Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử

Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử.

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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 Hiện tại, công nghệ này đang được nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây 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

2 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 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 là các cấu trúc 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

3 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

4 Mục tiêu của luận án

Luận án hướng đến là phát triển các kiến trúc xử lý tín hiệu quang đa mode dựa trên công cụ mạch tích hợp quang tử Trong phần báo cáo, luận án sẽ đề xuất một số cải tiến về chức năng trong bộ chuyển mạch quang đa mode, đồng thời luận

án cũng đề xuất ba cấu trúc liên quan đến các node kết nối với

bộ chuyển mạch đó trong mạng ghép kênh phân chia theo mode

5 Cấu trúc của luận án

Cấu trúc luận án sẽ được trình bày theo các chương như sau: Chương 1 của luận án trình bày kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mode và hai thách thức lớn nhất cần phải vượt qua để phát triển các ứng dụng đa mode dựa trên mạch tích hợp quang tử silicon Ngoài ra, luận án cũng trình bày các khối xây dựng cơ bản phổ biến nhất thường được các nhà thiết kế

sử dụng để xây dựng nên các mạch tích hợp quang tử phức tạp Tiếp theo là các chương 2, 3, 4 sẽ trình bày lần lượt các thiết

kế xử lý tín hiệu đa mode dựa trên nền vật liệu SOI Trình bày nội dung trong các chương sẽ đi theo một cấu trúc thống nhất chung là: (1) tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến thiết kế được đề xuất, (2) mô tả cấu trúc thiết bị, (3) mô phỏng

và đánh giá hiệu suất chuyển đổi quang của thiết bị Sau tất cả

là phần kết luận, đóng góp chính của luận án và hướng phát triển luận án trong thời gian sắp đến

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE DỰA TRÊN MẠCH TÍCH HỢP QUANG TỬ

SILICON

1.1 Ghép kênh phân chia theo mode

Công nghệ ghép kênh phân chia theo mode (MDM) đang được chú ý bởi các nhà nghiên cứu khoa học, bởi vì công nghệ này cung cấp một cách tiếp cận mới để đạt được ghép nhiều kênh hơn và có khả năng nâng cao các liên kết trong cùng một bước sóng mang đơn [9] Trong hệ thống MDM, mỗi tín hiệu được điều chế trên một mode trực giao khác nhau và được dẫn trong cùng một ống dẫn sóng đa mode Theo đó, số lượng kênh tín hiệu ghép trên cùng một đường truyền sẽ tăng lên nếu số lượng các bậc mode trực giao khác nhau tăng lên Ngoài ra, theo dự đoán của các nhà nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ ghép kênh phân chia theo mode vào trong mạng ghép kênh phân chia theo bước sóng sẽ hỗ trợ rất tích cực để tăng dung lượng cho hệ thống Sự kết hợp này sẽ mở ra một hướng phát triển rực rỡ cho mạng thông tin quang trên chip trong tương lai gần Tuy nhiên, sự tham gia của các mode bậc cao trong các hệ thống MDM tạo ra một số thách thức lớn khi

xử lý các tín hiệu đa mode này Do vậy, bên cạnh phải nghiên cứu, thiết kế các thiết bị tương ứng tại các trạm phát, node và trạm nhận theo thông thường phải có thì các nhà nghiên cứu còn phải quan tâm đến các thách thức mà hệ thống quang đa mode đang gặp phải Dưới đây là hai thách thức cần phải vượt qua trong mạch tích hợp quang tử silicon để phát triển mạng MDM

1.1.2 Thách thức cần vượt qua thứ nhất: Thiết kế ống dẫn sóng đa mode cắt ngang nhau

1.1.3 Thách thức cần vượt qua thứ hai: Thiết kế các thiết bị đa mode

có khả năng tái cấu hình

5

1.2 Mạch tích hợp quang tử silicon

Trong những năm gần đây, mạch tích hợp quang tử silicon trên nền cách điện (SOI) đã trở nên phổ biến hơn vì khả năng tương thích với các công nghệ chế tạo CMOS Công nghệ này đã chứng minh được khả năng kiểm soát khắc tuyệt vời, chi phí thấp và thực hiện với khối lượng lớn Hơn nữa, vật liệu silicon có một cửa sổ trong suốt rất rộng bao phủ dải bước sóng

từ ánh sáng gần vùng hồng ngoại đến vùng giữa hồng ngoại, điều này rất quan trọng để đạt được sự suy hao thấp trên ống dẫn sóng quang học trên chip [59-63] Bên cạnh đó, các thiết bị tích hợp quang tử silicon siêu nhỏ gọn có thể được thực hiện nhờ độ tương phản chỉ số chiết suất rất lớn giữa lớp lõi và vỏ Tuy nhiên, bản chất dải tần gián tiếp của silicon vẫn là rào cản lớn nhất đối với việc tích hợp PIC hoạt động với laser, cũng như các bộ tách sóng quang trên đó Tiến bộ gần đây trong tích hợp không đồng nhất bằng cách kết hợp các vật liệu khác nhau cung cấp một giải pháp đầy hứa hẹn cho công nghệ vật liệu silicon Hầu hết các PIC thường chỉ được thiết kế với mode cơ bản vì làm việc với các mode bậc cao thường gặp các vấn đề khó giải quyết như nhiễu xuyên kênh giữa các mode và suy hao do nhiễu đa mode khá lớn [64] Do đó, các ống dẫn sóng quang thường được thiết kế mode cơ bản theo điều kiện mode đơn, vì vậy các mode bậc cao khi truyền trong ống dẫn sóng này sẽ bị chặn lại Tuy nhiên, nhờ tiến bộ của công nghệ chế tạo và sự tiến bộ trong việc xử lý tín hiệu đa mode đã mở ra một hướng nghiên cứu mới cho ngành quang tử silicon đa mode [65]

1.3 Cấu trúc các khối cơ bản trong mạch tích hợp quang tử silicon

Các khối cơ bản thường xuyên được sử dụng trong mạch tích hợp quang tử silicon sẽ được mô tả trong chương

này Các khối cơ bản này đóng vai trò quan trọng để xây dựng nên các mạch tích hợp phức tạp, cụ thể là các bộ tách/ghép ánh sáng (bộ ghép định hướng và cấu trúc chữ Y), giao thoa kế Mach Zehnder, bộ cộng hưởng vòng, cách tử Bragg và bộ giao thoa đa mode MMI

CHƯƠNG 2: BỘ CHUYỂN ĐỔI BỐN MODE BẤT KÌ

TE0/TE1/TE2/TE3

Trong chương này, luận án đề xuất một cấu trúc chuyển đổi mode bất kỳ cho bốn mode TE0 / TE1 / TE2 / TE3 (Hình 2.3) Thiết bị có một đầu vào và một đầu ra, bao gồm một bộ ghép giao thoa đa mode MMI 4x4 và hai bộ ghép nối chữ Y 1x4 ghép đối xứng nhau ở hai cổng vào ra của thiết bị Các cặp chuyển đổi mode được xác định bởi bốn bộ dịch pha được bố trí ở đầu vào và đầu ra của bộ ghép MMI Lưu ý rằng

so với các thiết bị chuyển đổi mode tùy ý NxN [56, 57], thiết bị được đề xuất chỉ ra số lượng bộ ghép nối giao thoa đa mode MMI ít hơn, có được điều này là nhờ vào sự cải tiến bộ ghép nối chuyển đổi mode chữ Y ở một đầu vào và một đầu ra đơn giản Thông qua mô phỏng sử dụng phương pháp lan truyền chùm tia (BPM) kết hợp với phương pháp chiết suất hiệu dụng (EIM), luận án chứng minh bằng cách điều khiển các bộ dịch pha 00 hoặc 1800, thì tất cả 16 cặp chuyển đổi khác nhau của mode TEi / TEj (i, j = 0, 1, 2, 3) được thực hiện thành công Kết quả mô phỏng cho thấy thiết bị có tiềm năng đạt được hiệu suất chuyển đổi mode cao trong dải bước sóng rộng từ 1530

nm đến 1565 nm

7

Hình 2.13 hiển thị các phân bố trường dọc theo thiết bị cho lần lượt các mode đầu vào TEi và thu được các mode TEj, trong đó i, j = 0, 1, 2, 3 Các đường dẫn ánh sáng truyền qua qua bộ ghép nối chữ Y và bộ ghép nối MMI cũng được tuân theo chính xác nguyên tắc hoạt động được trình bày trong phần lý thuyết Các kết quả này xác nhận hoạt động thành công của chuyển đổi mode tùy ý giữa các mode TE0, TE1, TE2

và TE3 của thiết bị

Hình 2.13 Hình ảnh phân phối trường điện cho quá trình chuyển đổi mode

từ mode TEi sang TEj (i = j = 0,1,2,3)

CHƯƠNG 3: BỘ CHUYỂN MẠCH MODE KHÔNG TẮC

3.1 Bộ chuyển mạch lựa chọn bốn mode TE0/TE1/TE2/TE3

Trong phần này, luận án sẽ đề xuất một thiết kế mới về chuyển mạch lựa chọn mode có thể hỗ trợ nhiều kênh mode thông tin hơn trong hệ thống MDM (Hình 3.2) Thiết kế này cho phép bốn mode TEi (i = 0, 1, 2, 3) được truyền đến đầu ra đồng thời, có sự lựa chọn ưu tiên và không bị tắc nghẽn giữa các luồng tín hiệu Quan trọng hơn, cấu trúc này đạt được hiệu

chuyển đổi bốn mode đã được trình bày trong chương 2 và xuất bản trong [85] Bằng cách đặt giá trị thích hợp cho các bộ dịch pha (PS) thì sẽ không có xung đột nào xảy ra khi truyền bốn mode đồng thời ở ngõ vào Để thể hiện ý tưởng về bộ lựa chọn mode không tắc nghẽn này, luận án sử dụng mô phỏng

số dựa trên phương pháp truyền chùm (BPM) kết hợp với phương pháp chỉ số hiệu dụng (EIM) để thiết kế và tối ưu hóa thiết bị Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng hiệu suất chuyển đổi của tín hiệu ở đầu ra luôn đạt trên 98% ở bước sóng trung tâm 1,55 µm và nhiễu xuyên kênh luôn nhỏ hơn -19 dB trong toàn

ra chính xác như được đề cập trong phần lý thuyết trước đó

Hình 3.6 Hình ảnh phân bố trường của các mode TEi (i = 0,1,2,3) đến các

cổng đầu ra Oj (j = 1,2,3,4)

11

3.2 Bộ chuyển mạch mode cơ bản 4x4

Trong phần này, luận án đề xuất một bộ chuyển mạch mode quang cơ bản TE0 có thể chuyển mạch từ bốn cổng đầu vào đến bốn cổng đầu ra mà không bị tắc nghẽn (Hình 3.17) Mười bộ dịch pha với giá trị 1800 hoặc 900 được đặt giữa các cổng vào ra của bộ giao thoa đa mode MMI để xác định đường

đi cho các tín hiệu Hoạt động của thiết bị chủ yếu là dựa vào tính chất các bộ giao thoa đa mode MMI 4x4 được thiết kế trên lớp silicon dày 220 nm Luận án sử dụng phần mềm mô phỏng

số truyền chùm 3D-BPM kết hợp với phương pháp chỉ số hiệu dụng EIM để đánh giá hiệu suất chuyển đổi mode quang khi

phát tín hiệu quang ở bất kì cổng vào nào và đo công suất quang ở cổng ra Thiết bị có thể chuyển mạch thành công trong

24 trường hợp với hiệu suất luôn trên 92% tại bước sóng trung tâm 1,55 µm Hơn nữa, nhiễu xuyên kênh giữa các cổng đầu ra luôn nằm trong khoảng -80 dB đến -30 dB trong một dải băng rộng 35 nm

Dưới đây là hình ảnh phân bố trường từ cổng vào I(1,2,3,4)đến cổng ra O(1,3,2,4) theo trường hợp TH3 (Hình 3.18) Luận án cũng đã kiểm chứng thông qua mô phỏng, hình ảnh phân bố trường của các trường hợp còn lại cho thấy hoạt động cũng đúng như lý thuyết đã trình bày ở trên

Khảo sát tất cả các trường hợp chuyển mạch, giá trị suy hao chèn luôn lớn hơn -18 dB, và nhiễu xuyên kênh luôn dao động từ -80 dB đến -38 dB trong dải bước sóng từ 1530 nm tới

1565 nm Xét tại bước sóng trung tâm 1550 nm, bước sóng mà hầu hết các hệ thống thông tin quang đang sử dụng hiện nay thì suy hao chèn luôn nhỏ hơn 0,3 dB trong tất cả 24 trường hợp Điều đó có nghĩa là hiệu suất truyền dẫn quang thành công luôn lớn hơn 92%

13

3.3 Kết quả chế tạo và đo kiểm bộ giao thoa đa mode MMI 4x4

Dựa trên quy trình thiết kế và chế tạo một mạch tích hợp quang tử silicon được trình bày ở phần phụ lục, luận án

đã thiết kế bộ giao thoa đa mode MMI 4x4 trên phần mềm IPKISS của hãng Luceda, đồng thời chế tạo và đo kiểm thiết bị này tại phòng thí nghiệm MNRF, thuộc trường Đại học RMIT, Melbourne, Úc

Luận án xây dựng hai kịch bản đo kiểm tín hiệu trên

bộ giao thoa đa mode MMI 4x4, mục đích là đánh giá bộ giao thoa chế tạo trên thực tế có đạt được tính chất mong muốn như

đã trình bày trong phần tính chất bộ giao thoa đa mode đã trình bày trong phần lý thuyết hay không?

Kết quả đo đạt chứng tỏ thiết kế là phù hợp với tính chất lý thuyết đã đưa ra Một điểm đáng chú ý từ kết quả đo cho thấy rằng, trong bộ giao thoa đa mode MMI 4x4 thì chuyển mạch giữa hai tín hiệu cùng pha (3.25(a) và 3.26(a)) sẽ cho kết quả tốt hơn so với chuyển mạch giữa hai tín hiệu ngược pha (3.25(b) và 3.26(b))

Theo nhóm chế tạo thì thiết bị chế tạo đã đạt yêu cầu kiểm chứng về sự đáp ứng tính chất chuyển mạch đúng giữa các cổng vào ra của bộ MMI 4x4 Việc chế tạo thử nghiệm này rất có ý nghĩa trên thực tế của luận án Vì qua chế tạo này không chỉ đánh giá được tính chất biên độ mà còn thể hiện tính chất pha của bộ MMI 4x4 Trong các chế tạo liên quan đến bộ giao thoa đa mode trước đây, luận án chưa thấy có đo đạc nào

để kiểm chứng tính chất pha của bộ MMI 4x4, đặc biệt là việc phát đồng thời hai tín hiệu cùng pha hoặc ngược pha vào trong mạch như đề xuất của luận án Mặc dù, thiết bị chế tạo thể hiện được tính chất chuyển mạch đúng giữa các cổng vào ra của thiết bị, nhưng hiệu suất chuyển đổi quang của thiết bị chưa

15

đạt được kết quả tốt nhất có thể Ngoài ra, hiệu suất chuyển đổi quang so với kết quả mô phỏng ở phần lý thuyết thì thấp hơn nhiều Điều này là có nguyên nhân của nó Theo bố trí thí nghiệm, để kiểm chứng tính chất chuyển mạch của MMI 4x4 thì phải phát được đồng thời hai tín hiệu cùng pha hoặc ngược pha vào hai ngõ vào của thiết bị MMI 4x4 Vì vậy, trong thiết

kế phải bố trí thêm bộ chia tách ánh sang (bộ Adiabtic) Sự sai

số và suy hao tại bộ chia tách này rất đáng kể Ngoài ra, để ghép ánh sáng từ bộ phát laser ở bên ngoài vào mạch tích hợp thì cần phải dùng đến bộ ghép ánh sáng (cách tử Bragg) Ánh sáng từ laser sẽ được chiếu từ trên xuống mạch tích hợp, qua cách tử Bragg để ghép ánh sáng vào mạch Việc này làm suy hao tín hiệu ánh sang rất lớn, lớn hơn nhiều so với suy hao bên trong bộ MMI 4x4 Tổng hợp các suy hao tại bộ ghép ánh sáng,

bộ chia tách ánh sáng và bộ giao thoa đa mode sẽ làm cho tín hiệu thu được có công suất thấp hơn nhiều lần so với kết quả đánh giá lý thuyết bộ MMI 4x4 thông qua mô phỏng

CHƯƠNG 4: BỘ GHÉP KÊNH/PHÂN KÊNH KẾT HỢP

MDM VÀ WDM

Trong chương này, luận án đề xuất cấu trúc bộ kết hợp kênh kết hợp giữa bộ hợp kênh ba bước sóng và bộ hợp kênh bốn mode để phục vụ nhiều người dùng hơn ở phía thiết bị đầu cuối trong khi vẫn duy trì cơ sở hạ tầng mạng truy cập (Hình 4.2) Cấu trúc của thiết bị được đề xuất bao gồm một bộ ghép định hướng, một bộ ghép giao thoa đa mode hình cánh bướm và một bộ nối chữ Y không đối xứng xếp tầng 4x1 dựa trên ống dẫn sóng kênh silicon Cụ thể, thiết bị ghép kênh kết hợp này hỗ trợ 12 tín hiệu dữ liệu điều chế trên các mode TE0 Các tín hiệu này được đánh số từ D1 đến D12 tương ứng với

12 đầu vào của bốn bộ ghép kênh WDM ba bước sóng Bốn