Σχεδίαση και Προσομοιωτική Αξιολόγηση Οπτικών Πομποδεκτών για τη βελτιστοποίηση οπτικής διασύνδεσης σε Υπολογιστικά Κέντρα Δεδομένων

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία μελετά την ανάπτυξη δύο διαφορετικών διατάξεων οπτικών πομποδεκτών, με γνώμονα τη δυνατότητα εφαρμογής τους σε διασυνδέσεις Κέντρων δεδομένων (Data Centers). Η εν λόγω μελέτη γίνεται υπό το πρίσμα της σταδιακής μετάβασης από τις υπάρχουσες οπτικές διασυνδέσεις των Active Optical Cables που χρησιμοποιούν standard pluggable form factors, σε μία νέα γενιά πομποδεκτών, τους System-In-Package (SiP) transceivers. Η πρώτη διάταξη σχεδιάστηκε για να ανταποκρίνεται στις διασυνδέσεις εντός των Data Centers (Intra Data Center Interconnects), στις οποίες το μήκος οπτικής ίνας εκτείνεται από μερικά μέτρα έως 10 χιλιόμετρα. Η δεύτερη διάταξη σχεδιάστηκε αφορά στις διασυνδέσεις μεταξύ διαφορετικών Data Centers (Inter Data Center Interconnects), όπου το μήκος οπτικής ίνας εκτείνεται από 10 έως 40 χιλιόμετρα. Οι διατάξεις των οπτικών πομποδεκτών σχεδιάστηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε να λειτουργούν αποτελεσματικά στην Ο-band και την C-band συχνοτήτων, αντιστοίχως. Και στις δύο διατάξεις χρησιμοποιήθηκε η τεχνική Intense Modulation-Direct Detection (IM-DD), δηλαδή διαμόρφωσης μόνον κατά πλάτος. Στο πρώτη στάδιο, προσομοιώσαμε τις διατάξεις αυτές κάνοντας χρήση του προγράμματος VPITransmission maker και επιβεβαιώσαμε τη δυνατότητα μετάδοσης και ορθής αναγνώρισης σήματος, για ρυθμό μετάδοσης 112GBaud ανά γραμμή με σχήμα διαμόρφωσης PAM4. Η εν λόγω μελέτη αφορούσε τέσσερις διακριτές αποστάσεις τόσο για τα Intra όσο και για τα Inter DCIs. Στο δεύτερο στάδιο, εφαρμόζοντας την τεχνική της πολυπλεξίας με διαίρεση μήκους κύματος (Wavelength Division Multiplexing, WDM) καταφέραμε να αυξήσουμε το συνολικό Bandwidth ορισμένων καναλιών. Το σύνολο των αποτελεσμάτων αξιολογήθηκε με κριτήρια το διάγραμμα οφθαλμού (eye-diagram) και το λόγο εσφαλμένων συμβόλων (Symbol Error Ratio, SER). Όσον αφορά τη δομή της διπλωματικής εργασίας, στο 1ο Κεφάλαιο γίνεται μία σύντομη εισαγωγή σχετικά με την εξέλιξη των σύγχρονων Data Centers, καθώς επίσης τις τεχνο-οικονομικές προκλήσεις που αντιμετωπίζουν. Στο 2ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται οι θεμελιώδεις διατάξεις που συνθέτουν μία οπτική διασύνδεση, καθώς επίσης και επιπλέον τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την βελτίωση της απόδοσης αυτών. Στο 3ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται λεπτομερώς όλη η σχεδίαση του συστήματος του οπτικού πομποδέκτη για τα Intra DCIs, καθώς και τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων σχετικά με την επίδοσή του. Στο 4ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αντίστοιχα στοιχεία για τους πομποδέκτες των Inter DCIs. Τέλος, στο 5ο Κεφάλαιο παρουσιάζονται συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική επέκταση της μελέτης.