ΜΕΘΟ ΟΙ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΙΚΤΥΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ

ΜΕΘΟ ΟΙ ΚΑΙ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΙΚΤΥΩΝ ΟΠΤΙΚΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΙΩΑΝΝΗ Μ. ΠΑΠΑΓΙΑΝΝΑΚΗ ΙΠΛΩΜΑΤΟΥΧΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΑΤΡΑ, ΙΟΥΝΙΟΣ 2009

i Αφιερώνεται στους γονείς µου Ματθαίο και Ευαγγελία και στις δύο αδερφές µου, Γιάννα και Ελένη

Περίληψη Στις µέρες µας, οι αυξανόµενες απαιτήσεις για υπηρεσίες υψηλού φασµατικού εύρους ζώνης επιβάλλουν την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών στο σχεδιασµό των δικτύων νέας γενιάς, ικανές να προσφέρουν α) χαµηλό κόστος κατά το σχεδιασµό του συστήµατος, β) µεγάλη απόσταση µετάδοσης, γ) πολλοί χρήστες και δ) υψηλό εύρος ζώνης στην πλευρά του χρήστη για την παροχή των νέων υπηρεσιών. Ωστόσο, τα οπτικά δίκτυα λόγω των αναλογικών χαρακτηριστικών των οπτικών σηµάτων τους, υποφέρουν από γραµµικές και µη γραµµικές παραµορφώσεις. Αυτές οι παραµορφώσεις επηρεάζουν άµεσα την απόδοση των συστηµάτων και η επίδραση τους αυξάνει µε την αύξηση του ρυθµού µετάδοσης. Παραδοσιακά χρησιµοποιούνται οπτικοί τρόποι για την εξοµάλυνση των παραµορφώσεων. Ωστόσο, η ραγδαία ανάπτυξη στον τοµέα των ηλεκτρονικών αναδεικνύει την ηλεκτρονική εξοµάλυνση των παραµορφώσεων ως µία ευέλικτη, χαµηλού κόστους ολοκληρωµένη και βιώσιµη λύση που αποφεύγει τις επιπρόσθετες οπτικές απώλειες. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η εξοµάλυνση µε αποδοτικό τρόπο των πιο σηµαντικών παραµορφώσεων (χρωµατική διασπορά, αυτοδιαµόρφωση φάσης και φαινόµενο αλληλουχίας φίλτρων) που δηµιουργούνται στα οπτικά δίκτυα και ειδικότερα στα µητροπολιτικά δίκτυα, στα δίκτυα πρόσβασης, και στα παθητικά δίκτυα. Από σχεδιαστικής πλευράς του συστήµατος, αυτή η διατριβή προτείνει τη βέλτιστη χρησιµοποίηση λύσεων χαµηλού κόστους, ικανές να επεκτείνουν (σε ρυθµό µετάδοσης και απόσταση) την χρησιµοποίησή τους σε οπτικά δίκτυα νέας γενιάς. Πιο συγκεκριµένα, η απόδοση της ηλεκτρονικής αντιστάθµισης µελετάται για συστήµατα που χρησιµοποιούν χαµηλού κόστους, συµβατικούς ποµπούς laser άµεσης διαµόρφωσης (DML), που οδηγούνται στα 10 Gb/s. Σκοπός σε αυτήν την περίπτωση είναι η αύξηση της απόστασης και του ρυθµού µετάδοσης που µπορεί να επιτευχθεί, εξοµαλύνοντας τις παραµορφώσεις που δηµιουργούνται εξαιτίας των χαρακτηριστικών των ποµπών και αυτών που δηµιουργούνται κατά τη µετάδοση του σήµατος (χρωµατική διασπορά, αυτοδιαµόρφωση φάσης και φαινόµενο αλληλουχίας φίλτρων) µε την βέλτιστη χρησιµοποίηση ηλεκτρονικού εξισωτή. Επιπλέον, όσον αφορά τα παθητικά δίκτυα πρόσβασης νέας γενιάς, µελετάται µία αποδοτική και χρήσιµη τεχνική, χρησιµοποιώντας τα πλεονεκτήµατα της χρήσης του ηλεκτρονικού εξισωτή στην πλευρά του δέκτη (OLT). Η πειραµατική µελέτη εστιάζει στα παθητικά οπτικά δίκτυα (PON) στα 10 Gb/s χρησιµοποιώντας χαµηλού κόστους, χαµηλού εύρους ζώνης RSOA στην πλευρά του χρήστη (ONU), και ηλεκτρονικό εξισωτή στην πλευρά του δέκτη (OLT). Αυτή η τεχνική προσφέρει την απαιτούµενη ευελιξία για την προσαρµογή στις καινούργιες συνθήκες του συστήµατος και την υλοποίηση των απαιτήσεων (πολύ µεγάλες αποστάσεις µετάδοσης, αριθµό χρηστών και ρυθµό µετάδοσης), ενώ ταυτόχρονα µπορεί και εκπληρώνει τις απαιτήσεις χαµηλού κόστους στην ανάπτυξη των µελλοντικών δικτύων πρόσβασης νέας γενιάς. i

Abstract Nowadays, the rapid increase in bandwidth demanding services imposes new technological directions in the design of next generation optical networks with the purpose to achieve: a) reduced cost, b) larger transmission distances, c) larger number of users and d) higher bandwidth connectivity to the end user. However, due to the analogue nature of the optical signals, the optical networks suffer from a variety of linear and non-linear impairments. These impairments have a direct impact in the signal s bit error rate performance, while their effect increases as bit rate increases. The compensation of impairments has been traditionally performed by optical means. However, the rapid increase in available electronic processing power has made electronic mitigation of impairments a viable option, leading to an adaptive, low cost and integrated solution which avoids additional optical losses. The goal of this thesis is to study the effective mitigation by electronic means of the most important impairments (i.e. chromatic dispersion, self phase modulation and filter concatenation) that are related with optical networks and particularly metropolitan, access and passive optical networks. From the network (and system) design point of view, this study proposes the optimum use of certain low cost solutions able to extend (in bit rate and coverage) the applicability of next generation optical networks. More specifically, the effectiveness of electronic equalization is examined for systems utilizing low cost, conventional directly modulated laser (DML) sources that are operated at 10 Gb/s. The purpose in this case is to extend the reach and operating data rate of these systems by mitigating the transmission limiting effects due to the source characteristics and the link impairments (dispersion, self-phase modulation, and filter concatenation) with the optimum use of electronic equalization. Moreover, with respect to next generation optical access networks an effective and useful design approach on PON systems is fully investigated, by using the benefits of electronic equalization at the receiver side (ΟLT). This experimental system studies are focusing on PON systems operated at 10 Gb/s by using low cost and low bandwidth RSOAs at the ONU side assisted by electronic equalization at the receiver (ΟLT). This technique offers the required flexibility for the optimum adaptation on the specific network characteristics (in terms of covered distance, number of users and bit rate) and additionally meets the requirements for the development and further extension of future low cost optical access networks. ii

Eυχαριστίες Ήταν εντυπωσιακό για εµένα όταν άρχισα να γράφω αυτήν την παράγραφο λόγω του ότι συνειδητοποίησα πόσοι άνθρωποι συνεισέφεραν στην επιτυχή ολοκλήρωση αυτής της διδακτορικής διατριβής. Υπάρχουν αρκετοί άνθρωποι χωρίς την βοήθεια των οποίων δεν θα ήταν δυνατή η ολοκλήρωση αυτού του διδακτορικού. Πρωτίστως, ανάµεσα σε αυτούς βρίσκεται ο επιβλέπων µου καθηγητής Αλέξιος Ν. Μπίρµπας, τον οποίο ευχαριστώ θερµά για την ανάθεση της συγκεκριµένης µελέτης, την άψογη επιστηµονική καθοδήγηση καθώς επίσης και την ευκαιρία που µου δόθηκε να συνεργαστώ µε σηµαντικούς επιστήµονες ξένων ερευνητικών κέντρων και πανεπιστηµίων, στα πλαίσια συµµετοχής σε Ευρωπαικά προγράµµατα. Εκτιµώ βαθύτατα την εµπιστοσύνη που έδειξε στις δυνατότητες µου και δεν θα ξεχάσω ποτέ την ηθική υποστήριξη και το πραγµατικό ενδιαφέρον που έδειξε για την πρόοδο και την ολοκλήρωση της εργασίας µου. Η στήριξή του ήταν αποφασιστικής σηµασίας για την επιτυχή ολοκλήρωση της παρούσας διατριβής και συνετέλεσε σηµαντικά στη διαµόρφωση της προσωπικότητάς µου ως επιστήµονα και ως άνθρωπο. Αισθάνοµαι επίσης την ανάγκη να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Ιωάννη Τόµκο του Εργαστηρίου ικτύων & Οπτικών Επικοινωνιών» (NOC) του ερευνητικού ινστιτούτου Athens Information Technology, για τη φιλία και υποστήριξή του, ηθική και υλική. Μέσα από την άριστη συνεργασία µας και τις συµβουλές του, µοιράστηκε µαζί µου την εµπειρία και τις γνώσεις του και µε βοήθησε να ανοίξω τους πιθανούς επαγγελµατικούς µου ορίζοντες. Επίσης τον ευχαριστώ για τη δυνατότητα που µου έδωσε να χρησιµοποιήσω τον εργαστηριακό εξοπλισµό του εργαστηρίου οπτικών δικτύων µε αποτέλεσµα να καταστεί δυνατή η επιτυχής ολοκλήρωση των πειραµάτων που οδήγησε και στα πλέον σηµαντικά συµπεράσµατα. Ιδιαιτέρως, οφείλω να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. ηµήτρη Κλωνίδη του ερευνητικού ινστιτούτου Athens Information Technology για την αµέριστη συµπαράστασή του καθώς επίσης και για τις αµέτρητες ώρες εποικοδοµητικών συζητήσεων αλλά και γιατί µε έκανε να καταλάβω πως η αρνητική κριτική όταν γίνεται από καλή πρόθεση σε κάνει όχι µόνο καλύτερο αλλά και πιο δυνατό. Πέρα από την ενθάρρυνση που µου παρείχε, κατέθεσε επανειληµµένως την πολύτιµη εµπειρία του στη δηµιουργία των απαραίτητων οπτικών κυκλωµάτων και έδωσε αποφασιστικές λύσεις, όταν όλες οι άλλες προσεγγίσεις είχαν αποτύχει. Ιδιαίτερα τον ευχαριστώ για τον χρόνο που µου αφιέρωσε κατά την διεξαγωγή των πειραµάτων, καθώς επίσης και για το γεγονός ότι µου δίδαξε πως πραγµατοποιούνται και σχεδιάζονται σωστές πειραµατικές διατάξεις. Ιδιαίτερο ευχαριστώ οφείλω να εκφράσω στον υποψήφιο διδάκτορα κ. Ιωάννη Κικίδη, ο οποίος µε εµπιστεύτηκε και µου έδωσε τον ηλεκτρονικό εξισωτή για την διεξαγωγή όλων των πειραµάτων που είχε σχεδιάσει κατά την παραµονή του στην εταιρεία INTEL. εν θα µπορούσα να µην ευχαριστήσω τους καθηγητές και τους ερευνητές όλων των ξένων πανεπιστηµίων µε τα οποία συνεργάστηκα και αποκόµισα πολλά σηµαντικά οφέλη. Ιδιαίτερες ευχαριστίες οφείλω να κάνω στους καθηγητές Josep Prat του Πολυτεχνείου της Καταλωνίας, τον καθηγητή Werner Rosenkranz του iii

Πανεπιστηµίου του Κίελου που µου έδωσαν τη δυνατότητα να συνεργαστώ µαζί τους και να έχω την ευκαιρία να επισκεφτώ τα εργαστήρια τους και να αποκοµίσω πολύ σηµαντικές εµπειρίες που θα µε βοηθήσουν στην συνέχεια της επαγγελµατικής µου πορείας. Οφείλω να σταθώ ιδιαίτερα στην υποψήφια διδάκτορα Μireia Omella του Πολυτεχνείου της Καταλωνίας, που συνεργαστήκαµε άψογα για την µελέτη παθητικών οπτικών δικτύων νέας γενιάς κάτι που οδήγησε σε πολύ σηµαντικά αποτελέσµατα τα οποία παρουσιάστηκαν σε διεθνή συνέδρια και έχουν ήδη δηµοσιευτεί σε έγκριτα επιστηµονικά περιοδικά. Την ευχαριστώ ιδιαίτερα για τη συναδελφικότητα, τη φιλία µας και για τις γνώσεις που µου προσέφερε. Ιδιαίτερη τιµή για εµένα ήταν και η συνεργασία που είχα µε τον καθηγητή John Cartledge του πανεπιστηµίου Queens του Καναδά και την υποψήφια διδάκτορα Ying Jiang. Tους ευχαριστώ ιδιαίτερα για την συνεργασία αυτή και τους εύχοµαι ότι το καλύτερο. Ένα ακόµη µεγάλο ευχαριστώ θα ήθελα να πω στους καθηγητές Κωνσταντίνο Παπαδιά και στον Χρήστο Μπούκη του ερευνητικού ινστιτούτου Athens Information Technology για την αµέριστη συµπαράστασή τους καθώς επίσης και για τις καθοδηγήσεις τους όσον αφορά την µοντελοποίηση των εξισωτών στο MATLAB. Σε αυτό το σηµείο δεν θα µπορούσα να µην ευχαριστήσω όλους µου τους συναδέλφους ερευνητές του Εργαστηρίου ικτύων & Οπτικών Επικοινωνιών» (NOC) όσο και του εργαστηρίου ηλεκτρονικών εφαρµογών του τµήµατος ηλεκτρολόγων µηχανικών και τεχνολογίας υπολογιστών του πανεπιστηµίου Πατρών µε τους οποίους µοιράστηκα τις χαρές, τις αγωνίες και τις απογοητεύσεις που κρύβει η διαδικασία εκπόνησης ενός διδακτορικού. Ιδιαίτερα ευχαριστώ τους πιο παλιούς συναδέλφους µου και πάνω από όλα φίλους, τον Γιώργο Μαρκίδη και τους υποψήφιους διδάκτορες Χρήστο Κουλουµέντα και Μαρία Σπυροπούλου. Πρόκειται για πολύ αξιόλογους επιστήµονες, αλλά προπαντός ανθρώπους, µε τους οποίους πέρασα µαζί πολλές αξέχαστες στιγµές, µετατρέποντας ο καθένας µε το χαρακτήρα του τις ατέλειωτες ώρες δουλειάς σε πραγµατική διασκέδαση. Εύχοµαι σε όλους καλή συνέχεια και κάθε επιτυχία, και ελπίζω να µπορέσουµε να συνεργαστούµε ξανά στο µέλλον. Όσον αφορά τα πιο νέα µέλη, ιδιαίτερο ευχαριστώ οφείλω να πω στην Μαριάννα Αγγέλου, τον Siamak Azodolmolky, τον Κώστα Κανονάκη, την Ήρα Χατζή, την Κατερίνα Μαργαρίτη και τον διδάκτορα Yvan Pointurier για τις πολύ σηµαντικές συζητήσεις που είχαµε κατά τη διάρκεια αυτής της διατριβής. Τους εύχοµαι ολόψυχα να συνεχίσουν το έργο τους. Για το τέλος άφησα τους πολυαγαπηµένους γονείς µου, Ματθαίο και Ευαγγελία και τις αδερφές µου Γιάννα και Ελένη. Το ευχαριστώ είναι πολύ λίγο για να εκφράσει όσα νιώθω για όσα έχουν κάνει για µένα, χωρίς όµως να µπορώ να βρω καταλληλότερα λόγια για να το αποδώσω. Νοµίζω ότι αν πάψουν να υπάρχουν, τίποτα από όσα κάνω δε θα χει νόηµα. Για αυτό το λόγο και δεν θα µπορούσα να µην τους αφιερώσω αυτήν τη διατριβή. iv

Περιεχόµενα 1 Εισαγωγή... 1 1.1 Η εξέλιξη των οπτικών δικτύων... 2 1.2 ίκτυα πρόσβασης νέα γενιάς... 4 1.2.1 Παθητικό Οπτικό ίκτυο... 4 1.3 ίκτυα πρόσβασης νέα γενιάς µε χρήση στοιχείων χαµηλού κόστους... 7 1.4 Ανάγκη χρήσης ηλεκτρονικών εξισωτών... 9 1.5 Kίνητρα και δοµή της διατριβής... 10 1.6 Συνεισφορά της διατριβής... 14 1.7 Βιβλιογραφία... 15 2 Μέσα µετάδοσης και παραµορφώσεις κατά τη µετάδοση στις οπτικές επικοινωνίες... 17 2.1 Eισαγωγή στα συστήµατα οπτικών επικοινωνιών... 17 2.1.1 ιαµόρφωση... 19 2.1.2 Eξωτερική διαµόρφωση... 20 2.1.3 Άµεση διαµόρφωση... 21 2.1.4 Φώραση... 23 2.1.5 Oπτικές ίνες... 24 2.2 Παραµορφώσεις οι οποίες επηρεάζουν την απόδοση σε συστήµατα οπτικών επικοινωνιών µονοχρωµατικής ίνας... 26 2.2.1 Εξασθένηση... 26 2.2.2 Οπτικός θόρυβος... 27 2.2.3 Χρωµατική διασπορά... 29 2.2.4 ιασπορά τρόπων πόλωσης... 33 2.2.5 Μη γραµµικές παραµορφώσεις... 34 2.2.6 Αλληλουχία φίλτρων (filter concatenation)... 37 2.3 Τεχνολογίες για τη µείωση της χρωµατικής διασποράς... 38 2.3.1 Ίνα απαλοιφής διασποράς και διαχείριση της διασποράς... 38 2.3.2 Οπτικοί προσαρµοστικοί αντισταθµιστές... 39 2.3.3 Μετάδοση µέσω εκµετάλλευσης του τερετίσµατος... 41 2.3.4 Μεσο-τµηµατική σύζευξη φάσης (Mid-span phase conjugation)... 42 2.3.5 Ηλεκτρονική αντιστάθµιση της χρωµατικής διασποράς... 43 2.4 Μέθοδοι καθορισµού της απόδοσης του συστήµατος... 44 2.4.1 Ρυθµός εµφάνισης των σφαλµάτων (bit error rate (BER))... 45 2.4.2 Ο απαιτούµενος οπτικός σηµατοθορυβικός λόγος... 45 2.4.3 Άνοιγµα του διαγράµµατος µατιού και πέναλτυ του ανοίγµατος του διαγράµµατος µατιού. 46 2.4.4 Mέγιστη απόσταση µετάδοσης-γραµµική περίπτωση... 48 2.4.5 Μέγιστη απόδοση µη γραµµική περίπτωση... 49 2.5 Σύνοψη του κεφαλαίου... 49 2.6 Βιβλιογραφία... 50

3 Εξοµάλυνση παραµορφώσεων σε συστήµατα βασισµένα σε ποµπούς άµεσης διαµόρφωσης χρησιµοποιώντας ηλεκτρονικά µέσα...55 3.1 Ηλεκτρονικοί εξισωτές που χρησιµοποιούνται στις ψηφιακές επικοινωνίες....55 3.1.1 Ηλεκτρονικός εξισωτής εµπροσθόδοτης τροφοδότησης...56 3.1.2 Ηλεκτρονικός εξισωτής µε ανάδραση της απόφασης...57 3.1.3 Εξισωτής ακολουθίας µέγιστης πιθανοφάνειας...59 3.1.4 Προσαρµοστικοί εξισωτές...62 3.1.5 Bιβλιογραφική ανασκόπηση της επίδρασης των εξισωτών στις οπτικές επικοινωνίες...62 3.2 Μελέτη χρήσης εξισωτών σε συστήµατα ποµπών άµεσης διαµόρφωσης χρησιµοποιώντας ηλεκτρονικούς εξισωτές στα 2.5 και 10 Gb/s...65 3.2.1 Χαρακτηριστικά και παράµετροι για το σχεδιασµό των DML ποµπών...67 3.2.2 Χαρακτηριστικά διατάξεων µέτρησης για τις προσοµοιώσεις...71 3.2.3 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων για την εξοµάλυνση της χρωµατικής διασποράς...74 3.2.4 Αποτελέσµατα προσοµοιώσεων για την εξοµάλυνση του φαινοµένου της αλληλουχίας των φίλτρων...78 3.3 Σύνοψη του κεφαλαίου...85 3.4 Βιβλιογραφία...85 4 Πειραµατική µελέτη για την εξοµάλυνση παραµορφώσεων σε συστήµατα βασισµένα σε ποµπούς άµεσης διαµόρφωσης χρησιµοποιώντας ηλεκτρονικά µέσα... 91 4.1 Eισαγωγή...91 4.1.1 Βιβλιογραφική αναζήτηση...93 4.1.2 Σκοπιµότητα της παρούσης µελέτης...94 4.2 Πειραµατική διάταξη και παράµετροι σχεδιασµού του κυκλώµατος...95 4.2.1 Χαρακτηρισµός των laser άµεσης διαµόρφωσης...95 4.2.2 Παράµετροι των πειραµατικών διατάξεων της µελέτης της χρωµατικής διασποράς και της αυτοδιαµόρφωσης φάσης... 100 4.2.3 Παράµετροι των πειραµατικών διατάξεων της µελέτης του φαινοµένου της αλληλουχίας των φίλτρων... 101 4.2.4 έκτης που χρησιµοποιήθηκε για τη µελέτη όλων των παραµορφώσεων... 103 4.3 Αποτελέσµατα πειραµατικών µετρήσεων... 103 4.3.1 Αποτελέσµατα µελέτης χρωµατικής διασποράς... 103 4.3.2 Αποτελέσµατα µελέτης αυτοδιαµόρφωσης φάσης (SPM)... 109 4.3.3 Αποτελέσµατα µελέτης φαινουµένου αλληλουχίας φίλτρων... 114 4.4 Σύνοψη του κεφαλαίου... 121 4.5 Βιβλιογραφία...123

5 Πειραµατική µελέτη για τον σχεδιασµό συστήµατος πλήρους αµφίδροµης µετάδοσης ΙΜ/ΙΜ στα 10 Gb/s...127 5.1 Εισαγωγή... 128 5.2 Αντιρρευµατική µετάδοση... 129 5.2.1 Πειραµατική διάταξη και παράµετροι σχεδιασµού του κυκλώµατος... 130 5.2.2 Αποτελέσµατα πειραµατικών µετρήσεων... 131 5.3 Αµφίδροµη µετάδοση... 137 5.3.1 Παράµετροι της πειραµατικής διάταξης... 138 5.3.2 Καταστάσεις οδήγησης του RSOΑ... 139 5.3.3 Αποτελέσµατα πειραµατικών µετρήσεων... 141 5.4 Βέλτιστος σχεδιασµός συστήµατος αµφίδροµης µετάδοσης... 146 5.4.1 Παράµετροι της πειραµατικής διάταξης... 146 5.4.2 Αποτελέσµατα πειραµατικών µετρήσεων... 147 5.5 Σύνοψη του κεφαλαίου... 153 5.6 Βιβλιογραφία...154 6 Συµπεράσµατα και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα...157 6.1 Σύνοψη των µελετών που πραγµατοποιήθηκαν... 157 6.2 Αποτελέσµατα της διατριβής και συµπεράσµατα... 158 6.2.1 Χρήση εξισωτών σε συστήµατα βασισµένα σε DML ποµπούς στα 10 Gb/s... 159 6.2.2 Χρήση εξισωτών σε συστήµατα PON τα οποία χρησιµοποιούν RSOA... 162 6.3 Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα... 163 Παράρτηµα A...165 Μοντελοποίηση εξισωτή...165 A.1 Τεχνική βέλτιστης εύρεσης των βαρών του εξισωτή... 165 A.2 Βιβλιογραφία... 166 Παράρτηµα Β...167 ηµοσιεύσεις σε έγκριτα περιοδικά & παρουσιάσεις σε διεθνή συνέδρια...167 B.1 Περιοδικά (Journals & Letters)... 167 B.2 Επιστηµονικά συνέδρια (Conferences)... 168 B.3 Κεφάλαιο βιβλίου... 170 B.4 Εκκρεµείς δηµοσιεύσεις... 170 Παράρτηµα Γ...171 Συντοµογραφίες...171

1 Εισαγωγή Η εποχή µας έχει χαρακτηριστεί δικαίως από πολλούς ως η εποχή της πληροφορίας, καθώς καθηµερινά η ανθρωπότητα κατακλύζεται από πληθώρα πληροφοριών διάφορων µορφών (Internet, τηλεόραση, τηλεφωνία κ.α.). Είναι γεγονός επίσης, ότι η τάση της ανθρωπότητας για συνεχή πληροφόρηση αυξάνει σε καθηµερινή βάση, καθιστώντας έντονη την ανάγκη για περισσότερη χωρητικότητα στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Αυτός είναι και ο βασικότερος λόγος για τις ραγδαίες αλλαγές που συµβαίνουν στη βιοµηχανία των τηλεπικοινωνιών, καθώς η ανάγκη αυτή συντελεί στη συνεχή ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και στην κατασκευή δικτύων µε πολύ υψηλές ταχύτητες µετάδοσης. Οι σηµαντικότεροι παράγοντες, που έχουν συντελέσει στη συνεχή αύξηση της ζήτησης αυτής της ανάγκης είναι [1]: 1) Η πρωτοφανής ανάπτυξη του διαδικτύου (Internet) και του Παγκόσµιου Ιστού (World Wide Web) αναφορικά µε τον αριθµό των χρηστών, αλλά κυρίως µε το χρόνο χρήσης και κατ επέκταση το εύρος ζώνης (bandwidth) που είναι διαθέσιµο για τον καθένα από αυτούς. 2) Η αυξανόµενη ανάπτυξη τεχνολογιών ευρυζωνικής πρόσβασης, όπως για παράδειγµα η ψηφιακή συνδροµητική γραµµή (Digital Subscriber Line-DSL) και τα καλωδιακά modem [2], µπορούν να προσφέρουν εύρος ζώνης της τάξης των µερικών δεκάδων Mb/s ανά χρήστη. Επιπλέον, οι ασύρµατες τηλεπικοινωνίες είναι αναµφίβολα µία καλή εναλλακτική λύση για γρήγορη ανάπτυξη του δικτύου µε χαµηλό κόστος. εν µπορεί όµως να συγκριθεί µε τις οπτικές επικοινωνίες όσον αφορά το διαθέσιµο εύρος ζώνης, την καθυστέρηση (latency) του δικτύου και τη στιβαρότητα (robustness) του συστήµατος. 3) Η συνεχής δικτύωση επιχειρήσεων µε γραµµές µεταφοράς πολύ υψηλών ταχυτήτων. Τα δίκτυα αυτά χρησιµοποιούνται ευρέως είτε για εσωτερική αλληλοσύνδεση των διαφόρων τµηµάτων της επιχείρησης, είτε για επικοινωνία διαφορετικών επιχειρήσεων µεταξύ τους. 4) Η µείωση του κόστους παροχής εύρους ζώνης. Η µείωση αυτή προήλθε αφενός µεν από την πρόοδο των τηλεπικοινωνιών, αφετέρου δε από την κατάργηση του µονοπωλίου µεµονωµένων παροχέων υπηρεσιών (service providers), ως αποτέλεσµα της απελευθέρωσης της αγοράς. 1

Κεφάλαιο 1 5) Οι αλλαγές στον τύπο της τηλεπικοινωνιακής κίνησης καθώς τα τελευταία χρόνια τα δίκτυα κατακλύζονται από πληροφορίες δεδοµένων. Μεγάλες τηλεπικοινωνιακές εταιρίες, όπως η MCI WorldCom και η ΑΤ&Τ αναφέρουν ετήσια αύξηση στη µετάδοση δεδοµένων 1000% και 300%, αντίστοιχα. Η αντίστοιχη αύξηση για τη µετάδοση φωνής είναι µόλις 10% ετησίως [3]. Η συνεχής αύξηση της τηλεπικοινωνιακής κίνησης αποτελεί και το βασικότερο λόγο για τον οποίο οι τεχνολογικές εξελίξεις έχουν οδηγηθεί στην ανάπτυξη οπτικών δικτύων υψηλής χωρητικότητας, καθώς οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν τεράστιο εύρος ζώνης συγκριτικά µε τα συµβατικά ηλεκτρονικά κυκλώµατα. Πιο συγκεκριµένα, το διαθέσιµο φασµατικό εύρος ζώνης των οπτικών ινών γύρω από την φασµατική περιοχή του 1.5 µm είναι της τάξης των ~25THz, δηλαδή περίπου 1000 φορές µεγαλύτερο από ολόκληρο το διαθέσιµο φάσµα ραδιοσυχνοτήτων [1], [4], [5], [6]. 1.1 Η εξέλιξη των οπτικών δικτύων Ο βασικότερος λόγος για την ταχύτατη διείσδυση των οπτικών δικτύων στις τηλεπικοινωνίες είναι το γεγονός ότι αυτά µπορούν να επιλύσουν πολλά από τα προβλήµατα που αναφέρθηκαν παραπάνω. Τα σηµαντικότερα χαρακτηριστικά των οπτικών δικτύων είναι οι χαµηλές τους απώλειες µετάδοσης, η παροχή τεράστιου εύρους ζώνης, η δυνατότητα ενιαίας υποδοµής για την παροχή πολλαπλών υπηρεσιών και η διάθεση εύρους ζώνης όπου και όποτε χρειάζεται. Οι οπτικές ίνες έχουν πολύ µεγαλύτερο εύρος ζώνης από το χαλκό και είναι πολύ λιγότερο ευάλωτες σε ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές και άλλες ανεπιθύµητες επιδράσεις κατά τη µετάδοση πληροφορίας. Κατά συνέπεια, η οπτική ίνα προτιµάται έναντι του χαλκού ως µέσο µετάδοσης, όταν πρόκειται για µετάδοση δεδοµένων µε ρυθµό µετάδοσης µεγαλύτερο από µερικές δεκάδες Mb/s και σε αποστάσεις πάνω από 1 χµ. Με αυτόν τον τρόπο οι οπτικές ίνες κατά την εξέλιξή τους απάντησαν στην απαίτηση των χρηστών για χρήση ολοένα και περισσότερων πολυµεσικών υπηρεσιών και εφαρµογών. Για να επιτευχθεί όµως κάτι τέτοιο, ένας πάροχος χρειάζεται ένα ανθεκτικό ευρυζωνικό δίκτυο που προσφέρει απεριόριστο εύρος ζώνης αλλά συγχρόνως έχει την ικανότητα να προσφέρει στον πελάτη αµφίδροµες υπηρεσίες, όπως για παράδειγµα διαδραστικές βίντεο-εφαρµογές. Η απαίτηση για περισσότερο εύρος ζώνης ανά χρήστη µεγαλώνει µε αποτέλεσµα να σχεδιάζονται, να προτυποποιούνται και να δοκιµάζονται καινούργιες αρχιτεκτονικές. Παρόλα αυτά το εύρος και το µέγεθος των δυνατοτήτων των οπτικών δικτύων αποτελεί έναν από τους βασικούς στόχους των σηµερινών παρόχων, ενώ στα επιπλέον κίνητρα αυτής της τεχνολογίας είναι η προσέλκυση πελατών, η αύξηση του εύρους ζώνης ανά χρήστη καθώς και ζητήµατα διεθνούς ανταγωνιστικότητας. 2

Κεφάλαιο 1 Ως εκ τούτου, τα τελευταία δέκα χρόνια, η χρήση οπτικών ινών για την κατασκευή µητροπολιτικών δικτύων (metropolitan area networks MANs) γίνεται ολοένα και πιο δηµοφιλής για την εξυπηρέτηση των αναγκών πρόσβασης των τελικών χρηστών λόγω της ραγδαίας ανάπτυξης των υπηρεσιών σήµερα, όπως αναφέρθηκαν παραπάνω. Αυτό απαιτεί ένα επανασχεδιασµό των σηµερινών δικτύων πρόσβασης (access networks) έτσι ώστε να µπορούν να καλύψουν τις ανάγκες των υπηρεσιών σε εύρος ζώνης και καθυστέρησης του δικτύου. Oι διαθέσιµες τεχνολογίες που εφαρµόζονται είναι ικανές να δώσουν λύση και να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις των οπτικών δικτύων πρόσβασης για τις σηµερινές και µελλοντικές εφαρµογές. Ωστόσο, ένας από τους κύριους παράγοντες που απασχολεί κυρίως τους παρόχους αυτών των υπηρεσιών είναι ο τρόπος µείωσης του κόστος των δικτύων, καθώς επίσης και η βελτιστοποίηση της απόδοσης του συστήµατος µε τον πιο αποδοτικό και οικονοµικό τρόπο. Σε αυτά τα δύο χαρακτηριστικά θα γίνει ιδιαίτερη αναφορά τόσο στη συνέχεια του παρόντος κεφαλαίου, όσο και στα επόµενα κεφάλαια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Οι απαιτήσεις των σηµερινών υπηρεσιών επιβάλλουν την επανασχεδίαση των δικτύων πρόσβασης και των µητροπολιτικών δικτύων µε σκοπό την βελτιστοποίηση της χωρητικότητας, των δυνατοτήτων εξυπηρέτησης και της ευελιξίας σε σχέση µε την φυσική τοπολογία του δικτύου. Η εισαγωγή της τεχνολογίας πολυπλεξίας µε διαίρεση µηκών κύµατος (wavelength division multiplexing (WDM)) είναι µία αποδοτική λύση στα δίκτυα κορµού (core network). Αναµένεται να επεκταθεί και να υποστηρίξει τα δίκτυα πρόσβασης συµπεριλαµβανοµένων και των µητροπολιτικών, έτσι ώστε να προσφέρει κλιµακούµενα και ευέλικτα δίκτυα πρόσβασης, οπότε και απαιτούνται καινούργια στοιχεία του κυκλώµατος. Απώτερος τεχνολογικός σκοπός όλης αυτής της διερεύνησης είναι η σύγκλιση των δικτύων πρόσβασης νέας γενιάς µε τα µητροπολιτικά δίκτυα. Ο σχεδιασµός των µελλοντικών δικτύων πρόσβασης νέας γενιάς απαιτεί µη δαπανηρές λύσεις και οι τωρινές έρευνες εστιάζουν βασικά σε δίκτυα πρόσβασης τα οποία χρησιµοποιούν παθητικά οπτικά στοιχεία (εννοώντας στο τµήµα από το κεντρικό κατανεµητή του δικτύου µέχρι τον τελικό καταναλωτή). Σκοπός αυτών των δικτύων είναι να αποφεύγεται η χρήση πηγών ισχύος και δαπανηρού εξοπλισµού ελέγχου ανάµεσα στο κεντρικό γραφείο (optical line terminal (OLT)) και τον τελικό χρήστη (optical network unit (OΝU)). Το ONU έχει άµεση σχέση µε τις δαπάνες του κεφαλαίου (cost capital expenditures (CAPEX)) ανά χρήστη. Στη συνέχεια αναφέρονται οι τεχνικές που χρησιµοποιούνται σε αυτό το κεφάλαιο, µε σκοπό την εξασφάλιση όσο το δυνατόν λιγότερου κόστους στην πλευρά του ΟΝU και του OLT. Πρώτα βέβαια γίνεται µία πιο προσεχτική αναφορά στα δίκτυα πρόσβασης νέας γενιάς και πιο ειδικά στα παθητικά οπτικά δίκτυα (passive optical networks (PON)), στα οποία γίνεται ειδική µελέτη σε αυτή τη διδακτορική διατριβή. 3

Κεφάλαιο 1 1.2 ίκτυα πρόσβασης νέα γενιάς Ο βασικός στόχος των δικτύων πρόσβασης νέας γενιάς είναι να φτάσει η οπτική ίνα στον τελικό οικιακό χρήστη και να αντικαταστήσει τα υπάρχοντα καλώδια χαλκού. Εποµένως η εξέλιξη του δικτύου θα περιοριστεί στο τµήµα που πηγαίνει από το κεντρικό γραφείο βασικό κέντρο (central office (CO)) στον οικιακό χρήστη. Σε ένα οπτικό δίκτυο πρόσβασης, το CO περιλαµβάνει ένα τερµατικό οπτικών γραµµών (OLT) που παρέχει τη διεπαφή δικτύου (network interface) και συνδέεται µε µία ή περισσότερες µονάδες οπτικών δικτύων (ONU) στην πλευρά του χρήστη, όπως φαίνεται σε µια απλή σχεδίαση του συστήµατος στο σχήµα 1.1. Η αντικατάσταση των συνδέσεων σε ένα δίκτυο πρόσβασης από οπτικά καλώδια οδηγεί σε πολλές πιθανές τοπολογίες. 1.2.1 Παθητικό Οπτικό ίκτυο Τα δίκτυα πρόσβασης επόµενης γενιάς µπορούν να είναι είτε από σηµείο σε σηµείο (point to point) είτε να χρησιµοποιούν συνδέσεις ενός-σηµείου-προς-πολλά (point-to-multipoint), επεκτείνοντας ένα PON, το οποίο παρουσιάζεται στο σχήµα 1.1. Σήµερα, η κυριότερη point-to-multipoint διαµόρφωση ενός οπτικού δικτύου πρόσβασης είναι ένα TDM-PON (time division multiplexing) µε διαµοίραση ισχύος. Ένα PON αποτελείται από την καλωδίωση οπτικών ινών, από παθητικούς διαχωριστές (splitters) και συζεύκτες (couplers) που κατανέµουν ένα οπτικό σήµα µέσω µιας διακλαδωµένης τοπολογίας «δέντρων» στους συζεύκτες που τερµατίζουν κάθε τµήµα ινών. Ένα PON έχει µερικά σηµαντικά πλεονεκτήµατα: Σχήµα 1.1. Αρχιτεκτονική παθητικού οπτικού δικτύου νέας γενιάς. 4

Κεφάλαιο 1 Σχήµα 1.2. Αρχιτεκτονική σηµείου σε πολλά σηµεία παθητικού οπτικού δικτύου νέας γενιάς. 1) Η αρχιτεκτονική point-to-multipoint απαιτεί λιγότερες οπτικές ίνες για να καλύψει µία δεδοµένη περιοχή σε σχέση µε την αντίστοιχη point-to-point που χρησιµοποιεί διαφορετικές ίνες σε κάθε πελάτη (η πολυπλοκότητα ινών για αρχιτεκτονικές (C)WDM-PON είναι συγκρίσιµη). 2) Ο εξοπλισµός στο CO απαιτεί χαµηλότερο κόστος καθώς µία οπτική διεπαφή εξυπηρετεί ένα ολόκληρο δίκτυο αντί να είναι αφιερωµένη σε ένα χρήστη. Πίνακας 1.1 Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα του ΡΟΝ Πλεονεκτήµατα εν είναι ενεργός κανένας αποµακρυσµένος κόµβος Πλήρως παθητικό δίκτυο Επιτρέπει την εύκολη µετάδοση βίντεο και δεδοµένων Υλοποίηση µε το λιγότερο δυνατό αριθµό ποµποδεκτών Χαµηλότερο κόστος κύκλου ζωής Ελάχιστη ίνα Μειονεκτήµατα Το ίδιο εύρος ζώνης πρέπει να διαιρεθεί µεταξύ διάφορων χρηστών Η οπτική ισχύς διαχωρίζεται µεταξύ των θυρών εξόδου (output ports), γεγονός που περιορίζει την µέγιστη απόσταση µετάδοσης Το ίδιο οπτικό σήµα παραλαµβάνεται από όλες τις µονάδες (ONUs), εγείροντας ανησυχίες για την ασφάλεια δικτύων Το εύρος ζώνης που χρησιµοποιείται για uploading δεν είναι broadcast (λιγότερο εύρος ζώνης από πλήρες point-to-point) Απαίτηση για έναν αυστηρό αλγόριθµο για την σύλληψη αντιρρευµατικής (upstream) κυκλοφορίας (καταµερισµός χρόνου για την upstream σύνδεση) Πιο σύνθετοι ποµποδέκτες (οπτική ισχύς, δυνατότητα burst mode) 5

Κεφάλαιο 1 3) Η προσέγγιση PON, µε την έλλειψη ενεργών συσκευών κατά µήκος της διαδροµής ινών, σηµαίνει ότι απαιτείται ισχύς µόνο στην κατάληξη της ίνας (οικιακός χρήστης και CO). Ο πίνακας 1.1 παρουσιάζει τα βασικά πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατα του PON. Το PON έναντι άλλων τεχνολογιών πρόσβασης εξαλείφει ένα µεγάλο µέρος του κόστους εγκατάστασης, συντήρησης και διαχείρισης που απαιτείται για την διασύνδεση µε τις εγκαταστάσεις των πελατών. Ένα TDM-PON µε διαµοίραση ισχύος έχει ορισµένα σηµαντικά µειονεκτήµατα. Τα σηµερινά TDM-PON πρότυπα καθορίζουν τον µέγιστο ρυθµό µετάδοσης των γραµµών στα 2.5 Gb/s και τη µέγιστη απόσταση συνδέσεων στα 20 χµ, µε µια τυπική αναλογία διαχωρισµού (split ratio) στα 1:32. Πίνακας 1.2 Βασικά χαρακτηριστικά PON δικτύων ΒPON EPON GPON Πρότυπο ΙΤU G.983 IEEE 803.2ah ITU G.984 Μέγεθος πακέτου 53 δυφία (48 βασικό σήµα (payload) και 5 επιπλέον σήµα (overload)) 1518 δυφία Μεταβλητό µέγεθος απο 53 µέχρι 1518 δυφία Mέγιστο εύρος ζώνης Συρρευµατική µετάδοση (downstream): 1.2 Gb/s Aντιρρευµατική (upstream) µετάδοση: 622 Mb/s Συµµετρική µετάδοση µέχρι 1.25 Gb/s Συρρευµατική µετάδοση = από 1.25 Gb/s µέχρι 2.5 Gb/s. Aντιρρευµατική µετάδοση: 155 Mb/s, 622 Mb/s, 1.25 Gb/s ή 2.5 Gb/s. Μήκος κύµατος Συρρευµατική µετάδοση = 1480 nm µέχρι 1500 nm Aντιρρευµατική µετάδοση = 1260 nm µέχρι 1360 nm Συρρευµατική µετάδοση = 1550 nm Aντιρρευµατική µετάδοση =1310 nm Συρρευµατική µετάδοση = 1480 nm µέχρι 1500 nm Aντιρρευµατική µετάδοση = 1260 nm µέχρι 1360 nm Μέγιστη απόσταση 20 χµ 20 χµ 60 χµ Μετάδοση ATM Ethernet ATM, Ethernet, TDM Φωνή ΤDM VoIP or TDM TDM Βίντεο 1550 nm overlay 1550 nm overlay RF ή ΙP Mέγιστος αριθµός µηκών κύµατος 32 16 64 6

Κεφάλαιο 1 Έχουν αναπτυχθεί διάφορα πρότυπα τα οποία αφορούν PΟΝ δίκτυα. Σύµφωνα µε το ITU-T G.983, το BPON (broadband PON) [7], σύµφωνα µε το ITU-T G.803.2ah to EPON (Ethernet PON) [8] και σύµφωνα µε το G.984 το GPON [9]. O πίνακας 1.2 παρουσιάζει τα βασικά χαρακτηριστικά αυτών των προτύπων σήµερα. Το πρότυπο του GPON παρουσιάζει µία πρωτοφανή απόδοση και ευελιξία σε σχέση µε τα πρότυπα του BPON και του EPON, εφόσον διαφορετικοί συνδυασµοί ρυθµών µετάδοσης για την αντιρρευµατική (upstream) και συρρευµατική (downstream) µετάδοση µπορούν να συνυπάρχουν, καθώς επίσης είναι δυνατή η επίτευξη ενός µεγάλου αριθµού από συνδροµητές µε εγγύηση ποιότητας των υπηρεσιών. Το πρότυπο EPON αφορά δίκτυα Ethernet και το οποίο δεν είναι τόσο ευέλικτο, ενώ και ο αριθµός των χρηστών είναι περιορισµένος. Στα οπτικά δίκτυα πρόσβασης νέας γενιάς, η σηµαντικότερη ώθηση είναι η οικονοµική επέκταση, για αυτό και ένα δίκτυο ΡON µε διαµοίραση ισχύος είναι η καταλληλότερη λύση. Σήµερα, το κόστος των οπτικών συσκευών έχει µειωθεί πολύ και οι µελέτες σχεδιασµού αρχίζουν να γίνονται σηµαντικές. Για να ξεπεραστούν µερικά από τα µειονεκτήµατα ενός TDM-PON µε διαµοίραση ισχύος, είναι επίσης διαθέσιµοι µερικοί διαφορετικοί τύποι των PONs: WDM-PONs, WDM-PONs µε διαµοίραση ισχύος, WDM-PONs µε επικάλυψη για ευρύ µετάδοση (broadcasting). Χάρη στο WDM, ένα PON µπορεί επίσης να δηµιουργήσει µια εικονική σύνδεση σηµείου µε σηµείο. Το WDM θεωρείται ως η ιδανική λύση για την αναβάθµιση των δυνατοτήτων των PON δικτύων, χωρίς τη δραστική αλλαγή της υπάρχουσας υποδοµής των οπτικών δικτύων. Επιπλέον, διατηρεί πολλά από τα οφέλη του TDM-PON. Αυτό το τελευταίο σύστηµα, το WDM-PON, είναι που απασχολεί κυρίως σήµερα τα δίκτυα πρόσβασης επόµενης γενιάς και στο οποίο εστιάζει περισσότερο αυτή η διδακτορική διατριβή. Σε αυτό το σηµείο είναι αναγκαίο να αναφερθεί ότι ακολουθώντας αυτές τις τάσεις, το επόµενο βήµα στο σχεδιασµό αυτών των δικτύων είναι το 10 GPON, µε σκοπό την αύξηση της απόστασης στα 100 χµ και την αποµάκρυνση του µητροπολιτικού δικτύου, έτσι ώστε να µπορεί να επιτευχθεί απευθείας σύνδεση του δικτύου πρόσβασης µε το δίκτυο κορµού. Παρόλα αυτά δεν είναι ακόµα σίγουρο ποια από τις παραπάνω τεχνικές θα επικρατήσει. 1.3 ίκτυα πρόσβασης νέα γενιάς µε χρήση στοιχείων χαµηλού κόστους Τα παθητικά δίκτυα πρόσβασης νέας γενιάς χρειάζονται αποδοτικές λύσεις τόσο στην πλευρά του ONU, αλλά όσο και στο OLT. Η χρησιµοποίηση της επαναδιαµόρφωσης (re-modulation) του 7

Κεφάλαιο 1 φορέα στο ONU σε σχέση µε τη χρησιµοποίηση µίας πηγής laser στην πλευρά του, έχει προταθεί ως ένας τρόπος για την µείωση του κόστους εγκατάστασης του δικτύου. Όσον αφορά το OLT, η λογική για τα δίκτυα πρόσβασης µεγάλων αποστάσεων έχουν ως σκοπό το σχεδιασµό αρχιτεκτονικών για παθητικά οπτικά δίκτυα µε µεγάλη χωρητικότητα και πολύ µεγάλες αποστάσεις (πάνω από τα 80 χµ), έτσι ώστε να µπορεί να επιτευχθεί η ένωση των δικτύων πρόσβασης µε τα µητροπολιτικά δίκτυα µέσα στο ίδιο σύστηµα [10], [11]. Τα µελλοντικά δίκτυα πρόσβασης για την εκπλήρωση των αναγκών τόσο από την πλευρά του OLT στο ΟΝU όσο και από την πλευρά του ONU στο OLT πρέπει να µπορούν να εκπληρώσουν τις απαιτήσεις στα 10 Gb/s. Για αυτό το λόγο, αναφέρονται στη συνέχεια όλες οι τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί σε αυτή τη διδακτορική διατριβή και οι οποίες έχουν ως στόχο αφενός µεν τη µείωση του κόστους, αφετέρου δε τη δηµιουργία τεχνικών και µεθόδων που οδηγούν στην επίτευξη των απαιτήσεων των δικτύων πρόσβασης νέας γενιάς. ύο είναι τα βασικά στοιχεία του κυκλώµατος τα οποία χρειάζονται ιδιαίτερη διερεύνηση κατά το σχεδιασµό αυτών των συστηµάτων και τα οποία αποτελούν πολύ σηµαντικούς σχεδιαστικούς παράγοντες. Λαµβάνοντας ως δεδοµένο το γεγονός ότι το κόστος αποτελεί έναν από τους βασικότερους παράγοντες κατά το σχεδιασµό ενός τηλεπικοινωνιακού συστήµατος, είναι απαραίτητη αφενός µεν η χρησιµοποίηση στοιχείων χαµηλού κόστους, αφετέρου δε τα στοιχεία αυτά πρέπει να µπορούν να επιτελέσουν αποτελεσµατικά τις προδιαγραφές που τίθονται από τα σηµερινά και µελλοντικά πρότυπα (specification standards). Αρχικά, οι ποµποί laser άµεσης διαµόρφωσης (directly modulated lasers DML), λόγω του χαµηλού κόστους τους σε αντίθεση µε τα laser εξωτερικής διαµόρφωσης, είναι αυτοί που µπορούν να χρησιµοποιηθούν ως ποµποί σε αυτά τα συστήµατα. Επίσης για την µείωση του κόστος στα WDM-PON, προτείνεται η ανάπτυξη και δηµιουργία χαµηλού κόστους, αχρωµατικού (colorless) ΟΝU. Το ONU πρέπει να είναι colorless (µε άλλα λόγια να µην εξαρτάται από το µήκος κύµατος) για την µείωση του κόστους λειτουργίας, της διαχείρισης του δικτύου, της διατήρησης της ποιότητας και του κόστους διάταξης έτσι ώστε να είναι δυνατή η µαζική ανάπτυξη του δικτύου βασισµένη µόνο στις προδιαγραφές του. Ωστόσο, σε κάποιες εφαρµογές, όπως για παράδειγµα σε αποµακρυσµένα χωριά στα οποία υπάρχει ανάγκη µετάδοσης σε µεγάλες αποστάσεις είναι απαραίτητη η χρήση πηγής laser στον χρήστη. Σε αυτήν την περίπτωση είναι απαραίτητο να χρησιµοποιηθούν ποµποί χαµηλού κόστους και µέσω διαφόρων τεχνικών τόσο στο οπτικό, αλλά όσο και στο ηλεκτρικό επίπεδο να µπορεί να επιτευχθεί αυτή η επικοινωνία. Όσον αφορά τα DMLs, λόγω των ιδιαίτερων πλεονεκτηµάτων τους σε σχέση µε τα συµβατικούς ποµπούς εξωτερικής διαµόρφωσης, µπορούν να χρησιµοποιηθούν είτε στην πλευρά του OLT σε ένα 8