Σχήματα διαμόρφωσης ανώτερης τάξης για οπτικές τηλεπικοινωνίες σε οπτικά δίκτυα κορμού και πρόσβασης νέας γενιάς

Η σημερινή κοινωνία της πληροφορίας βασίζεται όλο και περισσότερο σε σύγχρονες τηλεπικοινωνιακές λύσεις για να ικανοποιήσει τις ανάγκες διαφόρων πτυχών της καθημερινότητας, χρησιμοποιώντας κατά κόρον ευρυζωνικές εφαρμογές όπως η γρήγορη πρόσβαση στο διαδίκτυο, οι κινητές υπηρεσίες φωνής και δεδομένων, η κατανεμημένη επεξεργασία δεδομένων, οι υπηρεσίες απομακρυσμένης αποθήκευσης, δεδομένων, το cloud – computing, κτλ. Μέχρι σήμερα οι απαιτήσεις των εφαρμογών αυτών για όλο και περισσότερη χρήση του διαθέσιμου εύρους ζώνης των δικτύων, ικανοποιούνται σε ένα μεγάλο βαθμό από οπτικά δίκτυα προηγούμενης γενιάς, τα οποία βασίζονται στην τεχνική πολυπλεξίας ως προς το μήκος κύματος WDM χρησιμοποιώντας διαμορφωμένα κανάλια δυαδικών σχημάτων διαμόρφωσης και σε ρυθμούς μετάδοσης έως 40 Gb/s ανά κανάλι. Παρόλο που οι συμβατικές αυτές μέθοδοι είχαν κυριαρχήσει τα προηγούμενα χρόνια στο σχεδιασμό των οπτικών δικτύων μετάδοσης, η αλήθεια είναι ότι τα επόμενα χρόνια δεν θα είναι σε θέση να ανταπεξέρθουν στην συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση εύρους ζώνης για τις καινούριες υπηρεσίες ευρυζωνικότητας της σύγχρονης εποχής. Πρόσφατες προβλέψεις για την ευρυζωνική διασυνδεσιμότητα αναφέρουν ότι το 2014 ο συνολικός αριθμός των διασυνδεδεμένων συσκευών στο διαδίκτυο ξεπέρασε και επίσημα τον παγκόσμιο πληθυσμό της γης και μέχρι το 2016 ο παγκόσμια IP κίνηση δεδομένων θα αυξηθεί με έναν ετήσιο ρυθμό κατά 29%, αγγίζοντας τα επόμενα 3 χρόνια τα 1.3 Zettabyte/ χρόνο.Ευτυχώς, μέσα στη πρώτη δεκαετία του 21 αιώνα η κατάσταση στα σύγχρονα οπτικά δίκτυα άρχισε να αλλάζει σημαντικά. Έως τώρα, η μεγάλη ανάπτυξη που σημειώθηκε στην τεχνολογία των υψίρρυθμων οπτο-ηλεκτρονικών κυκλωμάτων δεν χρησιμοποιείται αποκλειστικά στην αύξηση του ρυθμού μετάδοσης των διαμορφωμένων καναλιών, αλλά παρέχει και μεγάλο επικουρικό ρόλο στην ανάπτυξη πιο εξελιγμένων κυκλωμάτων για τους πομποδέκτες των δικτύων. Η σύγχρονη τάση που αρχίζει να ενσωματώνεται και να αφομοιώνεται σταδιακά στα σύγχρονα οπτικά δίκτυα είναι αυτή της τεχνολογίας των σχημάτων διαμόρφωσης ανώτερης τάξης για την κωδικοποίηση των δεδομένων σε συνδυασμό με τελευταίας-τεχνολογίας τεχνικών σύμφωνης φώρασης με αλγορίθμους ψηφιακής επεξεργασίας του σήματος στο δέκτη. Η κατάσταση αυτή δεν είναι ορατή μόνο στις σύγχρονες τάσεις της βιομηχανίας των τηλεπικοινωνιών με την επίδειξη σύγχρονων πομποδεκτών των 100 Gb/s ανά οπτικό κανάλι για τις εφαρμογές των δικτύων κορμού, αλλά και στην ερευνητική δραστηριότητα για τα μελλοντικά οπτικά δίκτυα πρόσβασης όπου διαφορετικές τεχνικές για την οπτική διαμόρφωση με σχήματα ανώτερης τάξης αρχίζουν να εμφανίζονται στο προσκήνιο. Μέσα σε αυτά τα πλαίσια και ακολουθώντας τις σύγχρονες αυτές τάσεις, η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην διερεύνηση πιθανών τρόπων για την αύξηση: της χωρητικότητας των οπτικών δικτύων μετάδοσης, της φασματικής αποδοτικότητας των διαμορφωμένων καναλιών, του συνολικού ρυθμού μετάδοσης και της συνολικής απόστασης μετάδοσης των διαμορφωμένων καναλιών, μέσω της τεχνολογίας των σχημάτων διαμόρφωσης ανώτερης τάξης τόσο στα σύγχρονα οπτικά δίκτυα κορμού όσο και στα δίκτυα πρόσβασης νέας γενιάς.Εναρμονιζόμενο και με τα τελευταία πρότυπα για τη μετάδοση 100 Gb/s ανά κανάλι στα σύγχρονα οπτικά WDM δίκτυα κορμού, το πρώτο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής εστιάζει στη μελέτη των σχημάτων διαμόρφωσης 28 και 32 Gbaud QPSK με η χωρίς πολυπλεξία ως προς τη πόλωση [Polarization Multiplexing – (PM)] σε πειράματα μετάδοσης για οπτικά δίκτυα κορμού τύπου Brownfield ή Greenfield. Η μελέτη αυτή περιλαμβάνει το σχεδιασμό, την ανάπτυξη και την υλοποίηση πειραμάτων μετάδοσης μεγάλων χιλιομετρικών αποστάσεων, είτε μέσω προσομοιώσεων είτε μέσω εργαστηριακών πειραμάτων επίδειξης στο Εργαστήριο Φωτονικών Επικοινωνιών (Ε.Φ.Ε) του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου. Επιπλέον, στοχεύοντας σε μεγαλύτερους ρυθμούς μετάδοσης και δεδομένου ότι οι ρυθμοί των 400 Gb/s και 1 Tb/s θα ακολουθήσουν σύντομα στα μελλοντικά οπτικά δίκτυα κορμού, η διατριβή διερευνά τα σχήματα διαμόρφωσης 16-QAM, 32-QAM και 64-QAM ως πιθανές υποψήφιες τεχνολογίες καλύπτοντας τα στάδια διαμόρφωσης, της μετάδοσης και της σύμφωνης λήψης τους με πρωτότυπους DSP αλγόριθμούς στο δέκτη. Τέλος, η καταλληλότητα της τεχνολογίας των σχημάτων διαμόρφωσης ανώτερης γενιάς για χρήση στα οπτικά WDM δίκτυα κορμού μεγάλων αποστάσεων, επαληθεύεται μέσω μιας πειραματικής WDM μετάδοσης σε δοκιμή πεδίου του εθνικού Ιταλικού παρόχου τηλεπικοινωνιών. Η δοκιμή πεδίου περιλάμβανε την αξιολόγηση ενός WDM καναλιού με συνολικό ρυθμό μετάδοσης 422 Gb/s σε φασματικό πλέγμα των 50 GHz, διαμορφώνοντας οπτικά κανάλια με σχήματα διαμόρφωσης 28-32 Gbaud (112 Gb/s) DP-QPSK, 43 Gb/s SP-DPSK και 10 Gbaud (40 Gb/s) 16-QAM.Το δεύτερο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής διερευνά την ενσωμάτωση των σχημάτων διαμόρφωσης ανώτερης τάξης στα οπτικά δίκτυα πρόσβασης, στοχεύοντας στην επίλυση του ανασχετικού παράγοντα του διαθέσιμου εύρους ζώνης των τωρινών παθητικών οπτικών δικτύων πρόσβασης PONs με την αύξηση της φασματικής αποδοτικότητας των διαμορφωμένων καναλιών και του αριθμού των εξυπηρετούμενων τελικών χρηστών. Ειδικότερα, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει πρωτότυπα οπτο-ηλεκτρονικά κυκλώματα μη συμβολομετρικών πομποδεκτών τα οποία σχεδιάστηκαν, αναπτύχθηκαν και αξιολογήθηκαν σε εργαστηριακά πειράματα μετάδοσης στο Ε.Φ.Ε, επιδεικνύοντας μεγάλη φασματική αποδοτικότητα με χαμηλό κόστος και πολυπλοκότητα. Οι συγκεκριμένες προτάσεις είναι ικανές να διαχειριστούν οπτικά διαμορφωμένα κανάλια πέραν των 20 Gb/s με το σχήμα διαμόρφωσης 4-PAM, είτε πιο εξελιγμένα σχήματα διαμόρφωσης όπως \: QPSK, 8-QAM, 12-QAM και 16-QAM σε συνδυασμό με τεχνικές σύμφωνης φώρασης και DSP στο δέκτη. Τα κυκλώματα των πομποδεκτών που παρουσιάζονται βασίζονται στους μη συμβολομετρικούς διαμορφωτές των ημιαγώγιμων οπτικών ενισχυτών [(Semiconductor-Optical Amplifiers - (SOA)], ως διαμορφωτές της φάσης ή της έντασης του οπτικού πεδίου, και στους διαμορφωτές ηλεκτρο-απορρόφησης [Electro-Absorption Modulators] ως διαμορφωτές της έντασης του πεδίου, επιδεικνύοντας χαμηλή πολυπλοκότητα, δυνατότητα ολοκλήρωσης σε ένα φωτονικό ολοκληρωμένο πλινθίο και δυνατότητα ενσωμάτωσης ως κυκλώματα πομποδεκτών στα οπτικά τερματικά του δικτύου στα νέας γενιάς οπτικά δίκτυα PONs.