Luận án tiến sĩ kỹ thuật xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode MDM dựa trên mạch tích hợp quang tử - ĐH Bách Khoa Đà Nẵng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ ĐỨC TÂM LINH XỬ LÝ TÍN HIỆU GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE DỰA TRÊN CÁC MẠCH TÍCH HỢP QUANG TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, năm 2022 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ ĐỨC TÂM LINH XỬ LÝ TÍN HIỆU GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE DỰA TRÊN CÁC MẠCH TÍCH HỢP QUANG TỬ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: 1. Nguyễn Tấn Hưng 2. Trương Cao Dũng Đà Nẵng, năm 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Kết quả nghiên cứu được công bố trong luận án là trung thực.

Các tài liệu sử dụng trong luận án có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả luận án Hồ Đức Tâm Linh i MỞ ĐẦU LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Mạch tích hợp quang tử silicon được xem là hướng nghiên cứu tương lai của công nghệ tốc độ cao. Mạch cung cấp nhiều lợi thế hơn so với các mạch tích hợp thông thường bởi những ưu điểm vượt trội như tốc độ cao hơn, băng thông lớn hơn và tổn hao năng lượng thấp hơn. Công nghệ tiên tiến này đang thúc đẩy lĩnh vực công nghệ và khoa học vượt qua những giới hạn mà thời đại điện tử đang tồn tại.

Nhiều lĩnh vực quan trọng đang ứng dụng các công nghệ mạch tích hợp quang tử như viễn thông, quốc phòng, tiêu dùng, radar laser, truyền thông dữ liệu, cảm biến và dữ liệu điện toán đám mây. Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu tập trung nghiên cứu vào lĩnh vực phát triển các mạch quang tử phục vụ cho mạng viễn thông, cụ thể là các mạch tích hợp quang tử xử lý tín hiệu đa mode ứng dụng trong mạng quang ghép kênh phân chia theo mode MDM (Mode Division Multiplexing) thế hệ mới. MDM là công nghệ ghép kênh quang rất hứa hẹn để gia tăng dung lượng của hệ thống thông tin. Trong kỹ thuật MDM, thông tin được điều chế trên các mode quang trực giao với nhau, điều này giúp truyền thông tin ở các mode khác nhau trên cùng một bước sóng mà không bị nhiễu xuyên kênh.

Vì vậy, nếu hệ thống sử dụng công nghệ MDM với M mode quang trực giao kết hợp với công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) với N bước sóng, thì tổng số kênh truyền của hệ thống sẽ là MxN, tăng M lần so với các hệ thống WDM thông thường. Do đó, việc thiết kế mạch tích hợp quang tử nhỏ gọn với khả năng xử lý linh hoạt các tín hiệu đa mode, đồng thời kết hợp được với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng sẽ tạo ra một bước đột phá rất lớn trong việc tăng dung lượng kênh truyền hệ thống. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Đối tượng nghiên cứu trong luận án này là các cấu trúc xử lý tín hiệu đa mode trong mạng ghép kênh phân chia theo mode MDM trên chip. Các cấu trúc xử lý tín hiệu đa iii mode này được xây dựng từ các khối cơ bản, chủ yếu là ba khối chức năng: bộ giao thoa đa mode MMI, cấu trúc chữ Y đối xứng cải tiến và bộ ghép nối định hướng.

Trong đó, bộ giao thoa đa mode MMI 4x4 (bốn cổng vào và bốn cổng ra) làm việc với các tín hiệu mode cơ bản TE0 , đóng vai trò là các bộ chuyển mạch tín hiệu giữa các cổng vào ra. Cấu trúc chữ Y đối xứng cải tiến 1x4 (một cổng vào và bốn cổng ra) đóng vai trò là các bộ chuyển đổi mode bậc cao thành các mode cơ bản TE0. Cuối cùng là bộ ghép định hướng có chức năng tách tín hiệu mode bậc cao từ ống dẫn sóng chính sang hai ống dẫn sóng đơn mode TE0. Các cấu trúc trên có tính chất đối xứng hình học nên việc phát và nhận tín hiệu hai chiều ở các cổng vào ra của cấu trúc là hoàn toàn giống nhau.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Nghiên cứu, phân tích lý thuyết hoạt động của các linh kiện quang, cấu trúc của các ống dẫn sóng quang và các mạch xử lý tín hiệu quang đa mode đã được phát triển trong thời gian gần đây. Thiết kế, mô phỏng và tối ưu hóa mạch tích hợp quang tử thông qua các chương trình mô phỏng số trên máy tính, sử dụng phần mềm mô phỏng Rsoft của hãng Synopsys. Sử dụng phương pháp truyền chùm BPM (Beam Propagation Method) kết hợp phương pháp phân tích truyền mode MPA (Mode Propagation Analysis) và phương pháp hệ số hiệu dụng EIM (Effective Index Method) để mô phỏng và đánh giá mạch thiết kế. Tìm hiểu, tổng hợp dòng thiết kế mạch tích hợp quang tử silicon, từ đó tham gia chế tạo thử nghiệm một thành phần cơ bản trong cấu trúc thiết kế đã được đề xuất ở phần lý thuyết.

MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN Chuyển mạch thông tin về mặt quang học là một thách thức rất lớn trong các hệ thống kết nối và truyền thông quang. Một số kiến trúc như Crossbar, Benes, Spanke – Benes đã được đề xuất cách đây vài thập kỷ, và trở thành thành phần chính để thiết kế nên các loại chuyển mạch không gian quang học [1, 2]. Hơn nữa, các kiến trúc chuyển mạch quang này đã được chứng minh hiệu quả trên các nền tảng chất cách điện khác nhau [3–7]. Tuy nhiên, hầu hết các chuyển mạch được tạo ra chỉ hoạt động với hệ thống đơn mode, do đó các thiết kế này không thể ứng dụng trong hệ thống ghép kênh hỗ trợ đa mode, nơi mà iv yêu cầu chức năng chuyển mạch thông tin giữa các mode không gian phải khác nhau.

Do tính cấp thiết và quan trọng của vấn đề nên đã có rất nhiều nỗ lực được thực hiện để giải quyết thách thức này. Sau đây là một kiểu kiến trúc có tính cách mạng trong thiết kế các bộ chuyển mạch quang đa mode. Thiết kế này hỗ trợ đồng thời chức năng chuyển mạch không gian quang và cả chuyển mạch mode quang. Hình 1 cho thấy sơ đồ của chuyển mạch quang đa mode NxN cải tiến (loại II), gồm N bộ phân kênh mode 1xM, N bộ chuyển mạch quang đơn mode không tắc nghẽn MxM (được hiển thị trong hình chữ nhật), M bộ chuyển mạch quang mode cơ bản không tắc nghẽn NxN (được hiển thị trong hình chữ nhật tròn) và N bộ ghép kênh mode Mx1.

So với kiến trúc chuyển mạch quang đa mode NxN truyền thống (loại I) thì bộ chuyển mạch quang đa mode NxN loại II bổ sung thêm N bộ chuyển mạch quang đơn mode không tắc nghẽn MxM vào giữa N bộ phân kênh mode 1xM và M bộ chuyển mạch quang đơn mode NxN. Tại đây, M mode không gian từ một ống dẫn sóng đa mode đầu vào được chuyển đổi thành M mode cơ bản bằng bộ phân kênh mode tương ứng, và sau đó được chuyển mạch không gian đến M ống dẫn sóng đơn mode đầu ra bằng bộ chuyển mạch quang đơn mode MxM. Nếu N bộ chuyển mạch quang đơn mode MxM hoạt động với các thiết lập chuyển mạch giống hệt nhau, thì chuyển mạch quang đa mode NxN loại II chỉ thực hiện các chức năng chuyển mạch không gian quang tương tự như chuyển mạch loại I. Nếu N bộ chuyển mạch quang đơn mode MxM hoạt động với các thiết lập chuyển mạch khác nhau thì chuyển đổi giữa các mode quang sẽ xảy ra.

Nói cách khác, chuyển mạch quang đa mode NxN loại II không chỉ có khả năng chuyển đổi không gian quang giữa N ống dẫn sóng đa mode đầu vào và N ống dẫn sóng quang đa mode đầu ra, mà còn chuyển đổi mode quang giữa các kênh mode không gian khác nhau từ cổng vào thứ m sang cổng ra thứ n (Im → 0n ). Trong đó m, n lần lượt biểu thị số ống dẫn sóng đa mode đầu vào và đầu ra. Việc chuyển đổi mode quang cục bộ làm cho chuyển mạch quang đa mode loại II có chức năng mạnh hơn chuyển mạch không gian quang loại I. Chuyển mạch quang đa mode NxN loại II có N! các trạng thái đi ra cho chuyển mạch không gian quang.

Trong mỗi trạng thái định tuyến này, có thêm một trạng thái chuyển mạch mode quang (M!)N được kích hoạt bằng cách bổ sung N bộ chuyển mạch quang đơn mode không tắc nghẽn MxM. Do sự kết hợp này mà chuyển mạch quang đa mode NxN loại II có tổng số (M!)N N! các trạng thái định tuyến. Trong phần báo cáo, luận án sẽ đề xuất một số cải tiến về chức năng của bộ chuyển mạch quang đa mode mà tác giả trong bài báo [8] đã đưa ra, đồng thời luận án cũng đề v Hình 1 Cấu trúc bộ chuyển mạch đa mode tiên tiến tại các node lớn [8]. xuất các thiết kế cấu trúc liên quan đến các node kết nối với bộ chuyển mạch đó trong mạng ghép kênh phân chia theo mode.

Mục tiêu của luận án là hướng đến phát triển các kiến trúc xử lý tín hiệu quang đa mode dựa trên công cụ mạch tích hợp quang tử. Hình 2 là tổng quan về các đề xuất mà luận án sẽ trình bày trong các chương của luận án. Trung tâm của sơ đồ là cấu trúc bộ chuyển mạch quang đa mode NxN (Node A) được kết nối với các Node khác để tạo nên một hệ thống thông tin quang hỗ trợ đa mode. Trong cấu trúc chuyển mạch quang đa mode cải tiến này, tác giả bài báo đề xuất các bộ hợp kênh cố định 1xM tách biệt với bộ chuyển mạch quang đơn mode MxM, với kiến trúc được đề xuất này sẽ làm cho các Node trở nên phức tạp và cồng kềnh.

Để cải tiến nhược điểm này, luận án sẽ trình bày cấu trúc bộ chuyển mạch lựa chọn mode có khả năng thay thế đồng thời cho cả hai bộ hợp kênh cố định và chuyển mạch đơn mode. Ngoài ra, trong luận án cũng trình bày bộ chuyển mạch đơn mode sử dụng các bộ giao thoa đa mode 4x4 thay thế một loạt các bộ chuyển mạch 2x2 truyền thống như trước đây. Bên cạnh đề xuất cải tiến bộ chuyển mạch quang đa mode tại Node A, luận án cũng đề xuất các cấu trúc thiết kế xử lý tín hiệu đa mode tại các Node liên kết với Node A. Cụ thể là các Node B, C và D như được mô tả trong Hình 2.

Tại Node B là một đề xuất mới chứng tỏ tiềm năng cho sự kết hợp đồng thời hai loại tài nguyên bước sóng và mode trên cùng một thiết bị. Mục đích của đề xuất là nâng cao dung lượng của toàn bộ hệ thống. vi Hình 2 Chức năng của các cấu trúc thiết kế được đề xuất trong hệ thống.