ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΟΠΤΙΚΗΣ ΖΕΥΞΗΣ ΚΑΙ ΟΠΤΙΚΗΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΓΙΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΟΠΤΙΚΗΣ ΖΕΥΞΗΣ ΚΑΙ ΟΠΤΙΚΗΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΓΙΑ ΜΗΤΡΙΚΕΣ ΚΑΡΤΕΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ ΚΑΥΧΙΤΣΑΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΑ ΣΤΟΥΓΓΙΩΤΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΔΙΚΤΥΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΝΙΚΟΣ ΠΛΕΡΟΣ ΕΠ. ΚΑΘΗΓ. ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Α.Π.Θ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2017

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... 2 Λίστα Εικόνων... 4 Λίστα Πινάκων και Γραφικών Παραστάσεων... 5 Περίληψη... 6 Abstract... 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ Επικοινωνία Μεταξύ επεξεργαστών Φωτονική τεχνολογία πυριτίου για την επικοινωνία μεταξύ επεξεργαστών Σκοπός της διατριβής Δομή της διατριβής ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Επεξεργαστή-με-Επεξεργαστή Περιγραφή της Αρχιτεκτονικής Λειτουργία επιμέρους υποσυστημάτων Ο Οπτικός Πομπός Ο Διαμορφωτής Δακτυλίου Πολυπλέκτης- Αποπολυπλέκτης Ο ενισχυτής Φράγματα συστοιχίας κυματοδηγών AWG Δρομολογητής με συστοιχία φραγμάτων περίθλασης (AWGR) Η φωτοδίοδος Αδιαβατική Σύζευξη- Coupling ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΕ VPI Τοπολογία και λειτουργία Ο πομπός της Οπτικής Μηχανής Ο δέκτης της Οπτικής Μηχανής Προδιαγραφές

3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Πως πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις Διαγράμματα ματιού για τις μεταβολές του κέρδους και του επιπέδου θορύβου Κέρδος 10 db και 9 db για όλες τις τιμές του επιπέδου θορύβου Κέρδος 8 db και 7dB για όλες τις τιμές του επιπέδου θορύβου Κέρδος 6 db και όλες οι τιμές του επιπέδου θορύβου Κέρδος 30 db για τον πρώτο μόνο ενισχυτή Γραφικές παραστάσεις για τον λόγο σβέσης το ΑΜ και το Power Penalty ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΥΝΟΨΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

4 Λίστα Εικόνων ΕΙΚΟΝΑ 1: 4ΠΛΟΣ ΚΑΙ 8ΠΛΟΣ SERVER BOARD ΓΙΑ ΠΟΛΛΑΠΛΗ ΕΚΠΟΜΠΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΔΟΣΗ... 9 ΕΙΚΟΝΑ 2: ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΩΝ ΕΙΚΟΝΑ 3: ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΟΠΤΙΚΗΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΜΕΤΑΞΥ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΩΝ ΕΙΚΟΝΑ 4: ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΕΝΟΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΗ ΔΑΚΤΥΛΙΟΥ ΕΙΚΟΝΑ 5: ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΣΤΟΥΣ MUX DEMUX ΜΕ ΦΑΣΜΑ ΓΙΑ 4: ΕΙΚΟΝΑ 7: MUX/DEMUX ΜΕ 8 SECOND ORDER ΔΑΚΤΥΛΙΟΥΣ ΕΙΚΟΝΑ 6 CROSSTALK ΚΑΙ 1 DB BANDWIDTH ΤΟΥ ΦΙΛΤΡΟΥ ΕΙΚΟΝΑ 8: ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΟΥ III-V ON SILICON ΟΠΤΙΚΟΥ ΝΑΝΟ-ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΕΙΚΟΝΑ 9: ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ AWG ΕΙΚΟΝΑ 10: ΚΥΚΛΙΚΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ AWGR ΕΙΚΟΝΑ 11: ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ AWGR ΜΕ ΤΟΥΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ ΕΙΚΟΝΑ 12: ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ AWGR ΕΙΚΟΝΑ 13: ΔΙΑΤΟΜΗ ΤΟΥ PCB ΚΑΙ ΑΔΙΑΒΑΤΙΚΗ ΕΚΛΕΠΤΥΝΣΗ ΕΙΚΟΝΑ 14: ΑΔΙΑΒΑΤΙΚΗ ΟΠΤ. ΣΥΖΕΥΞΗ A) ΟΠΤ. ΜΗΧΑΝΗ ΣΤΑ 400 GB/S, B) ΦΩΤΟΝΙΚΟ ΠΟΜΠΟΔΕΚΤΗ 32 ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΕΙΚΟΝΑ 15: Η ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ ΣΤΟ VPI PHOTONICS ΕΙΚΟΝΑ 16: Η ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΜΙΑΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ ΕΙΚΟΝΑ 17: ΤΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΑΤΙΟΥ ΕΝΟΣ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΜΕΤΑ ΤΟΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΗ ΕΙΚΟΝΑ 18: ΤΟ ΦΑΣΜΑ ΕΝΟΣ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΤΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ 1 ΜΕΤΑ ΤΟΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΗ ΕΙΚΟΝΑ 19: ΣΧΗΜΑΤΙΚΗ ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΓΙΑ ΤΟΝ 8:1 MUX ΕΙΚΟΝΑ 20: ΤΟ ΦΑΣΜΑ ΤΩΝ ΟΚΤΩ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΣΤΗΝ ΕΞΟΔΟ ΤΟΥΣ ΑΠΟ ΤΟΝ ΠΟΛΥΠΛΕΚΤΗ ΕΙΚΟΝΑ 21: ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΟΠΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ ΤΟΥ ΔΕΚΤΗ ΕΙΚΟΝΑ 22: ΤΟ ΦΑΣΜΑ ΕΝΟΣ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΜΕΤΑ ΤΟΝ ΑΠΟΠΟΛΥΠΛΕΚΤΗ ΕΙΚΟΝΑ 23: ΤΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΑΤΙΟΥ ΕΝΟΣ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΜΕΤΑ ΤΟΝ ΑΠΟΠΟΛΥΠΛΕΚΤΗ ΕΙΚΟΝΑ 24: ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΤΟΥ ER ΚΑΙ AM ΑΠΟ ΤΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΑΤΙΟΥ ΕΙΚΟΝΑ 25: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΜΑΤΙΟΥ ΓΙΑ GAIN 30 DB ΚΑΙ NOISE FIGURE 7 DB ΣΤΟΝ ΠΡΩΤΟ ΕΝΙΣΧΥΤΗ

5 Λίστα Πινάκων και Γραφικών Παραστάσεων ΠΙΝΑΚΑΣ 1: ΤΥΠΙΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ ΤΗΣ 50 GHZ O-BAND ΦΩΤΟΔΙΟΔΟΥ ΠΙΝΑΚΑΣ 2: ΠΙΝΑΚΑΣ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΚΥΡΙΩΝ ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΩΝ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ 3: ΤΑ ΜΗΚΗ ΚΥΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΚΑΝΑΛΙΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ 4: ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ 5: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΑΤΙΟΥ ΓΙΑ ΚΕΡΔΟΣ 10 ΚΑΙ 9 DB ΠΙΝΑΚΑΣ 6: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΑΤΙΟΥ ΓΙΑ ΚΕΡΔΟΣ 8 ΚΑΙ 7 DB ΠΙΝΑΚΑΣ 7: ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΜΑΤΙΟΥ ΓΙΑ ΚΕΡΔΟΣ 6 DB ΠΙΝΑΚΑΣ 8: ΠΙΝΑΚΑΣ ΤΙΜΩΝ ΤΟΥ ER ΓΙΑ ΟΛΕΣ ΤΙΣ ΤΙΜΕΣ ΚΕΡΔΟΥΣ ΚΑΙ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ ΠΙΝΑΚΑΣ 9: ΠΙΝΑΚΑΣ ΤΙΜΩΝ ΤΟΥ AM ΓΙΑ ΟΛΕΣ ΤΙΣ ΤΙΜΕΣ ΚΕΡΔΟΥΣ ΚΑΙ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ ΠΙΝΑΚΑΣ 10: ΠΙΝΑΚΑΣ ΤΙΜΩΝ ΤΟΥ POWER BUDGET ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΟ ER ΠΙΝΑΚΑΣ 11: ΠΙΝΑΚΑΣ ΤΙΜΩΝ ΓΙΑ ΤΟ POWER BUDGET ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΟ AM ΠΙΝΑΚΑΣ 12: ΠΙΝΑΚΑΣ ΤΙΜΩΝ ΤΟΥ POWER PENALTY(DB) ΓΙΑ ΟΛΕΣ ΤΙΣ ΤΙΜΕΣ ΚΕΡΔΟΥΣ ΚΑΙ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ ΠΙΝΑΚΑΣ 13: ΠΙΝΑΚΑΣ ΤΙΜΩΝ ΤΟΥ POWER PENALTY (DB) ΓΙΑ ΤΟ POWER BUDGET ΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ 1: ΤΟ ER ΓΙΑ ΟΛΕΣ ΤΙΣ ΤΙΜΕΣ ΤΟΥ ΚΕΡΔΟΥΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ ΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ 2: ΤΟ AM ΓΙΑ ΟΛΕΣ ΤΙΣ ΤΙΜΕΣ ΤΟΥ ΚΕΡΔΟΥΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ ΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ 3: POWER BUDGET ΓΙΑ ΛΟΓΟ ΣΒΕΣΗΣ (ER) ΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ 4: POWER BUDGET ΓΙΑ AM ΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ 5: ΙΣΤΟΓΡΑΜΜΑ ΤΙΜΩΝ ΤΟΥ POWER PENALTY ΓΙΑ ΟΛΕΣ ΤΙΣ ΤΙΜΕΣ ΚΕΡΔΟΥΣ ΚΑΙ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ ΓΡΑΦΙΚΗ ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ 6: POWER BUDGET ΓΙΑ ΤΟ POWER PENALTY

6 Περίληψη Η ιλιγγιώδης αύξηση της παραγωγής και επεξεργασίας δεδομένων, που παρατηρείται τα τελευταία χρόνια, αναμένεται να κλιμακωθεί με την επικράτηση τεχνολογιών, όπως το ίντερνετ των πραγμάτων και η συλλογή και ανάλυση των μεγάλων δεδομένων. Οι σημερινές τεχνολογίες επικοινωνίας μεταξύ επεξεργαστών, οι οποίες χρησιμοποιούνται στους μεγάλους εξυπηρετητές εταιριών όπως η Google και η Intel, δεν μπορούν πλέον να βασίζονται σε λύσεις όπως η αύξηση των μικροεπεξεργαστών χαμηλής κατανάλωσης. Το γεγονός αυτό οδηγεί αναπόφευκτα στην ανάγκη για εξεύρεση νέων τεχνολογιών για την μεταξύ των επεξεργαστών επικοινωνία, με χαρακτηριστικά όπως το υψηλό εύρος ζώνης, η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και η μικρή καθυστέρηση μεταφοράς δεδομένων. Μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία, στην οποία βασίζεται η παρούσα εργασία, είναι η φωτονική τεχνολογία πυριτίου (silicon photonics). Η φωτονική τεχνολογία πυριτίου αναπτύχθηκε πάνω στην επικρατούσα και ώριμη εδώ και δεκαετίες τεχνολογία ημιαγωγών πυριτίου και αναμένεται να είναι το επόμενο βήμα στην επικοινωνία μεταξύ επεξεργαστών. Στην εργασία αυτή, γίνεται μια εισαγωγή στην επικοινωνία μεταξύ των επεξεργαστών, περιγράφεται μια προτεινόμενη αρχιτεκτονική οπτικής διασύνδεσης επεξεργαστών βασισμένη στη φωτονική τεχνολογία πυριτίου και αναλύονται τα επιμέρους υποσυστήματά της. Τέλος, μελετάται ένα τέτοιο σύστημα μέσω προσομοίωσης με χρήση του λογισμικού VPI Photonics. Προτείνεται η χρήση οπτικών ολοκληρωμένων ενισχυτών για το ισοζύγιο ισχύος της ζεύξης και μελετάται η απόδοση του συστήματος για διάφορες παραμέτρους/χαρακτηριστικά των ενισχυτών. Για τιμές κέρδους των ενισχυτών 10 και 9 db και για επίπεδα εικόνας θορύβου (Noise Figure) μεταξύ 5 και 9 db απουσιάζουν αρνητικές επιπτώσεις στην ποιότητα του σήματος, όπως προκύπτει από τα αποτελέσματα του λόγου σβέσης (ER), της διαμόρφωσης πλάτους στο «1» (AM Amplitude Modulation) και της επιβάρυνσης ισχύος (Power Penalty), τα οποία αποτέλεσαν τα κύρια ευρήματα της παρούσας μελέτης. 6

7 Abstract The overwhelming growth of information generation and processing during the last years is only expected to escalate with the prevalence of technologies such as the Internet of Things and the collection and analytics of big data. Nowadays, communications technologies between processors, which are used in large corporate servers like Google and Intel, can no longer rely on solutions such as the increase of low-power microprocessors. This inevitably leads to inventing new technologies for communication between processors with features such as high bandwidth, low power consumption and small transmission latency. A promising technology, which is also utilized and studied for the purposes of our thesis, is silicon photonics. Silicon photonics has developed over the prevailing and mature technology of silicon semiconductors and is expected to be the next step in optical communication between processors. In our thesis, we start with an introduction on the interconnection between processors, we describe the proposed optical interconnect architecture, which is based on silicon photonics technology, and we analyse its individual subsystems. Then we study the system through simulation using the VPI Photonics software, introducing also integrated nanoamplifiers for balancing the power budget of the interconnect link and evaluating the link quality degradation depending on several amplifier parameters and characteristics. The conclusive end results of the present study are that no adverse effects on the quality of the transmitted signal are detected as long as the gain values of the amplifiers equal 10 or 9 db and their noise figure levels range between 5 and 9 db, as shown by the measurements in ER (Extinction Ratio), the AM (Amplitude Modulation) and the power penalty. 7

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Επικοινωνία Μεταξύ επεξεργαστών Η αλματώδης και ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας και της ψηφιοποιημένης πληροφορίας στην σύγχρονη εποχή, επιφέρει συνεχώς περισσότερες απαιτήσεις και ανάγκες. Οι υπολογιστές από μικρά υπολογιστικά συστήματα επαγγελματικής χρήσης πριν σχεδόν τρείς δεκαετίες, εξελίχθηκαν στους προσωπικούς υπολογιστές στο σπίτι και σύντομα εισήλθαν στην εποχή διασύνδεσης τους στο παγκόσμιο διαδίκτυο αποτελώντας αναπόσπαστο στοιχείο της καθημερινής ζωής του ανθρώπου και επιφέροντας ραγδαία αύξηση του συνολικού όγκου των παραγόμενων ψηφιακών δεδομένων. Έτσι, με τις εφαρμογές και την ανάλυση των «μεγάλων δεδομένων» (big data) να βρίσκονται στο μεταίχμιο των μοντέρνων επαγγελματικών εφαρμογών [1] και με το πλήθος των δεδομένων που παράγονται να εξακολουθεί να αυξάνεται με πολύ μεγαλύτερους ρυθμούς απ' αυτούς με τους οποίους αναπτύσσονται οι υποδομές, δημιουργείται το πρόβλημα που συχνά αναφέρεται ως "το πρόβλημα κατακλυσμού δεδομένων". Το γεγονός αυτό κάνει τα σημερινά συστήματα που χρησιμοποιούνται στα μεγάλα κέντρα δεδομένων (data centers) να πασχίζουν να ξεπεράσουν την υπολογιστική δύναμη της κλίμακας των exascale (exa=10 18 ) οδηγώντας ταυτόχρονα σε υπερκατανάλωση ενέργειας και αύξηση του κόστους παραγωγής τους. Οι σημερινές πλακέτες διακομιστών (server boards) πολλαπλών υποδοχών (sockets) δεν είναι εύκολο να φιλοξενήσουν παραπάνω από τέσσερις υποδοχές επεξεργαστών, λόγω του ότι η χρήση μεγαλύτερου αριθμού περιορίζεται από τις υψηλές απαιτήσεις εύρους ζώνης των διασυνδέσεων, οι οποίες είναι πέραν των δυνατοτήτων των σημερινών ηλεκτρικών καλωδιώσεων. Οι "Glueless" αρχιτεκτονικές υποδοχών με απευθείας συνδέσεις από σημείο σε σημείο, επιφέρουν έως 65% σπατάλη του εύρους ζώνης για λόγους συνοχής της κρυφής μνήμης Cache (cache coherence) [10], που απαιτείται συνήθως σε εφαρμογές πολλαπλής εκπομπής (multicasting) και μετάδοσης (broadcasting) [1]. Τα τελευταία χρόνια λόγω της βελτιστοποίησης των επεξεργαστών και με το εύρος ζώνης των μνημών να αυξάνεται γρηγορότερα από τις τεχνολογίες που βασίζονται στις διασυνδέσεις χαλκού [1], 8

9 οι σημερινές διασυνδέσεις υποδοχών από σημείο σε σημείο αποτυγχάνουν [4] [5] να ανταποκριθούν στις ανάγκες για σχηματισμούς πάνω των 8 υποδοχών. Η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, το υψηλό εύρος ζώνης, η μικρή καθυστέρηση μεταφοράς χωρίς συγκρούσεις, και οι συνδέσεις για πολλαπλή εκπομπή και μετάδοση (εικόνα 1), αποτελούν μόνο μερικές από αυτές τις ανάγκες. Εικόνα 1: 4πλος και 8πλος server board για πολλαπλή εκπομπή και μετάδοση Οι παραπάνω απαιτήσεις και η επίτευξή τους [6] δεν μπορούν πλέον να βασιστούν απλά στην αύξηση των μικροεπεξεργαστών χαμηλής κατανάλωσης. Με την μέθοδο κατάτμησης των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων των επεξεργαστών ώστε να τοποθετούνται ολοένα και περισσότεροι πυρήνες να έχει φτάσει ήδη στα όριά της, οι προσπάθειες για την βελτίωση του παράλληλου προγραμματισμού από άποψη κόστους και κατανάλωσης ενέργειας έχει στραφεί στο επόμενο επίπεδο της ιεραρχίας: η επικοινωνία μεταξύ των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε ένα server board καθώς επίσης και μεταξύ των πλαισίων (Racks) αποτελεί πλέον το μείζον θέμα της σημερινής βιομηχανίας επεξεργαστών για την μείωση του φυσικού χώρου, της πολυπλοκότητας του δικτύου και των πόρων, ενώ παράλληλα είναι επιτακτική η ανάγκη για επίτευξη μεγαλύτερης απόδοσης ανά watt. Επιπροσθέτως, οι αναδυόμενες τάσεις στις νέες αρχιτεκτονικές πλαισίων (Racks) και server boards προσθέτουν επιπλέον πίεση στις διασυνδέσεις ανάμεσα στα ολοκληρωμένα συστήματα απαιτώντας περισσότερο εύρος ζώνης και μικρότερη καθυστέρηση με μειωμένη 9

10 κατανάλωση ενέργειας και κόστος, γεγονός που καθιστά τις λύσεις με χρήση ηλεκτρονικών συστημάτων, να είναι περιορισμένων δυνατοτήτων. Τέλος, οι αρχιτεκτονικές για κέντρα δεδομένων (data centers) μεγάλης κλίμακας [8], τις οποίες εισήγαγαν η Intel και το Facebook, μπορούν και παρέχουν μέσω της αποκέντρωσης και της τμηματικής ανάθεσης πόρων λογισμικού, προσαρμοζόμενα κόστη και κατανάλωση ενέργειας, ανάλογα με τις εκάστοτε ανάγκες. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια σημαντική εξοικονόμηση στο συνολικό κόστος κατά την αναβάθμιση τέτοιων συστημάτων. Εντούτοις όμως, η συνεχής αναζήτηση για ακόμη μεγαλύτερες επιδόσεις σε υπολογιστική ισχύ, μνήμη και αποθήκευση απαιτεί πλέον τεράστιες βελτιώσεις και στον τρόπο με τον οποίο διασυνδέονται μεταξύ τους οι επεξεργαστές στα μεγάλα κέντρα δεδομένων. Για τον λόγο αυτό, εταιρείες όπως η Intel στρέφονται ήδη στην φωτονική τεχνολογία πυριτίου ή silicon photonics για τις διασυνδέσεις ραχοκοκαλιάς στα Racks της επόμενης γενιάς [3]. 1.2 Φωτονική τεχνολογία πυριτίου για την επικοινωνία μεταξύ επεξεργαστών Η οπτική επικοινωνία μεταξύ επεξεργαστών στοχεύει στην ανάπτυξη μιας ριζικά νέας τεχνολογίας για απευθείας διασυνδέσεις μεταξύ ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, που ξεπερνά τους σημερινούς περιορισμούς σχεδιασμού. Επιχειρεί την ανάπτυξη μιας ολιστικής συσκευής πομποδέκτη εν μέσω της πλακέτας (mid-board) και δρομολογητή, η οποία αξιοποιεί τις τεχνολογίες των silicon photonics και εισάγει πυκνή πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος (DWDM) τόσο για την αύξηση της χωρητικότητας όσο και για μηχανισμούς δρομολόγησης χαμηλής ενέργειας. Το πεδίο των Silicon Photonics, δηλαδή η μελέτη και εφαρμογή ολοκληρωμένων φωτονικών συστημάτων τα οποία χρησιμοποιούν πυρίτιο ως το οπτικό μέσο, κερδίζει συνεχώς έδαφος, αφενός γιατί επιτρέπει σε οπτικές συσκευές να κατασκευαστούν φθηνά χρησιμοποιώντας την υπάρχουσα τεχνολογία ημιαγωγών, και αφετέρου γιατί παρέχει δυνατότητα ολοκλήρωσης με τεχνικές επεξεργασίας πλήρως συμβατές με τις αντίστοιχες που χρησιμοποιούνται στα σημερινά ολοκληρωμένα κυκλώματα μικροηλεκτρονικής. 10

11 Η εκμετάλλευση της φωτονικής τεχνολογίας πυριτίου για την επικοινωνία μεταξύ επεξεργαστών σκοπεύει στην υλοποίηση πομποδεκτών με ρυθμαπόδοση της τάξεως του 1.6 Tb/s καθώς επίσης και στη υλοποίηση δρομολογητή πάνω στην ίδια ηλεκτροοπτική πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (Printed Circuit Board-PCB), με ρυθμαπόδοση 25.6 Tb/s. Κατ αυτόν τον τρόπο γίνεται εφικτή η δημιουργία σύνδεσης σε server boards των 16 υποδοχών από σημείο σε σημείο. Επιπροσθέτως, αποτελεί το επόμενο βήμα στην εξέλιξη των οπτικών διασυνδέσεων εισάγοντας ένα νέο πρότυπο οπτικής σειριακής διασύνδεσης από επεξεργαστή σε επεξεργαστή το οπτικό ανάλογο των σημερινών διαύλων QPI (QuickPath Interconnects) [19] ή PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) [20] [21] την οπτική διασύνδεση μονοπατιού OPI ή O-PCIe (εικ. 2). Η υιοθέτηση αρχιτεκτονικών οπτικής διασύνδεσης των επεξεργαστών, αποτελεί λύση στις σημερινές προκλήσεις για ενεργειακή απόδοση, εύρος ζώνης και κόστος όσον αφορά τους server boards με διατάξεις πολλαπλών υποδοχών. Κατ αυτόν τον τρόπο, αυξάνεται η πυκνότητα τους και η ρυθμαπόδοση πάνω από 400% και 1600% αντίστοιχα, ενώ επιτυγχάνεται μεγαλύτερη από 90% μείωση των ενεργειακών απαιτήσεων. Στην εικόνα 2 φαίνεται η αρχιτεκτονική οπτικής διασύνδεσης επεξεργαστή με επεξεργαστή με χρήση φωτονικής τεχνολογίας πυριτίου. Για να καταστεί αυτό εφικτό, οι προσπάθειες έρευνας εστιάζουν στην ανάπτυξη τριών διακριτών υποσυστημάτων: 1. Μιας ελεγχόμενης μέσω λογισμικού, οπτικής μεσαίας πλακέτας (mid-board) μηχανής στα 1.6 Tb/s πυκνής πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (DWDM), η οποία προσαρτάται στην άκρη κάθε υποδοχής, ώστε να υπάρχει οπτική διεπαφή της κεντρικής μονάδας επεξεργασίας με την πλακέτα του διακομιστή (server board) χρησιμοποιώντας 32 κανάλια (μήκη κύματος) με ρυθμό μετάδοσης 50 Gb/s ανά κανάλι. 2. Ενός δρομολογητή εν μέσω της πλακέτας (mid-board), ο οποίος υποστηρίζει επικοινωνία χωρίς συγκρούσεις (collision-free) τύπου όλοι με όλους (any-toany) και χρησιμοποιεί τεχνικές πυκνής πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος στα 25.6 Tb/s. Ταυτόχρονα, θα αναπτυχθεί ένα κατανεμημένο σύστημα δρομολόγησης στο οποίο ένα παθητικό στοιχείο δρομολόγησης DWDM θα 11

12 παρέχει ταυτόχρονη επικοινωνία ανάμεσα σε 16 mid-board μηχανές πυκνής πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος. Έτσι γίνεται εφικτή μια μαζική πλατφόρμα δρομολόγησης χωρίς ενδιάμεση μνήμη, χωρίς συγκρούσεις και με πολύ χαμηλή καθυστέρηση, συνολικής ρυθμαπόδοσης 25.6 Tb/s. 3. Έναν πλήρως λειτουργικό διακομιστή (server-blade), ο οποίος θα επιτρέπει επικοινωνία ανάμεσα στις κεντρικές μονάδες επεξεργασίας με έως και 16 υποδοχές μέσω μιας μονότροπης ηλεκτροοπτικής πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB). Θα αναπτυχθεί ένα πολυμερές, μονότροπο, οπτικό PCB για να φιλοξενήσει τις βασιζόμενες σε πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος οπτικές μηχανές και τις μονάδες δρομολόγησης. Αυτό αποτελεί έναν τρόπο για να σχηματιστεί ένα πλήρες, αποδοτικό, υψηλής ταχύτητας και αποτελεσματικό από άποψη κόστους σύστημα οπτικής διασύνδεσης για 16 ενσωματωμένες διασυνδέσεις επεξεργαστή με επεξεργαστή. Εικόνα 2: Αρχιτεκτονική οπτικής επικοινωνίας επεξεργαστών 12

13 Οι τέσσερις κυριότεροι άξονες στους οποίους στοχεύει η παραπάνω αρχιτεκτονική είναι οι ακόλουθοι: 1. Να παρέχονται δυνατότητες διασύνδεσης βελτιστοποιημένες για απόδοση σε επίπεδο επικοινωνίας μεταξύ επεξεργαστών, οι οποίες αυξάνουν την τρέχουσα ρυθμαπόδοση και δρομολόγηση κατά 1600%, επιδεικνύοντας έναν κόμβο εξυπηρετητών 16 επεξεργαστών με ρυθμαπόδοση των διασυνδέσεων στα 25.6 Tb/s. 2. Δραστική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας έως και 90% περνώντας σε ενεργειακά αποδοτικές μηχανές mid-board, καθιστώντας μη απαραίτητη την ανάγκη για ενεργή μεταγωγή για συστοιχίες κόμβων μέχρι και 16 υποδοχών και εφαρμόζοντας τοπολογίες φιλικές προς πολλαπλές οπτικές διασυνδέσεις. 3. Κατάργηση των φυσικών εμποδίων των σύγχρονων server-boards για 400% μεγαλύτερη πυκνότητα, αναπτύσσοντας πλατφόρμες ηλεκτροπτικών πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων, καθώς επίσης και δρομολόγηση με συστοιχία φραγμάτων περίθλασης (mid-board AWGR) για αύξηση της απόστασης από υποδοχή σε υποδοχή σε μια διάταξη διασύνδεσης 16 υποδοχών. 4. Υποστήριξη των νέων αρχιτεκτονικών τάσεων - Αποκέντρωση: να επιτρέπεται η δημιουργία γρήγορων interrack και intrarack συνδέσεων απομακρυσμένων πόρων ακόμη και σε απαιτητικούς τομείς όπως, η πρόσβαση σε δεξαμενές μνήμης, χρησιμοποιώντας μονότροπους κυματοδηγούς απευθείας από την πλακέτα PCB και δρομολόγηση πολυπλεξίας μήκους κύματος με πολύ χαμηλή καθυστέρηση. 1.3 Σκοπός της διατριβής Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η δημιουργία, η προσομοίωση και η μελέτη ενός συστήματος οπτικής επικοινωνίας μεταξύ επεξεργαστών βασισμένη στην φωτονική τεχνολογία πυριτίου. Αρχικά γίνεται μια εισαγωγική παρουσίαση της αρχιτεκτονικής και 13

14 αναλύεται η λειτουργία των επιμέρους υποσυστημάτων. Η προσομοίωση του συστήματος γίνεται με τη χρήση του λογισμικού VPI Photonics. Τα αποτελέσματα θα αξιολογηθούν βάσει του λόγου σβέσης (Extinction Ratio ER), της διαμόρφωσης πλάτους του σήματος (AM) και της επιβάρυνσης ισχύος (Power Penalty) σε συνάρτηση με τις μεταβολές στο κέρδος και το επίπεδο θορύβου των ενισχυτών, ώστε να κριθεί και κατά πόσο μια τέτοια υλοποίηση είναι εφικτή. 1.4 Δομή της διατριβής Στο πρώτο κεφάλαιο έγινε μια αναφορά της επικρατούσας κατάστασης των σημερινών τεχνολογιών επικοινωνίας μεταξύ επεξεργαστών. Δόθηκαν επιχειρήματα για τους περιορισμούς που έχει η σημερινή τεχνολογία η οποία βασίζεται στις ηλεκτρονικές διασυνδέσεις, και παρουσιάστηκαν οι λύσεις και οι στόχοι της τεχνολογίας οπτικής διασύνδεσης. Στο κεφάλαιο δύο παρουσιάζεται η οπτική αρχιτεκτονική επικοινωνίας μεταξύ επεξεργαστών και αναλύεται η λειτουργία των επιμέρους υποσυστημάτων όπως ο δρομολογητής με συστοιχία φραγμάτων περίθλασης AWGR, ο διαμορφωτής δακτυλίου, η φωτοδίοδος κ.α. Στη συνέχεια στο κεφάλαιο τρία περιγράφεται λεπτομερώς η υλοποίηση μιας τέτοιας αρχιτεκτονικής μέσω προσομοίωσης του λογισμικού VPI Photonics και δίνονται οι προδιαγραφές του συστήματος. Στο κεφάλαιο τέσσερα δίνονται τα αποτελέσματα για τον λόγο σβέσης (Extinction Ratio), το AM και της επιβάρυνσης ισχύος ή Power Penalty για διάφορες τιμές του κέρδους (Gain) σε συνάρτηση με το επίπεδο θορύβου (Noise Figure) των δύο ενισχυτών του συστήματος. Τέλος στο κεφάλαιο πέντε γίνεται μια σύνοψη της εργασίας και παρατίθενται τα συμπεράσματα. 14

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Επεξεργαστή-με-Επεξεργαστή 2.1 Περιγραφή της Αρχιτεκτονικής Η αρχιτεκτονική που υλοποιήθηκε στη παρούσα εργασία απεικονίζεται σχηματικά για μια οπτική μηχανή εκπομπής και λήψης στην εικόνα 3. Τα δομικά στοιχεία τα οποία αναλύονται στην επόμενη ενότητα είναι τα ακόλουθα: Η πολυκυματική οπτική πηγή λέιζερ, με οπτική έξοδο ισχύος 3 mw και απόσταση καναλιών 100 GHz στη φασματική ζώνη των 1300 nm, ο διαμορφωτής δακτυλίου, ο πολυπλέκτης 8:1 και ο αποπολυπλέκτης 1:8 με τεχνολογία SOI, ο ενισχυτής με μικρές τιμές κέρδους 10 dβ και κατανάλωση ενέργειας 10 mw, ο δρομολογητής AWGR και η φωτοδίοδος. Εικόνα 3: Σχηματική αναπαράσταση οπτικής επικοινωνίας μεταξύ επεξεργαστών Στην παραπάνω εικόνα, όπου: o laser: Λέιζερ του πομπού o mod: Διαμορφωτής o MUX: Πολυπλέκτης o AMP: Ενισχυτής o AWGR: Δρομολογητής με συστοιχία φραγμάτων περίθλασης o DEMUX: Αποπολυπλέκτης o PD: Φωτοδίοδος του δέκτη Καθένα από τα οκτώ λέιζερ εκπέμπει ένα σταθερό μήκος κύματος το οποίο εισέρχεται στον διαμορφωτή δακτυλίου (υποενότητα 2.2.2). Στην συνέχεια τα 15

16 διαμορφωμένα μήκη κύματος πολυπλέκονται στον 8:1 πολυπλέκτη και ενισχύονται πριν περάσουν από τον δρομολογητή με συστοιχία φραγμάτων περίθλασης, AWGR (υποενότητα 2.2.6). Κατά την έξοδό τους από τον δρομολογητή και αφού γίνει και πάλι ενίσχυση, τα πολυπλεγμένα μήκη κύματος αποπολυπλέκονται από τον 1:8 αποπολυπλέκτη και περνούν στην φωτοδίοδο η οποία μετατρέπει το εισερχόμενο οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό. 2.2 Λειτουργία επιμέρους υποσυστημάτων Ο Οπτικός Πομπός Η κύρια προσέγγιση που ακολουθείται για την οπτική τροφοδοσία των φωτονικών πομπών πυριτίου είναι η εφαρμογή μονολιθικών τεχνικών τεχνολογίας III-V on Si για τη δημιουργία ολοκληρωμένης πολυκυματικής οπτικής πηγής (Dense-WDM lasers) συνεχούς κύματος (Continuous Wave-CWΗ). Η τεχνική ολοκλήρωσης του DWDM laser που ακολουθεί το σύστημα βασίζεται σε μια εξαιρετική λεπτή στοίβα III-V κβαντικού πηγαδιού [11], περίπου 300 nm, συνδεδεμένη με το chip φωτονικής τεχνολογίας πυριτίου, κάνοντάς το πλήρως συμβατό με τα CMOS ηλεκτρονικά κυκλώματα. Η εκμετάλλευση της προαναφερθείσας τεχνολογίας οπτικών πηγών, η οποία προσφέρει οπτική ισχύ εξόδου ίση με 3 mw και 30% καλύτερη απόδοση μετατροπής από ηλεκτρικό σε οπτικό, στοχεύει σε συστοιχίες των 32 στοιχείων με απόσταση καναλιών ίση με 100 GHz στο φασματικό εύρος των 1300 nm. Η ακριβής ρύθμιση και ο έλεγχος του μήκους κύματος θα πραγματοποιηθούν μέσω μιας εξωτερικής ανακλαστικής κοιλότητας στην δομή του πυριτίου χρησιμοποιώντας την θερμική εξάρτηση του δείκτη διάθλασης του πυριτίου και μιας τοπικής αντίστασης. 16

17 2.2.2 Ο Διαμορφωτής Δακτυλίου Ένας διαμορφωτής Δακτυλίου προσφέρει υψηλή αποδοτικότητα διαμόρφωσης (pm/v) μεγάλο λόγο σβέσης (db), χαμηλές απώλειες εισαγωγής (insertion losses) και υψηλό ηλεκτροπτικό μήκος κύματος (GHz) [17] [18]. Η αρχή λειτουργίας περιγράφεται συνοπτικά στην εικόνα 4. Το φως τροφοδοτείται σε έναν συντονιστή δακτυλίου με προσμίξεις ημιαγωγών τύπου p (positive) και n (negative). Αλλάζοντας το ηλεκτρικό πεδίο είναι δυνατόν να αλλάξει ο ενεργός δείκτης διάθλασης του φωτός που συντονίζεται στον δακτύλιο. Αυτό προκαλεί την αλλαγή του μήκους κύματος του συντονισμού η οποία αλλαγή επιφέρει μια διακύμανση έντασης του εισερχόμενου φωτός. Η αποδοτικότητα της αλλαγής του συντονισμού ή αλλιώς η αποδοτικότητα διαμόρφωσης εκφράζεται σε pm/v. Η διακύμανση της ισχύος ανάμεσα σε δύο οδηγούμενα στάδια ( P1 και P0 ) ονομάζεται λόγος σβέσης (Extinction Ratio ER). Η απώλεια που παρατηρείται στο στάδιο P1 ονομάζεται απώλεια εισαγωγής (Insertion Loss IL). Στην γραφική παράσταση της εικόνας 4, η μαύρη καμπύλη δείχνει τη συνάρτηση μεταφοράς απουσία ηλεκτρικής τάσης, ενώ η μπλε τη συνάρτηση μεταφοράς όταν εφαρμόζεται τάση 1 V, όπου φαίνεται ότι η συνάρτηση έχει μετατοπιστεί συχνοτικά ως Εικόνα 4: Αρχή λειτουργίας ενός διαμορφωτή δακτυλίου αποτέλεσμα της αλλαγής του δείκτη διάθλασης του μικροδακτυλίου λόγω της εφαρμοζόμενης τάσης. Επομένως, αν επιλεγεί το μήκος κύματος να είναι πολύ κοντά στη συχνότητα συντονισμού λc (δηλαδή ελάχιστης μετάδοσης ισχύος) του δακτυλίου, σε τάση ίση με 0 V περνάει επίπεδο ισχύος Ρ0 στην έξοδο. Όταν εφαρμοστεί τάση 1 V, η μετάδοση του δακτυλίου σε αυτό το μήκος κύματος αυξάνει σε Ρ1 λόγω της ολίσθησης της 17

18 συνάρτησης μεταφοράς, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται μεγαλύτερη ισχύ στην έξοδο και να σχηματίζεται έτσι οπτικός παλμός με στάθμη μηδενικού ίση με Ρ0 και στάθμη άσσου ίση με Ρ1. Κατά συνέπεια, το ER προκύπτει ως αποτέλεσμα της αφαίρεσης Ρ1-Ρ Πολυπλέκτης- Αποπολυπλέκτης Οι μονάδες πολυπλεξίας τεχνολογίας SOI βασίζονται σε συντονιστές δακτυλίου (Ring Resonators, RRs) δεύτερης τάξης, επιλέγοντας την χρήση θερμικής ρύθμισης για την επίτευξη της ιδανικής φασματικής τοποθέτησης των συντονισμών του πολυπλέκτη (Multiplexer, MUX) [22] [18] και του αποπολυπλέκτη (Demultiplexer, DeMux). Η επιλογή του έγινε λόγω των προδιαγραφών των συντονιστών μικροδακτυλίων, καθώς μπορούν να προσφέρουν μικρό αποτύπωμα, μεγάλο εύρος ζώνης διέλευσης, χαμηλή διαφωνία (CrossTalk) εντός μικρής απόστασης μεταξύ γειτονικών καναλιών καθώς επίσης και την θερμική ρύθμιση των συντονισμών τους. Ειδικότερα, στην συγκεκριμένη έρευνα πραγματοποιήθηκε η σχεδίαση 8:1 πολυπλεκτών τεχνολογίας SOI (εικόνα 7) [23] [24], καθένας από τους οποίους είναι ικανός για πολυπλεξία οχτώ ανεξάρτητων καναλιών που φέρουν επιμέρους οπτικές ροές Non- Return-to-Zero (NRZ) δεδομένων ανά 240 GHz (φασματική απόσταση καναλιών) σε ρυθμούς Εικόνα 5: Απόδοση του φίλτρου στους MUX DeMUX με φάσμα για 4:1 18

19 μετάδοσης 50 Gb/s. Για να επιτευχθεί αυτό προσομοιώθηκαν δεύτερης τάξης φίλτρα πολυπλέκτη τα οποία παρουσιάζονται στην Εικόνα 5 (με φάσμα για 4:1) έχοντας μικρές απώλειες, περίπου 2 db, χαμηλό CrossTalk περίπου 20 db και για 1 db bandwidth ίσο με 105 GHz για όλα τα κανάλια. Η μορφή των κορυφών στην παραπάνω εικόνα είναι Gauss και το φίλτρο που προσομοιώθηκε έχει εύρος ζώνης 140e9 Hz και Filter Order 2. Τέλος στην παρακάτω εικόνα 6 απεικονίζεται η μια από τις τέσσερις κορυφές στην οποία έχει επισημανθεί το crosstalk και το 1 db bandwidth. Εικόνα 6 Crosstalk και 1 db Bandwidth του φίλτρου Εικόνα 7: MUX/DEMUX με 8 second order δακτυλίους Ο ενισχυτής Στο συγκεκριμένο σύστημα γίνεται χρήση III-V νάνο-ενισχυτών ( ΙΙΙ-V nano-amplifiers) που βασίζονται στην ετερογενή ολοκλήρωση της ημιαγώγιμης ενεργής πλάκας (semiconductor active slab), η οποία έχει δομή φωτονικών κρυστάλλων (PhC) με την τεχνολογία πυριτίου σε μονωτή (Silicon-On-Insulator- SOI) με παθητικούς κυματοδηγούς [25]. Με αυτόν τον τρόπο σχηματίζεται μια υβριδική δομή που ξεπερνά το έμμεσο ενεργειακό χάσμα (indirect bandgap) του πυριτίου. Όπως διακρίνεται στην Εικόνα 8, γύρω από τον SOI κυματοδηγό, βρίσκεται το επίστρωμα του benzocyclobutene (BCB) που σχηματίζεται με ένα επιπλέον στρώμα SiO 2. Το 19

20 πάχος αυτού του επιστρώματος είναι συνήθως λιγότερο από 500 nm ώστε να καταστεί εφικτή η παροδική σύζευξη ανάμεσα στον κυματοδηγό του SOI Si και της ημιαγώγιμης πλάκας (slab). Το ενεργό επίπεδο αποτελείται από III-V υλικό και περιέχει κβαντικά πηγάδια (quantum wells) ή κβαντικές τελείες (quantum dots) τα οποία θα βελτιστοποιηθούν για μέγιστο κέρδος περίπου στα 1.3 μm. Αυτές οι δομές θα ενθυλακωθούν με στρώμα χαμηλού δείκτη διάθλασης για την προσαρμογή της θερμότητας. Εικόνα 8: Σχηματική αναπαράσταση του III-V on Silicon οπτικού νάνο-ενισχυτή Η δομή του νανο-ενισχυτή είναι κατάλληλη για ενίσχυση μεγάλου οπτικού εύρους ζώνης, στοχεύοντας σε μικρές τιμές κέρδους της τάξης των 10 db, σε τουλάχιστον 32 nm εύρους ζώνης, με επίπεδα ισχύος του σήματος εισόδου στα -20 dbm και κατανάλωση ενέργειας περίπου 10 mw. Όσον αφορά την αρχιτεκτονική που μελετάται στη παρούσα εργασία, οι ενισχυτές θα τοποθετηθούν πριν τις θύρες εισόδου και μετά τις θύρες εξόδου της μονάδας AWGR, με σκοπό την αντιστάθμιση των απωλειών της οπτικής διασύνδεσης μεταξύ μιας οπτικής μηχανής πομπού και μιας μηχανής λήξης. Τέλος, οι χαμηλές τιμές κέρδους, στα 10 dbm, έχουν ως στόχο να επιτρέψουν εξαιρετικά μικρή και συμπαγή σχεδίαση, με χαμηλά επίπεδα θορύβου και μικρή κατανάλωση ενέργειας, η οποία δεν υπερβαίνει τα 20 fj/bit στα 50 Gb/s. 20

21 2.2.5 Φράγματα συστοιχίας κυματοδηγών AWG Η διάταξη AWG [8] όπως αυτή απεικονίζεται στην εικόνα 9, αποτελείται από έναν συζεύκτη αστέρα εισόδου και από έναν εξόδου οι οποίοι διασυνδέονται από έναν αριθμό (ή πίνακα) κυματοδηγών. Οι συζεύκτες αστέρα είναι κατασκευασμένοι με τέτοιον τρόπο ώστε μια απεικόνιση του πεδίου στο τέλος της εισόδου του κυματοδηγού αναπαράγεται σε κάποιο σημείο του εστιακού επιπέδου της εξόδου. Ωστόσο, οι διασυνδεδεμένοι κυματοδηγοί δεν έχουν όλοι το ίδιο μήκος, αλλά διαφέρουν από τον πρώτο έως τον τελευταίο κατά έναν σταθερό ρυθμό αύξησης. Αυτή η διαφορά του μήκους έχει ως αποτέλεσμα την εξάρτηση της θέσης της απεικόνισης κατά μήκος του εστιακού πεδίου, επιτρέποντας την συλλογή διαφορετικών μηκών κύματος φωτός σε διαφορετικούς κυματοδηγούς εξόδου. Συνεπώς η συσκευή λειτουργεί ως αποπολυπλέκτης μήκους κύματος ή εάν χρησιμοποιηθεί αντίστροφα ως πολυπλέκτης. Όπως φαίνεται και στην εικόνα 9, όταν στη μια είσοδο του AWG εισέρχονται όλα τα μήκη κύματος, για παράδειγμα λ 1 έως λ Ν τότε κατά την έξοδό τους από αυτόν, το κάθε μήκος κύματος εξέρχεται από διαφορετική έξοδο. Εικόνα 9: Αρχή λειτουργίας του AWG Κατά συνέπεια, στην περίπτωση εισαγωγής των ίδιων μηκών κύματος από διαφορετικές εισόδους, αυτά θα εξέλθουν με διαφορετική σειρά σε κάθε έξοδο, επιτυγχάνοντας κατ αυτόν τον τρόπο την κυκλική λειτουργία cyclic feature του AWGR όπως φαίνεται παρακάτω στην εικόνα

22 Εικόνα 10: Κυκλική λειτουργία του AWGR Δρομολογητής με συστοιχία φραγμάτων περίθλασης (AWGR) Στο σχήμα που ακολουθεί στην εικόνα 11 (στο οποίο σε κάθε επεξεργαστή διακρίνονται τα τέσσερα από τα οκτώ μήκη κύματος) περιγράφεται η αρχιτεκτονική ενός συστήματος συνδεδεμένου με έναν δρομολογητή με συστοιχία φραγμάτων περίθλασης ή AWGR. Οι οπτικές μηχανές οι οποίες έπονται των επεξεργαστών, συνδέονται με τον AWGR ο οποίος δρομολογεί τα μήκη κύματος [9]. Εικόνα 11: Διασύνδεση AWGR με τους επεξεργαστές Στην εικόνα 12, τα 32 κανάλια είναι πολυπλεγμένα σε έναν 32:1 πολυπλέκτη πυριτίου (Si) και κάθε ζεύγος γειτονικών μηκών κύματος σχηματίζει ένα οπτικό κανάλι ρυθμού μετάδοσης 100 Gb/s, η οποία κατευθύνεται προς την ίδια υποδοχή του 16x16 AWGR. Αυτό μπορεί να εξασφαλιστεί αναπτύσσοντας τον AWGR με τέτοιον τρόπο ώστε να εμφανίζει μια συνάρτηση μεταφοράς επίπεδης κορυφής (flat-top) με ένα εύρος ζώνης καναλιού στα 200 GHz. Συνεπώς, οι μονές ροές δεδομένων των 32 μηκών κύματος, αντιμετωπίζονται ως 22

23 16 ζεύγη σε διαύλους των 2 μηκών κύματος. Αυτά τα 16 ζεύγη δρομολογούνται έπειτα στις αντίστοιχες 16 θύρες εξόδου του AWGR φθάνοντας σε 16 διαφορετικές υποδοχές προορισμού. Έτσι επιτρέπεται η ταυτόχρονη διασύνδεση όλων με όλους για έναν συνολικό αριθμό των 16 υποδοχών μέσω μιας δομής η οποία είναι ελεύθερη από συγκρούσεις και χωρίς την ανάγκη για προσωρινή αποθήκευση. Όπως φαίνεται παρακάτω, όταν η υποδοχή 1 πρέπει να στείλει διαφορετικά δεδομένα στον επεξεργαστή της υποδοχής 2 και 16, ο ηλεκτρικός δίαυλος δεδομένων Νο 2 διαμορφώνει τον αντίστοιχο οπτικό δίαυλο δεδομένων ο οποίος σχηματίζεται από τα κανάλια λ3-λ4, ενώ ο ηλεκτρικός δίαυλος Νο 16 διαμορφώνει τα οπτικά κανάλια στα λ31 και λ32. Τα 4 κανάλια (λ3-λ4-λ31-λ32) θα φτάσουν στην κοινή θύρα εισόδου του AWGR και τότε, θα δρομολογηθούν ως ζεύγη στις θύρες εξόδου 2 και 16 εκμεταλλευόμενα τις ιδιότητες δρομολόγησης μήκους κύματος του AWGR. Όταν η υποδοχή 1 πρέπει να επικοινωνήσει ταυτόχρονα με όλες τις υπόλοιπες 15 υποδοχές ανταλλάσσοντας διαφορετική πληροφορία με το καθένα, χρειάζεται απλά να ενεργοποιήσει και τα 32 μήκη κύματος και να τα διαμορφώσει με τον αντίστοιχο ηλεκτρικό δίαυλο δεδομένων. Εικόνα 12: Διασύνδεση και λειτουργία του AWGR 23

24 2.2.7 Η φωτοδίοδος Η φωτοδίοδος μετατρέπει το εισερχόμενο οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό,. Τα ηλεκτρονικά που υποστηρίζουν την φωτοδίοδο (φωτοανιχνευτής), αποτελούνται ουσιαστικά από έναν ενισχυτή δια σύνθετης αντίστασης (transimpedance amplifier), ο οποίος αναλαμβάνει να ενισχύσει την έξοδο της φωτοδιόδου σε μεγαλύτερες τιμές ρεύματος. Για την μελέτη αυτού του συστήματος χρησιμοποιήθηκαν φωτοδίοδοι της O- μπάντας, μήκους 15 μm, ικανοί για ταχύτητες έως 50 Gb/s. Αυτές οι συσκευές βασίζονται σε δομές κάθετων Ge/Si διόδων, με επαφή p-τύπου στο στοιχείο Γερμάνιο (Ge) και επαφή n- τύπου στο πυρίτιο (Si) [12]. Οι φωτοανιχνευτές έχουν ηλεκτροπτικό εύρος ζώνης που ξεπερνά τα 49 GHz, σε λιγότερο από 2 V ανάστροφης πόλωσης και με απόκριση καλύτερη από 0.88 A/W. Τέλος, έχουν την ικανότητα αποθήκευσης ηλεκτρικού φορτίου σε τιμή μικρότερη από 50 ff και ρεύμα σκότους λιγότερο από 100 na σε θερμοκρασία δωματίου. Παρακάτω στον Πίνακα 1. παρουσιάζεται η τυπική απόδοση της Φωτοδιόδου σε διάφορες κλίμακες. Όπως μπορεί να παρατηρηθεί, η τιμή της απόκρισης είναι σχετικά υψηλή και η τιμή του ρεύματος σκότους (dark current) είναι ικανοποιητικά χαμηλή για τους στόχους της παρούσας έρευνας. Λειτουργία Μήκους Κύματος: 1310nm Τιμές Median Std Q10 Q90 N Maturity Μονάδα μέτρησης Απόκριση -1V A/W Τιμές Μονάδα Μέτρησης Median Std Q10 Q90 N Maturity Dark current -1V na Dark current -2V na Πίνακας 1: Τυπική απόδοση της 50 GHz O-band φωτοδιόδου 24

25 2.2.8 Αδιαβατική Σύζευξη- Coupling Η υλοποίηση του συστήματος που μελετάται, προβλέπει την ομαδοποίηση των προαναφερθέντων δομικών στοιχείων του πομπού και του δέκτη σε δύο διακριτές πλατφόρμες φωτονικής πυριτίου: a) Μια ενεργή πλατφόρμα φωτονικής πυριτίου η οποία θα περιλαμβάνει τις διατάξεις του διαμορφωτή πυριτίου στα 50 Gb/s καθώς επίσης και μια συστοιχία φωτοδιόδων με ένα παθητικό κύκλωμα πολυπλεξίας, και b) μια πλατφόρμα III-Vπάνω-σε-πυρίτιο (III-V-on-SOI) η οποία θα περιλαμβάνει το DWDM λέιζερ σταθερού μήκους κύματος, καθώς επίσης και διατάξεις προενίσχυσης μαζί με ένα παθητικό σύστημα αποπολυπλεξίας. Oπως φαίνεται και παρακάτω στην εικόνα 14, η διασύνδεση μεταξύ διαφορετικών φωτονικών κυκλωμάτων και της πλατφόρμας EOPCB πραγματοποιείται μέσω της σύζευξης κυματοδηγών πυριτίου και πολυμερούς με αδιαβατικά τμήματα εκλέπτυνσης (adiabatic tapering sections), τα οποία έχει αποδειχθεί πως επιτρέπουν την έντονη σύζευξη πόλωσης (polarization intensive coupling) μικρών απωλειών της τάξεως των 0.8 db [16]. Συγκεκριμένα η πλατφόρμα EOPCB που θα αναπτυχθεί θα παρέχει πρωτοφανή ηλεκτρική διασύνδεση με μονότροπους κυματοδηγούς πολυμερούς, προσαρμοσμένους απευθείας σε φωτονικά κυκλώματα, μέσω αδιαβατικής οπτικής ζεύξης μέσα στην EOPCB. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιείται ένα ενσωματωμένο στρώμα διασύνδεσης (High Density Interconnect HDI) σε συνδυασμό με τους μονότροπους κυματοδηγούς από πολυμερές το οποίο θα επιτρέψει υψηλής πυκνότητας οπτικές και RF ηλεκτρονικές συνδέσεις εισόδων και εξόδων στην περιοχή mid-board της οπτικής μηχανής. Στην παρακάτω εικόνα 13, διακρίνεται η πλάγια όψη-διατομή του PCB καθώς και η αδιαβατική εκλέπτυνση πυριτίου (silicon adiabatic taper) Εικόνα 13: Διατομή του PCB και αδιαβατική εκλέπτυνση 25

26 Εικόνα 14: Αδιαβατική οπτ. σύζευξη a) οπτ. μηχανή στα 400 Gb/s, b) Φωτονικό πομποδέκτη 32 καναλιών 26

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΕ VPI 3.1 Τοπολογία και λειτουργία Στο παρόν κεφάλαιο παρατίθενται η τοπολογία και οι προδιαγραφές που χρησιμοποιήθηκαν στην προσομοίωση, η οποία υλοποιήθηκε με το λογισμικό VPI Photonics [13]. Στην παρακάτω εικόνα (εικ. 15), από αριστερά προς τα δεξιά η διάταξη έχει ως ακολούθως: οι τέσσερις οπτικές / πομποί, (μια από τις οποίες φαίνεται αναλυτικά στην εικόνα 11 και περιγράφεται στο υποκεφάλαιο 3.2), οι απώλειες που αναπαριστούν την αδιαβατική σύζευξη κυματοδηγών πυριτίου και πολυμερούς, ο ενισχυτής πριν από τον δρομολογητή AWGR, και o AWGR. Στη συνέχεια ακολουθεί ο δεύτερος ενισχυτής της τοπολογίας, οι απώλειες σύζευξης και τέλος οι τέσσερις οπτικές μηχανές / δέκτες του συστήματος οι οποίες φαίνονται αναλυτικά στην εικόνα 21 και περιγράφονται επίσης παρακάτω στο υποκεφάλαιο 3.3. Να σημειωθεί εδώ πως ο πομπός και ο δέκτης βρίσκονται στην ίδια οπτική μηχανή, αλλά χάριν απλότητας και ευκολίας κατανόησης, στην εργασία αναπαρίστανται ως διαφορετικά στοιχεία. Ο τρόπος λειτουργίας είναι ο ακόλουθος: Το φως δημιουργείται χρησιμοποιώντας μια συστοιχία από ολοκληρωμένα λέιζερ III-V σε πυρίτιο (Si). Αυτό το φως σταθερού μήκους κύματος διαμορφώνεται χρησιμοποιώντας διαμορφωτές δακτυλίου οι οποίοι οδηγούνται από ηλεκτρικά δεδομένα ρυθμού μετάδοσης 50 Gb/s. Κάθε σήμα πολυπλέκεται χρησιμοποιώντας έναν πολυπλέκτη συντονιστών δακτυλίου. Πριν και μετά την συστοιχία φραγμάτων περίθλασης AWG η ισχύς του σήματος ενισχύεται με τη χρήση ενός ολοκληρωμένου ενισχυτή III-V σε Si. Στον δέκτη, το φως αποπολυπλέκεται και τέλος μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα από τη φωτοδίοδο. 27

28 Εικόνα 15: Η τοπολογία στο VPI Photonics 3.2 Ο πομπός της Οπτικής Μηχανής Στην εικόνα 16 απεικονίζεται αναλυτικά μια από τις τέσσερις οπτικές μηχανές του συστήματος προσομοίωσης. Κάθε μηχανή αποτελείται από οκτώ κανάλια με απόσταση καναλιών 240 GHz (1.35 m). 28

29 Εικόνα 16: Η αρχιτεκτονική μιας οπτικής μηχανής 29

30 Η κάθε οπτική μηχανή αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία: Πομπός (laser CW): Παράγει το οπτικό σήμα συνεχούς κύματος Εξασθενητής προσθέτει απώλειες εισαγωγής (Insertion Losses) ή σύζευξης (adiabatic coupling Losses) στο σύστημα PRBS: Γεννήτρια ψευδοτυχαίων ακολουθιών δεδομένων από λογικά 0 και 1 Coder Driver: Γεννήτρια ηλεκτρικού σήματος για τη διαμόρφωση της σειράς δεδομένων που παράγεται από το PRBS. Στην έξοδο της γεννήτριας παράγονται δεδομένα με κωδικοποίηση μη επιστροφής στο μηδέν (No Return to Zero-NRZ), ρυθμού μετάδοσης στα 50 Gb/s. Για την προσομοίωση του διαμορφωτή δακτυλίου στο VPI έχει χρησιμοποιηθεί η παρακάτω συνδεσμολογία, εφαρμόζοντας τον κατάλληλο λόγο σβέσης ER (db), S21 φασματική απόκριση και τις κατάλληλες απώλειες εισαγωγής (Insertion Losses). Διαμορφωτής δακτυλίου 30

31 Όπου το κάθε στοιχείο αντιστοίχως: Προσομοιώνει έναν διαμορφωτή πλάτους Οπτικό φίλτρο: Εξομοιώνει την S21 φασματική απόκριση. Εξασθενητής: Εξομοιώνει τις απώλειες εισαγωγής Τα οκτώ κανάλια πολυπλέκονται στον παρακάτω πολυπλέκτη: Το στοιχείο αυτό πολυπλέκει τα σήματα από τα οκτώ οπτικά κανάλια με χρήση τεχνικής πολυπλεξίας μήκους κύματος (WDM) και τα μεταδίδει ως ένα σήμα. Παρακάτω στην εικόνα 17 και στην εικόνα 18 απεικονίζονται αντίστοιχα το διάγραμμα ματιού και το φάσμα ενός από τα οκτώ κανάλια όπως αυτό εξέρχεται από τον διαμορφωτή δακτυλίου της οπτικής πηγής-πομπού. 31

32 Εικόνα 17: Το διάγραμμα ματιού ενός καναλιού μετά τον διαμορφωτή Εικόνα 18: Το φάσμα ενός καναλιού της οπτικής μηχανής 1 μετά τον διαμορφωτή 32

33 Η σχηματική αναπαράσταση της συνάρτησης μεταφοράς του 8:1 πολυπλέκτη φαίνεται στην εικόνα 19. Στην εικόνα 20 αποτυπώνεται το φάσμα των οκτώ πολυπλεγμένων καναλιών της πρώτης οπτικής μηχανής καθώς αυτά εξέρχονται από τον 8:1 πολυπλέκτη. Εικόνα 19: Σχηματική αναπαράσταση της συνάρτησης μεταφοράς για τον 8:1 MUX Εικόνα 20: Το φάσμα των οκτώ καναλιών στην έξοδό τους από τον πολυπλέκτη 33

34 Ο δρομολογητής με συστοιχία φραγμάτων περίθλασης, AWGR Η κυκλική συχνότητα του AWGR εγγυάται ότι το ίδιο σύνολο των 8 μηκών κύματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε όλες τις 4 οπτικές μηχανές που χρησιμοποιούνται στις αντίστοιχες υποδοχές. Με το κάθε ζεύγος μηκών κύματος να οδηγείται από τον αντίστοιχο ηλεκτρικό δίαυλο δεδομένων, οι υποδοχές είναι δυνατό να επιτρέψουν συνολικά 4 ηλεκτρικές λωρίδες δεδομένων από την πλευρά του πομπού και 4 από την πλευρά του δέκτη αντίστοιχα, με τον κάθε δίαυλο δεδομένων του δέκτη να τροφοδοτείται με οπτική πληροφορία 100Gb/s από ένα ζεύγος καναλιών. 3.3 Ο δέκτης της Οπτικής Μηχανής Από την πλευρά του δέκτη η αρχιτεκτονική φαίνεται παρακάτω στην εικόνα 21. Το σήμα όπως έρχεται από τον AWGR αποπολυπλέκεται, ενισχύεται από τον προενισχυτή και αφού προστεθούν οι απώλειες σύζευξης, περνά στη φωτοδίοδο. Η αποπολυπλεξία των 8 Εικόνα 21: Αρχιτεκτονική οπτικής μηχανής του δέκτη 34

35 καναλιών από τον δέκτη πραγματοποιείται σε μια 1:8 μονάδα αποπολυπλεξίας πυριτίου, με κάθε αποπολυπλεγμένο οπτικό κανάλι των 50 Gb/s έπειτα να προ-ενισχύεται σε ένα στοιχείο προενίσχυσης πριν φτάσει την φωτοδίοδο. Το κάθε στοιχείο της οπτικής μηχανής του δέκτη περιγράφεται παρακάτω: Αποπολυπλέκτης (Demux): Διαχωρίζει τα οκτώ κανάλια της οπτικής μηχανής Στοιχείο προενίσχυσης Ο εξασθενητής προσθέτει απώλειες αδιαβατικής σύζευξης στο σύστημα Η φωτοδίοδος της O-μπάντας, μήκους 15 μm, ικανός για ταχύτητες έως 50 Gb/s Στις εικόνες 22 και 23 αντίστοιχα, απεικονίζεται το φάσμα και το διάγραμμα ματιού ενός καναλιού στην έξοδο του αποπολυπλέκτη, για τις βέλτιστες τιμές των προδιαγραφών (κέρδος 10 db και επίπεδο θορύβου 5 db) του συστήματος. 35

36 Εικόνα 22: Το φάσμα ενός καναλιού μετά τον αποπολυπλέκτη Εικόνα 23: Το διάγραμμα ματιού ενός καναλιού μετά τον αποπολυπλέκτη 36

37 3.4 Προδιαγραφές Οι προδιαγραφές των στοιχείων του συστήματος πάνω στις οποίες βασίστηκε η προσομοίωση παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα. Laser Modulator Wavelength e12 Hz ER 5.1dB a/p power 3.0e-3 W IL 4.2 db Linewidth 10e-6 Hz Bandwidth 50e9 Hz MUX AMP before AWGR Mean Channel Freq e12 Hz Gain 5-10 db IL 3 db Noise Figure 5-9 db Channel Spacing 240 GHz (1.35nm) Channel BW 140e9 Hz Crosstalk 20 db AWGR AMP after AWGR Channel Frequency e12+(120e9) Hz Gain 5-10 db IL 8 db Noise Figure 5-9 db Free Spectral Range 4*480e9 Hz Channel BW 3dB 280e9 Hz Crosstalk 15 db DEMUX Pre AMP Mean Channel Freq e12 Hz Gain 5-10 db IL 3 db Noise Figure 5-9 db Channel Spacing 240 GHz (1.35nm) Channel BW 140e9 Hz Crosstalk 20 db PhotoDiode Responsivity 0.88 A/W Πίνακας 2: Πίνακας των στοιχείων και των κύριων προδιαγραφών του συστήματος Τα μήκη κύματος των καναλιών έχουν επιλεγεί στην O-band γύρω από τα 1300 nm όπως φαίνεται και στον πίνακα 3. 37

38 Channel GHz ή 1307,53 nm Channel GHz ή 1306,17 nm Channel GHz ή 1304,80 nm Channel 4 : GHz ή 1303,44 nm Channel GHz ή 1302,08 nm Channel GHz ή 1300,73 nm Channel GHz ή 1299,37 nm Channel GHz ή 1298,02 nm Πίνακας 3: Τα μήκη κύματος των καναλιών Να σημειωθεί πως στον πολυπλέκτη και στον απoπολυπλέκτη επιλέχθηκε το Gaussian ως η καταλληλότερη μορφή της συνάρτησης μεταφοράς κάθε καναλιού, με εύρος ζώνης 140e9 Hz και Filter Order 2. Η υλοποίηση του διαμορφωτή έχει γίνει χρησιμοποιώντας τις παρακάτω τιμές λόγου σβέσης και απωλειών εισαγωγής: ER mintp = 5.1 db και IL mintp = 4.2 db. 38

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 4.1 Πως πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις Η προσομοίωση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τις προκαθορισμένες τιμές, όπως αυτές αναφέρονται στον πίνακα 2 του κεφαλαίου 3. Τα αποτελέσματα που μελετήθηκαν, αποσκοπούν στην αξιολόγηση των επιδόσεων της οπτικής διασύνδεσης για διαφορετικούς συνδυασμούς κέρδους και επιπέδου θορύβου των δύο ενισχυτών που βρίσκονται αντίστοιχα στην είσοδο και έξοδο του AWGR. Σε κάθε περίπτωση και για καθεμία τιμή του κέρδους από 10 db έως 6 db το σύστημα προσομοιώθηκε και μελετήθηκε για τις εξής τιμές του επιπέδου θορύβου: 5, 9, 13 και 17 db. Σε καθεμία από τις παραπάνω περιπτώσεις μετρήθηκε ο λόγος σβέσης (Extinction Ratio ER), η διαμόρφωση πλάτους στο «1» ( Amplitude Modulation AM), καθώς επίσης και η επιβάρυνση ισχύος (Power Penalty) μεταξύ του σήματος που φτάνει στον δέκτη και του σήματος που εκπέμπεται από τον πομπό, στο σημείο λειτουργίας χωρίς λάθη (Error free-ber = 10-9 ). Ο υπολογισμός του ER γίνεται μετρώντας στο διάγραμμα ματιού το άνοιγμά του και χρησιμοποιώντας τον τύπο: ER = 10log(P 1/P 2) (όπου P 1 η τιμή της ισχύος του χαμηλότερου άσσου και P 2 η τιμή ισχύος του υψηλότερου μηδενικού) του μεγαλύτερου και του μικρότερου άσσου, και υπολογίζεται από τον τύπο AM = 10log(P 1/P 0) όπως φαίνεται παρακάτω, στην εικόνα Εικόνα 24: Μετρήσεις του ER και AM από το διάγραμμα ματιού

40 4.2 Διαγράμματα ματιού για τις μεταβολές του κέρδους και του επιπέδου θορύβου Στην παρούσα υποενότητα για κάθε τιμή του κέρδους παρουσιάζονται οι μεταβολές για όλες τις τιμές του επιπέδου θορύβου στην έξοδο του δέκτη, για τις οποίες πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση. Όπως θα δειχθεί και παρακάτω, μειώνοντας το κέρδος ή αυξάνοντας το επίπεδο θορύβου, η ποιότητα του σήματος σταδιακά επιδεινώνεται διότι μειώνεται ο λόγος σβέσης και αυξάνεται το AM. Αυτό φαίνεται και στα διαγράμματα ματιού, όπου για τις οριακές τιμές της προσομοίωσης, το σήμα που φτάνει στον δέκτη είναι πλέον μη αποδεκτό. Στον παρακάτω πίνακα 4 φαίνεται η εξέλιξη της ποιότητας του σήματος καθώς αυτό διέρχεται από τρία στάδια ζεύξης: Μετά τον διαμορφωτή, μετά τον απoπολυπλέκτη και μετά τον προενισχυτή. Μετά τον διαμορφωτή με ER=4,40 db και AM=0,12 db Μετά τον προενισχυτή με ER=3,83 db και AM=0,34 db Πίνακας 4: Εξέλιξη της ποιότητας του σήματος 40 Μετά τον αποπολυπλέκτη με ER=4,17 db και AM=0,22 db

41 4.2.1 Κέρδος 10 db και 9 db για όλες τις τιμές του επιπέδου θορύβου Στον επόμενο πίνακα 5 απεικονίζεται τα διάγραμμα ματιού για την οπτική μηχανή 1 και για τα κέρδη 10 και 9 db. Για κέρδος 10 db και επίπεδο θορύβου 5 db οι τιμές που δίνει το σύστημα είναι ER = 4,325 db και AM = 0,204 db. Αύξηση του επιπέδου θορύβου στα 9 db δεν επιφέρει μεγάλη μείωση του ER το οποίο έφτασε στα 4,068 db. Αντίστοιχα και το ΑΜ αυξήθηκε μόνο κατά 0,08 db. Διατηρώντας πάντα το κέρδος σταθερό στα 10 db και αυξάνοντας ξανά το επιπέδου θορύβου στα 13 db η ποιότητα του σήματος μειώνεται ακόμη περισσότερο (ER = 3,184 db και AM = 0,99 db). Για την οριακή τιμή του επιπέδου θορύβου στα 17 db και με κέρδος πάντα στα 10 db το διάγραμμα ματιού φαίνεται στον παρακάτω πίνακα 5, με ER = 3,184 db και αυξημένη τιμή για το ΑΜ στα 1,318 db. Στην περίπτωση μείωσης του κέρδους κατά μια μονάδα, στα 9 db, το σύστημα εξακολουθεί να επιδεικνύει αρκετά καλή συμπεριφορά όπως φαίνεται στον ίδιο πίνακα. Συγκεκριμένα, για Gain 9 db και Νoise Figure 5 db το λαμβανόμενο σήμα έχει: ER = 3,846 db και AM = 0,58 db. Η αύξηση της τιμής του επιπέδου θορύβου δεν επιφέρει ιδιαίτερη αλλαγή στις τιμές των Extincion Ratio (ER = 3,679 db) και ΑΜ (AM = 0,66 db), όπως διακρίνεται και πάλι στον πίνακα 5 για κέρδος 9 db και επίπεδο θορύβου 9 db. 41

42 G=10dB G=9dB NF=5 ER=4,325 db και AM=0,204 db. ER=3,846 db και AM=0,58 db NF=9 ER=4,068 db και AM=0,212 db. ER=3,679 db και AM=0,66 db NF=13 ER=3,184 db και AM=0,99 db ER=3,187 db και AM=1,087 db ER=3,184 db και AM=1,318 db ER=2,609 db και AM=1,266 db. NF=17 Πίνακας 5: Διαγράμματα ματιού για κέρδος 10 και 9 db 42

43 4.2.2 Κέρδος 8 db και 7dB για όλες τις τιμές του επιπέδου θορύβου Στον Πίνακα 6 απεικονίζεται το διάγραμμα ματιού για κέρδος 8 db και όλες τις τιμές του επιπέδου θορύβου, καθώς επίσης και για κέρδος 7 db. G=8dB G=7dB NF=5 ER=3,560 db και AM=0,749 db ER=3,044 db και AM=1,820 db NF=9 ER=2,924 db και AM=2,064 db ER=3,631 db και AM=0,783 db NF=13 ER=2,632 db και AM=1,134 db ER=2,139 db και AM=2,110 db ER=2,198 db και AM=1,760 db ER=1,436 db και AM=2,218 db NF=17 Πίνακας 6: Διαγράμματα ματιού για κέρδος 8 και 7 db 43

44 4.2.3 Κέρδος 6 db και όλες οι τιμές του επιπέδου θορύβου Τέλος, στον πίνακα 7 παρουσιάζονται τα διαγράμματα ματιού για τιμή κέρδους 6 db και όλες τις τιμές του επιπέδου θορύβου. G=6dB NF=5 NF=9 ER=2,868 db και AM=1,949 db NF=13 ER=2,623 db και AM=2,114 db NF=17 ER=1,895 db και AM=2,114 db ER=1,723 db και AM=2,400 db Πίνακας 7: Διαγράμματα ματιού για κέρδος 6 db 44

45 Παρατηρούμε πως η αλλοίωση του οπτικού σήματος στον δέκτη για τιμές κέρδους 7 και 6 db είναι αρκετά μεγάλη, με αποτέλεσμα να μην κρίνεται σκόπιμη και ουσιαστική η μελέτη του συστήματος για οποιαδήποτε περαιτέρω μείωση των τιμών του Κέρδος 30 db για τον πρώτο μόνο ενισχυτή Η περίπτωση με πολύ υψηλό κέρδος 30 db και χαμηλό επίπεδο θορύβου στα 7 db στον πρώτο ενισχυτή κρατώντας κλειστούς τους υπόλοιπους ενισχυτές του συστήματος απεικονίζεται παρακάτω στην εικόνα 25. Από το διάγραμμα αυτό προκύπτει μεγάλο άνοιγμα ματιού με ER = 4.11 db και ΑΜ = db στην έξοδο του δέκτη. Εικόνα 25: Διάγραμμα ματιού για Gain 30 db και Noise Figure 7 db στον πρώτο ενισχυτή 45

46 4.3 Γραφικές παραστάσεις για τον λόγο σβέσης το ΑΜ και το Power Penalty Στην παρούσα ενότητα απεικονίζονται γραφικά τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για τον λόγο σβέσης (ER), την διαμόρφωση πλάτους στο «1» (AM) και της επιβάρυνσης ισχύος στο σημείο λειτουργίας χωρίς λάθη, για όλες τις παραπάνω τιμές του κέρδους και του επιπέδου θορύβου της ενότητας 4.2. Στον πίνακα 8 συνοψίζονται οι διαφορετικές τιμές για το κέρδος και το επίπεδο θορύβου σε συνδυασμό με τις μεταβολές στον λόγο σβέσης (ER). Gain (db) Noise Figure (db) ,686 3,044 3,56 3,846 4, ,623 2,924 3,631 3,679 4, ,895 2,139 2,632 3,187 3, ,723 1,346 2,198 2,609 3,184 Πίνακας 8: Πίνακας τιμών του ER ER: Τα λευκά κελιά του πίνακα- για όλες τις τιμές κέρδους και επιπέδου θορύβου Η γραφική παράσταση που αντιστοιχεί στις παραπάνω τιμές του πίνακα είναι η ακόλουθη. Παρατηρούμε πως καθώς μειώνεται το κέρδος μειώνεται σταδιακά και ο λόγος σβέσης για κάθε περίπτωση του επιπέδου θορύβου. Το ίδιο ισχύει και στην περίπτωση αύξησης του επιπέδου θορύβου το οποίο όμως επηρεάζει λιγότερο αισθητά το ER. Η μεταβολή και των δύο έχει ως αποτέλεσμα στην οριακή περίπτωση για Gain 6 db και NF 17 db το ER να έχει φτάσει στην χαμηλότερη τιμή του 1,723 db. 46

47 Γραφική Παράσταση 1: Το ER για όλες τις τιμές του κέρδους και του επιπέδου θορύβου Στον πίνακα 9 συνοψίζονται οι διαφορετικές τιμές για το κέρδος και το επίπεδο θορύβου σε συνδυασμό με τις μεταβολές στο AM. Gain (db) Noise Figure (db) ,949 1,82 0,749 0,66 0, ,041 2,064 0,783 0,587 0, ,114 2,11 1,134 1,087 0, ,4 2,218 1,76 1,266 1,318 Πίνακας 9: Πίνακας τιμών του AM-AM: τα λευκά κελιά του πίνακα- για όλες τις τιμές κέρδους και επιπέδου θορύβου Η γραφική παράσταση που αντιστοιχεί στις παραπάνω τιμές του πίνακα είναι η ακόλουθη. Αυτό που παρατηρούμε είναι πως καθώς μειώνεται το κέρδος αυξάνεται σταδιακά και το AM για κάθε τιμή του επιπέδου θορύβου. Το ίδιο ισχύει και στην περίπτωση αύξησης του επιπέδου θορύβου με αποτέλεσμα στις οριακές τιμές για Gain 6 db και NF 17 db το AM να έχει φτάσει στην τιμή 2,4 db. Και πάλι, η αύξηση μόνο του επιπέδου θορύβου, έχει μικρότερη επίπτωση στο σήμα απ ότι η μείωση του κέρδους. 47