Διπλωματικές Εργασίες

Home / Διπλωματικές Εργασίες

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