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 TRƯ[.]
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: PGS TS Nguyễn Tấn Hưng TS Trương Cao Dũng Đà Nẵng, năm 2022 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu Kết nghiên cứu công bố luận án trung thực Các tài liệu sử dụng 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 xem hướng nghiên cứu tương lai công nghệ tốc độ cao Mạch cung cấp nhiều lợi so với mạch tích hợp thông thường ưu điểm vượt trội tốc độ cao hơn, băng thông lớn tổn hao lượng thấp Công nghệ tiên tiến thúc đẩy lĩnh vực công nghệ khoa học vượt qua giới hạn mà thời đại điện tử tồn Nhiều lĩnh vực quan trọng ứng dụng cơng nghệ mạch tích hợp quang tử viễn thơng, quốc phịng, tiêu dùng, radar laser, truyền thơng liệu, cảm biến liệu điện toán đám mây Trong năm gần đây, nhiều nghiên cứu tập trung nghiên cứu vào lĩnh vực phát triển mạch quang tử phục vụ cho mạng viễn thông, cụ thể mạch tích hợp quang tử xử lý tín hiệu đa mode ứng dụng mạng quang ghép kênh phân chia theo mode MDM (Mode Division Multiplexing) hệ MDM công nghệ ghép kênh quang hứa hẹn để gia tăng dung lượng hệ thống thông tin Trong kỹ thuật MDM, thông tin điều chế mode quang trực giao với nhau, điều giúp truyền thông tin mode khác bước sóng mà khơng bị nhiễu xun kênh Vì vậy, 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, tổng số kênh truyền hệ thống MxN, tăng M lần so với hệ thống WDM thơng thường Do đó, việc thiết kế mạch tích hợp quang tử nhỏ gọn với khả xử lý linh hoạt tín hiệu đa mode, đồng thời kết hợp với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng tạo bước đột phá lớn việc tăng dung lượng kênh truyền hệ thống ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Đối tượng nghiên cứu luận án cấu trúc xử lý tín hiệu đa mode mạng ghép kênh phân chia theo mode MDM chip Các cấu trúc xử lý tín hiệu đa iii mode xây dựng từ khối bản, chủ yếu ba khối chức năng: giao thoa đa mode MMI, cấu trúc chữ Y đối xứng cải tiến ghép nối định hướng Trong đó, giao thoa đa mode MMI 4x4 (bốn cổng vào bốn cổng ra) làm việc với tín hiệu mode TE0 , đóng vai trị chuyển mạch tín hiệu cổng vào Cấu trúc chữ Y đối xứng cải tiến 1x4 (một cổng vào bốn cổng ra) đóng vai trị chuyển đổi mode bậc cao thành mode TE0 Cuối ghép định hướng có chức tách tín hiệu mode bậc cao từ ống dẫn sóng sang hai ống dẫn sóng đơn mode TE0 Các cấu trúc có tính chất đối xứng hình học nên việc phát nhận tín hiệu hai chiều cổng vào cấu trúc hoàn toàn giống PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Nghiên cứu, phân tích lý thuyết hoạt động linh kiện quang, cấu trúc ống dẫn sóng quang mạch xử lý tín hiệu quang đa mode phát triển thời gian gần Thiết kế, mơ tối ưu hóa mạch tích hợp quang tử thơng qua chương trình mơ số máy tính, sử dụng phần mềm mơ Rsoft hãng Synopsys Sử dụng phương pháp truyền chùm BPM (Beam Propagation Method) kết hợp phương pháp phân tích truyền mode MPA (Mode Propagation Analysis) phương pháp hệ số hiệu dụng EIM (Effective Index Method) để mô đánh giá mạch thiết kế Tìm hiểu, tổng hợp dịng thiết kế mạch tích hợp quang tử silicon, từ tham gia chế tạo thử nghiệm thành phần cấu trúc thiết kế đề xuất phần lý thuyết MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN Chuyển mạch thông tin mặt quang học thách thức lớn hệ thống kết nối truyền thông quang Một số kiến trúc Crossbar, Benes, Spanke – Benes đề xuất cách vài thập kỷ, trở thành thành phần để thiết kế nên loại chuyển mạch không gian quang học [1, 2] Hơn nữa, kiến trúc chuyển mạch quang chứng minh hiệu tảng chất cách điện khác [3–7] Tuy nhiên, hầu hết chuyển mạch tạo hoạt động với hệ thống đơn mode, thiết kế ứng dụng hệ thống ghép kênh hỗ trợ đa mode, nơi mà iv yêu cầu chức chuyển mạch thông tin mode không gian phải khác Do tính cấp thiết quan trọng vấn đề nên có nhiều nỗ lực thực để giải thách thức Sau kiểu kiến trúc có tính cách mạng thiết kế chuyển mạch quang đa mode Thiết kế hỗ trợ đồng thời chức chuyển mạch không gian quang chuyển mạch mode quang Hình cho thấy sơ đồ chuyển mạch quang đa mode NxN cải tiến (loại II), gồm N phân kênh mode 1xM, N chuyển mạch quang đơn mode không tắc nghẽn MxM (được hiển thị hình chữ nhật), M chuyển mạch quang mode khơng tắc nghẽn NxN (được hiển thị hình chữ nhật tròn) N ghép kênh mode Mx1 So với kiến trúc chuyển mạch quang đa mode NxN truyền thống (loại I) chuyển mạch quang đa mode NxN loại II bổ sung thêm N chuyển mạch quang đơn mode không tắc nghẽn MxM vào N phân kênh mode 1xM M chuyển mạch quang đơn mode NxN Tại đây, M mode không gian từ ống dẫn sóng đa mode đầu vào chuyển đổi thành M mode phân kênh mode tương ứng, sau chuyển mạch khơng gian đến M ống dẫn sóng đơn mode đầu chuyển mạch quang đơn mode MxM Nếu N chuyển mạch quang đơn mode MxM hoạt động với thiết lập chuyển mạch giống hệt nhau, chuyển mạch quang đa mode NxN loại II thực chức chuyển mạch không gian quang tương tự chuyển mạch loại I Nếu N chuyển mạch quang đơn mode MxM hoạt động với thiết lập chuyển mạch khác chuyển đổi mode quang xảy Nói cách khác, chuyển mạch quang đa mode NxN loại II khơng có khả chuyển đổi không gian quang N ống dẫn sóng đa mode đầu vào N ống dẫn sóng quang đa mode đầu ra, mà cịn chuyển đổi mode quang kênh mode không gian khác từ cổng vào thứ m sang cổng thứ n (Im → 0n ) Trong m, n biểu thị số ống dẫn sóng đa mode đầu vào đầu Việc chuyển đổi mode quang cục làm cho chuyển mạch quang đa mode loại II có chức mạnh chuyển mạch không gian quang loại I Chuyển mạch quang đa mode NxN loại II có N! trạng thái cho chuyển mạch không gian quang Trong trạng thái định tuyến này, có thêm trạng thái chuyển mạch mode quang (M!)N kích hoạt cách bổ sung N chuyển mạch quang đơn mode không tắc nghẽn MxM Do kết hợp mà chuyển mạch quang đa mode NxN loại II có tổng số (M!)N N! trạng thái định tuyến Trong phần báo cáo, luận án đề xuất số cải tiến chức chuyển mạch quang đa mode mà tác giả báo [8] đưa ra, đồng thời luận án đề v Hình Cấu trúc chuyển mạch đa mode tiên tiến node lớn [8] xuất thiết kế cấu trúc liên quan đến node kết nối với chuyển mạch mạng ghép kênh phân chia theo mode Mục tiêu luận án hướng đến phát triển kiến trúc xử lý tín hiệu quang đa mode dựa cơng cụ mạch tích hợp quang tử Hình tổng quan đề xuất mà luận án trình bày chương luận án Trung tâm sơ đồ cấu trúc chuyển mạch quang đa mode NxN (Node A) kết nối với Node khác để tạo nên hệ thống thông tin quang hỗ trợ đa mode Trong cấu trúc chuyển mạch quang đa mode cải tiến này, tác giả báo đề xuất hợp kênh cố định 1xM tách biệt với chuyển mạch quang đơn mode MxM, với kiến trúc đề xuất làm cho Node trở nên phức tạp cồng kềnh Để cải tiến nhược điểm này, luận án trình bày cấu trúc chuyển mạch lựa chọn mode có khả thay đồng thời cho hai hợp kênh cố định chuyển mạch đơn mode Ngồi ra, luận án trình bày chuyển mạch đơn mode sử dụng giao thoa đa mode 4x4 thay loạt chuyển mạch 2x2 truyền thống trước Bên cạnh đề xuất cải tiến chuyển mạch quang đa mode Node A, luận án đề xuất cấu trúc thiết kế xử lý tín hiệu đa mode Node liên kết với Node A Cụ thể Node B, C D mô tả Hình Tại Node B đề xuất chứng tỏ tiềm cho kết hợp đồng thời hai loại tài nguyên bước sóng mode thiết bị Mục đích đề xuất nâng cao dung lượng toàn hệ thống vi Hình Chức cấu trúc thiết kế đề xuất hệ thống Ngoài Node C D trình bày thiết kế thực chức chuyển đổi trao đổi mode linh hoạt kênh tín hiệu với Như biết, hầu hết laser phát mode bản, việc chuyển đổi qua lại mode thành mode bậc cao để thực ghép kênh/phân kênh quan trọng Ngoài ra, Node nhỏ (Node D) với chức ghép kênh/phân kênh cố định việc ghép kênh với Node lớn A cần đến trao đổi mode linh hoạt với hiệu suất chuyển đổi tín hiệu quang cao Trong luận án trình bày đề xuất cấu trúc thiết bị nhỏ gọn thực việc chuyển đổi trao đổi mode mà trước chưa công bố CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Cấu trúc luận án trình bày theo chương sau: Chương luận án trình bày kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mode hai thách thức lớn cần phải vượt qua để phát triển ứng dụng đa mode dựa mạch tích hợp quang tử silicon vii Ngồi ra, luận án trình bày khối xây dựng phổ biến thường nhà thiết kế sử dụng để xây dựng nên mạch tích hợp quang tử phức tạp Tiếp theo chương 2, 3, trình bày thiết kế xử lý tín hiệu đa mode dựa vật liệu SOI Trình bày nội dung chương theo cấu trúc thống chung là: (1) tổng quan tình hình nghiên cứu liên quan đến thiết kế đề xuất, (2) mô tả cấu trúc thiết bị, (3) mô đánh giá hiệu suất chuyển đổi quang thiết bị Sau tất phần kết luận, đóng góp luận án hướng phát triển luận án thời gian đến viii Mục lục Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mở đầu iii Nội dung ix Danh mục từ viết tắt xx Danh mục ký hiệu xxii CHƯƠNG TỔNG QUAN GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE DỰA TRÊN MẠCH TÍCH HỢP QUANG TỬ SILICON 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Ghép kênh phân chia theo mode 1.2.1 Giới thiệu ghép kênh phân chia theo mode 1.2.2 Thách thức cần vượt qua thứ nhất: Thiết kế ống dẫn sóng đa mode cắt ngang 1.2.3 Thách thức cần vượt qua thứ hai: Thiết kế thiết bị đa mode có khả tái cấu hình 1.3 Mạch tích hợp quang tử silicon 1.4 Cấu trúc khối mạch tích hợp quang tử silicon 1.4.1 Bộ ghép định hướng 1.4.2 Cấu trúc ống dẫn sóng chữ Y 11 1.4.3 Giao thoa kế Mach-Zehnder 14 1.4.4 Bộ cộng hưởng vòng 17 1.4.5 Cách tử Bragg 18 1.4.6 Bộ giao thoa đa mode MMI 21 ix ... lĩnh vực phát triển mạch quang tử phục vụ cho mạng viễn thông, cụ thể mạch tích hợp quang tử xử lý tín hiệu đa mode ứng dụng mạng quang ghép kênh phân chia theo mode MDM (Mode Division Multiplexing)... mục ký hiệu xxii CHƯƠNG TỔNG QUAN GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE DỰA TRÊN MẠCH TÍCH HỢP QUANG TỬ SILICON 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Ghép kênh phân chia theo mode ... án cấu trúc xử lý tín hiệu đa mode mạng ghép kênh phân chia theo mode MDM chip Các cấu trúc xử lý tín hiệu đa iii mode xây dựng từ khối bản, chủ yếu ba khối chức năng: giao thoa đa mode MMI, cấu