ΟΠΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΠΑΚΕΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ

Transcript

1 Α ΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ Π ΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Θ ΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ - ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΔΙΚΤΥΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΟΠΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΠΑΚΕΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Optical Data Packet Buffering Systems ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΔΗΜΗΤΡΙΑΔΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΠΛΕΡΟΣ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΕΠΙΚ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Α.Π.Θ. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΣ 2017

2

3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Π ΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η παρουσίαση των διαφόρων τεχνικών οπτικής αποθήκευσης που έχουν ερευνηθεί μέχρι στιγμής καθώς και η πειραματική επαλήθευση προσδίδοντας καθυστέρηση στα πακέτα δεδομένων είτε μέσω της πειραματικής διάταξης που υλοποιεί το βρόχο είτε μέσω γραμμών χρονικής καθυστέρησης. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται λόγος για τους οπτικούς δρομολογητές πακέτων, τη δομή τους καθώς και τις κύριες λειτουργίες που καλούνται να εκτελέσουν. Στη συνέχεια δίνεται μια αναλυτική περιγραφή των τεχνικών οπτικής αποθήκευσης καθώς και μια σύγκριση μεταξύ αυτών. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα από τη διάταξη οπτικής αποθήκευσης που υλοποιείται μέσω του βρόχου ανάδρασης. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα από τη διάταξη οπτικής αποθήκευσης που υλοποιείται πάλι μέσω βρόχου αλλά με διαφορικά πολωμένο μεταγωγέα (differentially biased), όπου επιβεβαιώνεται η βελτιωμένη απόδοση αυτού του σχήματος. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα από τη διάταξη οπτικής αποθήκευσης που υλοποιείται μέσω γραμμών χρονικής καθυστέρησης ως μια εναλλακτική αρχιτεκτονική σε σύγκριση με το βρόχο. Στο πέμπτο κεφάλαιο δίνεται η σύνοψη του κειμένου και των θεμάτων που αναλύθηκαν και παρουσιάζονται τα συμπεράσματα. Λέξεις- Κλειδιά Τεχνικές οπτικής αποθήκευσης, οπτικοί δρομολογητές πακέτων, συμβολομετρική διάταξη ημιαγώγιμων οπτικών ενισχυτών, αποθήκευση με διάταξη βρόχου, αποθήκευση με γραμμές χρονικής καθυστέρησης. III

4 ABSTRACT A BSTRACT The aim of this thesis is to present the different optical buffering techniques that have been researched so far and to verify experimentally packet buffering functionality through fiber- loop or fiber- delay lines. First of all, a description about optical packet switch is given with details about its structure and its main functions that should apply. Next, a more detailed description about the optical buffering techniques and a comparison among them is provided. Furthermore, the experimental results from the optical buffering setup that uses the loop and the bidirectional scheme are presented. Moreover, the experimental results from the optical buffering setup with the loop are presented, exactly the same as before but with the difference that all the Semiconductor Optical Amplifiers (SOA)- Mach- Zehnder Interferometric (MZI) switches are differentially biased now. Last but not least, the results from the optical buffering setup with the delay lines are presented as an alternative solution in order to achieve the target of adding delay to the data packets. At the end, it is given a summary regarding to the topics that have been discussed and it is presented the results. Keywords Optical buffering techniques, optical packet switch, integrated SOA- MZI interferometer, loop optical buffering, delay line buffering IV

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Ε ΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η διπλωματική εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε κατά τη διάρκεια των σπουδών μου στο Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών του τμήματος Πληροφορικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Α.Π.Θ, στην κατεύθυνση των Δικτυακών Συστημάτων, κατά τα έτη Δεδομένου του αντικειμένου που άπτεται και των προβλημάτων που προσπαθεί να επιλύσει σε τεχνολογικό επίπεδο, η ολοκλήρωση της διπλωματικής αυτής με βοήθησε καθοριστικά προς την ανάπτυξη και τη διεύρυνση της επιστημονικής σκέψης. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον Επικ. Καθηγητή Νίκο Πλέρο για την άψογη συνεργασία και την ευκαιρία που μου έδωσε να εμπλακώ στην πειραματική και συνάμα ερευνητική διαδικασία όντας μέλος της ομάδας Φωτονικών Συστημάτων και Δικτύων. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια μου και τους φίλους μου που βοήθησαν, με τον δικό τους μοναδικό τρόπο, στην προσπάθεια προς την ολοκλήρωση και επίτευξη του στόχου μου. Σας ευχαριστώ όλους V

6 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η ικανότητα μπορεί να σε πάει στην κορυφή, αλλά μόνο ο χαρακτήρας μπορεί να σε κρατήσει εκεί Jonh Wooden Από την πείρα μου ξέρω πως εκείνοι που δεν έχουν ελαττώματα έχουν πολύ λίγες αρετές Abraham Lincoln Αν θέλετε να παραμείνουν τα πράγματα ως έχουν, τότε όλα πρέπει να αλλάξουν Giuseppe Di Lampeduse Ο απαισιόδοξος βλέπει δυσκολίες σε κάθε ευκαιρία και ο αισιόδοξος βλέπει ευκαιρίες σε κάθε δυσκολία Winston Churchill VI

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ... III ABSTRACT... IV ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... V ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ... VII ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΗΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ... 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΟΠΤΙΚΗΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Λειτουργία MZI Ημιαγώγιμος οπτικός ενισχυτής (SOA) Ετεροδιαμόρφωση κέρδους (XGM) Ετεροδιαμόρφωση φάσης (XPM) ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΑ ΠΟΛΩΜΕΝΟ ΜΕΤΑΓΩΓΕΑ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΥΝΟΨΗ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΑΝΑΦΟΡEΣ ΑΓΓΛΙΚΟΙ ΟΡΟΙ

8 ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΗΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ Η παρούσα διπλωματική πραγματοποιήθηκε, ως υποχρεωτική εργασία στα πλαίσια των μεταπτυχιακών σπουδών του τμήματος Πληροφορικής, του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, στην κατεύθυνση εξειδίκευσης «Δικτυακά Συστήματα». Η εκπόνηση της πειραματικής διαδικασίας έλαβε χώρα στο εργαστήριο Φωτονικών Συστημάτων και Δικτύων του τμήματος Πληροφορικής κατά το τελευταίο εξάμηνο σπουδών. Στο πείραμα συμμετείχαν ο Δημητριάδης Γιώργος, ο Μίλτος Μόραλης, ο Πίτρης Στυλιανός και ο Μουργιάς Γιώργος. Ο επιβλέπων καθηγητής Νικόλαος Πλέρος επαίξε καθοριστικό ρόλο με την καθοδήγησή του σε όλη τη διάρκεια του πειράματος.

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Ε ΙΣΑΓΩΓΗ 9

10 0 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 Εισαγωγικά Τις τελευταίες δεκαετίες, έχει υπάρξει μια μεγάλη αλλαγή στη μορφή της κίνησης των τηλεπικοινωνιακών δικτύων. Η ολοένα αυξανόμενη χρήση του διαδικτύου από όλο και περισσότερους χρήστες παγκοσμίως καθώς και η μετάβαση στο διαδίκτυο των πραγμάτων (internet of things), όπου πλέον οι συσκευές θα παράγουν μεγάλο όγκο δεδομένων με σκοπό αυτά να μεταφερθούν πάνω στο διαδίκτυο, απαιτεί κυρίως τη μεταφορά δεδομένων και λιγότερο φωνής [1]. Γι αυτό είναι αναγκαία η εύρεση άλλων τρόπων λειτουργίας των δικτύων, από την κλασσική μορφή της μεταγωγής κυκλώματος (circuit switching), η οποία είναι κατάλληλη για συνδέσεις με μεγάλη χρονική διάρκεια στη ζεύξη. Στην περίπτωση όμως των υπηρεσιών διαδικτύου αλλά και γενικά μεταφοράς δεδομένων, η χρησιμοποίηση του δικτύου από ένα χρήστη μπορεί να είναι πολύ μικρής χρονικής διάρκειας και ταυτόχρονα έχοντας υψηλές απαιτήσεις στο ρυθμό μετάδοσης πληροφορίας (bursty mode). Στην κατάσταση αυτή τα δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος είναι ανεπαρκή, αφού δεν γίνεται σωστή εκμετάλλευση του διαθέσιμου εύρους ζώνης. Είναι αναγκαία λοιπόν η χρησιμοποίηση δικτύων μεταγωγής πακέτου όπου η κυκλοφορία είναι σποραδική και χρονικά ταχύτατα μεταβαλλόμενη και αρκετές φορές υφίσταται η απαίτηση διακίνησης υψηλής ποσότητας πληροφορίας σε μικρό χρονικό διάστημα [3]. Ένας ακόμη παράγοντας που παίζει καθοριστικό ρόλο στη χρησιμοποίηση δικτύων μεταγωγής πακέτου είναι η απρόβλεπτη εμφάνιση κόμβων με μεγάλη κίνηση όπως για παράδειγμα σε διάφορες συγκεντρώσεις πληθυσμού (π.χ αθλητικό γεγονός) όπου είναι δυνατόν κάποιοι κόμβοι να παρουσιάσουν μεγάλη κίνηση λόγω διαφόρων γεγονότων. Για να μπορέσουν να αντιμετωπιστούν τα προηγούμενα προβλήματα υπάρχει αυξημένη ζήτηση για ανάπτυξη δικτυακών οπτικών τεχνολογιών. Αυτή η προτίμηση στα φωτονικά δίκτυα ξεκινάει από την αυξημένη ζήτηση για ευρυζωνικές επικοινωνίες και τη δυνατότητα που έχουν οι οπτικές συσκευές να ικανοποιήσουν και να διαχειριστούν αυτές τις ανάγκες. Αν και στα πρώτα στάδια λειτουργία της, η οπτική τεχνολογία εφαρμόστηκε στην απλή περίπτωση των συνδέσεων σημείο προς σημείο (point- to- point connections), η εισαγωγή της τεχνολογίας πολυπλεξίας μήκους κύματος (WDM) έδωσε μια ώθηση στην ευρεία χρήση των οπτικών τεχνολογιών και σε άλλου είδους δίκτυα (π.χ WAN, MAN). Επιπλέον, τα τελευταία χρόνια, η εισαγωγή της οπτικής τεχνολογίας δεν περιορίζεται μόνο στη μετάδοση του σήματος αλλά και στη μεταγωγή του πακέτου, ως αποτέλεσμα του μεγάλου εύρους ζώνης που μπορούν να προσφέρουν και να διαχειριστούν τα οπτικά. Στα πρώτα στάδια χρήσης της οπτικής τεχνολογίας η βασική επιδίωξη ήταν η αύξηση του ρυθμού μετάδοσης των δεδομένων ανάμεσα στους κόμβους. Έτσι οι κόμβοι του δικτύου παρέμειναν ηλεκτρονικοί και απόλυτα ελεγχόμενοι από ηλεκτρονικά πρωτόκολλα. Η υιοθέτηση αυτής της λύσης ήταν αναγκαία έτσι ώστε να διασφαλιστεί η απόλυτη συμβατότητα με τις ήδη υπάρχουσες ηλεκτρονικές διεπαφές (backward compatibility), ενώ η μορφή των πακέτων (format/bit rate) να 10

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ παραμείνει τέτοια που να μπορούν να τα επεξεργαστούν οι ηλεκτρονικοί μεταγωγείς (routers). Η χρήση όμως της οπτικής τεχνολογίας στη μεταγωγή πακέτου έγινε όπως είπαμε για να καλύψει κάποιες βαθύτερες, από την απλή μετάδοση δεδομένων, ανάγκες για τη λειτουργία των δικτύων. Μια από αυτές τις ανάγκες είναι η υλοποίηση κόμβων υψηλής χωρητικότητας. Με το μεγάλο εύρος ζώνης που μπορούν να διαχειριστούν οι οπτικές συσκευές, την χρησιμοποίηση της πολυπλεξίας μήκους κύματος και των τεχνικών δρομολόγησης μήκους κύματος παρείχαν τη δυνατότητα να δημιουργήσουμε οπτικά δίκτυα μεταγωγής πακέτου με χωρητικότητες στην περιοχή των Terabit ανά δευτερόλεπτο (Tb/s). Αυτό καθιστά τους οπτικούς κόμβους υψηλής χωρητικότητας πολύ ελκυστικούς στο να αντικαταστήσουν τους πολύ μεγάλους ηλεκτρονικούς κόμβους. Έτσι, στο δεύτερο στάδιο της εισαγωγής των οπτικών στα υπάρχοντα δίκτυα, περιλαμβάνεται η κοινή προσπάθεια όλων για τη δημιουργία μεταγωγέων με Tb/s χωρητικότητα, με τις ηλεκτρονικές διεπαφές να περιορίζονται μόνο στην αποφυγή συγκρούσεων ανάμεσα στα πακέτα (contention), καθώς και στο συγχρονισμό των πακέτων μεταξύ τους (synchronisation). Τέλος, στο τρίτο στάδιο, το οποίο όμως αποτελεί μέσο- μακροπρόθεσμη λύση, επιδίωξη είναι να έχουμε αμιγώς οπτικά δίκτυα. Αυτό προϋποθέτει να δημιουργηθούν αμιγώς οπτικές διεπαφές, η επίλυση των συγκρούσεων των πακέτων να γίνεται με χρήση οπτικών πόρων καθώς και ο συγχρονισμός των πακέτων με οπτικά κυκλώματα, κάτι το οποίο είναι σε ερευνητικό ακόμη επίπεδο αλλά με πολύ καλές προοπτικές για το μέλλον. Η γενική δομή ενός οπτικού μεταγωγέα φαίνεται παρακάτω (Σχήμα 1). Σχήμα 1: Γενική δομή οπτικού μεταγωγέα Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, οι κύριες λειτουργίες που καλείται να εκτελέσει ένας 11

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ οπτικός μεταγωγέας είναι οι ακόλουθες: Συγχρονισμός πακέτων και ανάκτηση ρολογιού Αντικατάσταση επικεφαλίδας ρομολόγηση πακέτου και Προσωρινή αποθήκευση πακέτου για την αποφυγή συγκρούσεων (collisions). 1.2 Τεχνικές οπτικής αποθήκευσης Τα οπτικά κυκλώματα μεταγωγής είναι μια τεχνολογία η οποία αναμένεται να χρησιμοποιηθεί ευρέως. Παρά ταύτα, οι τεχνολογίες μεταγωγής οπτικών πακέτων σύντομα θα καταστούν αναγκαίες διαδραματίζοντας σημαντικό ρόλο στους οπτικούς δρομολογητές καθώς η κλιμάκωση των ηλεκτρονικών φθάνει στα όριά της. Η τεχνολογία οπτικής μεταγωγής πακέτου θα έρθει να καλύψει αυτό το κενό στην απόδοση των ηλεκτρονικών. Η τεχνολογία μεταγωγής οπτικού πακέτου είναι αρκετά ελκυστική καθώς είναι αποδοτική χωρικά και ευέλικτη. Παρ' όλα αυτά όμως, απαιτεί την υλοποίηση της επίλυσης του ανταγωνισμού (contention) και της συμφόρησης (congestion) μέσα στους δρομολογητές. Αυτό που ισχύει στους ηλεκτρονικούς δρομολογητές είναι η χρησιμοποίηση μεγάλων μνημών SRAM για την επίλυση του ανταγωνισμού των πακέτων. Θα μπορούσαν όμως να χρησιμοποιηθούν εναλλακτικές λύσεις για την αποθήκευση οπτικών σημάτων όπως είναι η δρομολόγηση εκτροπής (deflection routing) και η μετατροπή μήκους κύματος (wavelength conversion) ώστε να υλοποιηθεί η οπτική αποθήκευση, αλλά υστερούν ακόμη στην απόδοση στην περίπτωση που γίνει αποκλειστική χρήση αυτών [2] Απαιτήσεις διατάξεων οπτικής αποθήκευσης Όπως προείπαμε και παραπάνω οι σημερινοί δρομολογητές χρησιμοποιούν μεγάλες χωρητικότητες RAM (π.χ 2GB) ώστε να επιλύσουν τον ανταγωνισμό των πακέτων προς δρομολόγηση. Πρόσφατη έρευνα έχει δείξει ότι η προσέγγιση της οπτικής αποθήκευσης απαιτεί μικρότερη ποσότητα καταχωρητών. Διάφορες προσομοιώσεις έχουν δείξει ότι δέκα καταχωρητές πακέτων είναι αρκετοί για κάθε θύρα εξόδου για την επίτευξη του 80% της ρυθμοαπόδοσης, αν τα σημεία πρόσβασης είναι πιο αργά από εκείνα του δικτύου κορμού και ταυτόχρονα η δικτυακή κίνηση είναι ομαλή (όχι bursty). Οι οπτικοί καταχωρητές πρέπει να ικανοποιούν ορισμένες απαιτήσεις έτσι ώστε να τύχουν αποδοχής. Αρχικά, είναι αναγκαίο, μια τέτοια προσέγγιση να εισάγει μια καθυστέρηση τουλάχιστον όσο είναι το μήκος του packet payload έτσι ώστε να παρέχει την επίλυση του ανταγωνισμού. Επίσης, είναι σημαντικό, η διάταξη να παρέχει ρυθμό μετάδοσης (bit rate) 10Gb/s ή μεγαλύτερο ώστε να προσδίδει ένα πλεονέκτημα έναντι των αντίστοιχων ηλεκτρονικών διατάξεων. Το μήκος του packet payload είναι μια από τις πιο δύσκολες προκλήσεις που αντιμετωπίζει κάποιος κατά 12

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ την υλοποίηση διατάξεων οπτικής αποθήκευσης. Επιπρόσθετα, είναι επιθυμητό να απαιτείται λιγότερος χρόνος επεξεργασίας της κεφαλίδας (header) για το ίδιο μέγεθος payload. Τέλος, πολύ σημαντική απαίτηση είναι η ταχύτητα μεταγωγής δηλαδή τα οπτικά στοιχεία θα πρέπει να είναι σε θέση να μετάγουν σε λιγότερο από κάποια nanoseconds. Πέραν των παραπάνω απαιτήσεων, υπάρχουν επίσης κάποια άλλα θέματα που άπτονται της συζήτησης και συμβάλλουν στην επιτυχία μιας οπτικής διάταξης. Ως συνήθως, το κόστος είναι το σημαντικότερο θέμα σε όλες τις διατάξεις που προτείνονται είτε αυτές προσεγγίζουν διατάξεις οπτικής αποθήκευσης είτε καλούνται να λύσουν διαφορετικά προβλήματα. Έτσι λοιπόν, οι μεταγωγείς οπτικών πακέτων θα πρέπει να ελαχιστοποιήσουν όσο γίνεται περισσότερο το κόστος ανά bit για τη μετάδοση δεδομένων. Από την άλλη, οι οπτικοί μεταγωγείς πακέτου είναι αναγκαίο να εμφανίζουν χαμηλή κατανάλωση ισχύος, χαμηλή παραγωγή θερμότητας και να έχουν μικρό footprint. Όσον αφορά το κόστος και το footprint, εύκολα γίνεται κατανοητό ότι θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί ο ελάχιστος δυνατός αριθμός από οπτικά στοιχεία δοσμένης μιας αρχιτεκτονικής. Ακόμη, είναι επιθυμητό η οπτική διάταξη να είναι ανεξάρτητη από το μήκος του πακέτου καθώς και να παρέχει δυναμικά, μεταβλητό χρόνο αποθήκευσης των πακέτων. Τέλος, είναι επιθυμητό η διάταξη με τον buffer να εισάγει τη μικρότερη ποινή ισχύος [2] Προσεγγίσεις διατάξεων οπτικής αποθήκευσης Οι διατάξεις των οπτικών καταχωρητών μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε δύο μεγάλες ομάδες, αυτή των καταχωρητών που εφαρμόζουν μειωμένη ταχύτητα ομάδας (slow light buffers) και αυτή των οπτικών καταχωρητών μέσω γραμμών καθυστέρησης (delay line buffers). Στην πρώτη ομάδα, αυξάνεται ο συνολικός χρόνος μετάδοσης καθυστερώντας τα πακέτα μέσω της μείωσης της ταχύτητας ομάδας (group velocity). Αυτή η κατηγορία μπορεί να κατηγοριοποιηθεί περαιτέρω σε συσκευές που χρησιμοποιούν ισχυρούς συντονιστές βασισμένους στο υλικό (material- based resonances) και σε αυτές που χρησιμοποιούν συζευγμένες δομές συντονισμού (coupled resonant structures). Στην δεύτερη ομάδα, αυξάνεται πάλι ο συνολικός χρόνος μετάδοσης μέσω της αύξησης του φυσικού μήκους της ίνας από όπου διέρχονται τα δεδομένα και μπορεί να κατηγοριοποιηθεί περαιτέρω σε έμπροσθεν τροφοδότησης (feedforward) και σε τροφοδότηση ανάδρασης (feedback) όσον αφορά τη ροή των δεδομένων [2]. Στις συζευγμένες δομές συντονισμού όπως είναι τα φράγματα περίθλασης (gratings) και οι φωτονικοί κρύσταλλοι, η ταχύτητα ομάδας μειώνεται επιμηκύνοντας το μονοπάτι φωτός διαμέσου επαναλαμβανόμενων αντανακλάσεων. Η ταχύτητα ομάδας μειώνεται δραστικά. Η κάθε μια ενναλακτική παρουσιάζει πρακτικά και θεωρητικά όρια. Οι οπτικοί καταχωρητές που εφαρμόζουν μειωμένη ταχύτητα ομάδας (slow light buffers) εμφανίζουν αρκετά πλεονεκτήματα ανώτερου επιπέδου και προσφέρουν μία ολοκληρωμένη και συμπαγή λύση. Τα επιθυμητά αποτελέσματα που εμφανίζουν είναι ο μεταβλητός χρόνος αποθήκευσης που μπορούν να επιτύχουν καθώς και η 13

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ δυνατότητά τους να διαχειρίζονται πακέτα μεταβλητού μήκους, ασύγχρονα. Παρόλα αυτά, παρουσίαζουν στοιχειώδεις περιορισμούς που τους καθιστά μη πρακτικούς. Η διασπορά, το εύρος ζώνης (bandwidth) και οι απώλειες είναι θεμελιώδη στοιχεία τα οποία περιορίζουν τη χρήση τους και εν τέλει δεν προτιμώνται. Οι συγκεκριμένοι οπτικοί καταχωρητές παρουσιάζουν παρόλα αυτά ικανοποιητικά αποτελέσματα αν αγνοηθεί ο ρυθμός μετάδοσης και το μήκος του πακέτου. Οι οπτικές διατάξεις που έχουν δημιουργηθεί μέσω γραμμών καθυστέρησης παρέχουν μια πρακτική λύση, πληρούν όλες τις απαιτήσεις και έχουν επιδείξει τα καλύτερα αποτελέσματα. Οι δύο τύποι διατάξεων φαίνονται παρακάτω. Σχήμα 2: Διάταξη feedforward (a) και feedback (b) Σε έναν έμπροσθεν τροφοδότησης (feedforward) οπτικό καταχωρητή, τα δεδομένα στέλνονται διαμέσω μιας γραμμής καθυστέρησης μόνο μία φορά χωρίς να υπάρχει η δυνατότητα τα δεδομένα να περάσουν παραπάνω φορές από το ίδιο σημείο στο χώρο. Ένας έμπροσθεν τροφοδότησης οπτικός καταχωρητής αποτελείται, όπως φαίνεται και στο σχήμα 2, από διατάξεις μεταγωγέων οι οποίες κατευθύνουν τα οπτικά σήματα στις κατάλληλες κάθε φορά εξόδους ώστε να λάβουν την επιθυμητή χρονική καθυστέρηση. Το πακέτο καθώς εισέρχεται στη διάταξη έχει τη δυνατότητα να ακολουθήσει δύο εναλλακτικές διαδρομές. Στην περίπτωση που δεν χρειάζεται κάποια χρονική καθυστέρηση θα περάσει κατευθείαν στην έξοδο της διάταξης. Σε διαφορετική περίπτωση όπου χρειάζεται η προσθήκη καθυστέρησης στο πακέτο, το πακέτο θα ακολουθήσει τη διαδρομή που περιλαμβάνει τη γραμμή χρονικής καθυστέρησης όπου θα αναγκαστεί να περάσει μέσω της οπτικής ίνας και έπειτα θα εξέλθει από τη διάταξη. Αυτός είναι ο παράγοντας που θα δώσει χρονική καθυστέρηση στο πακέτο [4]. Από την άλλη, οι οπτικοί καταχωρητές με τροφοδότηση ανάδρασης (feedback) χρησιμοποιούν την ίδια γραμμή καθυστέρησης επαναλλελημένα. Ένας οπτικός καταχωρητής με τροφοδότηση ανάδρασης αποτελείται από ένα στοιχείο μεταγωγής και από ένα βρόχο όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Από τη στιγμή που εισέρχεται το πακέτο στη διάταξη μπορεί να ακολουθήσει δύο διαδρομές. Η μία διαδρομή είναι να βγεί κατευθείαν στην έξοδο της διάταξης χωρίς ουσιαστικά να πάρει κάποια καθυστέρηση ενώ η δεύτερη 14

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ διαδρομή είναι να κατευθυνθεί προς το βρόχο όπου θα πάρει τη χρονική καθυστέρηση που αναλογεί στο μήκος του βρόχου. Αφού ολοκληρωθεί η πρώτη κυκλοφορία του πακέτου μέσα στο βρόχο, το πακέτο μπορεί εκ νέου να ακολουθήσει δύο διαδρομές όπως όταν πρωτοεισήλθε στη διάταξη δηλαδή είτε να εξέλθει της διάταξης είτε να κατευθυνθεί εκ νέου στο βρόχο (recirculation). Σε έναν τέτοιο οπτικό καταχωρητή, θα πρέπει το μήκος της γραμμής καθυστέρησης να φτιαχτεί τόσο όσο είναι το μήκος του payload του πακέτου καθώς αυτό είναι που ορίζει την ανάλυση των πιθανών καθυστερήσεων. Οι συγκεκριμένες διατάξεις προτιμώνται περισσότερο καθώς ενσωματώνονται εύκολα σε ολοκληρωμένα κυκλώματα και παρουσιάζουν υψηλότερη καθυστέρηση στα διερχόμενα πακέτα. Το σταθερό μήκος της γραμμής καθυστέρησης θέτει περιορισμούς όσον αφορά την ελάχιστη καθυστέρηση και το μέγιστο μήκος του πακέτου. Τέλος, ο μέγιστος χρόνος αποθήκευσης σε έναν τέτοιο οπτικό καταχωρητή καθορίζεται από τον μέγιστο αριθμό των διαδρομών που μπορεί να κάνει το πακέτο στο βρόχο (recirculations) [5]. Επιπρόσθετα, μια άλλη διάταξη οπτικής αποθήκευσης είναι εκείνη που περιλαμβάνει γραμμές χρονικής καθυστέρησης σε ολοκληρωμένο κύκλωμα (chip). Η ενσωμάτωση της διάταξης σε ολοκληρωμένο κύκλωμα προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα όπως είναι το χαμηλό κόστος, αυξημένη απόδοση και καλύτερη αξιοπιστία [6]. 1.3 Σκοπός και δομή της διπλωματικής Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας είναι η περιγραφή ορισμένων τεχνικών οπτικής αποθήκευσης που έχουν ερευνηθεί μέχρι στιγμής καθώς και η πειραματική επαλήθευση προσδίδοντας καθυστέρηση στα πακέτα δεδομένων είτε μέσω της πειραματικής διάταξης που υλοποιεί το βρόχο είτε μέσω γραμμών χρονικής καθυστέρησης. Παρουσιάζονται τα βασικά χαρακτηριστικά λειτουργίας αυτής της διάταξης όπως η μετατροπή μήκους κύματος (Wavelength Conversion) και η Ετεροδιαμόρφωση Κέρδους (Cross Gain Modulation). Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι λόγοι που κάνουν επιτακτική την ανάγκη για μετάβαση σε αμιγώς οπτικά δίκτυα τόσο στη μετάδοση των δεδομένων όσο και στη μεταγωγή τους. Στη συνέχεια, δίνεται η περιγραφή του οπτικού μεταγωγέα και οι κύριες λειτουργίες που αυτός περιλαμβάνει. Ακολουθεί ο σχολιασμός για τις διαφορετικές τεχνικές οπτικής αποθήκευσης και των απαιτήσεών τους. Τέλος, παρουσιάζονται οι διατάξεις οπτικής αποθήκευσης και γίνεται σύγκριση επ αυτών. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναπτύσεται η αρχή λειτουργίας της οπτικής αποθήκευσης πακέτων με διάταξη βρόχου (loop) και ταυτόχρονα δίνεται η πειραματική διάταξη του συστήματος. Τέλος, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα και γίνεται σχολιασμός επ αυτών. Στο τρίτο κεφάλαιο αναπτύσεται η αρχή λειτουργίας της οπτικής αποθήκευσης πακέτων με διάταξη βρόχου με τη διαφορά ότι ο μεταγωγέας είναι διαφορικά 15

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ πολωμένος (differentially biased). Έπειτα, αναλύεται η πειραματική διάταξη του συστήματος και παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας της οπτικής αποθήκευσης πακέτων μέσω γραμμών χρονικής καθυστέρησης (delay lines). Στη συνέχεια, ακολουθεί η πειραματική διάταξη του συστήματος καθώς και τα πειραματικά αποτελέσματα. Η επιτυχής πειραματική διεκπεραίωση της οπτικής αποθήκευσης πακέτων αποδεικνύει τις προπτικές που έχει στο μέλλον για ευρεία χρήση της, αξιοποιώντας όλες τις θετικές συνέπειες που αυτή επιφέρει τόσο στη διαφάνεια όσο και στην ταχύτητα. 16

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ 17

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Στο παρόν κεφάλαιο αναπτύσεται η αρχή λειτουργίας της οπτικής αποθήκευσης πακέτων με διάταξη βρόχου καθώς και η πειραματική διάταξη του συστήματος. Τέλος, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα και γίνεται σχολιασμός επ αυτών. 2.1 Αρχή λειτουργίας Η σχηματική διάταξη του βρόχου φαίνεται στο Σχήμα 3. Σχήμα 3: Διάταξη βρόχου για την οπτική αποθήκευση πακέτων (bidirectional) Εισερχόμενα πακέτα μεγέθους 1152 bits και με μήκος κύματος λdata nm ειρέρχονται στο βρόχο μέσω μιας συμβολομετρικής διάταξης (SOA- MZI). Στο SOA- MZI 1 γίνεται η μετατροπή μήκους κύματος των δεδομένων στο μήκος κύματος του φακέλου (λenv) μέσω του φαινομένου της ετεροδιαμόρφωσης φάσης το οποίο θα αναλυθεί στη συνέχεια του παρόντος κεφαλαίου. Η μετατροπή στο κατάλληλο μήκος κύματος γίνεται ανάλογα με την καθυστέρηση που θέλουμε να προσδώσουμε στο πακέτο καθώς το οπτικό σήμα έχοντας διαφορετικά μήκη κύματος, θα διανύσει διαφορετικό μήκος οπτικού μονοπατιού. Ο φάκελος με μήκος ΧΧΧΧ bits δημιουργήθηκε ώστε, μέσω της προσθετικής και της αναιρετικής συμβολής των οπτικών σημάτων που συντελείται στον ημιαγώγιμο οπτικό ενισχυτή, να επικρατήσει το μήκος κύματος του φακέλου και να εξαλειφθεί πλήρως το αρχικό μήκος κύματος των δεδομένων, επιτυγχάνοντας τελικά τη μετατροπή μήκους κύματος. Τα μήκη κύματος που έχουν χρησιμοποιηθεί για τους φακέλους είναι nm, nm και nm. Οι διαφορετικές τιμές στην χρονική 18

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ καθυστέρηση οφείλονται στο γεγονός της ύπαρξης διαφορετικών μονοπατιών (λ1 και λ2) που θα διασχίσει το πακέτο. Το πακέτο δηλαδή θα διανύσει διαφορετικά μεγέθη φυσικού μήκους ίνας έως ότου φθάσει στον προορισμό του άρα θα πάρει και διαφορετική χρονική καθυστέρηση. Στη συνέχεια, αφού ενισχυθεί κατάλληλα μέσω ενός EDFA ενισχυτή είτε θα εξέλθει και δεν θα μπεί στο βρόχο (αυτό σημαίνει ότι έχουμε πετύχει την απαιτούμενη χρονική καθυστέρηση που θέλαμε να δώσουμε στο συγκεκριμένο πακέτο), είτε θα εισέλθει στο βρόχο επιστρέφοντας πίσω στη συμβολομετρική διάταξη. Συνεπώς, επιτυγχάνεται εκ νέου μετατροπή μήκους κύματος ώστε να προσδώσουμε επιπρόσθετη χρονική καθυστέρηση στο πακέτο πριν αυτή τελικά εξέλθει από το βρόχο. Για τη βελτίωση των αποτελεσμάτων του πειράματος χρησιμοποιήθηκε η τεχνική όπου οι παλμοί ελέγχου (control pulses) ταξιδεύουν σε διαφορετικές κατευθύνσεις στα branches του SOA- MZI (push- pull scheme). Αυτό που επιτυγχάνεται με τη συγκεκριμένη τεχνική είναι το γεγονός ότι οι εξερχόμενοι από τη διάταξη παλμοί εμφανίζουν μικρότερους χρόνους όσον αφορά το χρονικό διάστημα που απαιτείται για να μεταβεί ο παλμός από το επίπεδο ισχύος του μηδέν, στο επίπεδο ισχύος του άσσου (rise time) και το αντίστροφο, δηλαδή το χρονικό διάστημα που απαιτείται για να μεταβεί ο παλμός από το επίπεδο ισχύος του άσσου, στο επίπεδο ισχύος του μηδέν (fall time). Παρόλα αυτά, άμεση αρνητική συνέπεια στην ποιότητα της μεταγωγής διαδραματίζει το γεγονός της απουσίας ενός μηχανισμού ελέγχου της φάσης του παλμού ώστε να λαμβάνει τιμή ακριβώς ίση με π και συνεπώς θα πετυχαίναμε την τέλεια μεταγωγή [7]. Οι συμβολομετρικές διατάξεις Mach- Zehnder με οπτικούς ημιαγώγιμους ενισχυτές (SOA) έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως τα τελευταία χρόνια ως αμιγώς οπτικοί, υψηλής ταχύτητας μεταγωγείς, για σκοπούς που άπτονται της επεξεργασίας κάποιου σήματος. Εμφανίζουν πλεονεκτήματα όπως η χαμηλή απαίτηση ισχύος στη διαδικασία της μεταγωγής και η καλή προοπτική τους στην ενσωμάτωσή τους σε μεγαλύτερες διατάξεις (chip) με ένα ή περισσότερα στοιχεία [6], [13]. Μία από τις πιο σημαντικές εφαρμογές τους είναι η μετατροπή μήκους κύματος. Οι συμβολομετρικές διατάξεις SOA- MZIs συμβάλλουν στην αναγέννηση 2R του σήματος που έχει υποστεί μετατροπή μήκους κύματος. Αυτό γίνεται εφικτό με την επαναφορά της ενέργειας του εισερχόμενου σήματος μέσω της ενίσχυσής του καθώς και με την συμπίεση του πλάτους της χρονικής καθυστέρησης (jitter). Και τα δύο αυτά χαρακτηριστικά παρέχονται από την ενίσχυση που δίνουν οι SOAs καθώς αυτοί έρχονται σε κορεσμό [8]. Σε αυτό το σημείο, θα ήταν σκόπιμο να δοθεί μια πιο αναλυτική αναφορά στον τρόπο και την αρχή λειτουργίας των συμβολομετρικών διατάξεων MZI καθώς επίσης να δοθούν περισσότερες πληροφορίες για τους ημιαγώγιμους οπτικούς ενισχυτές (SOA) και για το φαινόμενο της ετεροδιαμόρφωσης κέρδους (XGM) και φάσης (XPM) για λόγους πληρότητας. 19

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ Λειτουργία MZI Η χρήση συμβολομέτρων σε οπτικές διατάξεις είναι συνήθης πρακτική. Έχουν προταθεί πολλών τύπων συμβολόμετρα, τα οποία μπορούν να κατηγοριοποιηθούν με βάση τον διαχωρισμό που προκαλούν στις συνιστώσες του οπτικού σήματος εισόδου τους. Μπορούμε να έχουμε δύο ειδών διαχωρισμούς των συνιστωσών, είτε πολωτικό διαχωρισμό είτε χωρικό. Στην πρώτη περίπτωση, χρησιμοποιούνται συμβολόμετρα από διπλοθλαστικά υλικά, ώστε να επιτευχθεί ο διαχωρισμός των πολωτικών συνιστωσών. Στην δεύτερη περίπτωση, το σήμα χωρίζεται σε δύο συνιστώσες, η κάθε μια από τις οποίες ακολουθεί διαφορετικό οπτικό μονοπάτι, ενώ συμβάλλουν στην άκρη τους. Στην κατηγορία αυτή εντάσσονται και τα συμβολόμετρα Mach- Zehnder (MZI). Αυτές είναι και οι διατάξεις που έχουν χρησιμοποιηθεί στο εν λόγω πείραμα με απώτερο σκοπό την αποθήκευση οπτικών πακέτων. Το παρακάτω σχήμα δείχνει ένα τέτοιο ολοκληρωμένο ΜΖΙ. Εικόνα 1: Ολοκλήρωμένο συμβολόμετρο Mach- Zehnder Ένα MZI αποτελείται από δύο συζεύκτες και δύο κλάδους (εικόνα 1). Το σήμα εισόδου διαχωρίζεται σε δύο συνιστώσες. Με την εισαγωγή ενός ελεγχόμενου μέσου μεταβολής της φάσης στον έναν κλάδο του ΜΖΙ, μπορεί να μεταβληθεί ο δείκτης διάθλασης του μέσου, με αποτέλεσμα η διερχόμενη συνιστώσα να αποκτήσει διαφορά φάσης σε σχέση με την αντίστοιχη του κάτω κλάδου. Είναι αναμενόμενο ότι ανάλογα με την διαφορά φάσης μεταξύ των δύο θα προκύπτει στον δεύτερο συζεύκτη συμβολή, η οποία θα μπορεί να είναι από πλήρως ενισχυτική μέχρι πλήρως αναιρετική [9]. Όπως φαίνεται στην εικόνα 2, ένας παλμός που εισέρχεται στον πρώτο συζεύκτη θα χωριστεί σε δύο παλμούς ίσης ισχύος, δηλαδή στους 2 κλάδους του MZI, οι οποίοι θα αποκτήσουν και μια διαφορά φάσης. Αυτός που θα εισέλθει στην χιαστί διαδρομή (cross) θα αποκτήσει φάση! σε σχέση με αυτόν που θα εισέλθει στην! παράλληλη (bar). Αυτή η φάση θα αναιρεθεί όταν οι δύο παλμοί συμβάλουν στον δεύτερο συζεύκτη, μιας και αυτός που αρχικά δεν πήρε διαφορά φάσης, στον δεύτερο συζεύκτη θα αποκτήσει και αυτός!, με αποτέλεσμα τον συγχρονισμό των! δύο συνιστωσών και τελικά την ενισχυτική συμβολή των δύο στην θύρα μη- μεταγωγής (U) του MZI. 20

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ Εικόνα 2: Δομή και λειτουργία ενός MZI Για να επιτευχθεί έξοδος των δύο συνιστωσών στην θύρα μεταγωγής (S) του MZI, απαιτείται μεταβολή της φάσης της μίας συνιστώσας στον κλάδο που διατρέχει. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με την μεταβολή του οπτικού δρόμου της συνιστώσας, γεγονός που προϋποθέτει την αλλαγή του δείκτη διάθλασης του υλικού Ημιαγώγιμος οπτικός ενισχυτής (SOA) Η εξέλιξη της τεχνολογίας των ημιαγωγών, έχει οδηγήσει στην άνοδο της ποιότητας και στη ακρίβεια στην κατασκευή των SOAs, μειώνοντας το κόστος κατασκευής. Το κέρδος των ενισχυτών SOA δεν ξεπερνάει τα 30dB, με αντίστοιχες εσωτερικές απώλειες της τάξης των 6-10dB. Ο θόρυβος της αυθόρμητης εκπομπής των SOAs (5-20dB) είναι υψηλότερος σε σχέση με άλλους τύπους ενισχυτών και παρουσιάζουν ισχυρές μη- γραμμικότητες. Η ενίσχυση ενός SOA εξαρτάται σημαντικά από την πόλωση (Polarization Dependent Gain - PDG). Η ενίσχυση, γίνεται με ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Λόγω του πολύ μικρού μεγέθους τους (<1mm), χρησιμοποιούνται σε ολοκληρωμένα κυκλώματα. Επίσης, θεωρούνται ιδανικοί για ολοκληρωμένες φωτονικές διατάξεις και για συστήματα επεξεργασίας οπτικού σήματος, επειδή προσφέρουν υψηλές ταχύτητες μεταγωγής και μετατροπής μήκους κύματος. Ένας SOA μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διάφορες λειτουργίες. Από την χρήση ως ενισχυτής ισχύος (power booster) αμέσως μετά από συστήματα τα οποία εκπέμπουν ασθενές σήμα (π.χ. ένα tunable laser), ως ενισχυτής γραμμής (in- line amp) σε τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις, καθώς και ως προενισχυτής (preamp), πριν από μια φωτοδίοδο για αύξηση της ισχύος στο ασθενές σήμα εισόδου. Εντάσσονται επίσης σε διατάξεις για λειτουργίες όπως διαμόρφωση πλάτους και φάσης, μετατροπή μήκους κύματος, οπτική μεταγωγή, λογικές πύλες, πολυπλεξία Add/Drop, λειτουργία ως ρυθμιζόμενο οπτικό φίλτρο, δημιουργία παλμών, συστήματα ανάκαμψης ρολογιού συστήματος, αντιστάθμιση διασποράς και τέλος ως φωτοανιχνευτές [10]. Η λειτουργία των SOAs, μοιάζει με την λειτουργία των laser, που βασίζεται στην εξαναγκασμένη επανασύνδεση οπών και ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε κατάσταση ισορροπίας στην ζώνη σθένους, μεταπηδούν με απορρόφηση ενέργειας στη ζώνη αγωγιμότητας και αντίστροφα, εκπέμποντας ενέργεια. Για την επίτευξη lasing ενίσχυσης απαιτείται η «αναστροφή πληθυσμού», 21

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ μια διαδικασία αύξησης του χρόνου παραμονής των ηλεκτρονίων στην διεγερμένη κατάσταση στην ζώνης αγωγιμότητας. Αυτό επιτυγχάνεται με την εισροή ηλεκτρικού ρεύματος. Σε αυτή την κατάσταση θα συνεχίσουν να υπάρχουν, αν και ελάχιστες πλέον, οι αυθόρμητες επανασυνδέσεις ηλεκτρονίων- οπών, παράγοντας φωτόνια τυχαίας διεύθυνσης και φάσης. Με την εισροή φωτός στην ενεργό περιοχή, θα προκληθεί εξαναγκασμένη αποδιέγερση λόγω των διερχόμενων φωτονίων, παράγοντας φωτόνια της ιδίας φάσης και μήκους κύματος. Το ποσοστό ενίσχυσης του σήματος εισόδου εξαρτάται από το μήκος της ενεργού περιοχής του ενισχυτή. Επίσης, η συχνοτική περιοχή στην οποία θα λειτουργήσει ο ενισχυτής καθορίζεται από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγώγιμου υλικού μεταξύ ζωνών σθένους και αγωγιμότητας. Έχουμε ενίσχυση όταν ο ρυθμός της εξαναγκασμένης εκπομπής ξεπερνά τον ρυθμό της αυθόρμητης εκπομπής και η πλειοψηφία των ηλεκτρονίων βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση [10] Ετεροδιαμόρφωση κέρδους (XGM) Στην ενεργό περιοχή ενός ενισχυτή υπάρχει συγκεκριμένος αριθμός διαφόρων διαθέσιμων φορέων, που εξαρτάται από το υλικό που χρησιμοποιείται και από το ρεύμα το οποίο προκαλεί την αναστροφή πληθυσμού. Συνεπάγεται ότι όσο περισσότερο είναι το ηλεκτρικό ρεύμα που τροφοδοτείται σε έναν ενισχυτή SOA, αυξάνεται μέχρι κάποιο σημείο και ο αριθμός των διαθέσιμων ηλεκτρονίων για ακτινοβολούσα μετάβαση και συνεπώς για ενίσχυση του διερχόμενου φωτός. Υπάρχει όμως ένα άνω όριο ενίσχυσης, λόγω του ότι περισσότερο ρέυμα από αυτό δεν πρόκειται να προκαλέσει διέγερση ηλεκτρονίων, μιας και όλα θα βρίσκονται στην διεγερμένη κατάσταση. Κάτι τέτοιο θα προκαλούσε και καταστροφή στο υλικό του ενισχυτή λόγω αύξησης της θερμοκρασίας. Το άνω όριο του τροφοδοτούμενου ρεύματος λειτουργίας, Ι max (driving current), για αυτόνομους SOAs φτάνει κατά προσέγγιση τα 750mA, ενώ για ολοκληρωμένους SOAs τα 400mA. Ο ενισχυτής SOA μέσα σε αυτά τα όρια μπορεί να προσφέρει ενίσχυση ~30dB στο εισερχόμενο σήμα, στην περιοχή ασθενούς σήματος. Υπάρχει ένα όριο ισχύος P sat του εισερχόμενου σήματος όπως φαίνεται και στην εικόνα 3, πάνω από το οποίο η ενίσχυση δεν θα προσφέρει σημαντικά αποτελέσματα. Όταν το εισερχόμενο σήμα έχει ισχύ η οποία είναι πολύ χαμηλότερη ή κοντά στην P sat, η ενίσχυση που προσφέρεται θεωρείται κατά προσέγγιση γραμμικά σταθερή, και η περιοχή λειτουργίας του ενισχυτή ονομάζεται περιοχή ασθενούς σήματος. Όταν όμως η ισχύς ξεπερνάει την P sat, τότε η προσφερόμενη ενίσχυση στο ήδη ισχυρό σήμα αρχίζει και μειώνεται, θεωρώντας αυτή την περιοχή λειτουργίας, ως περιοχή ισχυρού σήματος/ περιοχή κορεσμού του ενισχυτή. Η ισχύς αυτή θεωρείται ότι είναι εκείνη η ισχύς για την οποία το κέρδος του ενισχυτή έχει μειωθεί στο μισό (3dB), σε σχέση με εκείνης της περιοχής ασθενούς σήματος, όπως φαίνεται στο στην παρακάτω εικόνα [9]. 22

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ Εικόνα 3: Καμπύλη κέρδους ενισχυτή για τιμές ισχύος εισερχομένου σήματος Κατά την είσοδο ενός σύντομου αλλά ισχυρού παλμού (P peak >P sat ) στον ενισχυτή, διαφορετικά σημεία του θα δεχτούν διαφορετικό κέρδος. Για παράδειγμα, εάν θεωρηθεί παλμός Gauss ο οποίος εισέρχεται στον SOA, αρχικά το μέτωπό του θα ενισχυθεί σε διαφορετικό βαθμό σε σχέση με την κορυφή του, καθώς η ισχύς κάποιου μέρους του μετώπου βρίσκεται στην περιοχή ασθενούς κέρδους. Συνεπώς, μέχρι την χρονική στιγμή που εισάγεται η κορυφή του παλμού στον ενισχυτή, η καμπύλη του κέρδους θα διαμορφώνεται σχηματικά όμοια με τον παλμό. Το λογικό θα ήταν μετά το πέρας της κορυφής, το κέρδος του παλμού να ανέκυπτε σχηματικά το ίδιο με τον παλμό, αλλά αυτό εξαρτάται από την περίοδο του παλμού σε σχέση με τον χρόνο ανάκαμψης των φορέων στην ενεργό περιοχή του SOA. Σημαντικό ρόλο στις λειτουργίες στις οποίες χρησιμοποιούνται SOAs παίζει ο χρόνος ανάκαμψης των φορέων. Ο συγκεκριμένος χρόνος αποκατάστασης του κέρδους στους SOAs υπολογίζεται σε μερικές δεκάδες ps, ανάλογα με την περίπτωση, προσφέροντας ταχύτητες διακόπτη >40Gbps, κάτι που επηρεάζεται άμεσα από την παρεχόμενη ηλεκτρική ενέργεια (υψηλότερο ρεύμα έχει ως αποτέλεσμα ταχύτερη λειτουργία του SOA και καθαρότερα διαγράμματα ματιού). Σε περίπτωση που ξεπεραστεί ο ρυθμός μετάδοσης και γίνει υψηλότερος από το ρυθμό αποκατάστασης του κέρδους, τότε κάθε νέος παλμός θα δέχεται πολύ μικρότερη ενίσχυση γιατί το κέρδος δεν θα προλαβαίνει να ανακάμψει, όπως φαίνεται στην εικόνα 4. Συνεπώς, η ενίσχυση που δέχεται κάθε επόμενος παλμός θα έχει εκθετική μείωση. Σε μερικά συστήματα, προτιμάται να αυξηθεί ο ρυθμός μετάδοσης, ακόμη και εάν το κέρδος του ενισχυτή δεν είναι το μέγιστο, αλλά επαρκεί. Σε αυτήν την περίπτωση ο ενισχυτής λειτουργεί συνεχώς ημι- κορεσμένος και δεν προλαβαίνει το κέρδος να ανακάμψει για να ενισχύσει πλήρως τον επόμενο διαδοχικό παλμό. 23

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ Εικόνα 4: Gauss παλμοί (μπλε), κέρδος ενισχυτή (γκρι) H ετεροδιαμόρφωση κέρδους (external Gain Modulation) βασίζεται σε όσα αναφέραμε παραπάνω. Έχοντας ένα σήμα, με ισχύ στην περιοχή λειτουργίας ασθενούς σήματος, και ένα σήμα ελέγχου με ισχύ μεγαλύτερη από την P sat, μπορεί να γίνει έλεγχος της λειτουργίας του SOA από το ισχυρό, καθώς υπερισχύει του ασθενούς σήματος. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται χρήση καναλιών με ισχύ συνολικά μικρότερη από την P sat για την ροή δεδομένων και χρήση ενός εξωτερικού σήματος ελέγχου λ CTRL, το οποίο δεδομένης της ισχύος του, με την διάδοσή του στο εσωτερικό του SOA θα κορέσει το κέρδος του, εκμεταλλευόμενο την διαθέσιμη ενίσχυση εξ ολοκλήρου για αυτό. Με αυτόν τον τρόπο, ο SOA λειτουργεί ως διακόπτης. Στη παρακάτω εικόνα 5 βλέπουμε τη λειτουργία του SOA με το σήμα ελέγχου να διαδίδεται είτε μαζί με το σήμα δεδομένων, είτε αντίθετα. Εικόνα 5: Λειτουργία XGM με (α) συνδιάδοση και (β) αντίθετη διάδοση σημάτων ελέγχου και δεδομένων Οι οπτικοί ημιαγώγιμοι ενισχυτές (SOA) έχουν επιλεγεί σαν ενεργά στοιχεία σε συμβολομετρικές διατάξεις λόγω της ισχυρής μη γραμμικότητάς τους και του μικρού και συμπαγούς μεγέθους τους. Η διέγερση της μη γραμμικότητας του μέσου επιτυγχάνεται με την εισαγωγή ενός ισχυρού οπτικού σήματος ελέγχου με αποτέλεσμα την μεταβολή του δείκτη διάθλασης του μη γραμμικού μέσου. Αυτό γίνεται αντιληπτό από το χαμηλής ισχύος σήμα εισόδου ως μία αλλαγή στη φάση του και κατά συνέπεια μια μεταβολή του πλάτους κατά τη συμβολή των δύο συνιστωσών στην έξοδο της συμβολομετρικής διάταξης. Ο συνδυασμός μη 24

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ γραμμικοτήτων με τη συμβολομετρική συνδεσμολογία του διακόπτη εξασφαλίζει μεταγωγή σε υψηλές ταχύτητες και υψηλής ποιότητας χαρακτηριστικών. Παρόλα αυτά, λόγω του ότι μία τέλεια αναιρετική συμβολή στην έξοδο του διακόπτη είναι αδύνατη, παρουσιάζεται μειωμένη τιμή του λόγου αντίθεσης (extinction ratio) στην έξοδο Ετεροδιαμόρφωση φάσης (XPM) Η ετεροδιαμόρφωση φάσης (Cross Phase Modulation) είναι ένα μη γραμμικό φαινόμενο. Δεδομένου ότι αποτελεί φαινόμενο Kerr, προκαλεί στροφή φάσης ανάλογη με το τριπλάσιο της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου ενός διαδιδόμενου σήματος. Σύμφωνα με αυτό το φαινόμενο, διεγείρονται στο οπτικό μέσο μη γραμμικά φαινόμενα, βάση της ισχύος του διαδιδόμενου κύματος. Με τη διέγερση των μη γραμμικοτήτων, ο οπτικός δρόμος που αντιλαμβάνεται το σήμα αλλάζει, μιας και ο δείκτης διάθλασης τροποποιείται μη γραμμικά. Κατά συνέπεια, το σήμα αποκτά μη γραμμική στροφή φάσης, ανάλογης του τριπλασίου της συνολικής ισχύος που υπάρχει στο οπτικό μέσο. Ο χρόνος αποδιέγερσης των μη γραμμικοτήτων στο οπτικό μέσο είναι ανάλογος της ισχύος του σήματος, με συνέπεια να επηρεάζεται η φάση του διαδιδόμενου κύματος λόγω της ιδίας ισχύος, φαινόμενο που ονομάζεται αυτοδιαμόρφωση φάσης (SPM). Στη συγκεκριμένη περίπτωση όμως, περιγράφεται η επίδραση που έχει η ισχύς ενός ισχυρού σήματος στη φάση ενός ασθενέστερου, λειτουργία που χρησιμοποιείται στις διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν στο συγκεκριμένο πείραμα. Συνεπώς, κατά την συνδιάδοση δύο σημάτων, με την ισχύ του ενός σήματος μεγαλύτερη από του δεύτερου σήματος και ικανή για διέγερση μη γραμμικοτήτων, μπορεί να επιτευχθεί κατάλληλη στροφή φάσης στο ασθενέστερο. Αν λοιπόν χρησιμοποιήσουμε ως ροή δεδομένων το ασθενέστερο σήμα και ως σήμα ελέγχου το ισχυρό στον κλάδο ενός MZI, μπορεί να επιτευχθεί κατάλληλη στροφή φάσης στην μία συσνιστώσα των δεδομένων, ώστε στο δεύτερο συζεύκτη του MZI να πραγματοποιηθεί καταστρεπτική συμβολή και τα δεδομένα να εξέλθουν από την θύρα μεταγωγής (εικόνα 6α). Επίσης, με παρόμοια συμβολομετρική διάταξη (ΜΖΙ), μπορεί να επιτευχθεί μετατροπή μήκους κύματος. Συγκεκριμένα, με χρήση ενός σήματος ροής δεδομένων λ 1, και με την χρήση ενός δεύτερου CW λ 2, μπορεί να απεικονιστεί η πληροφορία του λ 1 μέσω του φαινομένου της ετεροδιαμόρφωσης φάσης, στο νέο μήκος κύματος, όπως αυτό φαίνεται στην εικόνα 6β. 25

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ Εικόνα 6: α) XPM σε MZI για μεταγωγική λειτουργία, β) μετατροπή μήκους κύματος. 2.2 Πειραματική διάταξη Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η πειραματική διάταξη με περισσότερη λεπτομέρεια. Σχήμα 4: Πειραματική διάταξη (αναλυτική) για οπτική αποθήκευση μέσω βρόχου (bidirectional) Εισερχόμενα πακέτα με μήκος κύματος λ = nm στέλνονται στο βρόχο αφού έχουν πάρει την απαραίτητη ενίσχυση μέσω ενός οπτικού ενισχυτή (EDFA 3) και έχει αφαιρεθεί o θόρυβος που έχει εισαχθεί κατά τη διάρκεια της ενίσχυσης μέσω ενός ζωνοπερατού φίλτρου 1nm. Στη συνέχεια, τα πακέτα καταλήγουν στο άκρο D του SOA- MZI 1. Στο SOA- MZI 1 συντελείται η μετατροπή μήκους κύματος και τα πακέτα δεδομένων, όντας σε μήκος κύματος λ, μετατρέπονται σε μήκος κύματος λ1, λ2 ή λ3 26

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ μέσω του φαινομένου της ετεροδιαμόρφωσης κέρδους (XGM), ανάλογα με την καθυστέρηση που θέλουμε να εισαγάγουμε στο σήμα. Αυτό συνεπάγεται, ότι το οπτικό σήμα θα διανύσει διαφορετικού μήκους οπτικό μονοπάτι ώστε να λάβει και την αντίστοιχη καθυστέρηση. Έπειτα, το οπτικό σήμα εξέρχεται από τον SOA- MZI 1 από το άκρο C στο αντίστοιχο μήκος κύματος που έχει προεπιλεγεί. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω ενός AWG αποπολυπλέκτη που δρομολογεί το οπτικό σήμα στην κατάλληλη γραμμή χρονικής καθυστέρησης ανάλογα με το μήκος κύματος του σήματος. Το εισερχόμενο σήμα, έχοντας πάρει την επιθυμητή χρονική καθυστέρηση, πολυπλέκεται εκ νέου μέσω ενός AWG πολυπλέκτη και ενισχύεται ξανά μέσω ενός οπτικού ενισχυτή (EDFA 2) για λόγους επάρκειας της επιθυμητής ισχύος. Εν συνεχεία, διακλαδώνεται μέσω ενός 50:50 διαχωριστή όπου το ένα σκέλος υλοποιεί τον βρόχο και καταλήγει στο άκρο του SOA- MZI 1 και το άλλο σκέλος καταλήγει στο άκρο H μίας δεύτερης συμβολομετρικής διάταξης (SOA- MZI 2) όπου εκεί συντελείται μία ακόμα μετατροπή μήκους κύματος. Το οπτικό σήμα τελικά αποκτά το ίδιο μήκος κύματος με αυτό που είχαν τα εισερχόμενα πακέτα και επιλέγεται το επιθυμητό πακέτο ώστε να φθάσει στον παραλήπτη. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται το επιθυμητό αποτέλεσμα που δεν είναι άλλο από την προσθήκη χρονικής καθυστέρησης στο πακέτο με την παράλληλη βέλτιστη επαναχρησιμοποίηση του φάσματος. 2.3 Πειραματικά αποτελέσματα Παρακάτω παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα της παραπάνω διάταξης. Στην εικόνα 6, διακρίνεται η παλμοσειρά που αντιστοιχεί στα δεδομένα όπως αυτά παράγονται από το FPGA σε ρυθμό 10 Gb/s και στις δύο επόμενες εικόνες (εικόνα 7 και εικόνα 8) διακρίνονται οι παλμοσειρές με περισσότερο zoom (200ns/div και 500ns/div αντίστοιχα). 27

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ Εικόνα 6: Ίχνη παλμογράφου για τα δεδομένα σε 10Gb/s Εικόνα 7: Ίχνη παλμογράφου για τα δεδομένα σε 10Gb/s (200ns/div) 28

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ Εικόνα 8: Ίχνη παλμογράφου για τα δεδομένα σε 10Gb/s (500ns/div) Στην εικόνα 9, διακρίνεται το πακέτο δεδομένων που έχει διαμορφωθεί από τον LiNbO3 διαμορφωτή ο οποίος οδηγείται από τη γεννήτρια Centellax. Στις επόμενες δύο εικόνες (εικόνα 10 και εικόνα 11) διακρίνεται με zoom στα 200ns/div και 500ps/div αντίστοιχα, το πακέτο δεδομένων που έχει επιλεγεί. Εικόνα 9: Ίχνη παλμογράφου για το πακέτο που έχει επιλεγεί 29

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ Εικόνα 10: Ίχνη παλμογράφου για το πακέτο που έχει επιλεγεί (200ns/div) Εικόνα 11: Ίχνη παλμογράφου για το πακέτο που έχει επιλεγεί (500ns/div) Στη συνέχεια (εικόνα 12), παρουσιάζεται η παλμοσειρά που αντιστοιχεί στο μήκος κύματος λ2 αφού έχει διαμορφωθεί μέσω του Thorlabs διαμορφωτή ο οποίος οδηγείται με γεννήτρια τον AdSantec. 30

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ Εικόνα 12: Ίχνη παλμογράφου για το μήκος κύματος λ2 Στην εικόνα 13, δίνεται η παλμοσειρά του σήματος αφού έχει υποστεί μετατροπή μήκους κύματος (Wavelength Conversion) στον SOA- MZI 1. Εικόνα 13: Ίχνη παλμογράφου μετά από μετατροπή μήκους κύματος Παρακάτω, παρουσιάζονται παλμοσειρές από την μετατροπή μήκους κύματος στον SOA- MZI 1 σε 200ns/div (εικόνα 14) και 500ps/div (εικόνα 15) αντίστοιχα. Παρατηρούμε ότι το οπτικό σήμα στην εικόνα 15 έχει υποστεί μία μικρή αλλοίωση σε σύγκριση με το οπτικό σήμα πριν αυτό εισέλθει στη διάταξη (εικόνα 11). Συγκεκριμένα, έχει αυξηθεί το πάχος στο επίπεδο ισχύος του μηδενός αλλά και του άσσου και ο λόγος της ισχύος του άσσου προς την ισχύ του μηδενός (extinction 31

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ ratio) έχει μειωθεί (από περίπου 35,3 σε 15,6) λόγω των απωλειών που υπέστει το σήμα στην ισχύ του καθώς διαδιδόταν μέσα στην οπτική διάταξη. Εικόνα 14: Ίχνη παλμογράφου μετά από μετατροπή μήκους κύματος (200ns/div) Εικόνα 15: Ίχνη παλμογράφου μετά από μετατροπή μήκους κύματος (500ns/div) Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα ίχνη παλμογράφου των οπτικών σημάτων τριών πακέτων μέσα στο βρόχο. Το πρώτο πακέτο παρουσιάζεται αμέσως μετά την πρώτη μετατροπή μήκους κύματος από το SOA- MZI 1 (εικόνα 16) και εξέρχεται από τον SOA- MZI 2 (εικόνα 17) χωρίς να κυκλοφορήσει στο βρόχο ενώ παράλληλα επιτυγχάνεται λειτουργία χωρίς λάθη (error- free) στη διαδικασία των μετρήσεων ρυθμού σφαλμάτων (Bit Error Measurements). Στην εικόνα 17, η παλμοσειρά που 32

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ βγαίνει στην έξοδο δεν φαίνεται να έχει υποστεί σχεδόν καθόλου αλλοίωση σε σχέση με την είσοδο (εικόνα 11) παρά μόνο η ισχύς κάποιων άσσων που είναι ελαφρώς μειωμένη στην έξοδο. Η μειωμένη ισχύς των άσσων στην έξοδο της διάταξης αποδίδεται στις απώλειες που έχει το σήμα κατά τη διάδοσή του μέσα στην οπτική διάταξη. Εικόνα 16: Ίχνη παλμογράφου πρώτου πακέτου μετά από την μετατροπή μήκους κύματος, μέσα στο βρόχο Εικόνα 17: Ίχνη παλμογράφου πρώτου πακέτου μετά από την επιλογή, στην έξοδο της διάταξης Το δεύτερο πακέτο εξέρχεται από την πειραματική διάταξη έχοντας περάσει μία φορά από το βρόχο. Στην εικόνα 18, μπορούμε να διακρίνουμε την παλμοσειρά εντός του βρόχου ενώ στην εικόνα 19 όταν αυτή εξέρχεται από τη διάταξη. Η ισχύς των άσσων φαίνεται να είναι μικρότερη στην εικόνα 19 σε σχέση με αυτήν στην εικόνα 18 και σημαντικά μικρότερη σε σχέση με την ισχύ των άσσων του σήματος 33

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ που διαμορφώθηκε (εικόνα 11). Να σημειωθεί ότι σε αυτήν την περίπτωση, ο ελάχιστος ρυθμός σφαλμάτων που μπορούμε να λάβουμε είναι 10 Ε - 5 και εμφανίζεται error floor. Εικόνα 18: Ίχνη παλμογράφου δεύτερου πακέτου μετά από την μετατροπή μήκους κύματος, μέσα στο βρόχο Εικόνα 19: Ίχνη παλμογράφου δεύτερου πακέτου μετά από την επιλογή, στην έξοδο της διάταξης Τέλος, το τρίτο πακέτο έχει πραγματοποιήσει δύο περάσματα μέσα από το βρόχο και οι παλμοσειρές του, μέσα στο βρόχο (εικόνα 20) και στην έξοδο της διάταξης (εικόνα 21), παρουσιάζονται παρακάτω. Η παλμοσειρά που βγαίνει στην έξοδο φαίνεται να έχει υποστεί σηματική αλλοίωση σε σύγκριση με την αρχική παλμοσειρά (εικόνα 11). Η ισχύς των άσσων έχει ελλατωθεί σε σημαντικό βαθμό τόσο σε σύγκριση με την ισχύ που είχαν οι άσσοι μετά την πρώτη μετατροπή αλλά και μετά τη δεύτερη μετατροπή επιδρώντας αρνητικά στις μετρήσεις ρυθμού 34

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ σφαλμάτων (BER). Επίσης, αυτό που βγαίνει ως συμπέρασμα είναι ότι επαναλβανόμενοι άσσοι (στη σειρά) διατηρούν το επίπεδο ισχύς τους ενώ μεμονωμένοι άσσοι το χάνουν, έχοντας περάσει διαδοχικά μία ή δύο φορές από τη συμβολομετρική διάταξη. Εικόνα 20: Ίχνη παλμογράφου τρίτου πακέτου μετά από την μετατροπή μήκους κύματος, μέσα στο βρόχο Εικόνα 21: Ίχνη παλμογράφου τρίτου πακέτου μετά από την επιλογή, στην έξοδο της διάταξης Στη συνέχεια (εικόνα 22), παρουσιάζονται ίχνη παλμογράφου, τα οποία έχουν μετρηθεί μέσα στο βρόχο. 35

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ Εικόνα 22: Ίχνη παλμογράφου μέσα στο βρόχο Ένα ακόμη παράδειγμα από μία παλμοσειρά με δύο διαφορετικά μήκη κύματος μέσα στο βρόχο και το αντίστοιχο φάσμα φαίνεται στην εικόνα 23. Εικόνα 23: Ίχνη παλμογράφου με δύο διαφορετικά μήκη κύματος μέσα στο βρόχο και το αντίστοιχο φασματικό περιεχόμενο Παρακάτω (εικόνα 24), διακρίνεται το διάγραμμα ματιού (eye diagram), στην έξοδο της διάταξης, έχοντας υποστεί δύο μετατροπές μήκους κύματος. Το διάγραμμα ματιού δεν είναι αρκετά καθαρό κάτι που υποδεικνύει ότι οι παλμοί που τοποθετούνται στο συγκεκριμένο παράθυρο της χρονοθυρίδας φαίνεται πως αποκλίνουν σηματνικά. Τόσο το επίπεδο του μηδενός όσο και το επίπεδο του άσσου είναι παχύ και σαφώς δεν είναι ιδανικό. Να σημειωθεί ότι ο ελάχιστος ρυθμός σφαλμάτων που μπορούμε να λάβουμε είναι 10 Ε - 5 και εμφανίζεται error floor. 36

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ Εικόνα 24: Διάγραμμα ματιού στην έξοδο της διάταξης με δύο WC Τέλος, παρακάτω παρουσιάζονται οι μετρήσεις ρυθμού σφαλμάτων για την πρώτη μετατροπή μήκους κύματος (1 st WC) καθώς και για τη δεύτερη μετατροπή (2 nd WC) στην ταχύτητα 10Gbps σε διαφορετικά μήκη κύματος. Στη δεύτερη μετατροπή μήκους κύματος ο ελάχιστος ρυθμός σφαλμάτων που μπορούμε να λάβουμε είναι 10 Ε - 5. Είναι απολύτως λογικό η κόκκινη καμπύλη που αναπαριστά τη δεύτερη μετατροπή μήκους κύματος να είναι δεξιότερα της μπλέ καμπύλης καθώς μετρήθηκε στην έξοδο με μειωμένη ισχύ λόγω των απωλειών που υπέστη το οπτικό σήμα κατά τη διάδοσή του μέσα στη διάταξη (power loss). Η ποινή ισχύος (Power Penalty) που προκύπτει μετρήθηκε να είναι 3.5 db για ρυθμό σφαλμάτων

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ Εικόνα 26: Μέτρηση ρυθμού σφαλμάτων για το πρώτο και δεύτερο WC στα 10Gb/s Στην επόμενη εικόνα (εικόνα 27) παρουσιάζεται η μέτρηση ρυθμού σφαλμάτων για τη δεύτερη μετατροπή μήκους κύματος (2ο WC) στις περιπτώσεις που το πακέτο είναι στο ίδιο μήκος κύματος με το μήκος κύματος του φακέλου και στην περίπτωση που είναι σε διαφορετικό. Όπως γίνεται αντιληπτό, όταν η δεύτερη μετατροπή μήκους κύματος πραγματοποιείται στο ίδιο μήκος κύματος με την πρώτη μετατροπή, η μέτρηση ρυθμού σφαλμάτων είναι 10 Ε - 9 (error- free). Στην αντίθετη περίπτωση κατά την οποία το πακέτο είναι σε διαφορετικό μήκος κύματος με το φάκελλο, ο ελάχιστος ρυθμός σφαλμάτων που μπορούμε να λάβουμε είναι 10 Ε - 7. Η ποινή ισχύος μετρήθηκε 0.7dB για μέτρηση ρυθμού σφαλμάτων 10 Ε

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ Εικόνα 27: Μέτρηση ρυθμού σφαλμάτων για το δεύτερο WC σε ίδιο μήκος κύματος και σε διαφορετικό σε σχέση με το μήκος κύματος του φακέλου Τέλος, παρουσιάζεται η μέτρηση του ρυθμού σφαλμάτων η οποία περιέχει την πρώτη μετατροπή μήκους κύματος (SOA- MZI 1) και την επιλογή του πακέτου (SOA- MZI 2), τη δεύτερη μετατροπή μήκους κύματος (SOA- MZI 1) και την επιλογή του πακέτου (SOA- MZI 2), τις back- to- back μετρήσεις καθώς και τη δεύτερη μετατροπή μήκους κύματος μαζί με το φίλτρο που βρίσκεται μετά τον EDFA και την επιλογή του πακέτου στο SOA_MZI 2. Οι ποινές ισχύος διακρίνονται στην εικόνα 28. Όπως εύκολα γίνεται αντιληπτό, η καμπύλη που είναι πιο κοντά στην καμπύλη που δείχνει τις back- to- back μετρήσεις είναι αυτή του πρώτου WC παρουσιάζοντας τη μικρότερη ποινή ισχύος σε σύγκριση με τις υπόλοιπες καμπύλες.. Να σημειωθεί ότι η ποινή ισχύος για το δεύτερο WC μαζί με το φίλτρο είναι μικρότερη κατά 2dB περίπου από εκείνη που έχει το δεύτερο WC χωρίς το φίλτρο καταδεικνύοντας την θετική επίδραση που έχει το φίλτρο στο οπτικό σήμα. 39

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕ ΔΙΑΤΑΞΗ ΒΡΟΧΟΥ Εικόνα 28: Μέτρηση ρυθμού σφαλμάτων για το πρώτο, το δεύτερο WC, τις BtB μετρήσεις και το δεύτερο WC μαζί με το φίλτρο 40

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΑ ΠΟΛΩΜΕΝΟ ΜΕΤΑΓΩΓΕΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 : ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΑ ΠΟΛΩΜΕΝΟ ΜΕΤΑΓΩΓΕΑ 41

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΑ ΠΟΛΩΜΕΝΟ ΜΕΤΑΓΩΓΕΑ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας της οπτικής αποθήκευσης πακέτων με διάταξη βρόχου, όπως και στο προηγούμενο κεφάλαιο, αλλά με διαφορικά πολωμένο μεταγωγέα. Στη συνέχεια, ακολουθεί η πειραματική διάταξη του συστήματος καθώς και τα πειραματικά αποτελέσματα. 3.1 Αρχή λειτουργίας Στο σχήμα 6, διακρίνεται η διάταξη που επιτυγχάνει οπτική αποθήκευση πακέτων μέσω διαφορικά πολωμένου μεταγωγέα. Σε αυτήν την περίπτωση, η εισαγωγή του σήματος ελέγχου γίνεται ορολογιακά και ανθωρολογιακά σε σχέση με την ροή δεδομένων (χρήση του bidirectional data injection control scheme) και επιπρόσθετα χρησιμοποιείται ένα επιπλέον CW οπτικό σήμα σε μήκος κύματος λ=1560nm έτσι ώστε να βελτιστοποιήσει το κέρδος και τη φάση που προσδίδονται από τους ημιαγώγιμους οπτικούς ενισχυτές (SOAs). Σχήμα 5: Διάταξη βρόχου για την οπτική αποθήκευση πακέτων με διαφορικά πολωμένο μεταγωγέα (bidirectional) Οι SOAs έχουν τη δυνατότητα να αναγεννήσουν το οπτικό σήμα που εισέρχεται σε αυτούς, όσον αφορά το πλάτος των παλμών (reamplifying), το σχήμα αυτών (reshaping) και τη χρονική καθυστέρηση που εισάγεται (retiming) [11]. Όπως μπορεί εύκολα να γίνει αντιληπτό από το σχήμα 6, έχουν χρησιμοποιηθεί δύο συμβολομετρικές διατάξεις (SOA- MZI 1 και 2) ως μετατροπείς μήκους κύματος. Όπως και στο προηγούμενο κεφάλαιο, η μια διάταξη στοχεύει στην μετατροπή του μήκους κύματος από το λdata= nm στο λ1= nm, λ2= nm ή λ3= nm ανάλογα με την καθυστέρηση που θέλουμε να εισάγουμε στο οπτικό σήμα και η άλλη από τα λ1, λ2, λ3 στο αρχικό μήκος κύματος λdata ώστε και πάλι να 42

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΑ ΠΟΛΩΜΕΝΟ ΜΕΤΑΓΩΓΕΑ επιτύχουμε την βέλτιστη επαναχρησιμοποίηση του φάσματος. Στη συμβολομετρική διάταξη SOA- MZI 1, η λειτουργία μετατροπής μήκους κύματος υλοποιήθηκε για ρεύμα οδήγησης του ενισχυτή SOA1 στα 262 ma και του SOA2 στα 275mA. 3.2 Πειραματική διάταξη Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η πειραματική διάταξη με περισσότερη λεπτομέρεια. Η μόνη διαφορά στο σχήμα του προηγούμενου κεφαλαίου είναι η εισαγωγή ενός CW σήματος που εισέρχεται επιπροσθέτως σε κάθε μία από τις δύο συμβολομετρικές διατάξεις SOA- MZI υλοποιώντας το σχήμα με το διαφορικά πολωμένο μεταγωγέα (bidirectional scheme). Η χρήση ενός επιπλέον CW σήματος σε έναν από τους δύο οπτικούς ενισχυτές (SOA) του συμβολόμετρου (MZI), έχει τη δυνατότητα να κάνει bias διαφορικά, όχι μόνο τα κέρδη αλλά και τις φάσεις που προσδίδονται στο σήμα στα δύο σκέλη του συμβολόμετρου. Ο σκοπός, λοιπόν του εξωτερικού CW σήματος είναι, μέσω του διαφορικού bias των κερδών των δύο SOA ενισχυτών, να παρέχει μια ολίσθηση φάσης Δφ του παλμού ώστε αυτή να ισούται με π ανάμεσα στα δύο κομμάτια του εισερχόμενου σήματος τα οποία ταξιδεύουν στα δύο σκέλη του MZI ειδικά όταν δεν υπάρχει παρουσία σήματος ελέγχου. Κάθε φορά που εισέρχεται ένας παλμός ελέγχου στο συμβολόμετρο, τα δύο κομμάτια του αρχικού CW σήματος δέχονται ίδιες τιμές κέρδους και ολίσθηση φάσης με αποτέλεσμα να έχουμε την βέλτιστη καταστροφική συμβολή στην έξοδο μεταγωγής (switched output port). Παράλληλα, το επιπέδο 0 στο σήμα που έχει υποστεί τη μετατροπή μήκους κύματος και εξέρχεται από το συμβολόμετρο, είναι το καλύτερο δυνατόν εξαλείφοντας το όποιο πρόβλημα δημιουργούνταν λόγω της μη βέλτιστης ολίσθησης φάσης κατά π που παρουσιάζονταν στη διάταξη του προηγούμενου κεφαλαίου [12]. 43

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΑ ΠΟΛΩΜΕΝΟ ΜΕΤΑΓΩΓΕΑ Σχήμα 6: Πειραματική διάταξη (αναλυτική) για οπτική αποθήκευση μέσω βρόχου με διαφορικά πολωμένο μεταγωγέα (bidirectional) 3.3 Πειραματικά αποτελέσματα Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα της παραπάνω διάταξης. Στη εικόνα 29, παρουσιάζονται τα ίχνη παλμογράφου (pulse traces) για τα δεδομένα. 44

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΑ ΠΟΛΩΜΕΝΟ ΜΕΤΑΓΩΓΕΑ Εικόνα 29: Ίχνη παλμογράφου για τα δεδομένα Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα ίχνη παλμογράφου για το πρώτο WC που πραγματοποιείται στο SOA- MZI 1 και το διάγραμμα ματιού (εικόνα 30) καθώς και τα ίχνη παλμογράφου και διάγραμμα ματιού για το δεύτερο WC στο SOA- MZI 2 (εικόνα 31), αντίστοιχα. Η αλλοίωση των παλμών δεν είναι μεγάλη και το επίπεδο ισχύος τόσο των άσσων όσο και των μηδενικών θεωρείται ικανοποιητικό ώστε να έχουμε λειτουργία χωρίς λάθη στη διαδικασία των μετρήσεων ρυθμού σφαλμάτων. Εικόνα 30: Ίχνη παλμογράφου για το πρώτο WC και διάγραμμα ματιού με διαφορικά πολωμένο μεταγωγέα 45

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΑ ΠΟΛΩΜΕΝΟ ΜΕΤΑΓΩΓΕΑ Εικόνα 31: Ίχνη παλμογράφου για το δεύτερο WC και διάγραμμα ματιού με διαφορικά πολωμένο μεταγωγέα Στα διαγράμματα ματιού που απεικονίζονται παραπάνω τα επίπεδα του άσσου και του μηδενός είναι αρκετά παχύ καθώς οι παλμοί που τοποθετούνται στο συγκεκριμένο παράθυρο της χρονοθυρίδας φαίνεται πως αποκλίνουν σημαντικά. Και τα δύο διαγράμματα ματιού είναι σχετικά καθαρά κάτι που αποδεικνύει την επιτυχή λειτουργία της μετατροπής μήκους κύματος και στις δύο συμβολομετρικές διατάξεις. Στην εικόνα 32, παρουσιάζεται η μέτρηση του ρυθμού σφαλμάτων για την πρώτη μετατροπή μήκους κύματος σε σύγκριση με τις back- to- back μετρήσεις. Να σημειωθεί ότι σε αυτήν την περίπτωση, με τον διαφορικά πολωμένο μεταγωγέα, η ποινή ισχύος είναι 0.7dBm. Εικόνα 32: Μέτρηση ρυθμού σφαλμάτων για το πρώτο WC σε σύγκριση με τις BtB μετρήσεις 46

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΜΗΚΟΥΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΙΚΑ ΠΟΛΩΜΕΝΟ ΜΕΤΑΓΩΓΕΑ Εν συνεχεία, παρουσιάζεται η μέτρηση του ρυθμού σφαλμάτων για τη δεύτερη μετατροπή μήκους κύματος με διαφορικά πολωμένο μεταγωγέα και χωρίς, σε σύγκριση τόσο μεταξύ αυτών όσο και σε σύγκριση με τις back- to- back μετρήσεις (εικόνα 33). Η ποινή ισχύος μετρήθηκε στα 3.7dB. Εικόνα 33: Μέτρηση ρυθμού σφαλμάτων για το δεύτερο WC με διαφορικά πολωμένο μεταγωγέα και χωρίς 47

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 : ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ 48

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας της οπτικής αποθήκευσης πακέτων μέσω γραμμών χρονικής καθυστέρησης. Στη συνέχεια, ακολουθεί η πειραματική διάταξη του συστήματος καθώς και τα πειραματικά αποτελέσματα. 4.1 Αρχή λειτουργίας Στο σχήμα 8, διακρίνεται η διάταξη που επιτυγχάνει οπτική αποθήκευση πακέτων μέσω γραμμών χρονικής καθυστέρησης. Σχήμα 7: Διάταξη για οπτική αποθήκευση πακέτων μέσω γραμμών χρονικής καθυστέρησης Όπως έχουμε ήδη αναφέρει από την εισαγωγή της παρούσης διπλωματικής, υπάρχουν διαφορετικές τεχνικές οπτικής αποθήκευσης, μία εκ των οποίων είναι εκείνη που επιτυγχάνεται μέσω γραμμών χρονικής καθυστέρησης (feedforward buffer). Σε έναν έμπροσθεν οπτικό καταχωρητή, τα οπτικά σήματα στέλνονται διαμέσου γραμμών καθυστέρησης μόνο μία φορά χωρίς να υπάρχει ο βρόχος όπως είδαμε στα προηγούμενα κεφάλαια. Για αυτό το λόγο, οι οπτικοί καταχωρητές θα πρέπει να χρησιμοποιούν τον ίδιο αριθμό γραμμών καθυστέρησης (οπτικής ίνας) ώστε να επιλέγεται ο επιθυμητός χρόνος καθυστέρησης. Σε αυτήν την περίπτωση, η διάταξη είναι πιο απλή σε σχέση με αυτές των προηγούμενων κεφαλαίων λόγω της μη ύπαρξης του βρόχου. Τα εισερχόμενα πακέτα δεδομένων εισέρχονται στη διάταξη έχοντας πάρει την απαραίτητη ενίσχυση μέσω ενός οπτικού ενισχυτή (EDFA 1) και στη συνέχεια προσδίδεται σε αυτά η επιθυμητή καθυστέρηση, διασχίζοντας το ανάλογο οπτικό μονοπάτι, έχοντας προηγουμένως υποστεί μετατροπή μήκους 49

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ κύματος στο μήκος κύματος του φακέλου (SOA- MZI 1). Τέλος, εξέρχονται από τη διάταξη, χωρίς να υπάρχει η δυνατότητα να λάβουν επιπρόσθετη καθυστέρηση, αφού προηγουμένως έχει συμβεί η δεύτερη μετατροπή μήκους κύματος. Τελικά τα εξερχόμενα οπτικά σήματα έχουν μήκος κύματος το αρχικό μήκος κύματος που είχαν τα δεδομένα όταν εισήλθαν. Και σε αυτήν την περίπτωση, όπως και στη περίπτωση του προηγούμενου κεφαλαίου, εισάγεται ένα CW σήμα που εισέρχεται επιπροσθέτως σε κάθε μία από τις δύο συμβολομετρικές διατάξεις SOA- MZI υλοποιώντας το σχήμα με το διαφορικά πολωμένο μεταγωγέα (differential biased scheme). Επιπροσθέτως, χρησιμοποιείται ένα επιπλέον CW οπτικό σήμα σε μήκος κύματος λ έτσι ώστε να βελτιστοποιήσει το κέρδος και τη φάση που προσδίδονται από τους ημιαγώγιμους οπτικούς ενισχυτές (SOAs). 4.2 Πειραματική διάταξη Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η πειραματική διάταξη με περισσότερη λεπτομέρεια. Σχήμα 8: Πειραματική διάταξη (αναλυτική) για οπτική αποθήκευση μέσω γραμμών χρονικής καθυστέρησης (delay lines) Εισερχόμενα πακέτα με μήκος κύματος λ (1550nm) στέλνονται στη συμβολομετρική διάταξη (SOA- MZI 1) μέσω ενός διαχωριστή αφού έχουν πάρει την απαραίτητη ενίσχυση μέσω ενός οπτικού ενισχυτή (EDFA 1) και έχει αφαιρεθεί o θόρυβος που έχει εισαχθεί κατά τη διάρκεια της ενίσχυσης μέσω ενός ζωνοπερατού φίλτρου 1nm. Στη συνέχεια, τα πακέτα διαχωρίζονται σε δύο διαφορετικά μονοπάτια, τα οποία καταλήγουν στα κλάδους του SOA- MZI 1 (θύρες E και G). Στη συμβολομετρική αυτή διάταξη συντελείται η μετατροπή μήκους κύματος και τα πακέτα δεδομένων, όντας σε μήκος κύματος λ, μετατρέπονται σε μήκος κύματος λ1 ( nm), λ2 50

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ ( nm) ή λ3 ( nm), μέσω του φαινομένου της ετεροδιαμόρφωσης κέρδους (XGM). Η επιλογή των φακέλλων γίνεται ανάλογα με την καθυστέρηση που θέλουμε να εισαγάγουμε στο σήμα. Αυτό συνεπάγεται, ότι το οπτικό σήμα θα διανύσει διαφορετικού μήκους οπτικό μονοπάτι (που είναι και το ζητούμενο) ώστε να λάβει την αντίστοιχη καθυστέρηση. Η επίτευξη αυτού πραγματοποιείται μέσω ενός AWG αποπολυπλέκτη που δρομολογεί το οπτικό σήμα στην κατάλληλη γραμμή χρονικής καθυστέρησης ανάλογα με το μήκος κύματος του σήματος. Το εισερχόμενο σήμα, έχοντας πάρει την επιθυμητή χρονική καθυστέρηση, πολυπλέκεται εκ νέου μέσω ενός AWG πολυπλέκτη και ενισχύεται ξανά μέσω ενός οπτικού ενισχυτή (EDFA 3) για λόγους επάρκειας της επιθυμητής ισχύος. Εν συνεχεία, διακλαδώνεται μέσω ενός 50:50 διαχωριστή όπου το ένα σκέλος εισάγεται στη συμβολομετρική διάταξη (SOA- MZI 2) ωρολογιακά και το άλλο σκέλος καταλήγει στον κλάδο της ίδιας διάταξης ταξιδεύοντας ανθωρολογιακά (θύρα Α και H αντίστοιχα). Σε αυτή τη διάταξη συντελείται η δεύτερη μετατροπή μήκους κύματος. Το οπτικό σήμα έχοντας πάρει την απαιτούμενη καθυστέρηση αποκτά το ίδιο μήκος κύματος με αυτό που είχαν τα εισερχόμενα πακέτα. Τελικά, επιλέγεται το επιθυμητό πακέτο ώστε να φθάσει στον παραλήπτη. Με αυτόν τον τρόπο, όπως συνέβη και στις πειραματικές διατάξεις των δύο προηγούμενων κεφαλαίων, επιτυγχάνεται το επιθυμητό αποτέλεσμα που δεν είναι άλλο από την προσθήκη χρονικής καθυστέρησης στο πακέτο με την παράλληλη βέλτιστη επαναχρησιμοποίηση του φάσματος. Να σημειωθεί ότι και σε αυτήν την περίπτωση, CW οπτικό σήμα μήκους κύματος λ (Optical Bank) διοχετεύεται στους κλάδους και των δύο συμβολομετρικών διατάξεων ώστε να επιτευχθεί το βέλτιστο αποτέλεσμα μέσω της υλοποίησης του σχήματος του διαφορικά πολωμένου μεταγωγέα. 51

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ 4.3 Πειραματικά αποτελέσματα Παρακάτω παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα της παραπάνω διάταξης. Στις παρακάτω εικόνες διακρίνονται τα ίχνη παλμογράφου για το πακέτο δεδομένων και των φακέλων (εικόνα 34 και εικόνα 35 αντίστοιχα). Εικόνα 34: Ίχνη παλμογράφου για το πακέτο δεδομένων Εικόνα 35: Ίχνη παλμογράφου για τα πακέτα των φακέλων (envelopes) 52

53 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ Στη συνέχεια, ακολουθούν τα ίχνη παλμογράφου για τα τρία αντιστραμμένα πακέτα μετά την μετατροπή μήκους κύματος στη συμβολομετρική διάταξη SOA- MZI 1 (εικόνα 36, εικόνα 37 και εικόνα 38 αντίστοιχα). Εικόνα 36: Ίχνη παλμογράφου για το πρώτο αντιστραμμένο πακέτο μετά το πρώτο WC Εικόνα 37: Ίχνη παλμογράφου για το δεύτερο αντιστραμμένο πακέτο μετά το πρώτο WC 53

54 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ Εικόνα 38: Ίχνη παλμογράφου για το τρίτο αντιστραμμένο πακέτο μετά το πρώτο WC Αντιστοίχως, ακολουθούν τα ίχνη παλμογράφου για το πακέτο που επιλέγεται (εικόνα 39) καθώς και τα τρία αντιστραμμένα πακέτα μετά την μετατροπή μήκους κύματος στη SOA- MZI 2. Εικόνα 39: Ίχνη παλμογράφου για το πακέτο που επιλέγεται 54

55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ Εικόνα 40: Ίχνη παλμογράφου για το πρώτο αντιστραμμένο πακέτο μετά το δεύτερο WC Εικόνα 41: Ίχνη παλμογράφου για το δεύτερο αντιστραμμένο πακέτο μετά το δεύτερο WC 55

56 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ Εικόνα 42: Ίχνη παλμογράφου για το τρίτο αντιστραμμένο πακέτο μετά το δεύτερο WC Στη συνέχεια, παρουσιάζεται το διάγραμμα ματιού (εικόνα 43) για τα δεδομένα λίγο πριν εισέλθουν στην συμβολομετρική διάταξη 1. Το διάγραμμα ματιού είναι καθαρό καθώς τα οπτικά σήματα δεν έχουν ακόμη εισέλθει στην πρώτη συμβολομετρική διάταξη και συνεπώς δεν έχουν υποστεί απώλεια στην ισχύ και αλλοιώσεις οφειλόμενες στη χρονική μετατόπιση των παλμοσειρών. Παρατηρούμε επίσης ότι το σημείο τομής των παλμοσειρών είναι σχεδόν στη μέση καθώς ο χρόνος του άσσου είναι ίδιος με τον χρόνο του μηδενός (σχεδιάγραμμα 1). Επίσης, παρατηρούμε ότι ο χρόνος ανόδου από την στάθμη του μηδενός στη στάθμη του άσσου (rise time) και καθόδου αντίστοιχα (fall time) είναι λογικός σε αντίθεση με τους χρόνους που εμφανίζονται στα επόμενα διαγράμματα ματιού για τα τρία πακέτα. Το extinction ratio μετρήθηκε ίσο με db υπολογιζόμενο με τη σχέση παρακάτω. ER=10log(E1/E0)=10log(3.6/0.2) = db 56

57 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ Σχεδιάγραμμα 1 Εικόνα 43: Διάγραμμα ματιού για τα εισερχόμενα δεδομένα λίγο πριν την είσοδο στη συμβολομετρική διάταξη 1 Στη συνέχεια ακολουθούν τα διαγράμματα ματιού για το πρώτο, το δεύτερο και το τρίτο πακέτο (εικόνα 44, εικόνα 45 και εικόνα 46 αντίστοιχα). Τα επίπεδα ισχύς του άσσου και του μηδενός εμφανίζονται παχύτερα στα επόμενα διαγράμματα ματιού γεγονός που οφείλεται στην προσθήκη του jitter, δηλαδή της χρονικής καθυστέρησης καθώς οι παλμοί περνάνε μέσα από τη διάταξη. To extinction ratio μετρήθηκε να είναι για το πρώτο πακέτο (εικόνα 44) ίσο με 8.36 db όπως φαίνεται στη σχέση παρακάτω. Αυτό που παρατηρείται σαν διαφορά με το παραπάνω διάγραμμα ματιού είναι οι αυξημένοι χρόνοι ανόδου και καθόδου του οπτικού σήματος από τις στάθμες του άσσου και του μηδενός. Επίσης, παρατηρείται μία μικρή μετατόπιση προς τα κάτω του σημείου που διασταυρώνονται οι παλμοσειρές. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ο χρόνος του μηδενός είναι μεγαλύτερος σε σχέση με το χρόνο του άσσου όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα (σχεδιάγραμμα 2). ER = 10log(E1/E0) = 10log(4.8/0.7) = 8.36 db 57

58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΠΑΚΕΤΩΝ ΜΕΣΩ ΓΡΑΜΜΩΝ ΧΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΘΥΣΤΕΡΗΣΗΣ Σχεδιάγραμμα 2 Εικόνα 44: Διάγραμμα ματιού για το πρώτο πακέτο To extinction ratio που μέτρηθηκε για το διάγραμμα ματιού για το δεύτερο πακέτο είναι ίσο με 8.32 db. Η σχέση υπολογισμού του δίνεται παρακάτω. Διακρίνεται να είναι πιο κλειστό σε σύγκριση με το διάγραμμα ματιού της προηγούμενης περίπτωσης. ER = 10log(E1/E0) = 10log(3.4/0.5) = 8.32 db Σε αυτή την περίπτωση παρατηρούμε ανάλογους χρόνους ανόδου και καθόδου του σήματος (rise και fall time) σε σύγκριση με το διάγραμμα ματιού της εικόνας 44. Το σημείο τομής των καμπλυλών έχει μετατοπιστεί ελαφώς προς τα κάτω. 58