 90mA ενώ και για τα 100mA παρατηρήσαµε τα ίδια αποτελέσµατα. (α) (β) Σχήµα 4.31: Αποτελέσµατα α) της περιβάλλουσας στη θύρα µεταγωγής του Mach Zehnder και β) της ανάστροφης περιβάλλουσας στη θύρα µη µεταγωγής του Mach Zehnder. Σε αντίθεση µε τις προσοµοιώσεις που πραγµατοποιήθηκαν στα 10GHz εδώ το ρεύµα έκχυσης δεν µπορεί να µεταβληθεί σε ένα µεγάλο εύρος τιµών χωρίς να προκύψει αλλοίωση στην µορφή των αποτελεσµάτων. Συγκεκριµένα αυξάνοντας την τιµή του ρεύµατος έκχυσης σταµατάµε να λαµβάνουµε την περιβάλλουσα στην έξοδο µεταγωγής του συµβολόµετρου. Η εξήγηση που µπορούµε να δώσουµε για αυτό είναι ότι αυξάνοντας το ρεύµα έκχυσης αυξάνονται και οι απαιτούµενοι φορείς που οδηγούν στην ενίσχυση των φωτονίων κάτι που συνεπάγεται αύξηση του κέρδους των ενισχυτών SOAs. Η αύξηση του κέρδους συνεπάγεται όµως και µείωση του χρόνου απόκρισης των ενισχυτών µε αποτέλεσµα όταν υπάρχει σηµαντική διακύµανση των επιπέδων της ισχύς του σήµατος ελέγχου να µην µπορεί να διατηρηθεί η διαφορά φάσης π στον άνω κλάδο του συµβολόµετρου. Αυτό οδηγεί σε µη συµβολή στην έξοδο του Mach Zehnder των σηµάτων που διαδίδονται στους δύο κλάδους του µε αποτέλεσµα η συνολική ισχύς να µετάγεται ταυτόχρονα και στις δύο εξόδους του Mach Zehnder χωρίς να προκύπτει κάποιο επιθυµητό σήµα. Η ισχύ κορυφής της περιβάλλουσας µετρήθηκε στα 2,2mW ενώ για την ανάστροφη περιβάλλουσα η ισχύς έχει ελάχιστή τιµή αντί του µηδενός τα 0,5mW και µέγιστη τιµή στην κορυφή της τα 4mW. Υπενθυµίζουµε ότι αυτό συµβαίνει επειδή στους δύο κλάδους του Mach Zehnder οι ενισχυτές SOAs δεν έχουν το ίδιο κέρδος όταν στο συµβολόµετρο εισέρχεται και το σήµα ελέγχου, µε αποτέλεσµα η αφαιρετική συµβολή στην έξοδο του Mach Zehnder να µην είναι πλήρης και να εµφανίζεται η στάθµη των 0,5mW ενώ η προσθετική συµβολή στην οποία οφείλεται η εµφάνιση της περιβάλλουσας πραγµατοποιείται µε περιορισµένο το κέρδος του άνω SOA και έτσι έχουµε 2,2mW αντί των 4mW. Μία σηµαντικότατη παρατήρηση που προέκυψε κατά την διάρκεια και αυτής της προσοµοίωσης για την ανίχνευση της περιβάλλουσας είναι ότι µειώνοντας ελάχιστα ακόµα την ισχύ του σήµατος ελέγχου πετυχαίνουµε µείωση της κυµάτωσης που

141 εµφανίζεται στην κορυφή της περιβάλλουσας ενώ παράλληλα εµφανίζεται σηµαντική µείωση στην ισχύ της περιβάλλουσας που αντιστοιχεί στα πρώτα bits. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα πρώτα bits λόγω της διέλευσής τους από το Fabry Perot φίλτρο έχουν µικρότερη ισχύ από τα επόµενα και µε την περαιτέρω µείωση της ισχύς τους από τον εξασθενητή δεν έχουν τελικά την απαιτούµενη ισχύ για να κορέσουν τον ενισχυτή SOA του συµβολόµετρου µε αποτέλεσµα το Mach Zehnder να λειτουργεί ως ψαλιδιστής. Τα συµπεράσµατα που προκύπτουν από την µελέτη των αποτελεσµάτων είναι: Και σε αυτή την περίπτωση για την επίτευξη του στόχου µας απαιτούνται σχετικά υψηλές τιµές λεπτότητας του φίλτρου (τιµές από 50 έως 28). Επειδή οι δύο κλάδοι του Mach Zehnder δεν συµπεριφέρονται µε τον ίδιο τρόπο, σε µεγάλο ποσοστό αυτό οφείλεται και στην ύπαρξη στον ένα µόνο κλάδο και του σήµατος ελέγχου, δεν µπορούµε να έχουµε ταυτόχρονα ποιοτικά καλή περιβάλλουσα και ανάστροφη περιβάλλουσα. Ουσιαστικά το σήµα ελέγχου διαµορφώνει το CW στην µορφή των σηµάτων εξόδου µεταβάλλοντας την διαφορά φάσης του σήµατος του ενός κλάδου σε σχέση µε τον άλλο. Για να γίνει αυτό και για να προκύψει η περιβάλλουσα στην θύρα µεταγωγής του Mach Zehnder πρέπει το ρεύµα έκχυσης των ενισχυτών SOAs του συµβολόµετρου να είναι ιδιαίτερα χαµηλό για λόγους που ήδη εξηγήθηκαν. Η διαφορά µε τις προσοµοιώσεις στα 10GHz όσον αφορά τα συµπεράσµατα για το ρεύµα έκχυσης δεν έχουν να κάνουν τόσο µε το υψηλότερο ρυθµό µετάδοσης που έχουµε σε αυτή την προσοµοίωση όσο µε την µορφή του σήµατος που χρησιµοποιήθηκε. Το NRZ σήµα διατηρεί για πολύ περισσότερο χρόνο, σε σχέση µε το RZ σήµα, την ισχύ κορυφή του και σε συνδυασµό µε την µη επιστροφή στο µηδέν (όταν υπάρχουν συνεχόµενα bits 1 ) παρέχουν στους ενισχυτές SOAs αρκετή από την απαιτούµενη ισχύ για να παραµένουν «αργοί» και να διατηρείται η διαφορά φάσης κοντά στο π ανεξάρτητα από το ρεύµα έκχυσης των ενισχυτών Προσοµοίωση ανίχνευσης της περιβάλλουσας σε αντίρροπη συνδεσµολογία Η αντίστοιχη διάταξη σε αντίρροπη συνδεσµολογία που χρησιµοποιήθηκε στο VPI για την εξαγωγή της περιβάλλουσας φαίνεται στο σχήµα 4.32 που ακολουθεί. Το σήµα ελέγχου έτσι όπως προέκυψε µετά την διέλευσή του από το Fabry Perot φίλτρο βρίσκεται στο το άνω αριστερό άκρο της διάταξης και εισέρχεται στο Mach Zehnder αντίρροπα από την έξοδο του άνω SOA. Στην είσοδο του Mach Zehnder υπάρχει συνδεδεµένο το CW σήµα. Το σήµα ελέγχου είναι και σε αυτή την περίπτωση στα 1553,59nm µε αρχική µέση ισχύ 4,5mW ενώ το CW σήµα έχει µήκος κύµατος 1558,4nm. Στην κάθε έξοδο του Mach Zehnder έχουν τοποθετηθεί, όπως και στην προηγούµενη προσοµοίωση, δύο φίλτρα σε σειρά συντονισµένα στην κεντρική συχνότητα 192,5THz µε εύρος 50GHz. Το σήµα ελέγχου έχει προφανώς προκύψει για λεπτότητα φίλτρου περίπου 40 ενώ η ρύθµιση της ισχύς του πραγµατοποιήθηκε µε την βοήθεια ενός εξασθενητή

142 Σχήµα 4.32: εύτερο στάδιο της διάταξης για προσοµοίωση της ανίχνευσης της περιβάλλουσας σε αντίρροπη συνδεσµολογία Το αξιοσηµείωτο σε αυτή την προσοµοίωση είναι ότι χρησιµοποιώντας τις ίδιες ακριβώς τιµές µε αυτές που βρήκαµε στην προσοµοίωση όπου το σήµα εισερχόταν στο Mach Zehnder σε οµόρροπη συνδεσµολογία βρίσκουµε εξίσου καλά αποτελέσµατα. Συγκεκριµένα ρυθµίζοντας την εξασθένηση του σήµατος ελέγχου στα 4,8dB που αντιστοιχεί σε 2,55mW µέσης ισχύος και ρυθµίζοντας αντίστοιχα το CW σήµα στα 1,2mW λαµβάνουµε στις δύο εξόδους του συµβολόµετρου τα σήµατα του σχήµατος 4.33 έχοντας και σε αυτή την περίπτωση ρυθµίσει το ρεύµα έκχυσης των ενισχυτών στα 90mA. Οµοίως µε τις προηγούµενες περιπτώσεις παρατηρήθηκε και εδώ ότι µειώνοντας ελάχιστα ακόµα την ισχύ του σήµατος ελέγχου πετυχαίνουµε µείωση της κυµάτωσης που εµφανίζεται στην κορυφή της περιβάλλουσας µε ταυτόχρονη όµως σηµαντική µείωση της ισχύς της περιβάλλουσας που αντιστοιχεί στα πρώτα bits. Το γεγονός αυτό έχει ήδη εξηγηθεί. (α) (β) Σχήµα 4.33: Αποτελέσµατα α) της περιβάλλουσας στη θύρα µεταγωγής του Mach Zehnder και β) της ανάστροφης περιβάλλουσας στη θύρα µη µεταγωγής του Mach Zehnder Τα αποτελέσµατα των σχηµάτων 4,31 και 4,33 είναι σχεδόν ίδια. Και στις δύο περιπτώσεις η ισχύ κορυφής της περιβάλλουσας µετρήθηκε στα 2,2mW ενώ για την ανάστροφη περιβάλλουσα η ισχύς έχει ελάχιστη τιµή αντί του µηδενός τα 0,5mW και

143 µέγιστη τιµή στην κορυφή της λίγο πάνω από τα 4mW. Η πρώτη διαφορά που εµφανίζουν τα δύο αποτελέσµατα είναι ότι η κυµάτωση που εµφανίζεται στη περιβάλλουσα για οµόρροπη συνδεσµολογία δεν υπερβαίνει τα 0,7dB ενώ η αντίστοιχη κυµάτωση για αντίρροπη συνδεσµολογία είναι αρκετά µικρότερη. Η δεύτερη διαφορά που παρουσιάζουν είναι ότι στη αντίρροπη συνδεσµολογία οι αλλαγές µεταξύ κορυφής και ελάχιστης τιµής είναι πιο απότοµες τόσο για το σήµα της περιβάλλουσας όσο και για το σήµα της ανάστροφης περιβάλλουσας κάτι ιδιαίτερα επιθυµητό για τις ανάγκες των επόµενων προσοµοιώσεων. Προφανώς η αντίρροπη συνδεσµολογία υπερέχει έναντι της οµόρροπης συνδεσµολογίας και τα αποτελέσµατά της που πριν λίγο παρουσιάστηκαν θα χρησιµοποιηθούν στις επόµενες διαδικασίες. Τα συµπεράσµατα που προκύπτουν από την µελέτη των αποτελεσµάτων είναι ακριβώς ίδια µε αυτά για οµόρροπη συνδεσµολογία οπότε δεν υπάρχει λόγος να τα αναφέρουµε πάλι Προσοµοίωση της µεταγωγής µε χρήση της περιβάλλουσας Για την επίτευξη του στόχου µας θα εκτελέσουµε προσοµοιώσεις σε ρυθµούς µετάδοσης 40Gbps πάνω στην διάταξη που φαίνεται στο σχήµα 4.34 µε σήµα ελέγχου την περιβάλλουσα και χρήση και σε αυτή την περίπτωση µονάχα της οµόρροπης συνδεσµολογίας. Σχήµα 4.34: ιάταξη προσοµοίωσης της µεταγωγής σε οµόρροπη συνδεσµολογία Το σήµα εισόδου εισέρχεται από την είσοδο του συµβολόµετρου και έχει συχνότητα 193,1THz που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1553,59nm. Το σήµα αυτό παρουσιάζει jitter µε µέση τιµή 1ps ενώ έχει επιπλέον προστεθεί θόρυβος µέσης ισχύος 10x10-18 W. Ο θόρυβος αυτός θεωρείται σταθερής ισχύος στην περιοχή κοντά στα 193,1THz. Το σήµα ελέγχου, που δεν είναι άλλο από το σήµα της περιβάλλουσας που λάβαµε στην έξοδο της προηγούµενης διαδικασίας, έχει συχνότητα 192,5THz που αντιστοιχεί σε µήκος κύµατος 1558,4nm. Tο σήµα ελέγχου διατηρεί τον θόρυβο που προστέθηκε κατά την διαδικασία µέσω της οποίας προέκυψε. Ως βοηθητικό σήµα τώρα για τον κορεσµό των ενισχυτών SOAs χρησιµοποιείται CW σήµα ρυθµισµένο στα 194THz, δηλαδή στα 1546,39nm. Στις δύο εξόδους του Mach Zehnder συµβολόµετρου έχουν τοποθετηθεί σε σειρά δύο φίλτρα συντονισµένα στην κεντρική συχνότητα 193,1THz και µε εύρος συχνοτήτων 200GHz ενώ για την ρύθµιση της ισχύος του σήµατος ελέγχου χρησιµοποιείται ένας εξασθενητής

144 Η µορφές των σηµάτων εισόδου και ελέγχου στο Mach Zehnder συµβολόµετρο φαίνονται στο σχήµα Η περιβάλλουσα φορτώνεται από τα αρχεία που είχαν αποθηκευτεί τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης της ανίχνευσης της περιβάλλουσας που ήδη έχουν παρουσιαστεί σε προηγούµενη ενότητα. Εισάγεται τέλος στο Mach Zehnder µέσω του άνω αριστερού οπτικού συζεύκτη του συµβολόµετρου. (α) (β) Σχήµα 4.35: Σήµατα εισόδου στο Mach Zehnder συµβολόµετρο α) σήµα πληροφορίας, β) σήµα ελέγχου Κατά την προσοµοίωση υπολογίστηκαν η ισχύς των σηµάτων δεδοµένων, ελέγχου και του βοηθητικού σήµατος, η ένταση του ρεύµατος έκχυσης φορέων των δύο ενισχυτών SOA που υπάρχουν σε κάθε κλάδο του συµβολόµετρου και η καθυστέρηση του σήµατος δεδοµένων σε σχέση µε το σήµα ελέγχου. Αρχικά υπολογίστηκε ότι η καθυστέρηση του σήµατος δεδοµένων ως προς το σήµα ελέγχου είναι ίση µε 620ps. Το σήµα ελέγχου, που δεν είναι άλλο από την περιβάλλουσα, προέκυψε όπως ήδη γνωρίζουµε µε ισχύ κορυφής περίπου 2,2mW. Η ισχύς αυτή είναι σχετικά υψηλή για σήµα ελέγχου για αυτό και υποχρεωθήκαµε να χρησιµοποιήσουµε ένα εξασθενητή για την ρύθµιση της σε χαµηλότερα επίπεδα. Συγκεκριµένα βρέθηκε ότι η εξασθένηση που πρέπει να επιβάλλουµε στο σήµα ελέγχου ώστε να λάβουµε τα επιθυµητά αποτελέσµατα είναι ίση µε 6dB. Αυτό αντιστοιχεί σε µέση ισχύς του σήµατος ελέγχου κατά την είσοδο του στο συµβολόµετρο ίση µε 352µW. Η ισχύς του σήµατος εισόδου βρέθηκε στα 6mW ενώ η µέση ισχύς του σήµατος στην είσοδο του Mach Zehnder µετρήθηκε στα 131,2µW. Η ισχύς αυτή θα διέλθει και από τους δύο κλάδους του Mach Zehnder. Όσον αφορά την ισχύ του CW σήµατος αυτή ρυθµίστηκε στα 0,4mW. Τέλος παρατηρήθηκε για την ένταση του ρεύµατος έκχυσης των φορέων των ενισχυτών SOA στα 200mA λαµβάνουµε τα καλύτερα αποτελέσµατα που παρουσιάζονται ευθύς αµέσως: Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 351,1µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 24,1µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 14,56 που ισοδυναµεί µε 11,63dB Τέλος από το διάγραµµα µατιού υπολογίσαµε την διαµόρφωση πλάτους των παλµών σε 1,28 που ισοδυναµεί µε περίπου 1dB και τον λόγο αντίθεσης µεταξύ επιθυµητού και ανεπιθύµητου σήµατος (extinction ratio) ίσο µε 27 που ισοδυναµεί µε 14,31dB Τα γραφήµατα του σήµατος εξόδου και το διάγραµµα µατιού φαίνονται στο παρακάτω σχήµα

145 Σχήµα 4.36: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής και το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού σε Οµόρροπη συνδεσµολογία Πριν ακόµα σχολιαστούν τα αποτελέσµατα και γίνει σύγκριση µε τα αντίστοιχα αποτελέσµατα του προηγούµενο κεφαλαίου θα παρουσιαστεί µία ακόµα προσοµοίωση. Σε αυτή την περίπτωση χρησιµοποιούµε ως σήµα ελέγχου ένα CW σήµα του οποίου η ισχύς είναι ίδια µε την ισχύ κορυφής του σήµατος της περιβάλλουσας, δηλαδή στα 2,2mW. Tα υπόλοιπα µεγέθη παραµένουν αµετάβλητα σε σχέση πάντα µε την προηγούµενη προσοµοίωση. Τα αποτελέσµατα αυτής της προσοµοίωσης είναι τα παρακάτω και φαίνονται στο σχήµα 4.37 : Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 348µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 20,5µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 16,97 που ισοδυναµεί µε 12,3dB. Τέλος από το διάγραµµα µατιού υπολογίσαµε την διαµόρφωση πλάτους των παλµών σε 1,29 που ισοδυναµεί µε περίπου 1dB και τον λόγο αντίθεσης µεταξύ επιθυµητού και ανεπιθύµητου σήµατος (extinction ratio) ίσο µε 28,125 που ισοδυναµεί µε 14,49dB Σχήµα 4.37: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής µε σήµα ελέγχου ένα CW και το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού σε οµόρροπη συνδεσµολογία

146 Αν συγκρίνουµε τα αποτελέσµατα των δύο παραπάνω προσοµοιώσεων θα καταλήξουµε εύκολα στο συµπέρασµα ότι δεν παρουσιάζουν σηµαντικές διαφορές, µπορούµε µάλιστα να πούµε ότι είναι σχεδόν ίδια. Επίσης αυτά που λάβαµε σχετικά µε τον λόγο ισχύος µεταξύ των θυρών, ο λόγος αντίθεσης και την διαµόρφωση πλάτους των παλµών εξόδου είναι από τα καλύτερα που έχουν ληφθεί στην διπλωµατική εργασία. Εποµένως όλα συνηγορούν στο ότι η περιβάλλουσα µπορεί να χρησιµοποιηθεί ως σήµα ελέγχου σε διαδικασίες µεταγωγής µε χρήση Mach Zehnder συµβολόµετρου δίνοντας εξίσου καλά αποτελέσµατα για τα 40GHz. Βασικό πλεονέκτηµα αυτής της προσοµοίωσης είναι ο ιδιαίτερα υψηλός λόγος αντίθεσης που αποτελεί ίσως το σηµαντικότερο µέγεθος για το προσδιορισµό της αποδοτικότητας και λειτουργικότητας µίας τέτοιας διάταξης Προσοµοίωση µετατροπής µήκους κύµατος µε χρήση της περιβάλλουσας Στόχος µας είναι να µελετήσουµε την διαδικασία της µετατροπής µήκους κύµατος µε χρήση Mach Zehnder συµβολόµετρου και ως σήµατος εισόδου το σήµα της περιβάλλουσας που εξάγεται από το σήµα δεδοµένων. Οι προσοµοιώσεις εκτελούνται σε Οµόρροπη συνδεσµολογία όπως φαίνεται στο σχήµα Κατόπιν για να έχουµε ένα µέτρο σύγκρισης επαναλαµβάνουµε την διαδικασία µε χρήση αντί της περιβάλλουσας ενός CW σήµατος στην είσοδο του Mach Zehnder. Οι προσοµοιώσεις που πραγµατοποιήθηκαν είναι αντίστοιχες µε αυτές στα 10GHz µόνο που εδώ έχουµε RZ σήµα αντί για NRZ. Σχήµα 4.38: ιάταξη προσοµοίωσης της µετατροπής µήκους κύµατος σε οµόρροπη συνδεσµολογία Στο παραπάνω σχήµα φαίνεται το σήµα ελέγχου καθώς συνδέεται και µε τους δύο κλάδους του Mach Zehnder συµβολόµετρου µε σκοπό να διεγείρει και τους δύο ενισχυτές SOAs. Στο πάνω µέρος είναι το σήµα ώθησης (Push) και στο κάτω µέρος το σήµα έλξης (Pull). Το σήµα έλξης υφίσταται επιπλέον εξασθένηση αλλά και καθυστέρηση σε σχέση µε το σήµα ώθησης. Η περιβάλλουσα φορτώνεται από αρχεία όπου έχει ήδη αποθηκευτεί. Τα µεγέθη που θα υπολογιστούν είναι: η ισχύς της περιβάλλουσας, η ισχύς του σήµατος ώθησης καθώς και η επιπλέον εξασθένηση που υφίσταται το σήµα έλξης, η ισχύς του βοηθητικού CW, η καθυστέρηση του σήµατος ώθησης σε σχέση µε την περιβάλλουσα καθώς και η καθυστέρηση του σήµατος έλξης σε σχέση µε το σήµα ώθησης, ενώ τέλος θα πρέπει να υπολογιστεί

147 και η ένταση του ρεύµατος έκχυσης φορέων των δύο ενισχυτών SOA που υπάρχουν σε κάθε κλάδο του συµβολόµετρου. Σχήµα 4.39: Σήµατα εισόδου στο Mach Zehnder συµβολόµετρο (σήµα ελέγχου, σήµα εισόδου) Αναφορικά µε τα σήµατα εισόδου, που παρουσιάζονται στο σχήµα 4.39, µπορούµε να πούµε ότι και σε αυτή την περίπτωση το σήµα ελέγχου είναι στα 193,1THz (1553,59nm) µε χρονικό jitter 0,25ps και θόρυβο µέσης ισχύος 0,5x10-18 W σταθερής στην περιοχή κοντά στα 193,1THz, ενώ η περιβάλλουσα είναι στα 192,5THz (1558,4nm). Η περιβάλλουσα έχει ήδη προκύψει από την διάταξη της ενότητας Το βοηθητικό σήµα CW που χρησιµοποιήθηκε για τον κορεσµό των ενισχυτών SOAs έχει και σε αυτή την προσοµοίωση συχνότητα 194,1THz (1545,59nm). Τέλος στις δύο εξόδους του Mach Zehnder συµβολόµετρου, όπως φαίνεται και στο σχήµα 4.38, έχουν τοποθετηθεί σε σειρά δύο φίλτρα συντονισµένα στην κεντρική συχνότητα 192,5THz µε εύρος συχνοτήτων 200GHz. Πριν την παρουσίαση των αποτελεσµάτων θα δοθούν φυσικά οι τιµές που υπολογίστηκαν για τα µεγέθη της διάταξης ώστε να µας δώσουν τα παρακάτω αποτελέσµατα. Αρχικά υπολογίστηκε ότι η καθυστέρηση του σήµατος ώθησης ως προς την περιβάλλουσα είναι ίση 620ps. Εν συνεχεία βρέθηκε ότι για να έχουµε εµφάνιση στην θύρα µεταγωγής του σήµατος µε RZ µορφή πρέπει το σήµα έλξης να καθυστερεί σε σχέση µε το σήµα ώθησης κατά 10ps. Η αλλαγή της διαφοράς αυτής έστω και για 2ps είναι ικανή να οδηγήσει σε µη δηµιουργία του RZ σήµατος. Εποµένως συνολικά έχουµε το σήµα ώθησης να καθυστερεί 620ps σε σχέση µε το σήµα εισόδου και το σήµα έλξης αυτή τη φορά να καθυστερεί 630ps σε σχέση µε το σήµα εισόδου. Στη συνέχεια ρυθµίστηκε το ρεύµα έκχυσης των δύο ενισχυτών SOAs στα 300mA όπου διαπιστώσαµε ότι έχουµε τα επιθυµητά αποτελέσµατα. Για χαµηλότερες τιµές ρεύµατος έκχυσης δεν µπορούµε να λάβουµε στην θύρα µεταγωγής το επιθυµητό αποτέλεσµα κάτι που οφείλεται στην αύξηση του χρόνου ανάκαµψης των ενισχυτών SOAs. Όσον αφορά τώρα τις τιµές ισχύος των σηµάτων που εισέρχονται στο Mach Zehnder αναφέρουµε ότι το σήµα ελέγχου έχει αρχικά ισχύς κορυφής 50mW το οποίο συνεπάγεται 24mW στο σήµα ώθησης και 5mW στο σήµα έλξης. Οι αντίστοιχες τιµές µέσης ισχύος για το σήµα ώθησης και το σήµα έλξης είναι 900µW και 179,3µW αντίστοιχα. Η διαφορά αυτή έγινε εφικτή µε την ρύθµιση της εξασθένησης του σήµατος έλξης στα 6,8dB. Το σήµα εισόδου, δηλαδή η περιβάλλουσα, κατά την είσοδο στο Mach Zehnder είχε ισχύ κορυφής 1,4 µε 1,5mW, τιµή που αντιστοιχεί σε µέση ισχύς ίση µε 883,748µW. Η ρύθµιση της ισχύος έγινε και σε αυτή την περίπτωση µε τη χρήση ενός εξασθενητή ρυθµισµένου στα 2dB. Τέλος το CW σήµα ρυθµίστηκε στα 0,5mW. Φυσικά ήταν και αυτό συνδεδεµένο στην είσοδο του συµβολόµετρου. Η ανάγκη για χρήση επιπλέον καθυστέρησης και εξασθένησης

148 ισχύος στο σήµα έλξης σε σχέση µε το σήµα ώθησης, που αναφέρεται παραπάνω, έχει εξηγηθεί διεξοδικά στην ενότητα Τα αποτελέσµατα της προσοµοίωσης µε τις προηγούµενες ρυθµίσεις είναι τα παρακάτω και φαίνονται στο σχήµα 4.40 : Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 884,71µW ενώ η ισχύ κορυφής είναι περίπου 8 µε 8,5mW. Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 92,4µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 9,57 που ισοδυναµεί µε 9,81dB. Τέλος από το διάγραµµα µατιού υπολογίσαµε την διαµόρφωση πλάτους των παλµών σε 1,33 που ισοδυναµεί µε 1,2dB και τον λόγο αντίθεσης µεταξύ επιθυµητού και ανεπιθύµητου σήµατος (extinction ratio) ίσο µε 13,6 που ισοδυναµεί µε 11,33dB Σχήµα 4.40: Σήµα εξόδου στην θύρα µεταγωγής και το αντίστοιχο διάγραµµα µατιού σε οµόρροπη συνδεσµολογία Πριν ακόµα σχολιαστούν τα παραπάνω αποτελέσµατα θα παρουσιαστεί µία ακόµα προσοµοίωση. Σε αυτή την περίπτωση χρησιµοποιούµε ως σήµα ελέγχου ένα CW σήµα του οποίου η ισχύς είναι ίδια µε την ισχύ κορυφής του σήµατος της περιβάλλουσας, δηλαδή είναι ίση µε 1,4mW. Tα υπόλοιπα µεγέθη παραµένουν αµετάβλητα σε σχέση πάντα µε την προηγούµενη προσοµοίωση. Τα αποτελέσµατα αυτής της προσοµοίωσης είναι τα παρακάτω και φαίνονται στο σχήµα 4.41 : Στην θύρα µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 900,5µW Στην θύρα µη µεταγωγής η εξερχόµενη µέση ισχύς είναι 90µW Από τα δύο παραπάνω αποτελέσµατα προκύπτει ο λόγος αντίθεσης ισχύος µεταξύ θύρας µεταγωγής και θύρα µη µεταγωγής να είναι ίσος µε 10,01 που ισοδυναµεί µε 10dB. Τέλος από το διάγραµµα µατιού υπολογίσαµε την διαµόρφωση πλάτους των παλµών σε 1,296 που ισοδυναµεί µε περίπου 1,1dB και τον λόγο αντίθεσης µεταξύ επιθυµητού και ανεπιθύµητου σήµατος (extinction ratio) ίσο µε 10,92 που ισοδυναµεί µε 10,38dB