Προτεινόμενο θέμα Διπλωματικής Εργασίας (Απρίλιος 2022)

Τίτλος Διπλωματικής Εργασίας: “Πρακτικές υλοποιήσεις για Quantum Key Distribution (QKD) συστήματα σε εφαρμογές οπτικών δικτύων πρόσβασης (Optical Access Networks)

Ερευνητική περιοχή:

Στην εποχή του Κβαντικού Υπολογιστή (Quantum Computer – QC), οι κίνδυνοι για τις υποδομές κρυπτασφάλειας στα συστήματα επικοινωνιών έχουν ωθήσει την αναζήτηση λύσεων σε κρυπτοσυστήματα ανθεκτικά στις επιθέσεις του QC (Post Quantum Cryptography – PQC) και στην αξιοποίηση της Κβαντικής Κρυπτογραφίας (QKD). Τα κβαντικά πρωτόκολλα κρυπτογραφίας που έχουν προταθεί εδώ και δεκαετίες [1] μπορούν να προσφέρουν θεωρητικά την απόλυτη ασφάλεια στη δημιουργία και το διαμοιρασμό κλειδιού, η οποία βασίζεται στους νόμους της Φυσικής μέσα από τα θεωρήματα της Κβαντικής Επεξεργασίας Πληροφορίας [2].

Τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη υλοποιήσεων σε QKD πρωτόκολλα που μπορούν να αξιοποιήσουν τα κλασικά φωτονικά συστήματα  και τις τεχνολογικές καινοτομίες που έχουν αναπτυχθεί για την υποστήριξη κλασικών εφαρμογών (πχ. Φωτονικά Ολοκληρωμένα Κυκλώματα – PICs). Ένας επιπλέον στόχος είναι η επαναχρησιμοποίηση φωτονικών κυκλωμάτων που αξιοποιούνται για κλασικά συστήματα οπτικών δικτύων με σκοπό αυτά να υλοποιούν διατάξεις υλοποίησης κβαντικών πρωτοκόλλων (πχ. μονοφωτονιακές ροές) εάν εξασθενήσουμε την οπτική δέσμη στο όριο του μοναδικού φωτονίου.

Η παρούσα εργασία επιχειρεί να διερευνήσει μια τέτοια πρακτική υλοποίησης QKD συστημάτων που αξιοποιεί κλασικά συστήματα με εφαρμογή στα δίκτυα πρόσβασης 5G τεχνολογιών. Πιο συγκεκριμένα, θα διερευνήσει την δυνατότητα της παροχής φορέων κωδικοποίησης των μοναδικών φωτονίων μέσα από τους τόνους διαμόρφωσης σε ένα σύστημα αναλογικής διαμόρφωσης ραδιοσυχνοτήτων πάνω από οπτική ίνα (Analog Radio-over-Fiber). Με τον τρόπο αυτό θα υπάρξει η δυνατότητα να υλοποιούμε σταθμούς Alice για QKD πρωτόκολλα αξιοποιώντας τις εγκατεστημένες υποδομές των οπτικών πομπών για τα πρωτόκολλα κλασικής επικοινωνίας. Σκοπός της παρούσας διερεύνησης είναι η προσέγγιση του προβλήματος μέσα από την θεωρία του συστήματος και η πειραματική επίδειξη της υλοποίησης που θα επικυρωθεί με χρήση μονοφωτονιακών καταμετρητών (single-photon counters) τεχνολογίας InGaAs. Στην συνέχεια, θα επιχειρηθεί η αξιολόγηση της επίδοσης της πηγής μοναδικών φωτονίων σε πρωτόκολλα που βασίζονται στην χρήση τέτοιων φορέων μοναδικών φωτονίων και έχουν προταθεί στην βιβλιογραφία [3]. Ως τελικός στόχος της εργασίας θα είναι επίσης η διερεύνηση της επίδρασης φαινομένων διάδοσης της ίνας (χρωματική διασπορά, εξασθένιση) για πραγματικά σενάρια οπτικής πρόσβασης όπως έχουν μελετηθεί στο ΕΦΕ σε εγκατεστημένες υποδομές ίνας.

Βιβλιογραφικές πηγές:

[1] Mark Fox – Κβαντική Οπτική: Μια Εισαγωγή, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης (ΠΕΚ), Κεφάλαιο 12ο, Κβαντική Κρυπτογραφία

[2] E. Diamanti, “Practical challenges in quantum key distribution”, npj Quantum Information 2, 16025 (2016).

[3] F. Kiselev et al., “Analysis of the chromatic dispersion effect on the subcarrier wave QKD system”, Optics Express, Vol.28, No.19, September 2020.

Απαραίτητες γνώσεις:

Φωτονική Τεχνολογία στις Τηλεπικοινωνίες

Ελάχιστος χρόνος εκπόνησης: 5 μήνες

Επικοινωνία:

  • Γιάννης Γιαννούλης, Μεταδιδακτορικός Ερευνητής  – jgiannou@mail.ntua.gr
  • Αργύρης Ντάνος, Υποψήφιος Διδάκτορας – ntanosargiris@mail.ntua.gr
  • Δημήτρης Ζαβιτσάνος, Υποψήφιος Διδάκτορας – dimizavitsanos@mail.ntua.gr

 


 

Προτεινόμενο θέμα Διπλωματικής Εργασίας (Σεπτέμβριος 2020)

Τίτλος Διπλωματικής Εργασίας: “Μελέτη και προσομοίωση οπτικού πομπού και δέκτη με ενεργό έλεγχο φάσης και πόλωσης, για χρήση σε οπτικά μητροπολιτικά δίκτυα

Τα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα επιβαρύνονται σημαντικά στην προσπάθεια να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις που επιβάλλουν μια σειρά από νέες υπηρεσίες και εφαρμογές όπως οι εφαρμογές νέφους (cloud), τα δίκτυα 5ης γενιάς (5G) και το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (Internet of Things). Σημαντικό κομμάτι του βάρους αυτού πέφτει στη διασύνδεση των κέντρων δεδομένων (data centers) τα οποία καλούνται να αποθηκεύσουν, να επεξεργαστούν και να διακινήσουν ένα μεγάλο κομμάτι της τηλεπικοινωνιακής κίνησης. Επιπλέον,  σημαντική είναι και η αύξηση που παρατηρείται στην κίνηση και επομένως στο όγκο δεδομένων που φτάνουν στον τελικό χρήστη καθιστώντας αναγκαία την αναζήτηση νέων τεχνολογιών που θα μπορούν να καλύπτουν τις αυξανόμενες απαιτήσεις σε διαθέσιμο εύρος ζώνης, υψηλές ταχύτητες μετάδοσης και μικρούς χρόνους καθυστέρησης (γρήγορη απόκριση) στην εκάστοτε υπηρεσία νέας γενιάς. Η αξιολόγηση και χρήση νέων τεχνολογιών οπτικών πομποδεκτών αποσκοπεί στην μεταρρύθμιση των μητροπολιτικών οπτικών δικτύων μέσω των οποίων πραγματοποιείται η διασύνδεση των κέντρων δεδομένων καθώς επίσης και των δικτύων πρόσβασης που αποτελούν το «τελευταίο μίλι» για τη μεταφορά των δεδομένων στον χρήστη.

Η ανάγκη για την ανάπτυξη οπτικών διασυνδέσεων που θα απαντάνε στις προκλήσεις αυτές είναι παραπάνω από προφανής. Στην κατεύθυνση αυτή, η φωτονική τεχνολογία ολοκλήρωσης κυκλωμάτων (Photonic Integrated Circuit (PIC) technology) αποτελεί μια τεχνολογία-κλειδί που επιτρέπει την ανάπτυξη οπτικών στοιχείων  και ολοκληρωμένων οπτικών διατάξεων πομποδεκτών οι οποίοι επιτρέπουν την αδιάλειπτη κίνηση της πληροφορίας με τρόπο οικονομικό σε ότι αφορά την κατανάλωση ισχύος, το αποτύπωμα και το συνολικό τους κόστος.

Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής, θα μελετηθεί η δομή ενός καινοτόμου οπτικού δέκτη κατάλληλου για την λήψη σημάτων προηγμένων τύπων διαμόρφωσης με συμφωνία φάσης (QPSK, 16QAM) και πολυπλεξία πόλωσης (dual polarization) που χρησιμοποιούνται σύμφωνα με το πρότυπο τυποποίησης για τα οπτικά μητροπολιτικά δίκτυα. Ο οπτικός αυτός δέκτης θα φέρει ένα οπτικό κύκλωμα με δυνατότητα ενεργού ελέγχου της φάσης και της πόλωσης του σήματος, αφαιρώντας σημαντικό μέρος της αλυσίδας ψηφιακής επεξεργασίας του σήματος που πραγματοποιείται για την λήψη και αποκωδικοποίηση των δεδομένων παρέχοντας σημαντικά οφέλη στην μείωση του κόστους κατανάλωσης. Στη συνέχεια, θα μελετηθεί ένας καινοτόμος οπτικός πομπός για την δημιουργία σύμφωνων σημάτων QPSK βασισμένος στη χρήση στοιχείων διαμορφωτών ηλεκτρο-απορρόφησης (electroabsorption modulators) οποίος καταλαμβάνει πολύ μικρότερο αποτύπωμα και έχει μικρότερη κατανάλωση ενέργειας σε σχέση με τους κλασσικούς εμπορικά διαθέσιμους οπτικούς πομπούς σύμφωνων σημάτων που βασίζονται στο ηλεκτρο-οπτικό φαινόμενο διαμόρφωσης. Τέλος, η απόδοση του συστήματος πομπού-δέκτη θα μελετηθεί για ρυθμό μετάδοσης δεδομένων 100 Gb/s και παραπάνω.

Όλες οι δομές θα μελετηθούν ως προς την απόδοση του συνολικού συστήματος μετάδοσης πληροφορίας πομπού-δέκτη χρησιμοποιώντας το πακέτο προσομοίωσης VPI TransmissionMaker. Το πρώτο μέρος της διπλωματικής εργασίας περιλαμβάνει ανασκόπηση της βιβλιογραφίας και κατανόηση της αρχής λειτουργίας των δομών, το δεύτερο μέρος την δημιουργία πειραματικής διάταξης στο περιβάλλον VPI και το τρίτο μέρος τη λήψη και την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων.

Χρήσιμες γνώσεις:

  • Γενικές αρχές Φωτονικής τεχνολογίας
  • Γενικές αρχές ηλεκτρομαγνητισμού
  • Ψηφιακή επεξεργασία σήματος
  • Προγραμματιστικό περιβάλλον Matlab

Ελάχιστος χρόνος εκπόνησης: 5 μήνες

Επικοινωνία:

  • Γιάννης Κανάκης – giankan@mail.ntua.gr
  • Μαρία Σπυροπούλου – mspy@mail.ntua.gr

 


 

Προτεινόμενο θέμα Διπλωματικής Εργασίας (Ιούνιος 2020)

Τίτλος Διπλωματικής Εργασίας: Quantum Key Distribution (QKD) over terrestrial FSO systems for Secured, Low-Latency Beyond-5G Networks

Ερευνητική περιοχή:

Η μετάβαση στα δίκτυα του μέλλοντος, στην μετά-5G εποχή, προϋποθέτει την αξιοποίηση τεχνολογιών επίγειας ασύρματης οπτικής μετάδοσης σε τομείς του δικτύου που βρίσκονται όλο και πιο κοντά στο χρήστη. Η αξιοποίηση αυτής της τεχνολογίας θα συνεισφέρει στην αντιμετώπιση των προκλήσεων του της ακόμα μικρότερης καθυστέρησης (low-latency) στην άκρη του δικτύου (network edge) μέσα από  ευέλικτες mesh τοπολογίες δικτύου. Οι τοπολογίες αυτές θα υλοποιηθούν μέσα από τα συστήματα Οπτικών Ασύρματων Επικοινωνιών (Optical Wireless Communications – OWC [1]), τα οποία αξιοποιούνται σήμερα για λειτουργίες backhauling του δικτύου αλλά και για εφαρμογές δορυφορικών ζεύξεων.

Παράλληλα με τις ανάγκες κάλυψης υψηλών απαιτήσεων στην απόδοση των δικτύων, η υποδομή των OWC συστημάτων θα συνεισφέρει στην ασφάλεια (security) του δικτύου μέσα από τον διαμοιρασμό κβαντικών κλειδιών για τις ανάγκες των συμμετρικών κρυπτοσυστημάτων (AES-128/256)  των κόμβων. Τα επίγεια ασύρματα οπτικά συστήματα έχουν προταθεί ως μια ελκυστική λύση στην υλοποίηση κβαντικών πρωτοκόλλων κρυπτογραφίας που προσφέρουν ασφάλεια στη δημιουργία και το διαμοιρασμό κλειδιού που βασίζεται στους νόμους της Κβαντικής Επεξεργασίας Πληροφορίας [2]. Η υλοποίηση των επίγειων QKD ζεύξεων αξιοποιεί την υπάρχουσα υποδομή των κλασικών σύμφωνων/ασύμφωνων OWC συστημάτων [3], εξασθενώντας τα οπτικά σήματα στην περιοχή του μοναδικού φωτονίου (single photon regime).

Picture1

Ενότητες εργασίας:

  • Παρουσίαση και μελέτη της προτεινόμενης τοπολογίας στην άκρη του δικτύου βασισμένο σε έναν OWC κόμβο που συνδέεται με οπτική ίνα και έχει τη δυνατότητα με ευέλικτο τρόπο να επικοινωνεί μέσα από μια mesh τοπολογία άλλους Free-Space Optics (FSO) transceivers που συνδέονται με μικρο-κυψέλες για την ασύρματη πρόσβαση χρηστών.
  • Μελέτη κλασικού καναλιού μετάδοσης πληροφορίας για λειτουργία σε Gbps ρυθμούς μετάδοσης για διαφορετικά σενάρια ασύρματου καναλιού. Έμφαση θα δοθεί στην ανάδειξη των μετρικών επίδοσης του δικτύου που επιχειρεί να βελτιώσει η ευέλικτη FSO-τοπολογία (πχ. low-latency performance).
  • Μελέτη του κβαντικού καναλιού εφαρμόζοντας εξασθένιση για μετάβαση στην περιοχή λειτουργίας μοναδικού φωτονίου. Αξιολόγηση του DV-QKD πρωτοκόλλου για τα σενάρια της υλοποίησης του FSO link που μελετήθηκαν στο κλασικό κανάλι και εξαγωγή βασικών μεγεθών (QBER, SKR).
  • Μελέτη συνύπραξης κλασικών/κβαντικών καναλιών (classical/quantum coexistence) σε μία WDM τοπολογία για διαφορετικά προφίλ καναλιού. Η μελέτη αυτή έχει στόχο να αναδείξει τα πλεονεκτήματα του ελεύθερου χώρου για το σχήμα συνύπαρξης στην απουσία μη-γραμμικών φαινομένων και τη συσχέτιση κλασικού BER/QBER μεταξύ των καναλιών για τη βελτιστοποίηση της WDM διάταξης.
  • Αξιολόγηση των μετρικών επίδοσης της ασφάλειας των συμμετρικών κρυπτομηχανών που βασίζονται στα AES πρωτόκολλα. Επέκταση βιβλιογραφικής έρευνας για δυνατότητα συνεργασίας του QKD με Physical Layer Security (PLS) μεθόδους [4] στο ασύρματο οπτικό κανάλι.

Βιβλιογραφία:

[1] D. Schulz et al., “Robust Optical Wireless Link for the Backhaul and Fronthaul of Small Radio Cells”, IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 34, No.6, pp. 1532-1532 (2016).

[2] E. Diamanti, “Practical challenges in quantum key distribution”, npj Quantum Information 2, 16025 (2016).

[3] P.V. Trinh et al., “Quantum Key Distribution over FSO: Current Development and Future Perspectives”, in Proc. of 2018 PIERS Toyama, 1-4 August 2018, Toyama, Japan.

[4] R. Chen et al., “Physical Layer Security for Ultra-Reliable and Low-Latency Communications”, IEEE Wireless Communications, October 2019.

Επικοινωνία:

Γιάννης Γιαννούλης, Μετα-διδάκτορας Ερευνητής (jgiannou@mail.ntua.gr)

Νίκος Λύρας, Μετα-διδάκτορας Ερευνητής (lyrasnikos@mail.ntua.gr)

Δημήτρης Ζαβιτσάνος, Υποψήφιος Διδάκτορας (dimizavitsanos@mail.ntua.gr)

 


 

 

  1. Προτεινόμενο θέμα Διπλωματικής Εργασίας (Σεπτέμβριος 2019)

Τίτλος: «Μελέτη και προσομοίωση οπτικής διάταξης, για υλοποίηση οπτικής διεπαφής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων κατασκευασμένων σε πλατφόρμα ολοκλήρωσης πυριτίου»

Ερευνητικό πεδίο διπλωματικής εργασίας

Η τεχνολογία φωτονικής ολοκλήρωσης πυριτίου σε πλατφόρμα SOI, θα επιτρέψει την υλοποίηση φωτονικών διατάξεων για χρήση σε αισθητήρες νέας γενιάς. Η μεγάλη πυκνότητα ολοκλήρωσης, η χαμηλή κατανάλωση ισχύος, και το χαμηλό κόστος κατασκευής, καθιστά την φωτονική ολοκλήρωση πυριτίου ικανή για τη δημιουργία όλων αυτών των βασικών δομών και την ενσωμάτωση τους, με σκοπό την αντικατάσταση των υπάρχοντων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων αισθητήρων. Ωστόσο η μη προτυποποιημένη οπτική διεπαφή του του πλακιδίου του πυριτίου, με άλλα πλακίδια, με οπτικά καρτών και τελικά με τις οπτικές ίνες καθώς και η αυξημένη πολυπλοκότητα της ηλεκτροοπτικής ολοκλήρωσης παραμένει ένα μεγάλο εμπόδιο στην ενσωμάτωσή τους.

Θα μελετηθεί οπτική διάταξη συζεύκτη οπτικής ισχύος, από ολοκληρωμένο κύκλωμα κατασκευασμένο σε πλατφόρμα ολοκλήρωσης πυριτίου με οπτική ίνα SMF. Η σύζευξη επιτυγχάνεται με οδοντωτή περιοδική περιθλαστική δομή τύπου Grating Coupler, η οποία επιτρέπει την έξοδο του φωτός από το ολοκληρωμένο κύκλωμα με συγκεκριμένη γωνία εξόδου και συγκεκριμένο προφίλ πεδιακής κατανομής. Σκοπός της μελέτης αυτής είναι η αύξηση της απόδοσης σύζευξης ισχύος αλλά και το χαλάρωμα των απαιτήσεων ευθυγράμμισης κατά το στάδιο της συναρμολόγησης, και δύναται να επιτευχθεί με δύο τρόπους. Προσθέτοντας κάποιο επιπλέον ανακλαστικό στρώμα με σκοπό την αύξηση της κατευθυντικότητας του grating coupler, και δια της χρήσης κάποιων οπτικών στοιχείων ελεύθερου χώρου (free space optics). Σε μια ενδεικτική τέτοια διάταξη γίνεται χρήση σφαιρικού φακού (ball-lens), ο οποίος τοποθετείται πάνω από διάταξη του Grating Coupler, σε συγκεκριμένη απόσταση. Η χρησιμότητα αυτού του φακού έγκειται στην επανεστίαση του οπτικού παλμού που έχει εξέλθει δια του φαινομένου της περίθλασης από τον grating coupler. Θα εξεταστεί η συνολική τιμή των απωλειών της οπτικής διασύνδεσης, καθώς και τα όρια ευθυγράμμισης ώστε να διατηρηθούν οι απώλειες οπτικής ισχύος κάτω από προσδιορισμένη τιμή, με σκοπό να διατηρηθεί η οπτική διασύνδεση λειτουργική. Η ανοχή της ζεύξης θα προσδιορίσει την δυνατότητα συναρμολόγησης της διάταξης με τεχνικές παθητικής ευθυγράμμισης, καθώς και τα οφέλη από τη συναρμολόγηση της διάταξης με τεχνικές ενεργούς ευθυγράμμισης.

Η προσομοίωση των περιθλαστικών δομών τύπου Grating Coupler, θα διενεργηθεί σε περιβάλλον ηλεκτρομαγνητικής επίλυσης Lumerical, ενώ η διάδοση στον ελεύθερο χώρο, η οποία θα ακολουθήσει θεωρία διάδοσης οπτικών ακτίνων (ray optics), θα διενεργηθεί σε περιβάλλον προσομοίωσης Zemax. Θα μελετηθεί και θα υλοποιηθεί η διαδικασία αξιοποίησης των αποτελεσμάτων από τα δύο ξεχωριστά περιβάλλοντα προσομοίωσης, ενώ ταυτόχρονα θα υλοποιηθεί δίαυλος επικοινωνίας μεταξύ των δύο περιβάλλοντων.

Χρήσιμες γνώσεις:

  • Βασικές αρχές Ηλεκτρομαγνητισμού
  • Αρχές φωτονικής τεχνολογίας

Εκτιμώμενη Διάρκεια Εργασίας: 6 μήνες

Επικοινωνία:

Χάρης Ζερβός, Μετα-διδάκτορας Ερευνητής (hzervos@mail.ntua.gr)

Γιάννης Πουλόπουλος, Υποψήφιος Διδάκτορας (jpoul@mail.ntua.gr)

 

 

2. Προτεινόμενο θέμα Διπλωματικής Εργασίας (Σεπτέμβριος 2019)

Τίτλος: «Μελέτη και χρήση τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας σήματος για την αντιμετώπιση της μη γραμμικής παραμόρφωσης του σήματος σε A-RoF συστήματα μετάδοσης, για 5G αρχιτεκτονικές»

Καθώς μια σειρά νέων τεχνολογιών, όπως η επαυξημένη/εικονική πραγματικότητα (AR/VR) και το Internet of things (ΙοΤ) αποκτά όλο και περισσότερη δημοτικότητα, το πλήθος των συσκευών που συνδέονται στο διαδίκτυο και η ζήτηση των χρηστών για υψηλότερες ταχύτητες αυξάνονται συνεχώς. Η απαίτηση για όλο και υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων καθιστά αναγκαία την αντικατάσταση των σημερινών ασύρματων δικτύων επικοινωνίας με τα δίκτυα επόμενης γενιάς (5G). Η μετάβαση αυτή συνοδεύεται από τη μελέτη και υλοποίηση νέων αρχιτεκτονικών που θα στοχεύουν στην αξιοποίηση μεγαλύτερων φασματικών ζωνών, με τη χρήση κατάλληλων τεχνολογιών και εξοπλισμού, τόσο στο κομμάτι του ασύρματου όσο και στου οπτικού μέρους του συστήματος. Στο πλαίσιο αυτό, η τεχνολογία μετάδοσης αναλογικού RF σήματος μέσω οπτικής ίνας (A-RoF) αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη λύση για την υλοποίηση των νέων κυψελοειδών αρχιτεκτονικών, μιας και δίνει τη δυνατότητα πιο αποτελεσματικής χρήσης του διαθέσιμου εύρους ζώνης, συγκριτικά με τεχνολογίες που βασίζονται στη μετάδοση ψηφιακού σήματος στην ίνα.

Παρά τα οφέλη που υπόσχεται μια τέτοια αρχιτεκτονική η υλοποίησή της αποτελεί πρόκληση, μιας και η μη γραμμική συμπεριφορά των ενεργών ηλεκτρικών (ενισχυτές) και οπτο-ηλεκτρικών στοιχείων (οπτικοί διαμορφωτές, φωτοδίοδοι) μπορεί να περιορίσει σημαντικά την  απόδοση του συστήματος. Προκείμενου να περιοριστούν τέτοια φαινόμενα, συχνά εφαρμόζονται τεχνικές ψηφιακής επεξεργασίας σήματος είτε στην πλευρά του πομπού, είτε στην πλευρά του δέκτη.

Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, θα μελετηθεί μια τεχνική αντιμετώπισης των μη γραμμικών αυτών φαινομένων στην πλευρά του πομπού, μέσω κατάλληλης παραμόρφωσης (pre-distortion) του σήματος πριν την μετάδοση. Το πρώτο βήμα θα είναι η εκτίμηση της μη γραμμικής συνάρτησης μεταφοράς ενός οπτικού διαμορφωτή με τη χρήση σειρών Volterra. Έπειτα, η εκτίμηση αυτή θα χρησιμοποιηθεί στην υλοποίηση ενός αλγορίθμου (predistortion algorithm) που θα στοχεύει στη σωστή ανάκτηση του σήματος μετά από οπτική μετάδοση. Τόσο η ανάπτυξη των αλγορίθμων, όσο και η αξιολόγηση τους θα γίνουν σε προγραμματιστικό περιβάλλον matlab.

Χρήσιμες γνώσεις:

  • Εξοικείωση με το προγραμματιστικό περιβάλλον matlab
  • Αρχές φωτονικής τεχνολογίας

Ελάχιστος χρόνος εκπόνησης της εργασίας: 6 μήνες

Contact person: Κωνσταντίνα Καντά

Email: kkanta@mail.ntua.gr

 


 

Προτεινόμενο θέμα Διπλωματικής Εργασίας (Δεκέμβριος 2017)

Τίτλος: “Μελέτη και προσομοίωση ολοκληρωμένων οπτικών διατάξεων επαναρυθμιζόμενων πολυπλεκτών WDM

Καθώς ο όγκος των δεδομένων που μεταδίδεται καθημερινά αυξάνει όλο και περισσότερο και το κομμάτι της κίνησης που μεταφέρεται από/προς κινητές συσκευές μεγαλώνει, υπάρχει όλο και μεγαλύτερη ανάγκη τα ευρυζωνικά δίκτυα του μέλλοντος πέμπτης γενιάς (5G) να υποστηρίζουν μεγαλύτερες ταχύτητες μετάδοσης, Η μετάβαση σε φασματικές ζώνες του αέρα που προσφέρουν μεγαλύτερο εύρος ζώνης πρέπει να συνοδευτεί από βελτιώσεις στο οπτικό μέρος του δικτύου που υποστηρίζει την ασύρματη πρόσβαση. Η ικανοποίηση της διογκωμένης οπτικής χωρητικότητας θα βασιστεί σε αξιοποίηση WDM πολυπλεξίας. Στο βαθμό που θα χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερες εφαρμογές πολυπλεξίας σήματος, θα εμφανίζεται και η ανάγκη για πολυπλέκτες και απο-πολυπλέκτες σε WDM συστήματα.

Τέτοια κυκλώματα πολυπλεξίας/αποπολυπλεξίας μπορούν να υλοποιηθούν και σε ποικίλες πλατφόρμες μικρο-ολοκλήρωσης. Η υιοθέτηση ολοκληρωμένων οπτικών κυκλωμάτων με σκοπό να επιτελείται με ακρίβεια, γρήγορα και με χαμηλό κόστος η μεταγωγή των οπτικών καναλιών πληροφορίας σε διαφορετικούς κόμβους του δικτύου φαντάζει ως μία από τις μοναδικές λύσεις που θα υιοθετηυούν σε δίκτυα πέμπτης γενιάς (5G). Αναλαμβάνοντας αυτή τη λειτουργία της μεταγωγής ένα οπτικό ολοκληρωμένο κύκλωμα σταθερού φασματικού πλέγματος (fix-grid) ή προσαρμοσμένου φασματικού πλέγματος (flex-grid), επιτυγχάνεται η διατήρηση μικρών απωλειών στο οπτικό σήμα μετάδοσης, η απλή και αποτελεσματική θερμο-οπτική διάταξη ελέγχου καθώς και η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.

Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας, θα μελετηθούν οι συνθήκες κυματοδήγησης φωτός σε μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα (1550nm) σε ολοκληρωμένα οπτικά κυκλώματα και πιο συγκεκριμένα σε μονορυθμικούς κυματοδηγούς τετραγωνικής και ορθογώνιας διατομής. Έπειτα, θα μοντελοποιηθεί και θα προσομοιωθεί η λειτουργία ολοκληρωμένων φωτονικών δομών δακτυλίων καθώς και η συμπεριφορά τους ως οπτικά φίλτρα συντονισμού προσθετικής/αφαιρετικής πολυπλεξίας (ROADMs). Η διερεύνηση στα πλαίσια της εργασίας θα εστιάσει στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της δομής, την τοπολογία των δακτυλίων και τα χαρακτηριστικά των παθητικών δομών σύζευξης που χρησιμοποιεί. Πιο σύνθετες δομές οπτικών φίλτρων συντονισμού βασισμένων σε σειριακές/παράλληλες διατάξεις δακτυλίων θα μελετηθούν σε επόμενα βήματα, καθώς και τα φασματικά τους χαρακτηριστικά. Στο τελικό στάδιο της εργασίας θα εξετασθεί η απόδοση των συγκεκριμένων σχεδιασμενων δομών σε πλατφόρμα ολοκλήρωσης Πυριτίου (Si) και σε πλατφόρμα ολοκλήρωσης Νιτριδίου του Πυριτίου (SiN).

Η μοντελοποίηση σε κυκλωματικό επίπεδο θα διεξαχθεί σε περιβάλλον προσομοίωσης Aspic. Η πλήρης Ηλεκτρομαγνητική προσομοίωση των φωτονικών δομών σε συγκεκριμένες πλατφόρμες ολοκλήρωσης θα διεξαχθεί σε ειδική πλατφόρμα προσομοίωσης φωτονικών ολοκληρωμένων διατάξεων Lumerical χρησιμοποιώντας μεθόδους πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου.

Χρήσιμες γνώσεις:

  • Αρχές ηλεκτρομαγνητισμού
  • Αρχές φωτονικής τεχνολογίας

Ελάχιστος χρόνος εκπόνησης: 6 μήνες

Contact Persons: Δημήτρης Αποστολόπουλος, Γιάννης Πουλόπουλος

Email: apostold@mail.ntua.gr, jpoul@mail.ntua.gr

 


 

 

Προτεινόμενο θέμα Διπλωματικής Εργασίας (Σεπτέμβριος 2017)

Τίτλος: “Μελέτη και προσομοίωση ολοκληρωμένων οπτικών διατάξεων για την δημιουργία συστοιχιών οπτικών κεραιών (Optical Phased Arrays)

Η ανάγκη για τον δυναμικό έλεγχο της κατεύθυνσης μιας οπτικής δέσμης Laser είναι παρούσα τόσο σε ασύρματες οπτικές ζεύξεις point-to-point, όπου ο πομπός του συστήματος πρέπει να στοχεύει τον δέκτη, όσο και σε συστήματα οπτικών αισθητήρων, όπου η δέσμη Laser πρέπει να σαρώνει με ακρίβεια μία επιφάνεια στον τρισδιάστατο χώρο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα οπτικών αισθητήρων αυτής της κατηγορίας αποτελούν τα συστήματα LIDAR, τα οποία χρησιμοποιούνται σε εξελιγμένα συστήματα αυτόνομης πλοήγησης οχημάτων για την αναγνώριση προπορευόμενων οχημάτων και εμποδίων. Ο έλεγχος της κατεύθυνσης της δέσμης πραγματοποιείται σήμερα με την βοήθεια κατόπτρων τα οποία μετακινούνται μηχανικά και ως αποτέλεσμα στρέφουν την δέσμη. Η χρήση μετακινούμενων στοιχείων καθιστά τις αντίστοιχες διατάξεις ιδιαίτερα ογκώδεις, ακριβές και ευαίσθητες σε μηχανικές δονήσεις, και αυξάνει σημαντικά τον χρόνο μεταβολής της κατεύθυνσης, καθιστώντας προβληματική την λειτουργία συστημάτων τα οποία απαιτούν γρήγορη σάρωση.

Η λύση που μελετάται διεθνώς για την άρση των συγκεκριμένων περιορισμών βασίζεται στην αντικατάσταση των μετακινούμενων οπτικών στοιχείων από συστοιχίες οπτικών κεραιών με συσχετισμένες φάσεις (Optical Phased Arrays). Η τελική δέσμη στο μακρινό πεδίο προκύπτει από την σύμφωνη άθροιση των επιμέρους πεδίων, και ως εκ τούτου, ο έλεγχος του σχήματος και της κατεύθυνσης της δέσμης μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω κατάλληλης επιλογής του πλάτους και της φάσης του εκπεμπόμενου πεδίου από την κάθε οπτική κεραία (σύμφωνα και με την βασική αρχή λειτουργίας των αντίστοιχων μικροκυματικών στοιχειοκεραιών).  Ως οπτικές κεραίες σε ένα τέτοιο σύστημα χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο οι άκρες των οπτικών κυματοδηγών ή διατάξεις φραγμάτων περίθλασης σε ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα.

Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας θα μελετηθεί η λειτουργία γραμμικής συστοιχίας οπτικών κεραιών, η οποία θα βασίζεται σε διάταξη οπτικών κυματοδηγών σε πολυμερική πλατφόρμα φωτονικής ολοκλήρωσης. Η εργασία θα ξεκινήσει από την μοντελοποίηση της διάδοσης οπτικού κύματος με μήκος κύματος 1550 nm σε μονορρυθμικό κυματοδηγό τετραγωνικής ή ορθογώνιας διατομής και την μελέτη του μακρινού πεδίου που προκύπτει από την εκπομπή του κύματος στο άκρο του κυματοδηγού. Θα συνεχίσει με την επέκταση της διάταξης σε γραμμική συστοιχία οπτικών κεραιών μέσω της χρήσης παράλληλων κυματοδηγών και την εξαγωγή κατάλληλων αλγορίθμων για την  επιλογή των διεγέρσεων (πλάτη και φάσεις οπτικών κυμάτων σε κάθε κυματοδηγό), έτσι ώστε να επιτυγχάνεται το επιθυμητό σχήμα και η επιθυμητή κατεύθυνση της δέσμης. Τέλος, η εργασία θα ολοκληρωθεί με την μελέτη της πιθανής επέκτασης της γραμμικής συστοιχίας σε τετραγωνική λαμβάνοντας υπόψιν καινοτόμες τεχνολογίες φωτονικής ολοκλήρωσης με πολλαπλά στρώματα κυματοδήγησης.

Η βασική μοντελλοποίηση και προσομοιωτική μελέτη θα πραγματοποίηθεί σε προγραμματιστικό περιβάλλον Matlab. Επιπλέον προσομοιώσεις θα πραγματοποιηθούν χρησιμοποιώντας την ειδική πλατφόρμα σχεδίασης φωτονικών δομών RSoft για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων στα πρώτα στάδια της εργασίας.

Χρήσιμες γνώσεις:

  • Προγραμματιστικό περιβάλλον Matlab
  • Γενικές αρχές ηλεκτρομαγνητισμού και κυματοδήγησης
  • Γενικές αρχές φωτονικής τεχνολογίας

Ελάχιστος χρόνος εκπόνησης: 4 μήνες

Contact Persons: Χρήστος Κουλουμέντας, Παναγιώτης Γκρούμας,

Email: ckou@mail.ntua.gr, pgrou@mail.ntua.gr


 

Προτεινόμενο θέμα Διπλωματικής Εργασίας (Οκτώβρης 2017)

Τίτλος: “Μελέτη και χρήση τεχνικών μηχανικής μάθησης (Machine Learning) για την εκτίμηση ποιότητας μετάδοσης (Quality of Transmission) σε ευφυή προγραμματιζόμενα δίκτυα Οπτικών Επικοινωνιών

Ο τεράστιος όγκος δεδομένων που διακινείται καθημερινά μέσω του διαδικτύου αλλά και η παροχή υπηρεσιών και εφαρμογών υψηλών προδιαγραφών στους χρήστες αυξάνουν την πολυπλοκότητα των δικτύων Οπτικών Επικοινωνιών και εγείρουν ένα πολύ βασικό ερώτημα: Πως διαχειριζόμαστε τους υπάρχοντες πόρους του δικτύου με βέλτιστο τρόπο; Ο «στατικός» χαρακτήρας με τον οποίο σχεδιάζονταν τα οπτικά δίκτυα αυτά στο παρελθόν συνάντησε ένα αξεπέραστο φραγμό αφού περιόριζε σημαντικά τη διαχείριση της πληροφορίας μέσα στα δεδομένα «φυσικά» χαρακτηριστικά του συστήματος αγγίζοντας το όριο του Shannon.

Τα ευφυώς προγραμματιζόμενα δίκτυα (Software Defined Networks) ανοίγουν ένα νέο κεφάλαιο στον τρόπο σχεδιασμού και λειτουργίας. Τα βασικά τους χαρακτηριστικά είναι τα εξής: i) διαχωρισμός του επιπέδου ελέγχου από το επίπεδο των δεδομένων, ii) κεντρικοποιημένη δικτυακή επίβλεψη, iii) πλήρως προγραμματιστική προσέγγιση στις λειτουργίες του δικτύου. Με αυτόν τον τρόπο απελευθερώνεται η δυνατότητα για δυναμική διαχείριση του δικτύου προσαρμοσμένη κάθε φορά στο προφίλ της κίνησης της πληροφορίας.

Για να σχεδιασθεί ένα τέτοιο δίκτυο με αποδοτικό τρόπο, η εκτίμηση της ποιότητας της μετάδοσης (Quality of Transmission-QoT) κατέχει σημαντικό ρόλο. Η ανάπτυξη μεθόδων για την απεικόνιση της οπτικής απόδοσης του καναλιού (Optical Performance Monitoring – OPM) αξιοποιεί τεχνικές μηχανικής μάθησης για να εκτιμηθούν κρίσιμες παράμετροι του καναλιού όπως ο σηματοθορυβικός λόγος (OSNR). Η προσέγγιση της μηχανικής μάθησης αξιοποιεί ως είσοδο ένα σύνολο παραμέτρων του δικτύου και στοχεύει στην εκτίμηση της παραμέτρου επίδοσης χωρίς να απαιτεί σύνθετους κόμβους απεικόνισης (monitoring points) καθώς και την ενοποίηση σύνθετων μηχανισμών που διέπουν τη διάδοση του οπτικού σήματος σε ένα ενιαίο μοντέλο διάδοσης στην ίνα.

Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας ο/η φοιτητής/τρια θα κληθεί να χρησιμοποιήσει τεχνικές μηχανικής μάθησης στα πλαίσια ενός ευφυώς προγραμματιζόμενου δικτύου με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων για την ποιότητα της μετάδοσης. Στο πρώτο στάδιο της εργασίας, ο υπολογισμός της ποιότητας της μετάδοσης θα βασιστεί σε ντετερμινιστικές τεχνικές λαμβάνοντας υπόψη τα φαινόμενα που διέπουν τη διάδοση στην ίνα. Θα χρησιμοποιηθεί λογισμικό για την προσομοίωση της διάδοσης του σήματος και τον υπολογισμό του της επίδοσης του καναλιού για συγκεκριμένες παραμέτρους του καναλιού. Στη συνέχεια, θα επιχειρηθεί η εισαγωγή στη θεωρία της μηχανικής μάθησης και τις δυνατότητες που προσφέρει στα συστήματα Οπτικών Επικοινωνιών. Η ανάπτυξη ενός Nευρωνικού Δικτύου (Neural Network) που θα συσχετίζει το σύνολο των παραμέτρων εισόδου με την παράμετρο της εξόδου που στοχεύεται περιλαμβάνεται στη δεύτερη φάση της εργασίας. Για την εκπαίδευση (training) του αλγορίθμου θα αξιοποιηθεί ένα σύνολο μετρήσεων προσομοίωσης ενώ η αξιολόγηση της σύγκλισης του αλγορίθμου θα βασιστεί στην απόκλιση των εκτιμώμενων τιμών επίδοσης αυτού και του ντετερμινιστικού μοντέλου διάδοσης του μοντέλου προσομοίωσης (VPI Transmission Maker).

Η προσομοίωση του προβλήματος θα πραγματοποιηθεί μέσω της χρήσης του πακέτου προσομοίωσης του VPI. Η ανάπτυξη του αλγόριθμου νευρωνικού δικτύου θα βασιστεί στη αξιοποίηση πακέτων μηχανικής μάθησης που προσφέρει η Matlab.

Χρήσιμες γνώσεις:
• Γενικές αρχές Φωτονικής τεχνολογίας
• Μηχανισμοί που επιδρούν στη διάδοση οπτικών σημάτων πληροφορίας στην οπτική ίνα
• Προγραμματιστικό περιβάλλον Matlab

Ελάχιστος χρόνος εκπόνησης: 6 μήνες

Contact persons: Γιάννης Κανάκης, Γιάννης Γιαννούλης
Email: giankan@mail.ntua.gr, jgiannou@mail.ntua.gr