Ανάπτυξη Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων Για Οπτική Διασύνδεση Σε Κέντρα Δεδομένων Και Σε Υπολογιστικά Συστήματα Υψηλών Επιδόσεων

Abstract

Μέχρι τα τέλη του 2023, σχεδόν τα 2/3 του παγκόσμιου πληθυσμού θα έχουν πρόσβαση στο Διαδίκτυο, ενώ ο αριθμός των συσκευών που θα είναι συνδεδεμένες σε δίκτυα έχοντας μια διεύθυνση IP θα είναι περίπου τριπλάσιος από τον παγκόσμιο πληθυσμό. Παράλληλα, με δεδομένη την εξέλιξη του Διαδικτύου των Πραγμάτων, της Τεχνητής Νοημοσύνης και των εφαρμογών νέφους, αναμένεται περαιτέρω έκρηξη στη διακίνηση των δεδομένων ετησίως. Πιο συγκεκριμένα, η κίνηση στα κέντρα δεδομένων για το 2021 αναμένεται να αγγίξει τα 19.5 ΖΒ, όταν το 2016 ήταν μόλις 6 ΖΒ, με την πλειοψηφία αυτής της κίνησης να πραγματοποιείται εντός των κέντρων δεδομένων (71.5%). Γίνεται λοιπόν άμεσα αντιληπτό ότι τα κέντρα δεδομένο κατέχουν βαρύνοντα ρόλο στη διακίνηση της πληροφορίας ενώ η διασύνδεσή τους με όσο το δυνατόν πιο αξιόπιστο, γρήγορο και αποδοτικό -από μεριάς κόστους και κατανάλωσης- τρόπο είναι ζωτική σημασίας. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρεί να συμβάλλει ακριβώς στο κομμάτι αυτό. Εκκινώντας από τη μελέτη, το σχεδιασμό και την πειραματική αξιολόγηση ολοκληρωμένων φωτονικών κυκλωμάτων και καταλήγοντας στην πειραματική επίδειξη ενός ταχύρρυθμου και μεγάλου εύρους ζώνης Ενεργού Οπτικού Καλωδίου, προτείνει μια οπτική διασύνδεση εντός των κέντρων δεδομένων που απαντά στις σύγχρονες προκλήσεις. Ο πρώτος βασικός άξονας της διατριβής αφορά στο σχεδιασμό ενός πολυπλέκτη/ αποπολυπλέκτη με αναισθησία στην πόλωση, ολοκληρωμένου σε πλατφόρμα τεχνολογίας SOI. Σκοπός της ανάπτυξης αυτή της δομής είναι η χρήση της για πολυπλεξία/αποπολυπλεξία κατά μήκος κύματος σε ένα Ενεργό Οπτικό Καλώδιο. Για το λόγο αυτό σχεδιάστηκε και μελετήθηκε σε προσομοιωτικό περιβάλλον μια δομή βασισμένη στην τοπολογία ενός συμβολομέτρου Mach-Zehnder εξοπλισμένου με συζεύκτες ΜΜΙ. Ο δεύτερος άξονας της διατριβής αφορά στη μελέτη μονορυθμικών VCSELs με μήκος κύματος λειτουργίας στο παράθυρο των 1550 nm. Οι δομές αυτές, οι οποίες αποτελούν τα πιο σημαντικά στοιχεία της υπό ανάπτυξη οπτικής διασύνδεσης, αξιολογήθηκαν τόσο ως προς τα χαρακτηριστικά λειτουργίας τους όσο και ως προς τη συμπεριφορά τους σε δυο συστημικά πειράματα. Στο πρώτο πείραμα χρησιμοποιήθηκε μια καινοτόμος μέθοδος δημιουργίας ενός PAM-4 παλμού μέσα από την τεχνική της πολυπλεξίας στην πόλωση ενώ στο δεύτερο πείραμα πραγματοποιήθηκε μετάδοση δεδομένων με ρυθμό 80 Gb/s και τρόπο διαμόρφωση PAM-4. Ο τελευταίος άξονας της διατριβής, αφορά στην πειραματική επίδειξη ολοκληρωμένων συσκευών πομπού, δέκτη και πολυπύρηνης ίνας με διεπαφή απεμπλοκής. Οι δομές αυτές, επέδειξαν άριστα χαρακτηριστικά λειτουργίας και κρίθηκαν κατάλληλες για την υλοποίηση οπτικών διασυνδέσεων κέντρων δεδομένων και υπολογιστικών συστημάτων υψηλών επιδόσεων.