Nghiên cứu kỹ thuật xử lý nhãn quang trong hệ thống thông tin toàn quang

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Diễn giải Tiếng Anh Diễn giải Tiếng Việt 1 AI Artifical Intelligence Trí tuệ nhân tạo 2 ASIC Application-Specific Integrated Circuit Mạch tích

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thị Hồng Loan

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT XỬ LÝ NHÃN QUANG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN TOÀN QUANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ MẠNG MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG DỮ LIỆU

Hà Nội – 2024

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS LÊ TRUNG THÀNH

2 TS DƯƠNG LÊ MINH

Hà Nội – 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả khoa học đƣợc trình bày trong Luận án là thành quả nghiên cứu của tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chƣa từng xuất hiện trong các công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt đƣợc là hoàn toàn chính xác và trung thực

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thị Hồng Loan

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu, triển khai và hoàn thành Luận án, nghiên cứu sinh nhận được nhiều sự giúp đỡ, động viên quý báu của các thầy cô giáo, các nhà khoa học và bạn bè đồng nghiệp Nghiên cứu sinh xin được bày tỏ

lòng biết ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Lê Trung Thành và TS Dương Lê Minh hướng dẫn, giúp đỡ tận tình, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu

sinh trong học tập, nghiên cứu hoàn thành Luận án

Nghiên cứu sinh cũng xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đến các thầy, cô trong Trường Đại học Công nghệ; các thầy cô, cán bộ tại Phòng Đào tạo, Khoa Công nghệ Thông tin giảng dạy, giúp đỡ cho nghiên cứu sinh trong quá trình học tập và nghiên cứu Nghiên cứu sinh xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp trong Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, Trường Quốc tế, Đại học Quốc gia Hà Nội giúp đỡ, tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh trong học tập và nghiên cứu để hoàn thành tốt Luận án

Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin được cảm ơn gia đình, bố mẹ, bạn bè, đồng nghiệp, cộng tác góp ý trao đổi để nghiên cứu sinh có điều kiện hoàn thành kết quả nghiên cứu của mình Do vấn đề nghiên cứu có tính liên ngành,

là vấn đề mới, đang phát triển và do kiến thức còn hạn chế, thời gian có hạn nên chắc rằng không tránh khỏi thiếu sót Nghiên cứu sinh mong sẽ nhận được nhiều sự quan tâm góp ý của các thầy, cô, các bạn bè đồng nghiệp trong

và ngoài Trường để Luận án được hoàn thiện hơn và tiếp tục được mở rộng nghiên cứu với các kết quả thu được trong giai đoạn sau này

Hà Nội, tháng 10 năm 2024

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của Luận án 11

3 Nội dung nghiên cứu của Luận án 11

4 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu 11

5 Các đóng góp của Luận án 12

6 Bố cục của Luận án 13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NHÃN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN TOÀN QUANG 14

1.1 Hệ thống thông tin toàn quang 14

1.1.1 Tổng quan chung 14

1.1.2 Mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS 24

1.1.3 Ống dẫn sóng quang 26

1.1.4 Bộ ghép giao thoa đa mode MMI 28

1.1.5 Bộ vi cộng hưởng MRR và cấu trúc giao thoa MZI 31

1.2 Phương pháp phân tích và thuật toán mô phỏng số 33

1.2.1 Phân tích giải tích dùng ma trận truyền dẫn 33

1.2.2 Mô phỏng số 34

1.3 Tổng quan nội dung nghiên cứu của Luận án 35

1.3.1 Mạng định tuyến nhãn toàn quang 35

1.3.2 Cấu trúc của một node xử lý tín hiệu toàn quang 37

1.3.3 Các loại mã quang 38

1.3.4 Mạng nơ-ron quang 40

1.4 Kết luận Chương 1 48

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT NHẬN DẠNG VÀ TÁCH NHÃN TRONG HỆ THỐNG

THÔNG TIN TOÀN QUANG 49

2.1 Tổng quan nghiên cứu 49

2.1.1 Vấn đề bộ tương quan và bộ trễ quang trong nhận dạng nhãn quang 51

2.1.2 Vấn đề cổng logic toàn quang 53

2.1.3 Vấn đề tách nhãn quang 59

2.2 Thiết kế cổng logic toàn quang sử dụng cấu trúc plasmonic 64

2.2.1 Thiết kế cấu trúc 4x4, 2x2 MMI thực hiện cổng logic XOR, XNOR và NAND 64 2.2.2 Kết quả mô phỏng 69

2.3 Thiết kế bộ tương quan quang và bộ trễ quang ứng dụng trong nhận dạng nhãn toàn quang 74

2.3.1 Thiết kế cấu trúc bộ tương quan quang 74

2.3.2 Thiết kế cấu trúc bộ trễ quang 4x4 MMI và mô phỏng thảo luận 75

2.4 Thiết kế bộ tách nhãn toàn quang 80

2.4.1 Thiết kế và mô phỏng cấu trúc bộ tách nhãn quang 4x4 MMI 80

2.4.2 Thiết kế và mô phỏng cấu trúc bộ tách nhãn quang 3x3 MMI 81

2.5 Kết luận Chương 2 83

CHƯƠNG 3 NHẬN DẠNG NHÃN BPSK, QPSK TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN TOÀN QUANG 84

3.1 Tổng quan nghiên cứu 84

3.1.1 Vấn đề nhận dạng mã nhị phân dạng BPSK, QPSK 84

3.1.2 Vấn đề mạng nơ-ron quang 86

3.2 Thiết kế bộ nhận dạng nhãn quang BPSK 89

3.2.1 Nguyên tắc hoạt động 89

3.2.2 Thiết kế kiến trúc tích hợp MMIs nhận dạng nhãn quang BPSK 91

3.2.3 Kết quả mô phỏng và thảo luận 94

3.3 Thiết kế bộ nhận dạng nhãn quang QPSK 100

3.3.1 Nguyên tắc hoạt động 100

3.3.2 Thiết kế kiến trúc tích hợp MMIs nhận dạng nhãn quang QPSK 103

3.3.3 Kết quả mô phỏng và thảo luận 105

3.4 Mạng nơ-ron toàn quang nhận dạng nhãn BPSK 107

3.4.1 Thiết kế cấu trúc mạng nơ-ron quang tử tích hợp sử dụng MMIs 107

3.4.2 Nhận dạng nhãn BPSK sử dụng cấu trúc mạng nơ-ron quang tử tích hợp 114

3.4.3 Kết quả mô phỏng và phân loại 122

3.5 Kết luận Chương 3 124

KẾT LUẬN 125

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 126

Danh mục công trình khoa học liên quan trực tiếp đến Luận án 126

Danh mục công trình khoa học liên quan đến Luận án 127

TÀI LIỆU THAM KHẢO 128

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TT Từ viết tắt Diễn giải Tiếng Anh Diễn giải Tiếng Việt

1 AI Artifical Intelligence Trí tuệ nhân tạo

2 ASIC Application-Specific

Integrated Circuit Mạch tích hợp chuyên dụng

3 AOLS All optical Label Switching/

Swapping

Chuyển mạch hoán đổi nhãn toàn quang

4 AON All Optical Network Mạng toàn quang

5 BPM Beam Propagation Method Phương pháp truyền dẫn

chùm tia

6 BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân

7 CMOS Complementary

Metal-Oxide Semiconductor

Công nghệ chế tạo bán dẫn sản xuất linh kiện loại bổ trợ

8 CPU Central Processing Unit Đơn vị xử lý trung tâm

9 DNNs Deep Neural Networks Mạng nơ-ron sâu

10 DPSK Differential Phase Shift

11 EME Eigen-Mode Expansion Phương pháp mở rộng mode

Label Switching Giao thức MPLS tổng quát

17 HRS Header Recognition System Hệ thống nhận dạng tiêu đề

18 IP Internet Protocol Giao thức Internet

TT Từ viết tắt Diễn giải Tiếng Anh Diễn giải Tiếng Việt

19 LSP Label Switch Path Đường chuyển mạch nhãn

20 LSR Label Switching Router Thiết bị định tuyến chuyển

mạch nhãn

22 MLP Multiple Layer Perceptron Mạng nơ-ron đa lớp

23 MMI Multimode Interference Bộ ghép giao thoa đa mode

24 MNIST

Modified National Institue

of Standards and Technology Database

CSDL của Viện Tiêu chuẩn

và Công nghệ Quốc gia

25 MPLS Multi-Protocol Label

Switching

Chuyển mạch nhãn đa giao thức

26 MPSK Multi-Level Phase Shift

27 MRR Micro-Ring Resonator Bộ vi cộng hưởng

Interferometer Giao thoa kế Mach-Zehnder

31 OBS Optical Burst Switching Chuyển mạch bó quang

32 OEO Optical - Electronic - Optical Các bước chuyển đổi quang

- điện - quang

33 OLS Optical Label Switching Chuyển mạch nhãn quang

34 ONN Optical Neural Network Mạng nơ-ron toàn quang

35 OONN On-Chip Optical Neural

Networks

Mạng nơ-ron quang trên chip

36 OPS Optical Packet Switching Chuyển mạch gói quang

37 OSNR Optical Signal to Noise

Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm quang

38 OXC Optical Cross-Connect Bộ kết nối chéo quang tại

nút mạng

39 PIC Photonic Integrated Circuits Mạch tích hợp quang tử

40 PNN Photonic Neural Networks Mạng nơ-ron quang tử

41 PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha

42 QPSK Quadrature Phase Shift

43 SOI Silicon-on-Insulator Silicon trên chất cách điện

44 SOA Semiconductor Optical

45 WDM Wavelength Division

Multiplexing

Phương thức ghép kênh phân chia bước sóng quang

10 x i Dẫn sóng đầu vào và đầu ra

17 E in /E out Cường độ phức các tín hiệu đầu vào /đầu ra

18 E 1 , E 2 Biên độ tín hiệu đầu ra và đầu vào

19 n eff Chỉ số chiết suất hiệu dụng

20 ɑ Hệ số suy hao trong ống dẫn sóng

21 τ Hệ số ghép truyền dẫn của bộ ghép

23 L R1 Chu vi của ống dẫn sóng tròn

STT Ký hiệu Ý nghĩa

25 Tp Công suất ra chuẩn hóa tại cổng ―pass‖

26 Td Công suất ra chuẩn hóa tại cổng ―drop‖

28 wij Trọng số liên kết nơ-ron

29 xj Thành phần j của đầu vào x

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 So sánh kỹ thuật tạo cổng logic XOR dùng hiệu ứng phi tuyến 58

Bảng 2.2 Bảng chân lý cho cổng logic XOR sử dụng cấu trúc plasmonic 67

Bảng 2.3 Bảng chân lý cho cổng logic XNOR sử dụng cấu trúc plasmonic 68

Bảng 2.4 Bảng chân lý của cổng logic NAND sử dụng cấu trúc plasmonic 68

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mạng chuyển mạch MPLS toàn quang 16

Hình 1.2 (a) Mã hóa miền thời gian gói quang OPS và (b) mã hóa sử dụng điều chế OOK và PSK 18

Hình 1.3 Mạng chuyển mạch nhãn MPLS 24

Hình 1.4 Cấu trúc ống dẫn sóng quang 26

Hình 1.5 Các mode TE0, TE1 và TE2 28

Hình 1.6 Cấu trúc MMI và các profile mode 30

Hình 1.7 Mô phỏng số tín hiệu truyền trong mạch quang 31

Hình 1.8 Điều chế tín hiệu quang sử dụng cấu trúc giao thoa Mach Zehnder 32

Hình 1.9 Mạng định tuyến nhãn 36

Hình 1.10 Cấu trúc nhận dạng nhãn chuyển đổi từ tuần tự sang song song 37

Hình 1.11 Cấu trúc chung của node xử lý tín hiệu toàn quang 38

Hình 1.12 Sơ đồ chòm sao của một số dạng điều chế 39

Hình 1.13 (a) Sơ đồ của nơ-ron với tín hiệu vào xi, (b) hàm kích hoạt phi tuyến 40

Hình 1.14 Kiến trúc thực hiện mạng nơ-ron quang tử 44

Hình 1.15 Các phương pháp tạo trọng số quang cho mạng nơ-ron quang tử 45

Hình 1.16 Mạng nơ-ron bằng kết nối MZI 46

Hình 1.17 Kích cỡ mô hình DNN 47

Hình 2.1 Cấu trúc đơn giản của một mạng thông tin quang 49

Hình 2.2 Chuyển đổi quang-điện và xử lý tín hiệu quang 50

Hình 2.3 Mạng chuyển mạch gói quang 50

Hình 2.4 Bộ xử lý nhãn truyền thống dùng cấu trúc vi cộng hưởng để tách nhãn 61

Hình 2.5 Bộ xử lý nhãn dùng vi cộng hưởng sử dụng bộ ghép có hướng 63

Hình 2.6 (a) Sơ đồ đề xuất cho cổng logic quang, (b) Mặt cắt ngang HPWG và (c) Tín hiệu trong ống dẫn sóng 66

Hình 2.7 Chỉ số khúc xạ hiệu dụng của ống dẫn sóng HPWG với các độ rộng khác nhau 66

Hình 2.8 (a) Lan truyền trường tín hiệu, (b) các vị trí tự tạo ảnh ở các độ dài khác nhau và (c) sự dịch pha thu được 69

Hình 2.9 Cổng XOR với các tín hiệu đầu vào 00, 01, 10, 11 dùng plasmonic 70

Hình 2.10 Cổng XNOR với các tín hiệu đầu vào 00, 01, 10, 11 dùng plasmonic 70

Hình 2.11 Thiết kế tối ưu cho cấu trúc 4x4 và 2x2 MMI dùng plasmonic 71

Hình 2.12 (a) Công suất đầu ra chuẩn hóa đối với logic 1 và 0 cho (a) cổng XOR và (b) cổng XNOR dùng plasmonic 72

Hình 2.13 Tỷ lệ phân biệt của cổng XOR và XNOR 72

Hình 2.14 Cổng NAND với các tín hiệu đầu vào 00, 01, 10, 11 dùng plasmonic 73

Hình 2.15 (a) Công suất đầu ra chuẩn hóa cho mức logic 1 và 0 và (b) tỷ lệ phân biệt của cổng NAND 73

Hình 2.16 Bộ tương quan xử lý nhãn quang 75

Hình 2.17 Tín hiệu quang được truyền qua cấu trúc dùng mô phỏng FDTD 76

Hình 2.18 Bộ trễ với thời gian trễ tăng gấp đôi so với cấu trúc truyền thống 77

Hình 2.19 Bộ vi cộng hưởng đơn 78

Hình 2.20 Cổng AND đầu vào (a) 01, 10 và (b) 11 79

Hình 2.21 Cổng XOR đầu vào (a) 00, 10, 01 và (b) 11 79

Hình 2.22 Cấu trúc vi cộng hưởng dùng MMI ứng dụng cho tách nhãn 80

Hình 2.23 Gói tin truyền trong 4x4 MMI (a) dữ liệu ở đầu ra cổng 1 và (b) nhãn đi ra ở cổng 2 81

Hình 2.24 Cấu trúc tách nhãn quang sử dụng 3x3 MMI: (a) 3x3 MMI và (b) đặc tính truyền dẫn 82

Hình 2.25 Gói tin truyền trong 3x3 MMI (a) dữ liệu ở đầu ra cổng 1 và (b) nhãn đi ra ở cổng 2 82

Hình 3.1 Cấu trúc tổng quan các mạng chuyển mạch nhãn quang 89

Hình 3.2 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống nhận dạng nhãn quang BPSK 91

Hình 3.3 Cấu trúc quang dựa trên MMI cho nhận dạng nhãn BPSK (a) mạch, (b) xem cắt ngang và (c) hồi quy trường 92

Hình 3.4 Ma trận Haar dựa trên một bộ ghép GI-MMI 2x2 93

Hình 3.5 Kết quả mô phỏng BPM của công suất đầu ra chuẩn hóa, tổn thất thừa và sự mất cân đối của bộ ghép MMI 4x4 theo hàm số của (a) chiều rộng MMI và (b) bước sóng quang và (c) tín hiệu truyền trong 4x4 MMI 96

Hình 3.6 Kết quả mô phỏng BPM của công suất đầu ra chuẩn hóa của bộ ghép 1x2 MMI và tín hiệu truyền trong 1x2 MMI được tối ưu 97

Hình 3.7 Kết quả mô phỏng BPM cho tại các cổng đầu ra 1, 2, 3 và 4 cho các địa chỉ (b) 00, (c) 0-pi, (d) pi-0 và (e) pi-pi 98 Hình 3.8 Kết quả mô phỏng BPM cho (a) tín hiệu đầu vào tại cổng 1 và cho các trường hợp địa chỉ (b) 00, (c) 0-pi, (d) pi-0 và (e) pi-pi 99 Hình 3.9 Nguyên tắc nhận dạng nhãn QPSK 101 Hình 3.10 Nhận dạng nhãn QPSK bằng cách nối các QPRC 102 Hình 3.11 Cấu trúc quang dựa trên MMIs cho QPRC (a) mạch, (b) cái nhìn cắt ngang và (c) hồi quy trường 104 Hình 3.12 Mô phỏng BPM cho công suất chuẩn hóa tại các cổng đầu ra 1, 2, 3 và 4 106 Hình 3.13 Mô phỏng BPM cho tại cổng 1 và 2 106 Hình 3.14 Sơ đồ bộ xử lý ma trận nhân quang quá trình dựa trên cấu trúc MMI 108 Hình 3.15 Mạng nơ-ron nhiều lớp kết nối đầy đủ 108 Hình 3.16 Bộ điều chỉnh pha nhiệt quang cho các bộ lọc quang (a) góc nhìn cắt ngang của bộ điều chỉnh pha với profile nhiệt, (b) profile đa mode của sóng dẫn và (c) dịch chuyển pha tùy thuộc vào công suất áp dụng cho bộ điều chỉnh pha 110 Hình 3.17 Bộ điều chỉnh pha phân tán plasma cho đầu vào dữ liệu (a) góc nhìn cắt ngang của bộ điều chỉnh pha, (b) profile đa mode của sóng dẫn và (c) chiết suất hiệu dụng tùy thuộc vào công suất áp dụng cho bộ điều chỉnh pha 112 Hình 3.18 Thiết kế tối ưu của các bộ ghép MMI 1x2 và 1x3 113 Hình 3.19 Truyền dẫn trường qua bộ xử lý tích chập quang với các dữ liệu đầu vào

và lõi khác nhau 114 Hình 3.20 Nhận dạng nhãn quang BPSK dùng mạng nơ-ron tích hợp quang 115 Hình 3.21 Mạng nơ-ron giá trị phức cho xử lý nhãn quang BPSK 117 Hình 3.22 Nhận dạng nhãn BPSK dùng mạng nơ-ron quang: (a) cường độ ra cho nhận dạng 2 bits với 6 nơ-ron và (b) Tỷ lệ phân biệt phụ thuộc vào số nơ-ron lớp

ẩn 123 Hình 3.23 Sai số sau 1000 lần lặp và cường độ tín hiệu ra cho nhãn 2 bits BPSK123

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Các kết quả nghiên cứu từ Cisco thể hiện ở Hình 1 dưới đây cho thấy lượng dữ liệu toàn cầu tăng 11 lần trong 8 năm qua (2013-2021) với tỷ lệ tăng trưởng hàng năm (CAGR-Compound Annual Growth Rate) 25%, vượt mốc

20 Zettabytes mỗi năm, vào năm 2021 [1] Gần đây, do nhu cầu ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML), ước tính lượng dữ liệu hằng năm tăng hơn 400 lần trong 10 năm tới, tương ứng với CAGR đạt 82% Năm 2020, tiêu thụ năng lượng trong các trung tâm dữ liệu toàn cầu lên tới 200 TWh, với tỷ

lệ tăng trưởng CAGR là 4.4%

Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng với xu hướng xử lý dữ liệu lớn dùng AI, chi phí huấn luyện trí tuệ nhân tạo (AI training) tăng gấp đôi sau 3-4 tháng so với các ứng dụng AI hiện đại Hiện nay, để đạt được hiệu suất 104

ngày, một vòng huấn luyện cho các mô hình lớn nhất tại Facebook có thể tiêu tốn tới ―hàng triệu đô la‖ chỉ riêng cho tiêu thụ điện năng [2]

Hình 1 Lưu lượng IP từ 2012-2021 theo Cisco

Những xu hướng này cho thấy cần thiết phải thay đổi kiến trúc và hoạt động của các trung tâm dữ liệu, vì khối lượng công việc liên quan đến AI và học máy sẽ tăng nhanh hơn rất nhiều so với sự phát triển công nghệ theo Định luật Moore [2] và Định luật Dennard [3, 4]

Điều này dẫn đến một số hạn chế của hệ thống xử lý trong miền điện hiện tại như [5]: (1) Lưu chuyển dữ liệu, phục vụ huấn luyện hệ thống AI/ML giữa các của trung tâm dữ liệu rất tốn kém; (2) Siêu máy tính hiện nay được xây dựng trên kiến trúc Von Neumann, đòi hỏi trao đổi dữ liệu liên tục giữa đơn vị xử lý trung tâm và bộ nhớ; (3) Mặc dù siêu máy tính tại các trung tâm

dữ liệu sử dụng các bộ tăng tốc đối với AI, kiến trúc bộ xử lý vẫn chủ yếu là đồng nhất; (4) Chuyển mạch điện tử bị giới hạn băng thông nên làm tăng độ trễ và tiêu thụ năng lượng Vấn đề ngày càng trở nên phức tạp khi quy mô trung tâm dữ liệu mở rộng

Bên cạnh đó, sự phát triển của các ứng dụng đa phương tiện đòi hỏi nhu cầu băng thông ngày càng cao; lưu lượng truy cập trong các mạng trục chính và trong các ứng dụng IP liên tục tăng [7] Khi Định luật Moore bắt đầu chạm tới giới hạn, các hạn chế của máy tính điện tử truyền thống như việc tắc nghẽn trong quá trình xử lý, tiêu thụ năng lượng cao sẽ thúc đẩy việc tìm kiếm các mô hình toán học thay thế Trong số các công nghệ mới nổi, việc xử

lý tín hiệu trong miền quang gồm sử dụng sợi quang và mạch tích hợp quang (hay quang tử tích hợp) là hai giải pháp cơ bản Xử lý tín hiệu dùng sợi quang thường yêu cầu kích thước lớn, sử dụng hiệu ứng phi tuyến sợi nên công suất tiêu thụ cao và hệ thống không có khả năng tích hợp Trong khi đó, sử dụng mạch tích hợp quang giải quyết được hạn chế trên và được xem là giải pháp thay thế các hệ thống vi điện tử trong tương lai Việc xử lý tín hiệu và thông tin trực tiếp trong miền quang tận dụng được các khả năng đặc biệt của ánh sáng, chẳng hạn như độ trễ thấp, băng thông cao, truyền dẫn với tốc độ gần

như tốc độ anh sáng và các kỹ thuật ghép kênh độc đáo [6] Hơn nữa, những tiến bộ trong mạch tích hợp quang điện tử (Photonic Integrated Circuits - PICs) sử dụng công nghệ chế tạo vi mạch điện tử hiện tại như công nghệ quang tử silic (Silicon photonics) là một giải pháp khả thi cho tính toán hiệu năng cao, tăng tốc phần cứng AI [7]

Trong các mạng truyền dẫn dữ liệu quang, các bộ định tuyến thường yêu cầu bộ xử lý tín hiệu quang-điện, sau đó dữ liệu được xử lý trong miền điện và dữ liệu lại được chuyển đổi từ điện sang quang để truyền dẫn đi trong mạng Kỹ thuật này yêu cầu hệ thống xử lý trong miền điện ở tốc độ cao tương ứng khi tốc độ truyền dẫn trong miền quang tăng do đó cũng gặp phải hạn chế trong miền điện như đã nêu ở trên

Mạng toàn quang (All Optical Networks - AON), nơi dữ liệu được xử

lý và truyền dẫn hoàn toàn trong miền quang thay vì chuyển đổi sang miền điện, là một trong những giải pháp khả thi và hiệu quả giúp giảm chi phí băng thông cho các dịch vụ dữ liệu quy mô lớn Việc loại bỏ các bước chuyển đổi quang-điện-quang trong mạng toàn quang không chỉ tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn mà còn góp phần nâng cao khả năng đáp ứng nhu cầu băng thông ngày càng gia tăng Cho đến nay, truyền dẫn dữ liệu trong miền quang vẫn là giải pháp cho tốc độ và băng thông truyền dẫn lớn nhất so với tất cả các công nghệ truyền dẫn thông tin khác Đặc biệt, trong mạng truyền dẫn quang với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing –WDM) cho phép nhiều kênh với các bước sóng khác nhau truyền dẫn đồng thời trên một sợi quang Do vậy, băng thông truyền dẫn rất cao Trước đây, tại các nút chuyển mạch cần thực hiện chuyển đổi quang điện

và điện quang, do vậy hạn chế tốc độ xử lý và làm tăng thời gian xử lý, chuyển mạch và truyền dẫn dữ liệu Các nghiên cứu cơ bản trong mạng toàn quang là chuyển đổi dần việc xử lý thông tin trong miền điện sang trực tiếp miền quang tại các nút định tuyến và chuyển mạch quang

Các công nghệ mạng chuyển mạch bó quang (Optical Burst Switching - OBS), chuyển mạch kênh quang (Optical Switching) và chuyển mạch gói quang (Optical Packet Switching - OPS) là các giải pháp được đề xuất để giải quyết vấn đề "thắt cổ chai" trong xử lý dữ liệu tại các nút mạng trong miền điện Các bộ định tuyến dữ liệu quang và chuyển mạch gói quang (OPS) hiện được xem như là các lựa chọn tiết kiệm năng lượng có khả năng mở rộng so với các bộ định tuyến điện tử hiện tại [8]

Trong các mạng dữ liệu băng thông lớn, tham số tiêu thụ năng lượng là một trong các yếu tố quan trọng nhất [9] Các nghiên cứu chỉ ra rằng, việc xử

lý toàn quang được xem như một kỹ thuật tiềm năng cho phép mở rộng băng thông và dung lượng của bộ định tuyến trung tâm, không phụ thuộc vào tiêu thụ năng lượng [10, 11]

Hệ thống định tuyến quang lý tưởng cần hỗ trợ phân quyền cho các gói tin IP không đồng bộ và có độ dài thay đổi Trong mạng lõi toàn quang, các lớp thích ứng tại ranh giới đóng vai trò chuyển đổi định dạng gói tin giữa mạng điện tử hiện tại và mạng toàn quang tương lai, cho phép định tuyến hiệu quả và giao tiếp xuyên suốt giữa các mạng không liền kề

Hiện nay, mạng cáp quang có dung lượng truyền tải rất lớn, vượt quá hàng chục Terabit mỗi giây Do đó, xử lý gói tin tại các nút mạng dễ trở thành điểm nghẽn trong hệ thống có dung lượng cao Để đáp ứng yêu cầu này, việc phát triển mạng quang tốc độ cao ưu tiên xử lý quang trực tiếp mà không cần chuyển đổi tín hiệu sang điện [14, 15]

Một trong các giao thức phổ biến trong các mạng toàn quang (AON) tương lai là chuyển mạch nhãn đa giao thức (Multi-Protocol Label Switching

- MPLS) [12] Cấu trúc của mạng chuyển mạch nhãn MPLS được chỉ ra ở Hình 2 Mạng MPLS quang là một trong các giải pháp cho các mạng truyền tải dữ liệu tốc độ cao, băng thông lớn và cho các hệ thống tính toán hiệu năng

cao, các trung tâm dữ liệu [13-17] MPLS hỗ trợ tất cả các linh kiện thực hiện chuyển mạch trong các miền khác nhau như thời gian, bước sóng và không gian cùng với chuyển mạch gói Trong hệ thống này, bộ kết nối chéo quang tại nút mạng (Optical cross-connect - OXC) không làm cho dữ liệu trải qua xử lý trong miền điện, do đó, OXC trở thành thành phần then chốt để chuyển mạch lưu lượng với tốc độ đa gigabit mỗi giây.Với khả năng ngày càng tăng của các

bộ định tuyến, các OXC cho phép loại bỏ các lớp trung gian trong mạng dữ liệu hiện tại Theo cơ chế định tuyến này, các bước sóng được điều hướng trong mạng lõi MPLS bằng các đường đi cố định, đại diện cho cơ chế định tuyến bước sóng tĩnh, đồng thời hỗ trợ khả năng cấu hình lại định tuyến một cách linh hoạt Thực tế, MPLS cung cấp cấu hình động tích hợp giữa các lớp giao thức

Hình 2 Mạng quang MPLS

Cụ thể, mạng định tuyến nhãn quang dự kiến sẽ cung cấp khả năng định tuyến gói tin nhanh chóng với tốc độ bit cao [18] Cho đến nay, nhiều phương pháp mã hóa nhãn và giải mã nhãn quang được nghiên cứu [19] Do tính chất của ánh sáng, pha ánh sáng liên tục được sử dụng hiệu quả trong các hệ thống

quang khác nhau, cho phép giao thoa nhiều tín hiệu Sử dụng tính năng này, các

kỹ thuật nhận dạng nhãn được nghiên cứu đề xuất cho bộ định tuyến quang

Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống đề xuất trước đây không thể nhận dạng toàn bộ các mã nhị phân, vì hiện chỉ có các mã phân biệt được giữa tự tương quan và tương quan chéo mới có thể nhận dạng Thêm vào đó, trong đa số các

hệ thống, mỗi bộ tương quan chỉ nhận dạng được một nhãn duy nhất Do đó, cần phải thiết kế nhiều bộ tương quan tại mỗi nút để nhận dạng được tất cả các nhãn định tuyến Để xử lý nhiều nhãn cùng lúc, các nhà khoa học đã đề xuất hệ thống nhận dạng nhãn sử dụng kiến trúc tự định tuyến cho kỹ thuật khóa dịch pha (PSK - Phase Shift Keying) Việc tự định tuyến dòng dữ liệu nhãn phục vụ nhận dạng nhãn được xem là một phương pháp triển vọng trong các hệ thống giải mã nhãn

Do vậy, Luận án tập trung vào nghiên cứu xử lý nhãn, nhãn quang dùng điều chế PSK, sử dụng mạch tích hợp quang và mạng nơ-ron quang tích hợp Đây là các nghiên cứu đầu tiên ứng dụng mạch tích hợp quang tử silic để nhận dạng nhãn quang khóa dịch pha nhị phân (Binary Phase Shift Keying - BPSK)

và khóa dịch pha cầu phương (Quadrature Phase Shift Keying - QPSK)

Trong các hệ thống chuyển mạch gói tin cho truyền thông quang liên tục, MPSK (Multi-level Phase Shift Keying) và BPSK có thể được sử dụng cho gói tin (payload) và nhãn (label) hoặc tiêu đề gói tin (header) [20] Do tín hiệu BPSK là nhị phân, nó phù hợp với việc xử lý nhãn, sử dụng cổng logic quang Trong các hệ thống chuyển mạch gói tin quang cho truyền thông quang liên tục, cổng logic quang thông thường không thể xử lý tín hiệu BPSK bởi vì các cổng logic quang thông thường chỉ hoạt động thông qua sử dụng cường độ quang, mà không phải là giá trị logic Do vậy, Luận án cũng nghiên cứu thiết

kế cổng logic quang BPSK, ứng dụng trong bộ tương quan quang để nhận dạng nhãn quang Cấu trúc bộ định tuyến xử lý nhãn quang dùng điều chế BPSK được chỉ ra ở Hình 3, trong đó việc xử lý chuyển mạch gói tin có sử dụng cổng

logic quang Trong Luận án này, việc thiết kế cấu trúc cổng logic toàn quang

có sử dụng hiệu ứng giao thoa đa mode (Multimode inteference-MMI)

Các cổng logic quang bao gồm chức năng như bộ chuyển đổi từ pha sang cường độ và hoạt động như cổng logic, được thể hiện trong Hình 3 Trong các cổng logic quang, giá trị logic của đầu vào được xác định bởi thông tin pha, trong khi đó giá trị logic của đầu ra được xác định bởi biên độ

Việc xử lý nhãn toàn quang (all-optical label processing) được đề xuất như một phương pháp khả thi để giải quyết sự không phù hợp giữa khả năng truyền tải của sợi quang và khả năng chuyển tiếp gói tin của bộ định tuyến [19, 21-22], trong đó tất cả các chức năng định tuyến và chuyển tiếp gói tin theo từng gói của đa giao thức hoán đổi nhãn MPLS được thực hiện trực tiếp miền quang Bằng cách sử dụng nhãn quang, các gói tin IP được hướng qua mạng lõi quang, không cần chuyển đổi quang-điện và điện-quang (Optical-Electrical and Electrical-Optical converter- OEO) mỗi khi cần định tuyến Ưu điểm chính của phương pháp này là khả năng định tuyến gói độc lập với tốc

độ bit, định dạng gói và độ dài gói [23] Điều này tăng cường sự linh hoạt của mạng, các thuộc tính trở nên rất mong muốn trong các mạng băng thông rộng được đặc trưng bởi các ứng dụng yêu cầu băng thông theo nhu cầu

Hình 3 Phương pháp xử lý nhãn cho tín hiệu BPSK với một cổng logic quang

sử dụng pha của ánh sáng đầu vào làm thông tin bit

Bên cạnh đó, so với các giải pháp trước đây sử dụng miền điện hoặc hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang và khuếch đại quang bán dẫn (Semiconductor optical amplifier-SOA), các nút mạng toàn quang cần có khả năng xử lý tín hiệu nhãn dạng bit nối tiếp, nhằm tối ưu hóa hiệu suất băng thông

Về bài toán xử lý nhãn trong mạng chuyển mạch MPLS quang, một trong những chức năng quan trọng nhất trong các mạng gói quang là xử lý nhãn [18] Có nhiều kiến trúc phù hợp với việc thực hiện các chức năng xử lý nhãn như sử dụng bộ tương quan quang [24, 25] và cổng logic quang toàn quang [26] Các thành phần chính của các cấu trúc này là cổng logic quang sử dụng sợi quang, hiệu ứng phi tuyến Kerr trên sợi quang phi tuyến có hệ số phi tuyến cao [24, 25], cấu trúc tinh thể quang [27-31], khuếch đại quang bán dẫn [32-34] và mạng nơ-ron quang [35] Tuy nhiên, các phân tích trước đây chỉ ra rằng cấu trúc dạng này đòi hỏi công suất cao để thực hiện được hiệu ứng phi tuyến và rất khó để tích hợp trong một chip và một nút mạng [36-38] Kích thước của các cấu trúc này thường lớn, suy hao cao, yêu nghiêm ngặt về chế tạo chính xác để thực hiện được đúng chức năng mong muốn và băng thông thường thấp (xử lý dữ liệu tốc độ thấp) [39]

Chính vì vậy, Luận án đề xuất được giải pháp thiết kế cổng logic, bộ tương quan toàn quang mới dựa vào hiệu ứng giao thoa trong ống dẫn sóng đa mode để khắc phục các nhược điểm trên [40, 41] Cấu trúc mới sử dụng giao thoa đa mode có ưu điểm băng thông cao, công suất thấp, sai số chế tạo cho phép cao hơn mà vẫn thực hiện được chức năng mong muốn

Bộ tương quan quang cho hiệu năng tốt về mặt chất lượng Tuy nhiên, cần phải chuyển đổi O-E để xử lý tín hiệu, sử dụng một số mạch điện tử để xử

lý nhiều bit đồng thời [42, 43] Chuyển đổi O-E khó cho phép hoạt động với tốc độ bit cao Ngay cả với tốc độ bit khoảng 40 Gbit/giây, các kiến trúc này không phù hợp cho xử lý nhãn Mặt khác, cổng quang có thể được thực hiện hoàn toàn trong miền quang Đến nay, hầu hết các kiến trúc đề xuất cho việc

xử lý nhãn đều dựa trên cổng logic quang Thực tế, cổng logic làm cho việc thực hiện nhiều hoạt động trong mạng đa kênh chia thời gian quang (OTDM) trở nên khả thi, như so sánh chuỗi bit, xử lý nhãn, kiểm tra tính chẵn lẻ, gán nhãn cho gói tin, tạo chuỗi bit ngẫu nhiên, cộng cơ số hai, mạch so sánh hoặc vấn đề mã hóa [44, 45] Với một số chỉnh sửa nhỏ, chẳng hạn như đưa chuỗi bit cần so sánh vào cổng điều khiển và cổng dữ liệu, các chức năng Boolean (ví dụ: XOR) có thể đạt được Việc nhận dạng địa chỉ tốc độ cao siêu nhanh

có thể được thực hiện với cổng logic quang AND hoặc XOR

Bên cạnh đó, một trong các mục tiêu của Luận án là thiết kế xử lý tín hiệu trong miền quang, có khả năng tích hợp trong tương lai để từ đó có thể thực hiện được các chức năng phức tạp hơn như khối số học và logic học ALU, các hệ thống tính toán trong miền quang, bộ đệm quang, bộ nhớ quang, chip quang, Mạch tích hợp quang tử (PIC-Photonic Integrated Circuit) trên silicon hứa hẹn tạo ra một cuộc cách mạng truyền thông cho thế kỷ 21, giống như vi

xử lý Silic cách mạng hóa công nghệ máy tính hơn 50 năm trước [46] Việc xây dựng mạch tích hợp quang PIC có mật độ cao và giảm tiêu thụ năng lượng trong định tuyến gói tin quang là rất cần thiết trong các hệ thống trung tâm dữ liệu lớn, các hệ thống mạng toàn quang tốc độ cao trong tương lai [47]

Silic (Si) là vật liệu trong suốt với bước sóng trong phần hồng ngoại (IR) của quang phổ điện từ, cho phép dẫn sóng và truyền thông quang trong dải O-band (gần 1310 nm) và dải C-band (gần 1550 nm) [48] Hiện tại, ứng dụng thương mại chính của công nghệ quang tử Silic (silicon photonics) là thực hiện các liên kết quang tầm ngắn cho trung tâm dữ liệu và tính toán hiệu năng cao và các bộ thu-phát liên tục cho viễn thông khu vực đô thị và tầm xa [49] Các mô-đun thu-phát nhỏ gọn, có thể cắm được, sử dụng quang tử silic với tốc độ dữ liệu lên đến 400 gigabit mỗi giây đang được các công ty như Intel, Luxtera, Mellanox và Accacia Communications [50] bán Công nghệ quang tử Silic cho phép chế tạo các mô-đun thu-phát với kích thước nhỏ gọn,

đồng thời hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu rất cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về băng thông trong các mạng truyền thông hiện đại Việc sử dụng các mô-đun này trong các hệ thống mạng và trung tâm dữ liệu giúp tăng cường hiệu năng và giảm tiêu thụ năng lượng, đồng thời cung cấp một giải pháp linh hoạt và tiết kiệm không gian cho các hệ thống truyền thông quang

Một lợi thế quan trọng của các mạch tích hợp quang silicon (Si PIC) so với các ứng viên khác như bán dẫn nhóm III-V hoặc mạch sóng ánh sáng phẳng silica (PLC) là khả năng tận dụng cơ sở hạ tầng chế tạo bán dẫn oxit kim loại bổ trợ (Complementary Metal Oxide Semiconductor - CMOS) hiện

có và phát triển kỹ thuật [48, 51] Cơ sở hạ tầng CMOS ban đầu được phát triển cho mạch tích hợp (IC), cho phép sản xuất với chi phí thấp, khối lượng lớn và hiệu năng sản xuất cao [52, 53] Các nhà máy chế tạo thương mại cung cấp dịch vụ chế tạo PIC dưới hình thức dịch vụ trả phí, do đó tách rời quá trình sản xuất khỏi thiết kế và cho phép các nhà nghiên cứu áp dụng mô hình không sở hữu nhà máy chế tạo, giúp tránh các chi phí liên quan đến việc thiết lập cơ sở chế tạo của riêng họ [54-56]

Trong 15 năm qua, nỗ lực nghiên cứu về quang tử Silic (Si) phát triển từ sáng tạo ở cấp độ linh kiện đến việc thực hiện trên hệ thống phức tạp Sự phát triển của PIC theo xu hướng tăng tương tự như Định luật Moore đối với điện

tử, với số lượng các thành phần quang trên chip tăng gấp đôi mỗi vài năm và một số trình diễn gần đây bao gồm hàng ngàn thành phần [57, 58] Sự tăng trưởng này chứng minh khả năng mở rộng và tiềm năng lớn của quang tử Silic trong việc xây dựng các hệ thống quang ngày càng phức tạp và nhiều chức năng hơn, mở ra cánh cửa cho các ứng dụng mới và tăng cường hiệu năng trong các lĩnh vực như truyền thông quang, xử lý dữ liệu và cảm biến

Cấu trúc của bộ định tuyến nhãn được thực hiện một số chức năng bao gồm trích xuất nhãn, nhận dạng nhãn, chuyển mạch, tạo tín hiệu điều khiển, đệm quang và hoán đổi nhãn để xử lý nhãn Một số chức năng yêu cầu xử lý

trong miền điện và gây ra hiện tượng thắt cổ chai Hơn nữa, đòi hỏi mức tiêu thụ điện năng cao hơn Do đó, việc xử lý tín hiệu trong mạng toàn quang dùng công nghệ quang tích hợp là giải pháp tương lai trong mạng chuyển mạch gói tốc độ cao và có ý nghĩa trong thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu của Luận án

Mục tiêu của Luận án là thiết kế được một số cấu trúc mới xử lý gói tin trong mạng thông tin toàn quang như nhận dạng nhãn quang dùng điều chế BPSK, QPSK; kỹ thuật tách nhãn quang, cổng logic toàn quang ứng dụng

trong xử lý gói tin quang; xử lý gói tin quang dùng mạng nơ-ron quang

3 Nội dung nghiên cứu của Luận án

Luận án nghiên cứu về kỹ thuật xử lý nhãn trong mạng thông tin toàn quang như kỹ thuật nhận dạng nhãn quang BPSK và QPSK, bộ tương quan quang, cổng logic quang và mạng nơ-ron quang ứng dụng cho nhận dạng nhãn quang Các hệ thống được thiết kế sử dụng công nghệ chế tạo bán dẫn CMOS hiện thời để có khả năng tương thích với vi mạch điện tử hiện tại và thiết kế các hệ thống máy tính quang trong tương lai

4 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu

Đối tương nghiên cứu của Luận án là mạng thông tin toàn quang, các mạng chuyển mạch nhãn, định tuyến trong mạng toàn quang, cấu trúc vi mạch quang xử lý gói tin quang Luận án nghiên cứu sử dụng mô hình toán học, phân tích giải tích và tính toán ma trận truyền dẫn để thiết kế các cấu trúc quang mới phục vụ xử lý tín hiệu gói tín quang trong một mạng thông tin toàn quang Luận án sử dụng các mô hình toán học (phân tích mode, ma trận tán xạ,

ma trận kết nối biên độ phức), phân tích giải tích để thiết kế lý thuyết các hệ thống mạng nơ-ron quang để nhận dạng nhãn quang Các kết quả lý thuyết sau đó được mô phỏng, phân tích, đánh giá và so sánh trong miền quang sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (Finite-difference time-domain method - FDTD), phương pháp mở rộng mode riêng

(Eigenmode Expansion Methods - EME), phương pháp truyền dẫn chùm tia (Beam propagation method - BPM)

Luận án thực hiện mô phỏng từ lớp vật lý đến lớp hệ thống, trong đó các cấu trúc quang được mô phỏng qua phần mềm mô phỏng mạch quang chuyên dụng Omnisim, FDTD của Photon Design Các kết quả đầu ra của mô phỏng vật lý này sẽ được đóng gói thành ma trận và đưa lên mô phỏng mức

hệ thống qua Matlab hoặc Python Dữ liệu gói tin sẽ được đưa vào mô phỏng

từ lớp này Phương pháp mô phỏng được thực hiện dưới sơ đồ sau

5 Các đóng góp của Luận án

Luận án nghiên cứu được một số kết quả mới như sau:

- Thiết kế được cấu trúc thực hiện cổng logic toàn quang XOR, NAND

để ứng dụng trong bộ tương quan toàn quang, xử lý nhãn quang Cấu trúc mới

dựa vào hiệu ứng plasmonic giúp giảm kích thước, không cần sử dụng hiệu ứng phi tuyến toàn quang

- Thiết kế được cấu trúc tạo trễ quang và bộ tách nhãn quang ứng dụng trong mạng chuyển mạch nhãn quang

- Thiết kế được 2 cấu trúc toàn quang nhận dạng nhãn quang BPSK, QPSK trong mạng chuyển mạch nhãn Cấu trúc mới Silicon trên chất cách điện (SOI) được thiết kế sử dụng hiệu ứng giao thoa đa mode trên ống dẫn sóng quang phù hợp với công nghệ chế tạo vi mạch CMOS hiện nay Cấu trúc mới có ưu điểm suy hao thấp, tích hợp trên một vi mạch, cho phép chế tạo dễ dàng hơn so với trước đây

- Thiết kế được cấu trúc mạng nơ-ron quang ứng dụng cho nhận dạng nhãn quang BPSK Cấu trúc mạng nơ-ron quang mới sử dụng các cấu trúc vi mạch quang và ứng dụng trong nhận dạng nhãn quang dùng điều chế BPSK

6 Bố cục của Luận án

Luận án gồm 3 chương:

Chương 1: Trình bày tổng quan và cơ sở lý thuyết về mạng thông tin

toàn quang, các kỹ thuật xử lý gói tín quang, nhận dạng gói tin quang, lý thuyết về mạch quang và nguyên lý của mạng nơ-ron quang

Chương 2: Trình bày các kết quả nghiên cứu mới của Luận án về bộ

tương quan quang và bộ trễ quang mới dùng cho việc xử lý tách và nhận dạng nhãn quang trong mạng thông tin toàn quang

Chương 3: Trình bày các kết quả nghiên cứu mới của Luận án về nhận

dạng nhãn quang BPSK, QPSK Trình bày cấu trúc mạng nơ-ron trong lĩnh vực quang, mạng nơ-ron toàn quang có thể mang lại lợi ích về tốc độ cao, thuật toán học sâu tiết kiệm năng lượng, băng thông lớn và tính toán song song cao Cấu trúc mạng nơ-ron quang mới được ứng dụng để nhận dạng

nhãn quang BPSK trong mạng thông tin toàn quang

Tình hình nghiên cứu trong nước:

Tác giả DP Đạt [59] đăng trên "Tạp chí Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ Đại học Huế" năm 2019 nghiên cứu các cơ chế truyền trong mạng chuyển mạch chùm quang, nhấn mạnh sự thiếu hụt bộ đệm tại các nút lõi và việc sử dụng chuyển tiếp dữ liệu theo một hướng nhất định, đây là một lĩnh vực quan tâm chính của các nhà nghiên cứu

Nghiên cứu của các tác giả MH Thiên và ĐT Chương (2017) [60] được xuất bản năm 2017 khám phá các kỹ thuật phân đoạn trong mạng chuyển mạch chùm quang, nhấn mạnh thách thức trong việc thiết lập các bộ đệm quang tại các điểm trung gian, điều này đóng vai trò quan trọng trong chuyển mạch gói quang

Tác giả LH Binh và cộng sự (2013) [61] đăng trên "Tạp chí Khoa học Máy tính và Điều khiển" năm 2013 đánh giá hiệu quả của các mạng chuyển mạch chùm quang bằng các mô hình phân tích dựa trên cơ sở lý thuyết hàng đợi và mô phỏng trên OMNeT++, trình bày các kỹ thuật điều chế và xử lý tín hiệu quang tiên tiến như QPSK

Tình hình nghiên cứu ngoài nước:

Trong mạng lõi hiện nay, dữ liệu được chuyển tiếp sử dụng bộ định tuyến gói tin điện tử, phụ thuộc vào phương pháp lưu trữ và chuyển tiếp sử dụng chuyển đổi OEO để thành công trong việc định tuyến các gói dữ liệu tốc

độ cao [62] Phương pháp chuyển đổi OEO đóng vai trò quan trọng trong việc định tuyến dữ liệu trong mạng lõi Trong chuyển đổi OEO, tín hiệu quang từ cáp quang được chuyển đổi thành tín hiệu điện để xử lý hoặc lưu trữ, sau đó lại được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu quang để truyền đi tiếp [63, 64] Điều này cho phép xử lý dữ liệu tốc độ cao một cách hiệu quả, tuy nhiên cũng đặt ra các hạn chế về độ trễ và tiêu thụ năng lượng do các quá trình chuyển đổi liên tục [65]

Mạng toàn quang sử dụng MPLS mang lại lợi ích lớn trong việc giảm chi phí về băng thông, chuyển mạch và xử lý tín hiệu Nhãn (label) là thành phần thiết yếu, được mã hóa dựa trên tần số và khe thời gian, và được thể hiện trong định dạng gói tin của MPLS Công nghệ này không chỉ nâng cao hiệu suất hệ thống bằng cách tạo ra nhiều liên kết giữa người dùng, mà còn rất quan trọng trong giao tiếp quang, nơi có thể có hàng trăm đường định tuyến giữa hai người dùng Mạng MPLS cũng cải thiện khả năng chuyển đổi kênh, giúp phát hiện và phân tách lỗi nhanh chóng, qua đó giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động của hệ thống, đảm bảo sự ổn định và hiệu quả trong quá trình truyền tải dữ liệu [66]

Trong mạng MPLS quang, dữ liệu được tiếp nhận và truyền tải trong suốt qua miền toàn quang nhờ một tập hợp nhãn được thiết lập trong quá trình

xử lý tín hiệu Nhãn điều khiển sẽ được gửi đến điểm đích để thiết lập đường truyền quang, gọi là đường chuyển mạch nhãn (Label Switched Path - LSP) Các nhãn này chứa thông tin cần thiết để cập nhật bảng chuyển mạch tại các nút lõi của hệ thống quang chuyển mạch (OLS)

Các gói IP trong luồng lưu lượng được chấp nhận theo LSP sẽ đi qua cùng một chuỗi nút LSP, trừ khi có xung đột tại các nút lõi trong quá trình truyền từ nút nguồn đến nút đích Mỗi gói IP đi kèm một nhãn chứa thông tin điều khiển và yêu cầu chuyển mạch, hỗ trợ quá trình chuyển mạch tại mỗi nút

LSP Các nút lõi trong LSP thực hiện chuyển mạch dựa trên thông tin từ nhãn này Chuyển mạch diễn ra trong miền điện tử, đảm bảo việc chuyển đổi từ quang sang điện Hình 1.1 minh họa một mạng OLS với các nút biên và nút lõi được kết nối qua các liên kết WDM Liên kết giữa các nút có thể là một chiều hoặc hai chiều, tùy thuộc vào tính năng của mạng

Hình 1.1 Mạng chuyển mạch MPLS toàn quang

Nhãn quang sẽ lan truyền qua mạng theo LSP được thiết lập cùng với

dữ liệu gói tin Mỗi nút trung tâm OLS trên LSP sẽ: Đọc nhãn quang, chuyển tiếp gói tin Trong quá trình xử lý nhãn quang, gói tin sẽ bị trễ bởi một đường dây trễ cố định tại đầu vào trước khi vào chuyển mạch OLS Mục tiêu là giảm thiểu việc quản lý trễ động giữa nhãn quang và dữ liệu gói tin Nếu một gói tin cần chuyển sang bước sóng đã có gói khác đang chuyển tiếp, nút OLS sẽ chuyển gói tin đó sang một bước sóng thay thế

Nhiều mô hình truyền dẫn quang được nghiên cứu là phương tiện để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của bộ định tuyến mạng lõi dữ liệu lớn [8] Các phương pháp chuyển mạch quang (Optical Circuit Switching - OCS), chuyển mạch bó quang (Optical Burst Switching - OBS) và chuyển mạch gói quang (Optical Packet Switching - OPS) kết hợp với hoán đổi nhãn quang

(Optical Label Swapping - OLS) là các phương pháp định tuyến quang thế hệ tiếp theo, sử dụng giao thức Internet trên đa kênh phân chia bước sóng (IP-over-Wavelength Division Multiplexed - IP-over-WDM) [67, 68]

Optical Circuit Switching (OCS) [69, 70]: Là phương pháp truyền thống nhất, trong đó một đường mạch quang cố định được thiết lập giữa nguồn và đích cho kết nối Điều này giống như cuộc gọi điện thoại, nơi một đường dây cố định được thiết lập cho toàn bộ cuộc gọi OCS thích hợp cho việc truyền tải dữ liệu lớn và ổn định

Optical Burst Switching (OBS) [71, 72]: OBS kết hợp các ưu điểm của điều chế gói và mạch bằng cách cho phép gói dữ liệu lớn được truyền qua mạng mà không cần thiết lập một đường mạch cố định OBS khả năng phân phối băng thông linh hoạt và hiệu quả hơn OCS

Optical Packet Switching (OPS) [73, 74]: Trong OPS, dữ liệu được chuyển tiếp dưới dạng các gói quang, tương tự như cách mạng IP hoạt động với gói dữ liệu điện tử OPS hứa hẹn sự linh hoạt và khả năng mở rộng cao, tuy nhiên còn gặp khó khăn về kỹ thuật, đặc biệt trong việc xử lý và lưu trữ gói dữ liệu quang

Optical Label Switching/Swapping (OLS) [75, 76]: Là một kỹ thuật được sử dụng trong OPS, nơi các nhãn quang (được gắn với mỗi gói dữ liệu) được sử dụng để định tuyến gói tin qua mạng OLS xử lý nhanh chóng và hiệu quả gói dữ liệu quang

Các phương pháp trên, khi được áp dụng trong kết hợp với WDM, mở ra khả năng truyền tải dữ liệu với tốc độ cao và hiệu quả qua mạng lõi, giúp giảm tải cho các bộ định tuyến điện tử hiện đại Khi lựa chọn chuyển mạch gói quang OPS (Optical Packet Switching), cần chọn một định dạng mã hóa gói quang phù hợp cho phép truyền một cặp nhãn-nội dung (header-payload) trên mỗi khe thời gian của gói tin

IP-over-Các phương pháp mã hóa gói tin nổi lên được phân loại là tuần tự (serial) hoặc song song (parallel) Lựa chọn giữa mã hóa tuần tự và song song

trong OPS phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống, bao gồm yếu tố như băng thông, độ phức tạp của hệ thống, và khả năng chống nhiễu Trong một

số trường hợp, sự kết hợp của hai phương pháp mã hóa cũng có thể được xem xét để tận dụng lợi ích của cả hai Mã hóa gói tin, nhãn gói tin sử dụng miền thời gian và điều chế PSK được chỉ ra ở Hình 1.2

Hình 1.2 (a) Mã hóa miền thời gian gói quang OPS và

(b) mã hóa sử dụng điều chế OOK và PSK

Trong hệ thống OPS, nhãn quang mang thông tin định tuyến cho gói tin Nhãn quang được thực hiện thông qua sử dụng điều chế: chia thời gian (ví

dụ như nhãn dãy bit), điều chế chia bước sóng (ví dụ như nhãn đa dạng bước sóng), điều chế chia tần số (ví dụ như nhãn sóng con), điều chế chia mã quang (OC) (ví dụ như nhãn mã quang trực giao) hoặc điều chế trực giao (ví dụ như điều chế dịch chuyển biên độ ASK, điều chế dịch chuyển tần số FSK và điều chế dịch chuyển pha vi sai (Differential Phase Shift Keying -DPSK)

Nhãn quang được thêm vào tại bộ định tuyến nút biên và được xử lý tại

bộ định tuyến trung tâm trong mạng OPS Xử lý nhãn quang bao gồm việc tạo

ra, trích xuất và làm mới nhãn quang Cho đến nay, có chủ yếu hai loại kỹ thuật xử lý nhãn quang, một là sử dụng chuyển đổi quang điện để xử lý nhãn quang trong miền điện và loại khác dựa trên xử lý toàn quang [77]

Kỹ thuật xử lý nhãn quang trong miền điện là dễ sử dụng, nhưng cần thêm chuyển đổi quang điện cho mỗi lần xử lý và làm giảm tốc độ xử lý nhãn quang

(a) (b)

Để khắc phục những nhu cầu rất cao này, đặc biệt là định tuyến chuyển mạch hoán đổi nhãn toàn quang (All Optical Label Switching/Swaping -AOLS) được xem xét như một giải pháp cho các mạng toàn quang tốc độ cao trong tương lai [78-80] AOLS cho phép chức năng định tuyến và chuyển tiếp gói được thực hiện trực tiếp trong lớp quang [81, 82] Bằng cách mang các gói IP trực tiếp qua lớp ghép kênh phân chia bước sóng quang (WDM) khắc phục được nhu cầu vận chuyển qua bất kỳ lớp trung gian khác, dẫn đến quá trình quang tốc độ cao với băng thông mạng tăng lên Theo GMPLS, quá trình chuyển mạch được xác định trên toàn cầu, bao gồm không chỉ chuyển mạch không gian hoặc thời gian truyền thống mà còn cả chuyển mạch bước sóng hoặc băng tần và chuyển mạch sợi quang

Đã có nhiều kỹ thuật OLS được đề xuất trong những năm qua, các kỹ thuật này đã được đánh giá và so sánh theo tài liệu tham khảo kèm theo [19] Qua phân tích cho thấy, các phương pháp xử lý nhãn trước đây sử dụng bộ khuếch đại quang bán dẫn hoặc các hiệu ứng phi tuyến trong sợi quang Nhược điểm của phương pháp xử lý này yêu cầu công suất cao, không có khả năng tích hợp trên một chip quang Để khắc phục, Munkhbayar Adiya và cộng sự gần đây đề xuất một hệ thống nhận dạng nhãn dùng quang tử tích hợp [83] Hệ thống đề xuất nhận dạng tất cả các nhãn mã nhị phân nhưng hệ thống này yêu cầu nhiều bộ chuyển mạch quang được điều khiển bằng tín hiệu quang

Các tác giả cũng đề xuất một hệ thống nhận dạng nhãn thụ động toàn quang cho tất cả các mã nhị phân ở định dạng PSK nhị phân (BPSK) Hệ thống nhận dạng nhãn bao gồm kết nối cấu trúc cây của các thành phần ống dẫn sóng thụ động được đặt tên là khớp nối hình X không đối xứng và cổng thời gian Bộ ghép nối X không đối xứng cung cấp chức năng ghép sóng theo quan hệ pha giữa hai sóng tới Nhược điểm của cấu trúc này là dùng bộ ghép nối chữ X với suy hao lớn, rất khó chế tạo chính xác và thiết kế phức tạp Do

vậy Luận án nghiên cứu phát triển cấu trúc nhận dạng nhãn quang dùng quang

tử tích hợp trên nguyên lý giao thoa đa mode khắc phục các hạn chế trên

Bên cạnh đó, gần đây học máy (Machine Learning - ML) thu hút sự chú ý đặc biệt nhờ sự gia tăng nhanh chóng của các hệ thống máy tính hiệu năng cao, cho phép phát triển các mạng nơ-ron sâu (Deep Neural Network - DNN) với hàng chục lớp và hàng triệu tham số Một ví dụ tiêu biểu là DALL E2, một DNN tiên tiến có khả năng chuyển văn bản thành hình ảnh, với hơn 3,5 tỷ tham số, cho thấy tiềm năng to lớn của phương pháp này

Mặc dù mạng nơ-ron lớn đặt ra yêu cầu tính toán khắt khe, nhưng cũng

đi kèm với thách thức về phần cứng, độ trễ và tiêu thụ điện năng Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng, các nhà khoa học đang tìm kiếm giải pháp mới, chẳng hạn như chuyển từ CPU sang các vi mạch tích hợp như FPGA, GPU hoặc mạch tích hợp chuyên biệt (ASIC), được gọi là lõi Tensor, nhằm cải thiện hiệu năng và khả năng mở rộng

Các hệ thống hiện nay vẫn gặp phải nhiều hạn chế do các yếu tố vật lý như tiêu thụ năng lượng cao và độ trễ Vì lý do này, các nhà khoa học đang tìm kiếm công nghệ mới để cải thiện hiệu suất của mạng nơ-ron, với mục tiêu phát triển một bộ tăng tốc phần cứng hiệu quả hơn

Trong số các giải pháp tiềm năng, công nghệ quang tử được coi là một lựa chọn hấp dẫn nhờ vào tốc độ ánh sáng và mức tiêu thụ năng lượng thấp [84-86] Công nghệ quang tử silic (Silicon Photonics) đang trở nên đáng tin cậy, cho phép chế tạo hàng loạt mạch quang tử và thực hiện mạng nơ-ron quang tử (Photonic Neural Networks - PNN) tại quy mô chip, đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người dùng

Mạng nơ-ron toàn quang (Optical Neural Network - ONN) mang đến một phương pháp hứa hẹn cho việc triển khai vi điện tử và quang điện tử lai, giải quyết vấn đề tốc độ tính toán và tiêu thụ năng lượng của các hệ thống

hiện tại Năm 2017, nhóm nghiên cứu do Shen tại MIT và Stanford đã thành công trong việc thiết kế mạng nơ-ron toàn quang cho các thuật toán học sâu, ứng dụng trong nhận dạng âm thanh và hình ảnh [87]

Nhiều nghiên cứu về mạng nơ-ron quang tử đã được thực hiện, chủ yếu

sử dụng cấu trúc vi cộng hưởng quang với bộ ghép có hướng và giao thoa Mach-Zehnder (MZI) [88, 89] Các kiến trúc mạch tích hợp quang tử (PIC) đã được đề xuất để thực hiện nhiệm vụ lõi Tensor cho mạng nơ-ron quang tử (PNN) [90] Bằng cách điều khiển ánh sáng qua ống dẫn sóng nhỏ, các mạch quang tử tích hợp có thể chứa nhiều thành phần trên một chip, thực hiện phép toán nhân và cộng tích lũy (MAC) với nhiều đầu vào, sử dụng bộ điều chế tốc

độ cao và bộ tách sóng quang

Tuy nhiên, các cấu trúc thực hiện mạng nơ-ron quang hiện nay dùng vi cộng hưởng dựa vào bộ ghép có hướng, sử dụng cấu trúc giao thoa MZI nhược điểm là dung sai chế tạo và băng thông thấp do đặc tính tự nhiên của cấu trúc

bộ ghép có hướng [91] Đồng thời kích thước của cấu trúc lớn nên nếu hệ thống cần nhiều lớp và nhiều nơ-ron sẽ phức tạp và tiêu thụ công suất cao

Khi so sánh lợi ích của việc sử dụng giao thoa đa mode quang (Multimode Interference - MMI) với các bộ ghép định hướng trong mạch quang tích hợp, có một số lợi ích: khả năng dung sai trong chế tạo, băng thông hoạt động rộng, không nhạy cảm với phân cực, và kích thước linh kiện nhỏ gọn [92] Lợi thế này xuất phát từ hiệu ứng tự ảnh được sử dụng trong các bộ ghép MMI, khiến ngày càng trở nên phổ biến trong thiết kế các mạch quang tích hợp nhờ vào kích thước nhỏ gọn, dung sai chế tạo tốt hơn, không nhạy cảm với phân cực, và băng thông rộng [93] Thêm vào đó, các bộ ghép MMI dựa trên giao thoa tổng quát được nhấn mạnh vì kích thước nhỏ gọn so với các bộ ghép MMI dựa trên giao thoa hạn chế, khiến chúng được lựa chọn cho các linh kiện quang tích hợp quy mô lớn [94]

Hơn nữa, việc sử dụng MMI trong các sợi quang đa mode có chỉ số khúc xạ biến đổi cho phép ghép nối mất mát cực thấp giữa các sợi quang đơn mode với các đường kính trường mode khác nhau, cho thấy tính linh hoạt và hiệu quả của MMI trong các hệ thống quang [95] Ngược lại, các bộ ghép định hướng có hiệu quả trong một số ứng dụng, được chứng minh trong việc chế tạo các linh kiện dẫn sóng quang đặt dưới ánh sáng UV, nơi các bộ ghép định hướng và bộ chia công suất 1x2 MMI được chế tạo thành công với độ chính xác và khả năng điều khiển cao [96]

Trong lĩnh vực cổng logic quang, các bộ ghép MMI thu hút sự quan tâm đáng kể nhờ vào các đặc điểm ưu việt như kích thước nhỏ gọn, dung sai chế tạo rộng, không nhạy cảm với phân cực, băng thông quang lớn, và khả năng tích hợp với các linh kiện quang khác [97] Tính linh hoạt này mở rộng đến việc đo lường chỉ số khúc xạ quang, nơi MMI được nghiên cứu rộng rãi, dẫn đến sự phát triển của nhiều linh kiện bao gồm các bộ ghép định hướng, các khớp nối X hoặc Y adiabatic và các bộ ghép tán xạ [98]

Hơn nữa, MMI đã được ứng dụng trong nhiều linh kiện quang quan trọng như các bộ ghép, bộ kết hợp, bộ phân chia bước sóng, và các cổng quang [99] Ưu điểm nổi bật là cho phép kích thước nhỏ gọn, dễ chế tạo, dung sai chế tạo lớn và khả năng tích hợp nối tiếp [100]

Mặc dù các bộ ghép định hướng (directional coupler) được sử dụng phổ biến trong các bộ cộng hưởng cho các ứng dụng xử lý tín hiệu, các cấu trúc MMI được mô hình hóa cho các mục đích tương tự, thể hiện tính linh hoạt và khả năng thích ứng của các linh kiện dựa trên MMI trong các hệ thống quang khác nhau [101] Thêm vào đó, thiết kế và chế tạo các bộ ghép MMI dựa trên hiệu ứng tự hình ảnh (self-imaging) được chấp nhận rộng rãi trong quang tích hợp, càng làm nổi lên các lợi thế của MMI trong các hệ thống quang

Trong bối cảnh các ứng dụng đo lường bước sóng quang, các bộ ghép MMI thể hiện các ưu điểm vượt trội so với các bộ lọc cạnh khác, cho một số điểm nổi bật về hiệu năng của MMI trong việc phát hiện sự dịch chuyển bước sóng [102] Tỷ lệ chia công suất có thể điều chỉnh của bộ ghép MMI cũng được khám phá, làm nổi lên tiềm năng của chúng cho các ứng dụng yêu cầu phân phối công suất có thể điều chỉnh [103] Hơn nữa, các mô phỏng số cho tính khả thi của các bộ chia công suất cực ngắn có thể điều chỉnh dựa trên các

bộ ghép MMI có khe, mở rộng thêm tính hữu dụng của các cấu trúc MMI trong các linh kiện quang [104]

Trong các ứng dụng tín hiệu thu nhận và xử lý một cách đồng bộ, các

bộ ghép MMI 4x4 được đánh giá cao vì băng thông rộng, kích thước nhỏ gọn,

và tính phù hợp cho tích hợp monolithic với các chip quang tích hợp, nhấn mạnh tầm quan trọng của MMI trong các hệ thống quang tiên tiến [105] Tương tự, thiết kế các bộ ghép MMI 2x2 với tỷ lệ ghép nối công suất tùy ý chứng minh tổn thất thấp, dung sai chế tạo rộng, và dễ chế tạo liên quan đến các linh kiện dựa trên MMI [106]

Tính linh hoạt của các bộ ghép MMI mở rộng đến việc chuyển đổi và kết hợp các mode bậc không và bậc một trong các bộ kết hợp mode dẫn sóng quang, cho thấy khả năng thích ứng của các cấu trúc MMI trong việc xử lý các mode khác nhau một cách hiệu quả [107] Thêm vào đó, việc sử dụng các cấu trúc dẫn sóng khe trong các bộ ghép MMI dải O tăng cường chức năng và hiệu năng của các linh kiện quang dựa trên MMI, làm cho chúng trở thành các thành phần thiết yếu trong các mạch tích hợp quang [108]

Trong lĩnh vực cảm biến hóa học và sinh học, việc sử dụng các cấu trúc MMI 6x6 cho thấy triển vọng cho các ứng dụng cảm biến đa kênh, làm nổi lên khả năng độc đáo của các bộ ghép MMI trong các môi trường cảm biến đa dạng [109] Việc khám phá các ứng dụng của các cấu trúc MMI có chỉ số

khúc xạ biến đổi trong các cảm biến quang nhấn mạnh khả năng thay đổi các điều kiện dẫn sóng, từ đó cải thiện hiệu năng của cảm biến [117]

Do vậy, Luận án thiết kế một cấu trúc MMI thực hiện nơ-ron mới sử dụng nguyên lý giao thoa đa mode và từ đó thực hiện thiết kế mạng nơ-ron ứng dụng cho nhận dạng nhãn quang

1.1.2 Mạng chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS

MPLS được thiết kế để kết hợp lợi ích của mạng IP và chế độ chuyển mạch không đồng bộ (Asynchronous Transfer Mode - ATM) Công nghệ MPLS cho phép chuyển tiếp gói tin nhanh chóng thông qua việc sử dụng nhãn chuyển mạch, khác với mạng IP ở chỗ nó không cần tra cứu địa chỉ đích tại mỗi nút Thay vào đó, MPLS sử dụng chuyển tiếp nhãn ngắn, giúp giảm thời gian xử lý so với việc tra cứu dựa trên địa chỉ

Trong mạng MPLS, địa chỉ đích chỉ được xử lý tại nút biên, nơi mà LSP (Label-Switched Path) được thiết lập trước khi truyền gói tin Hình 1.3, tại nút nhập, nhãn được gắn vào gói tin và tại mỗi nút trung gian, cổng ra và nhãn ra được xác định dựa trên cổng vào và nhãn nhận được Bảng tra cứu MPLS tại mỗi nút rất ngắn gọn so với bảng tra cứu IP, giúp tối ưu hóa quá trình chuyển tiếp Quá trình gỡ bỏ nhãn cũ và gắn nhãn mới được gọi là hoán đổi nhãn [66], và tại nút thoát, địa chỉ đích sẽ được khôi phục từ nhãn cuối cùng để gói tin được giao trong định dạng ban đầu

Hình 1.3 Mạng chuyển mạch nhãn MPLS

Hoán đổi nhãn

Biên LSR

Dữ liệu tải Nhãn

Biên LSR

LSR: Thiết bị định tuyến chuyển mạch nhãn