Tóm tắt: Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các hệ thống kết nối máy tính quang

Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các hệ thống kết nối máy tính quang.Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các hệ thống kết nối máy tính quang.Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các hệ thống kết nối máy tính quang.Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các hệ thống kết nối máy tính quang.Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các hệ thống kết nối máy tính quang.Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các hệ thống kết nối máy tính quang.Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các hệ thống kết nối máy tính quang.Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các hệ thống kết nối máy tính quang.Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các hệ thống kết nối máy tính quang.Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các hệ thống kết nối máy tính quang.Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các hệ thống kết nối máy tính quang.Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các hệ thống kết nối máy tính quang.

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG TĨM TẮT LUẬN ÁN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU QUANG ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỆ THỐNG KẾT NỐI MÁY TÍNH QUANG NCS: LÊ DUY TIẾN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY TÍNH Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Trung Thành TS Nguyễn Ngọc Minh Hà Nội-2023 Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Trung Thành PGS TS Nguyễn Ngọc Minh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Học viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông, 96A Trần Phú, P Mộ Lao, Hà Đông, Hà Nội Vào hổi: Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn Thơng MỞ ĐẦU Hiện nay, yêu cầu lưu lượng liệu tăng lên ứng dụng ngày đòi hỏi lượng liệu lớn ứng dụng video chất lượng cao, dịch vụ lưu trữ liệu trực tuyến mở rộng, gia tăng mạng xã hội điện toán đám mây Trong hệ thống tính tốn hiệu cao trung tâm liệu, kết nối board-to-board, rack-to-rack on-chip cần xử lý truyền dẫn liệu tốc độ cao mà đến giới hạn điện tử không đáp ứng Đặc biệt với phát triển công nghệ quang tử, kết nối quang trực tiếp đến nhà th bao, nhu cầu tính tốn, xử lý liệu miền quang cần thiết Các giải pháp tập trung vào truyền dẫn quang kết nối chip server, boardto-board rack-to-rack sử dụng điều chế bậc cao phù hợp để cân công suất tiêu thụ băng thông; xử lý liệu tốc độ cao chip sử dụng cổng logic, đệm trễ miền quang Nghiên cứu luận án tập trung giải số toán nêu kiến trúc tổng thể hệ thống kết nối, xử lý liệu quang hệ thống trung tâm liệu tính tốn quang Trong nghiên cứu này, luận án tập trung thiết kế số chức xử lý thông tin miền quang để dần thay hệ thống máy tính tính toán miền điện Các thiết kế hướng đến sử dụng cơng nghệ mạch tích hợp CMOS, tích hợp tất chip để tạo thành hệ thống máy tính tương lai Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu luận án nghiên cứu, thiết kế số cấu trúc xử lý thông tin, truyền dẫn tốc độ cao miền quang ứng dụng node chip/board, truyền dẫn liệu trung tâm liệu hệ thống tính toán hiệu cao Luận án đề xuất thiết kế cổng logic toàn quang sử dụng hiệu ứng giao thoa đa mode thay dùng hiệu ứng phi tuyến, thiết kế cấu trúc tạo tín hiệu bậc cao PAM-4 truyền dẫn hiệu hệ thống board-to-board, rack-to-rack on-chip kỹ thuật làm chậm tín hiệu miền quang ứng dụng để làm nhớ quang Nội dung nghiên cứu luận án Luận án nghiên cứu vấn đề xử lý liệu truyền dẫn kết nối hệ thống trung tâm liệu, hệ thống tính tốn hiệu cao tích hợp lai ghép quang, điện tồn quang Từ nghiên cứu module thành phần để chuyển dần sang miền quang cấu trúc vi cộng hưởng, giao thoa đa mode, đường dẫn tín hiệu quang, kỹ thuật làm nhanh làm chậm ánh sáng, kỹ thuật điều chế PAM-4 Luận án nghiên cứu kỹ thuật mơ hình mơ module đề xuất theo công nghệ quang tử silic, phù hợp với công nghệ chế tạo vi mạch CMOS hệ thống toàn quang tương lai Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án xử lý truyền dẫn liệu quang mạng kết nối quang, nghiên cứu cổng logic toàn quang, kỹ thuật làm nhanh làm chậm ánh sáng, hiệu ứng Fano EIT toàn quang ứng dụng làm chậm ánh sáng, tạo tín hiệu PAM-4 ứng dụng trung tâm liệu, hệ thống tính tốn hiệu cao hệ thống máy tính cỡ lớn Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng mơ hình tốn học, giải thích thiết kế cấu trúc dùng kỹ thuật mô số chuyên dụng để thiết kế, tối ưu hóa cấu trúc thành phần, cụ thể: - Phương pháp ma trận truyền dẫn: Mơ hình linh kiện miền quang ống dẫn sóng, ghép có hướng, ghép giao thoa đa mode MMI, vi cộng hưởng, cấu trúc giao thoa Mach-Zehnder qua ma trận - Phương pháp mô số: sử dụng phương pháp mô cho linh kiện quang sử dụng công nghiệp phương pháp EME (Eigenmode Expansion), FDTD (Finite Difference Time Difference), BPM (Beam Propagation Method) FDM (Finte Difference Method) Các mô miền điện quang ứng dụng để tìm kích thước tối ưu cho linh kiện hoạt động xác với ma trận thiết kế - Phương pháp tối ưu hóa: Sử dụng mô số tham số xung quanh tham số tìm theo tính tốn lý thuyết để tìm xác kích thước ứng dụng thực tiễn, sở dùng công nghệ chế tạo theo chuẩn CMOS Các thiết kế phù hợp với quy trình chế tạo chuẩn CMOS đến bước prototype Ý nghĩa khoa học thực tiễn Các kết luận án đóng góp cho lĩnh vực liên ngành kỹ thuật máy tính, hệ thống mạng, vi mạch điện tử tạo hướng nghiên cứu ứng dụng cụ thể hiệu ứng vật lý tính tốn quang máy tính tồn quang Bố cục luận án Luận án gồm chương: Chương trình bày khái niệm bản, số cấu trúc thành phần dùng đề thiết kế module xử lý thông tin quang cấu trúc vi cộng hưởng, cấu trúc giao thoa đa mode Kỹ thuật mơ hình hóa dùng giải tích mơ số để thiết kế đánh giá module trình bày Chương Chương trình bày thiết kế cổng logic toàn quang NAND, OR XNOR sử dụng cấu trúc tích hợp nhỏ gọn, suy hao thấp, tích hợp lớn để tạo thành mạch logic cỡ lớn Chương trình bày cấu trúc để tạo cổng logic toàn quang sử dụng công nghệ quang tử silic lai ghép plasmonic Chương trình bày thiết kế tạo cộng hưởng Fano EIT ứng dụng làm nhanh làm chậm ánh sáng Chương trình bày thiết kế tạo tín hiệu PAM-4 có nhiều ưu điểm để thay tín hiệu nhị phân, ứng dụng kết nối quang board-to-board đặc biệt hệ thống máy chủ, tác tầng chuyển mạch hệ thống trung tâm liệu Chương Tổng quan xử lý tín hiệu quang mạng Chương trình bày tổng quan hệ thống tính tốn hiệu cao trung tâm liệu toàn quang Một số cấu trúc để thiết kế nên cổng logic, trễ, tạo tín hiệu PAM4 xử lý truyền dẫn tín hiệu miền quang chương ống dẫn sóng, cấu trúc giao thoa đa mode, cấu trúc vi cộng hưởng trình bày Chương Các thành phần hệ thống tính tốn, kết nối máy tính quang nhớ quang, đệm, chuyển mạch quang, cổng logic tồn quang, tạo tín hiệu đa mức truyền dẫn tốc độ cao chip quang thiết kế từ thành phần Chương trình bày phương pháp mơ hình hóa mơ số để thiết kế sử dụng Luận án 1.1 Hệ thống tính tốn kết nối quang trung tâm liệu Trong năm gần đây, kiến trúc kết nối quang học khác cho DCN đề xuất Những kiến trúc phân loại kết hợp lai (hybrid) toàn quang (all-optical) Trong kiến trúc toàn quang, chuyển mạch quang triển khai DCN để thay EPS tầng lõi tầng tổng hợp DCN Tình hình nghiên cứu ngồi nước Các nghiên cứu tổng hợp nghiên cứu trước có số cách tiếp cận để thực cổng logic quang học dựa nhiều hệ thống vật liệu logic quang học dựa vật liệu phi tuyến, giao thoa kế Mach-Zehnder với dịch pha phi tuyến, khuếch đại quang bán dẫn (SOAs), hệ thống điện tử (MEMS), tinh thể quang tử dựa MMI, ống dẫn sóng Bragg, ống dẫn sóng plasmonic ống dẫn sóng giao thoa đa mode Trong năm qua, lý thuyết chung để thực xử lý tín hiệu quang dựa phần tử MMI trình bày Các đề xuất cấu trúc dựa 2x2, 3x3 5x5 MMI để triển khai nhiều cổng logic quang học bao gồm cổng NAND, OR, AND, NOT, XNOR NORs phát triển thêm dựa lý thuyết chung Tuy nhiên, cấu trúc logic quang sử dụng MMI trước phù hợp với tín hiệu OOK (On Off Keying), chưa phù hợp với tín hiệu điều chế pha đa mức ví dụ BPSK (Binary Phase Shift Keying), PAM-4 (Pulse Amplitude Modulation) mạng quang Các phương pháp quang tử khác đề xuất để tạo ánh sáng chậm ánh sáng nhanh sử dụng cấu trúc tinh thể hai chiều tán xạ Brillouin kích thích (SBS) Ánh sáng chậm ánh sáng nhanh tạo dựa thiết bị phân tán quang học cách tử Bragg sợi nghiêng cách tử Bragg sợi quang Gần đây, vi cộng hưởng đơn phi tuyến vật liệu silic thiết kế để thực nhớ quang thành cơng Các mạch tích hợp quang tử thực dựa silic thu hút quan tâm lớn ưu điểm kích thước nhỏ gọn, suy hao thấp độ ổn định cao Điều chế PAM-4 phù hợp để truyền dẫn, kết nối quang với công suất tiêu thụ phù hợp lại cho băng thông tốc độ truyền dẫn cao Để tạo tín hiệu PAM-4 truyền dẫn mạng quang, cấu trúc dựa điều chế MRM, điều chế travelling-wave Mach-Zehnder (TWMZM), MZI, điều chế polyme điện quang điều chế LiNbO3, hiệu ứng EIT đề xuất Các phương pháp có nhược điểm yêu cầu mạch phức tạp có dung sai chế tạo thấp Ngoài ra, cấu trúc sử dụng ghép định hướng nên khó điều khiển ghép định hướng để đạt tỷ lệ ghép xác 1.3 Các thành phần hệ thống tính tốn, kết nối tồn quang 1.3.1 Ống dẫn sóng (Optical waveguide-OWG) Ống dẫn sóng phẳng Hình 1.7; W chiều rộng ống dẫn sóng, nc , nf ns ( nf > ns nf > nc ) chiết suất vỏ, lõi đế ống dẫn sóng Giả sử z chiều truyền dẫn tín hiệu Ánh sáng truyền qua ống dẫn sóng theo nguyên tắc phản xạ tồn phần Việc phân tích ngun tắc truyền ánh sáng ống dẫn sóng phẳng thực theo phương pháp xấp xỉ quang hình học giải phương trình Maxwell ống dẫn sóng Hình 1.7 Ống dẫn sóng phẳng 1.3.2 Cấu trúc giao thoa đa mode (Multimode interference-MMI) Dựa vào cấu trúc giao thoa đa mode MMI, có nhiều cấu trúc thiết bị chức thiết kế chế tạo ghép quang, giám sát kênh quang, chuyển mạch điều chế quang sử dụng MZI, điều chế/giải điều chế, cổng logic quang, phân chia cực quang, định tuyến quang, giải mã quang, cảm biến quang laser Bộ cộng hưởng MMI kết hợp với thành phần khác để tạo linh kiện chức đặc biệt kết hợp với tinh thể quang, cộng hưởng quang,… Đặc tính ghép MMI đặc trưng ma trận, gọi ma trận truyền dẫn M Phương pháp phân tích MMI dựa vào ma trận truyền dẫn gọi phương pháp ma trận truyền dẫn, TMM Việc phân tích MMI dùng phương pháp TMM đơn giản, tính tốn nhanh cho kết xác Do vậy, nghiên cứu này, phương pháp TMM sử dụng 1.3.3 Bộ vi cộng hưởng (Microring Resonator-MRR) Mach Zehnder Bộ vi cộng hưởng MRR (Microring Resonator) hay cộng hưởng RR (Ring Resonator) ứng dụng rộng rãi thiết kế cấu trúc on-chip vi mạch quang, đặc biệt hệ thống máy tính quang chúng có kích thước nhỏ Rất nhiều thiết bị chức điều chế, giải điều chế, tách/ghép kênh, logic quang lọc quang thiết kế chế tạo dựa vào MRR RR Cấu trúc vi cộng hưởng phân tích dựa theo lý thuyết Yariv Từ đặc tính truyền dẫn vi cộng hưởng mô 1.2.4 Cộng hưởng Fano nhớ quang Do đặc điểm bất đối xứng cộng hưởng Fano, cộng hưởng Fano có nhiều ứng dụng thực tiễn Một số ứng dụng cộng hưởng Fano chuyển mạch quang với công suất cực nhỏ, lọc quang, tạo hiệu ứng suốt cảm ứng EIT (electromagnetic induced transparency), làm chậm nhanh ánh sáng, đệm nhớ quang thiết kế chế tạo thành công Gần hiệu ứng Fano EIT hệ thống nguyên tử phát hệ thống vi cộng hưởng quang Trong luận án này, hiệu ứng Fano EIT phát xảy cấu trúc đặc biệt, từ ứng dụng để điều khiển tán sắc vận tốc nhóm, tạo đệm nhớ quang 1.4 Kỹ thuật phân tích, mơ phỏng, thiết kế mạch quang 1.4.1 Phân tích giải tích dùng ma trận truyền dẫn Tín hiệu quang truyền dẫn mạch quang phân tích giải tích, sau dùng phương pháp mơ số để tối ưu hóa Thơng thường phương pháp phân tích truyền mode (MPA- Mode Propagation Analysis) sử dụng 1.3.2 Mô số Việc mơ linh kiện quang tích hợp việc giải phương trình Maxwell số Luận án sử dụng phương pháp dùng rộng rãi để mơ linh kiện quang tích hợp phương pháp BPM (Beam propagation method), FDTD (Finite difference time domain) EME (Eigenmode Expansion) Các phương pháp mô sử dụng phần mềm thương mại thiết kế công nghiệp chuyên dụng Omnisim Photon Design, OptiFDTD Optiwave Hình 1.11 Mơ tín hiệu quang truyền qua 3x3 MMI dùng BPM 1.5 Kết luận Chương Chương trình bày trung tâm liệu hệ thống tính tốn cỡ lớn sử dụng kiến trúc quang Các cấu trúc vi cộng hưởng, ống dẫn sóng, cấu trúc giao thoa đa mode, kỹ thuật mô số thiết kế dùng phương pháp giải tích trình bày chương Các đặc trưng cấu trúc MMI, ghép có hướng, cấu trúc giao thoa MachZehnder, cấu trúc vi cộng hưởng trình bày mơ hình tốn học chương Các lý thuyết làm sở để thực nội dung chương Chương Phân tích, thiết kế cổng logic tồn quang Chương trình bày ngun lý để tạo cổng logic tồn quang, từ đề xuất cấu trúc dựa vào 4x4 MMI 2x2 MMI kết nối để tạo thực chức logic toàn quang ứng dụng xử lý thông tin hệ thống tính tốn hiệu cao trung tâm liệu quang Hai cấu trúc tích hợp đế silic tương thích với cơng nghệ CMOS ứng dụng gồm SOI plasmonic để giảm kích thước linh kiện đề xuất thiết kế 2.1 Nguyên lý thực cổng logic quang Các chức logic quang học thực cách sử dụng giao thoa hai tín hiệu Các cổng logic quang học thực cách sử dụng ghép MMI với dịch pha Đối với cổng logic quang học dựa nguyên tắc MMI, thông tin mã hóa đầu vào đầu theo biên độ theo pha Trong nghiên cứu này, mã hóa pha thơng tin sử dụng cho tín hiệu đầu vào mã hóa biên độ sử dụng cho tín hiệu đầu Việc mã hịa phù hợp với tín hiệu mạng thơng tin quang Luận án sử dụng logic “1” biểu diễn 1e j logic “0” biểu diễn 0e j Để xác định mức logic đầu thiết bị, công suất ống dẫn sóng đầu cần so sánh với giá trị ngưỡng Điều thực điện tử cách kết nối cổng đầu với mạch định ngưỡng Một cách tiếp cận khác sử dụng thiết bị ngưỡng quang học dựa ghép MMI hoạt động thay sử dụng thiết bị ngưỡng điện tử 2.2 Cổng logic quang dùng 4x4 MMI Hình 2.1 (a) thể sơ đồ đề xuất để triển khai cổng logic quang dựa cấu trúc 4x4 2x2 MMI Biên độ phức cổng đầu y biểu diễn bởi: = y 0.5(jx1 + x2 + jx3 − x= ) 0.5(jx1 − x ) + 0.5(x2 + jx= ) f(x2 , x ) (2.1) Với x , x dao động cục x , x3 biến logic đầu vào y biến logic đầu Ở đây, giả định bước sóng phân cực tín hiệu dao động cục tín hiệu thông tin (a) (b) Wa=500nm Hình 2.1 (a) Lược đồ đề xuất cho cổng logic quang học (b) Tín hiệu ống dẫn sóng Trong nghiên cứu này, ống dẫn sóng SOI với chiều rộng 500nm, chiều cao 220nm chiều cao phiến 90nm sử dụng cho hoạt động chế độ đơn Mode tín hiệu quang ống dẫn sóng mơ theo phương pháp EME Từ phương trình (2.1) đạt cổng logic XOR, XNOR, OR NAND: Bảng 2.1 Bảng chân lý cho cổng XOR Logic đầu vào x (pha) (0) (0) (π ) (π ) x (pha) (- π /2) (π /2) (-π /2) (π /2) Bảng 2.2 Bảng chân lý cho cổng XNOR Logic đầu Logic đầu vào Logic đầu y = f (x , x ) x (pha) x (pha) y = f (x , x ) 1 Bảng 2.3 Bảng chân lý cho cổng OR (0) (0) (π ) (π ) (π /2) (-π /2) (π /2) 1(-π /2) 0 Bảng 2.4 Bảng chân lý cho cổng NAND Logic đầu vào Logic đầu Logic đầu vào Logic đầu x (pha) x (pha) y = f (x , x ) x (pha) x (pha) y = f (x , x ) (0) (0) (π ) (π ) (0) (π) (0) (π) 1 (0) (0) (π) (π) (0) (π) (0) (π) 1 11 Hình 2.11 (a) Lan truyền trường tín hiệu, (b) vị trí tự tạo ảnh độ dài khác (c) dịch pha thu Thực mô phỏng, truyền ánh sáng (light propagation) qua cổng logic nghiên cứu Các phương pháp số sử dụng cho mô Các mô cho thấy có phù hợp tốt với phân tích lý thuyết Chiều dài tối ưu 4x4 MMI 14,75µm chiều dài tối ưu ghép 2x2 MMI tìm thấy 3µm Cơng suất đầu chuẩn hóa cổng XNOR XOR cho bit tương ứng bước sóng khác Chúng ta thấy cơng suất đầu khơng đổi dải bước sóng lớn (khoảng 70nm) Kết cho thấy, băng thông 70nm từ 1530nm đến 1600nm, CR thay đổi từ 16dB đến 22dB 2.3.2 Thiết kế cổng NAND dùng plasmonic Sử dụng đầu vào dao động cục x = 1e j π /2 x = 1e j π /2 Đối với cổng đầu vào x x , pha-0 tương ứng với logic pha-π tương ứng với logic Bảng chân lý cho cổng logic NAND thể Bảng 2.7 Các mơ cho thấy có thống tốt với phân tích lý thuyết đưa Bảng 2.7 12 Bảng 2.7 Bảng chân lý cổng logic NAND sử dụng cấu trúc plasmonic Logic đầu vào x (pha) (0) (0) (π) (π) x (pha) (0) (π) (0) (π) Logic đầu y = f (x , x ) 1 (a) Đầu vào 00 (b) Đầu vào 01 (c) Đầu vào 10 (d) Đầu vào 11 Hình 2.17 Cổng NAND với tín hiệu đầu vào 00, 01, 10, 11 dùng plasmonic Công suất đầu không đổi phạm vi bước sóng lớn (khoảng 70nm) Kết CR cho cổng NAND băng thông 70nm từ 1530nm đến 1600nm, CR thay đổi từ 13dB đến 25,8dB 2.4 Kết luận Chương Trong chương này, nghiên cứu sinh trình bày cấu trúc để triển khai cổng logic XOR, OR, XNOR NAND toàn quang, cấu trúc để triển khai cổng logic XOR, XNOR toàn quang dựa ống dẫn sóng plasmonic lai silic , cấu trúc để triển khai cổng logic NAND toàn quang dựa ống dẫn sóng plasmonic lai silic Các cấu trúc đề xuất dựa 4x4 MMI nối tiếp với ghép 2x2 MMI chúng có ưu điểm dễ chế tạo, dung sai chế tạo lớn, tỷ lệ tương phản lớn băng thông cao Chương Phân tích, thiết cấu kiến trúc làm nhanh, chậm ánh sáng ứng dụng cho trễ/ đệm quang 13 Chương trình bày kỹ thuật thiết kế trễ, giam giữ làm trễ tín hiệu miền quang (giam giữ ánh sáng) sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode MMI vi cộng hưởng phối hợp với cấu trúc phản hồi Sagnac Các cấu trúc ứng dụng cho thiết kế đệm nhớ quang 3.1 Bộ đệm quang dùng vi cộng hưởng Nguyên lý thực làm nhanh làm chậm ánh sáng (fast and slow light) nghiên cứu dựa vào kỹ thuật điều khiển trễ nhóm âm dương tín hiệu qua vi cộng hưởng Từ đó, vận tốc anh sáng điều khiển qua cấu trúc Ở nghiên cứu sinh sử dụng phản xạ Sagnac để tăng cường thời gian làm nhanh làm chậm, thời gian nhớ ánh sáng lâu so với làm nhanh làm chậm trước 3.1.1 Cấu trúc Cấu trúc gồm N vi cộng hưởng ghép nối tiếp nhau, cuối kết nối với phản xạ Sagnac Toàn cấu trúc thiết kế sử dụng ống dẫn sóng silic, tương thích với cơng nghệ chế tạo vi mạch CMOS Hình 3.1 Bộ cộng hưởng vi mạch ghép nối tiếp với phản xạ vòng Sagnac 3.1.2 Cấu trúc vi cộng hưởng ghép nối tiếp Trong nghiên cứu này, cấu trúc SCISSOR kết hợp với phản xạ Sagnac sử dụng để tăng cường gấp đôi thời gian trễ thời gian làm nhanh so với cấu trúc đề xuất Cấu trúc gồm N vi cộng hưởng giống thiết kế Kết mô cho thấy việc làm nhanh làm chậm ánh sáng cải thiện N lần so với dùng vi cộng hưởng 3.1.3 Cấu trúc nhiều vi cộng hưởng sử dụng Sagnac Trong nghiên cứu này, nghiên cứu sinh sử dụng thêm ghép 1x2 cấu trúc Sagnac Hình 3.1 Mơ lấy ví dụ với N=1 Khi sử dụng Sagnac, trễ xung 43ps 83ps với N=1 tương ứng so với trễ xung 20ps 40ps không sử dụng Sagnac Việc làm nhanh xung đạt 25ps 50ps so với không sử dụng Sagnac 12ps 24ps tương ứng 14 Bằng cách điều khiển hệ số ghép ghép, việc làm nhanh chậm ánh sáng đạt được, làm nhanh chậm ánh sáng tăng cường gấp lần so với trước nhờ sử dụng cấu trúc Sagnac Kết lý thuyết phân tích dùng mơ hình tốn học sau đánh giá so sánh dùng thuật tốn mơ số FDTD Hình 3.9 thời gian trễ làm nhanh xung tương ứng với số vi cộng hưởng N từ đến tương ứng Kết so sánh sử dụng mơ FDTD phân tích lý thuyết tương đồng Hình 3.9 Thời gian trễ làm nhanh có khơng có phản xạ Sagnac 3.2 Bộ đệm quang dùng vi cộng hưởng 4x4 MMI 3.2.1 Cấu trúc nguyên lý hoạt động Sơ đồ cấu trúc thể Hình 3.11 Cấu trúc đề xuất bao gồm ghép 4x4 MMI kết nối với ghép MMI 4x4 thứ hai thông qua bốn cánh, với , bi , c i , d i (i=1, ,4) biên độ phức (complex amplitudes) ống dẫn sóng đầu vào đầu Hai vi cộng hưởng vòng đưa vào hai cánh di pha ϕ1 , ϕ2 cánh lại Ở đây, cách đưa hai di pha vào hai cánh, đạt hai hình dạng đường cộng hưởng Fano điều chỉnh độc lập dải tần số hẹp Bằng cách ghép nối tiếp hai hình dạng đường cộng hưởng Fano độc lập, đạt hiệu ứng EIT (Electromagetic Induced Transparency) 15 Hình 3.11 Sơ đồ vi cộng hưởng kết hợp với cấu trúc 4x4 GMZI Các thơng số tính tốn sử dụng thiết kế sau: ống dẫn sóng có độ dày silic tiêu chuẩn hco = 220nm chiều rộng ống dẫn sóng truy cập Wa = 0,5 µm cho hoạt động chế độ đơn mode Giả thiết thiết kế dành cho phân cực TE bước sóng quang trung tâm λ = 1550nm Bằng cách sử dụng mô BPM, chiều rộng tối ưu MMI tìm thấy WMMI = 6µm cho thiết bị nhỏ gọn hiệu suất cao Mô 3D-BPM cho ghép 4x4 MMI nối tiếp cho thấy chiều dài tối ưu ghép MMI tìm thấy LMMI = 141,7 µm Nghiên cứu hàm truyền có dạng phổ cộng hưởng Fano hình dạng điều chỉnh cách điều chỉnh dịch pha ϕ1 ϕ2 Hình 3.16 Hiệu ứng EIT tạo cấu trúc Các mô FDTD thể phù hợp tốt với phân tích lý thuyết 16 Hình 3.17 Mô FDTD linh kiện 3.4 Kết luận Chương Chương này, nghiên cứu sinh đề xuất cấu trúc làm nhanh làm chậm ánh sáng sử dụng cấu trúc nhiều ghép kết hợp phản xạ Sagnac Kết cho thấy hệ thống có khả tăng cường gấp đôi so với hệ thống cũ Chương nghiên cứu sinh trình bày nghiên cứu cấu trúc để đạt hình dạng phổ cộng hưởng Fano điều chỉnh hiệu ứng giống EIT Cấu trúc đề xuất dựa giao thoa đa mode 4x4 Bằng cách ghép nối tiếp hai cộng hưởng Fano độc lập, hiệu ứng EIT đạt Thiết kế thiết bị đề xuất dựa ống dẫn sóng silic Tồn cấu trúc linh kiện chế tạo chip công nghệ CMOS Phương pháp giải tích phương pháp BPM sử dụng để phân tích thiết kế linh kiện Sau đó, phương pháp FDTD sử dụng để so sánh với phương pháp phân tích Nghiên cứu sinh nghiên cứu cộng hưởng Fano đề xuất cấu trúc tạo cộng hưởng Fano Từ kết nghiên cứu này, nhớ quang, xử lý tín hiệu quang mạng máy tính quang tiếp tục nghiên cứu Chương Phân tích thiết kế cấu trúc tạo tín hiệu đa mức PAM-4 cho hệ thống kết nối máy tính quang Chương trình bày phương pháp tạo tín hiệu PAM-4 dùng 3x3 MMI 4x4 MMI sử dụng hiệu ứng Fano để giảm công suất tăng băng thơng, ứng dụng cho hệ thống tính tốn quang, truyền dẫn hệ thống trung tâm liệu yêu cầu tốc độ cao 4.1 Tạo tín hiệu PAM-4 dùng 3x3 MMI 17 Trong năm gần đây, số cấu trúc dựa ghép 3x3 MMI cho độ suốt cảm ứng điện từ (EIT), tạo hiệu ứng Fano, cảm biến sinh học có độ nhạy cao nghiên cứu đề xuất thiết kế Tuy nhiên, ghép 3x3 MMI áp dụng cho mạch tích hợp quang để có tốc độ cao, kết nối quang chip hệ thống tính tốn hiệu suất cao mạng trung tâm liệu chưa thành thực Do đó, nghiên cứu này, nghiên cứu sinh trình bày đề xuất kiến trúc để thực hệ thống tín hiệu PAM-4 cách sử dụng cộng hưởng vòng dựa ghép nối 3x3 MMI Các mạch quang tử tích hợp silic quy mơ lớn trở nên khả thi thực tế Hình 4.4 sơ đồ kiến trúc PAM-4 đề xuất dựa cộng hưởng vịng 3x3 MMI Hình 4.4 Kiến trúc hệ PAM-4 dựa cộng hưởng vòng dựa ghép MMI 3x3 với hai dịch pha phân đoạn Để hoạt động xác phân tích lý thuyết phương pháp ma trận, mô số ghép 3x3 MMI thực để tìm chiều dài tối ưu ghép MMI 107,8µ m Kết cho thấy dung sai chế tạo ±30nm theo chiều dài MMI gây dao động công suất đầu 0,05 so với công nghệ chế tạo CMOS có với lỗi chế tạo ±5nm , cộng hưởng vi mạch dựa ghép 3x3 MMI GI có chế tạo dung sai lớn Để đạt bốn mức PAM-4 0,2, 0,4, 0,6 0,8, cần dịch pha nhỏ cấu trúc đề xuất so với cấu trúc trước Bằng cách áp dụng hai tín hiệu điện nhị phân độc lập non-return-to-zero (NRZ) V0 V1 với điện áp đỉnh-đỉnh khác hai ống dẫn sóng đầu ra, bốn mức khác biệt cho bit liệu 00, 01, 10, 11 thu nhận công suất Mơ hình hóa sử dụng để tìm điện áp cần thiết để đạt mức cơng suất cách nhau, đồng thời khai thác tồn dải động trình truyền đầu 18 Bảng 4.1 Mức PAM-4 dựa hai di pha phân đoạn PAM-4 Bits Mức PAM-4 (Truyền chuẩn hóa) Dịch pha cần thiết cho MZM thơng thường Dịch pha cần thiết cho cấu trúc đề xuất 00 V0 (0,2) 2,23 rad 0,63 rad 01 V1 (0,4) 1,77 rad 0,50 rad 10 V2 (0,6) 1,37 rad 0,38 rad 11 V3 (0,8) 0,94 rad 0,24 rad Toàn nguyên lý làm việc thiết bị xác minh cách sử dụng mơ FDTD Hình 4.10 cho thấy mô FDTD cho mức PAM-4: 00, 01, 10 11 đưa vào dịch pha phân đoạn tương ứng Kết mô FDTD cho thấy kết phù hợp với phân tích lý thuyết dùng giải tích Hình 4.9 Các dịch pha cần thiết cho mức PAM-4 Bảng 4.2 So sánh kiến trúc PAM-4 Nghiên cứu (trong TLTK) [177] [38] [119] [31] [41] [84] Luận án Kiến trúc Kiểu DD- MZM SD-MZM SD-MZM DD-MZM MZI MRR DD-MIM Fano PIN PN PN PN Two PN Two PN Two PN 4.2 Tạo tín hiệu PAM-4 dùng 4x4 MMI Vπ L (V.cm) 2,5 2,5 2,8 2,62 NA 3,2 1,2 ER (dB) Vpp (V) 2,5 4,7 3,8 25 5,2 13,8 1,66 2,5 4,8 1,6 4,92 1,6 19 Sơ đồ đề xuất cho tín hiệu PAM-4 sử dụng ghép 4x4 MMI thể Hình 4.14 (a) Cấu trúc sử dụng hai phân đoạn dịch pha tiếp giáp PN, sử dụng hiệu ứng phân tán plasma ống dẫn sóng silic Cấu trúc ống dẫn sóng silic quang học dịch pha PN thể Hình 4.14 (b) Sự thay đổi số khúc xạ mơ tả mơ hình Soref Bennett (b) Hình 4.14 (a) Sơ đồ tín hiệu PAM-4 dựa ghép 4x4 MMI (b) dịch pha PN junction với độ lệch dự trữ thông số cấu trúc ống dẫn sóng Hình 4.15 Mode tính phương pháp EME Qua phân tích tính tốn sử dụng mô BPM, kết chiều rộng MMI tối ưu WMMI = 6µm cho thiết bị nhỏ gọn hiệu suất cao Chiều dài tính tốn ghép 4x4 MMI tìm thấy LMMI = 141,7 µm Hình 4.16 tín hiệu đầu vào cổng Truyền dẫn chuẩn hóa thiết bị cộng hưởng hệ số suy hao α = 0.995 thể Hình 4.18 Kết cho thấy mức tiêu thụ điện để đạt PAM-4 đa mức thấp nhiều so với cấu trúc thông thường dựa điều chế Mach Zehnder 20 Hình 4.18 Truyền dẫn cộng hưởng với dịch pha khác Hình 4.19 Truyền dẫn cấu trúc đề xuất cho bit liệu đầu vào 00, 01, 10, 11 4.3 Tạo tín hiệu PAM-4 khơng chirp Trong nghiên cứu này, nghiên cứu sinh trình bày kiến trúc để thực hệ thống tạo tín hiệu PAM-4 cách sử dụng ghép nối 4x4 MMI ghép nối tiếp không chirp (without chirp) Hai ghép MMI 4x4 hoạt động hai vi cộng hưởng với tỷ lệ ghép nối kiểm soát Bộ vi cộng hưởng điều khiển hoạt động vùng ghép nối Hai dịch pha ống dẫn sóng vịng sử dụng cấu hình push-pull để có tham số khơng chirp Do đó, giảm đáng kể mức tiêu thụ điện so với kiến trúc MZI thông thường Luận án đạt băng thơng dung sai chế tạo cấu hình đề xuất so với cấu trúc thơng thường Hình 4.20(a) thể sơ đồ kiến trúc PAM-4 dựa 4x4 MMI ghép nối tiếp Cấu trúc dịch pha sử dụng cho hệ PAM-4 điều khiển khớp nối quan trọng cho vi cộng hưởng thể Hình 4.20 (b) Cấu trúc ống dẫn 21 sóng với lõi Si khơng pha tạp P vùng N thể Hình 4.20 (c) Một cộng hưởng vi mơ có bán kính 15 µ m sử dụng Ống dẫn sóng có chiều rộng 500 nm chiều cao 220 nm, nằm phiến 90 nm cho chế độ hoạt động đơn (b) Hình 4.20 (a) Sơ đồ tạo tín hiệu PAM-4 dựa ghép 4x4 MMI nối tiếp (b) Hình chiếu cắt ngang dịch pha (c) chế độ ống dẫn sóng sườn SOI Sử dụng phương pháp truyền lan, chiều rộng chiều dài ghép MMI tìm thấy µm 225 µm tương ứng Hình 4.24 mô đáp ứng pha cấu trúc đề xuất luận án Kết mô cho thấy tất pha không, giá trị liệu đầu vào áp dụng Kết là, cấu trúc đề xuất có khả điều chế zero-chirp 22 Hình 4.24 Đáp ứng pha linh kiện zero chirp đề xuất Hình 4.25 So sánh MZM kiến trúc hệ PAM-4 đề xuất nghiên cứu Bảng 4.2 Các mức PAM-4 dựa hai dịch pha phân đoạn Bit Điện áp yêu cầu cho mức PAM-4 Dịch pha cần thiết cho MZM Dịch pha cộng hưởng (Push) Dịch pha cộng hưởng (Pull) 00 01 10 11 V0 (0,2) V1 (0,4) V2 (0,6) V3 (0,8) 2,23 rad 1,77 rad 1,37 rad 0,92 rad 0,08 rad 0,12 rad 0,16 rad 0,21 rad 0,21 rad 0,16 rad 0,12 rad 0,08 rad 23 Hình 4.26 Dịch pha cần thiết cho mức PAM-4 (chuẩn hóa) 4.4 Kết luận Chương Trong chương này, nghiên cứu sinh đã trình bày kiến trúc để đạt tín hiệu PAM-4 sử dụng ghép 3x3 MMI dựa công nghệ CMOS, đề xuất hai phương pháp thực điều chế PAM-4 ứng dụng cho hệ thống kết nối quang mạng trung tâm liệu lớn Phương pháp đề xuất cung cấp dung sai chế tạo tốt băng thơng cao, đặc biệt thích hợp cho hệ thống phức tạp với số kênh tích hợp chip Một cấu trúc điều chế sử dụng ghép giao thoa đa mode cổng vào, kết hợp với hai dịch pha cho bits thơng tin Ở cấu trúc cịn lại, cấu hình push-pull sử dụng hai vi cộng hưởng vịng, đạt zero chirp Cấu trúc tạo hình dạng giống Fano nghiên cứu sinh sử dụng đặc tính để giảm mức tiêu thụ điện xuống mức thấp, với mức thấp từ đến 28 lần so với hệ PAM-4 dựa Mach Zehnder Modulator (MZM), tương ứng KẾT LUẬN Luận án nghiên cứu, đề xuất thiết kế cổng logic toàn quang NAND, XNOR, OR, XOR sử dụng cấu trúc MMI nhất, giúp cho giảm kích thước, suy hao thấp, hiệu hoạt động cao, từ có khả kết nối để tạo thành mạch logic phức tạp xử lý tín hiệu tồn quang module tính tốn quang hệ thống tính tốn hiệu cao trung tâm liệu Luận án đề xuất thiết kế cấu trúc tích hợp quang tạo hiệu ứng Fano EIT dùng cho nhớ quang, làm nhanh làm chậm ánh sáng Cấu trúc cho phép giam giữ ánh sáng để lưu thông tin miền toàn quang Cuối luận án đề xuất phương pháp 24 để tạo tín hiệu điều chế mức PAM-4 ứng dụng cho truyền dẫn chip board, máy chủ kết nối quang với ưu điểm nâng tốc độ truyền dẫn, giải vấn đề nghẽn băng thơng tính tốn Các đóng góp luận án Luận án có đóng góp chính: Đã phân tích thiết kế số cổng logic toàn quang thực chức NAND, XNOR, XOR OR sử dụng cấu trúc tích hợp 2x2 4x4 MMI kết nối với sử dụng hiệu ứng giao thoa plasmonics, ứng dụng node mạng chip board hệ thống kết nối quang Đã phân tích, đề xuất thiết kế cấu trúc tạo cộng hưởng Fano EIT sử dụng MMI kết hợp vi cộng hưởng ứng dụng làm nhanh làm chậm ánh sáng tạo trễ/đệm quang để xử lý, làm trễ tín hiệu quang ứng dụng node định tuyến xử lý tiêu đề gói tin quang truyền dẫn chip hệ thống kế nối, tính tốn hiệu cao miền quang Đã đề xuất thiết kế tạo tín hiệu PAM-4 so với tín hiệu số OOK (On-Off Keying) truyền thống sử dụng cấu trúc 3x3 MMI 4x4 MMI nhằm tăng băng thông, tốc độ liệu ứng dụng kết nối quang trung tâm liệu hệ Cấu trúc có ưu điểm tích hợp chip, từ tạo nhiều cổng kết nối board đơn ứng dụng cho trung tâm liệu hệ thống tính tốn hiệu cao miền quang Hướng phát triển luận án Trên sở kết đạt được, luận án có số hướng phát triển tương lai như: - Tích hợp cổng logic quang với thiết bị chủ động (active devices) để tạo vi mạch logic khả trình FPGA quang, khối số học logic học ALU quang [54] để xây dựng hệ thống máy tính quang - Thiết kế nhớ RAM ROM quang, từ xây dựng CAM (Content Addressable Memory) ứng dụng hệ thống tính tốn quang sở cấu trúc làm nhanh làm chậm ánh sáng đề xuất luận án 25 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CƠNG BỐ [CT01] Le Duy Tien, Le Trung Thanh, and Laurence W Cahill, "Optical Signal Processing Based on 4×4 Multimode Interference Structures", 2018 20th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON), DOI:10.1109/ICTON.2018.8473586, July 2018 [CT02] Nguyen Thi Hong Loan, Le Duy Tien, Nguyen Anh Tuan, Le Minh Duong, and Le Trung Thanh, "All-Optical XNOR and XOR Logic Gates Based on Ultra-Compact Multimode Interference Couplers Using Silicon Hybrid Plasmonic Waveguides", in Communications, Signal Processing, and Systems, Singapore, Q Liang, W Wang, X Liu, Z Na, and B Zhang, Eds., 2022: Springer Singapore, pp 1072-1079 [CT03] Nguyen Thi Hong Loan, Le Duy Tien, Nguyen Anh Tuan, and Le Trung Thanh, "UltraCompact All-Optical NAND Logic Gates Based on × MMI Coupler Using Silicon Hybrid Plasmonic Waveguides", in Recent Advances in Electrical and Electronic Engineering and Computer Science, Singapore, Z Zakaria and S S Emamian, Eds., 2022// 2022: Springer Singapore, pp 69-75 [CT04] Le Duy Tien, Nguyen Manh Cuong, and Le Trung Thanh, "Fast and slow light enhancement using cascaded microring resonators with the Sagnac reflector", Optik - International Journal for Light and Electron Optics, vol 131, pp 292–301, Feb 2017 [CT05] Le Duy Tien and Le Trung Thanh, “Fano Resonance and EIT-like effect based on 4x4 Multimode Interference Structures”, International Journal of Applied Engineering Research, vol 12, no 13, pp 3784-3788, 2017 [CT06] Le Duy Tien and Le Trung Thanh, “On-Chip Generation of PAM-4 Signals Based on a 3x3 MMI Architecture for Optical Interconnect and Computing Systems”, Communications, Signal Processing, and Systems (pp.1064-1071), Proceedings of the 10th International Conference on Communications, Signal Processing, and Systems, Vol.1, DOI:10.1007/978-981-19-0390-8_134 [CT07] Le Duy Tien, Nguyen Ngoc Minh, and Le Trung Thanh, “Development of PAM-4 signaling for high performance computing, supercomputers and data center systems”, Tạp chí khoa học cơng nghệ thơng tin truyền thông, Số 01 (CS.01) 2017 [CT08] Le Duy Tien, Nguyen Ngoc Minh, and Le Trung Thanh, "Zero-Chirp and Low Power PAM4 Modulation Based on SOI Cascaded Multimode Interference Structures”, DOI: 10.13164/re.2022.0001, RADIOENGINEERING, vol 31, no 1, APRIL 2022 [CT09] Le Duy Tien and Le Trung Thanh, "Coupled Resonator Induced Transparency (CRIT) Based on Interference Effect in 4x4 MMI Coupler", International Journal of Computer Systems (IJCS), vol 4, no 5, pp 95-98, May 2017 [CT10] Le Duy Tien, Nguyen Anh Tuan, and Le Trung Thanh, "Ultra-Low Power PAM-4 Generation Based on a Cascaded 2x2 MMI Coupler for Optical Interconnect and Computing Systems", International Journal of Microwave and Optical Technology, vol 17, no 1, 2022