Luận án tiến sĩ kỹ thuật xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử

Khám phá luận án tiến sĩ về kỹ thuật xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode sử dụng mạch tích hợp quang tử, ứng dụng tiên tiến trong lĩnh vực viễn thông.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận án tiến sĩ

2022

156
5
0

Phí lưu trữ

45 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

MỞ ĐẦU

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

1.1. Giới thiệu chương

1.2. Ghép kênh phân chia theo mode

1.2.1. Giới thiệu ghép kênh phân chia theo mode

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

1.2.3. Thách thức cần vượt qua thứ hai: Thiết kế các thiết bị đa mode có khả năng tái cấu hình

1.3. Mạch tích hợp quang tử silicon

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

1.4.1. Bộ ghép định hướng

1.4.2. Cấu trúc ống dẫn sóng chữ Y

1.4.3. Giao thoa kế Mach-Zehnder

1.4.4. Bộ cộng hưởng vòng

1.4.5. Cách tử Bragg

1.4.6. Bộ giao thoa đa mode MMI

1.5. Kết luận chương

2. BỘ CHUYỂN ĐỔI BỐN MODE BẤT KÌ TE0 /TE1/TE2 /TE3

2.1. Giới thiệu chương

2.2. Tổng quan nghiên cứu về chuyển đổi mode

2.3. Cấu trúc bộ chuyển đổi bốn mode

2.3.1. Mô tả tổng quát

2.3.2. Bộ ghép nối chữ Y 1x4

2.3.3. Bộ giao thoa đa mode MMI 4x4

2.3.4. Bộ dịch pha

2.4. Mô phỏng và đánh giá

2.5. Kết luận chương

3. BỘ CHUYỂN MẠCH MODE KHÔNG TẮC NGHẼN

3.1. Giới thiệu chương

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

3.2.1. Tổng quan nghiên cứu chuyển mạch lựa chọn mode

3.2.2. Cấu trúc bộ chuyển mạch lựa chọn mode

3.2.3. Mô phỏng và đánh giá

3.3. Bộ chuyển mạch mode cơ bản 4x4

3.3.1. Tổng quan nghiên cứu chuyển mạch mode

3.3.2. Cấu trúc bộ chuyển mạch mode cơ bản

3.3.3. Mô phỏng và đánh giá

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

3.5. Kết luận chương

4. BỘ GHÉP KÊNH/PHÂN KÊNH KẾT HỢP MDM VÀ WDM

4.1. Giới thiệu chương

4.2. Tổng quan nghiên cứu ghép kênh/phân kênh kết hợp WDM và MDM

4.3. Cấu trúc bộ ghép kênh/phân kênh kết hợp WDM và MDM

4.3.1. Mô tả tổng quát

4.3.2. Bộ ghép kênh ba bước sóng WDM (3λ − WDM)

4.3.3. Bộ ghép kênh bốn mode (4M − MDM)

4.3.4. Mô phỏng và đánh giá

4.5. Kết luận chương

Kết luận và hướng phát triển

Phụ lục quy trình thiết kế và chế tạo mạch tích hợp quang tử silicon

Tài liệu tham khảo

Danh sách các công trình đã công bố của luận án

Tóm tắt

I. Kỹ thuật xử lý tín hiệu

Kỹ thuật xử lý tín hiệu là trọng tâm của luận án, tập trung vào việc xử lý tín hiệu đa mode trong hệ thống ghép kênh phân chia mode (MDM). Luận án đề cập đến các phương pháp xử lý tín hiệu quang dựa trên mạch tích hợp quang tử, giúp tăng hiệu suất và dung lượng truyền dẫn. Các kỹ thuật này bao gồm việc sử dụng các bộ giao thoa đa mode (MMI), cấu trúc chữ Y đối xứng, và bộ ghép nối định hướng để xử lý tín hiệu đa mode một cách hiệu quả.

1.1. Xử lý tín hiệu đa mode

Luận án tập trung vào việc xử lý tín hiệu đa mode trong hệ thống MDM, sử dụng các cấu trúc như bộ giao thoa đa mode 4x4 và cấu trúc chữ Y đối xứng. Các cấu trúc này giúp chuyển đổi và tách tín hiệu mode bậc cao thành các mode cơ bản, đảm bảo hiệu suất truyền dẫn cao và giảm thiểu nhiễu xuyên kênh.

1.2. Ứng dụng mạch tích hợp quang tử

Mạch tích hợp quang tử được sử dụng để thiết kế các hệ thống xử lý tín hiệu đa mode. Luận án đề xuất các cải tiến trong thiết kế mạch, bao gồm việc tối ưu hóa các bộ giao thoa đa mode và cấu trúc chữ Y, giúp tăng hiệu suất và giảm kích thước của các thiết bị quang tử.

II. Ghép kênh phân chia mode

Ghép kênh phân chia mode (MDM) là công nghệ chính được nghiên cứu trong luận án, nhằm tăng dung lượng truyền dẫn trong hệ thống thông tin quang. Luận án đề cập đến việc kết hợp MDM với công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) để tạo ra hệ thống truyền dẫn đa kênh với dung lượng lớn.

2.1. Công nghệ MDM

Luận án trình bày chi tiết về công nghệ MDM, trong đó thông tin được điều chế trên các mode quang trực giao. Công nghệ này cho phép truyền thông tin trên cùng một bước sóng mà không gây nhiễu xuyên kênh, giúp tăng dung lượng hệ thống lên M lần so với các hệ thống WDM thông thường.

2.2. Kết hợp MDM và WDM

Luận án đề xuất việc kết hợp MDMWDM để tạo ra hệ thống truyền dẫn đa kênh với dung lượng lớn. Bằng cách sử dụng M mode quang trực giao và N bước sóng, hệ thống có thể đạt được tổng số kênh truyền là MxN, tăng đáng kể dung lượng truyền dẫn.

III. Mạch tích hợp quang tử

Mạch tích hợp quang tử là công nghệ nền tảng được sử dụng trong luận án để thiết kế các hệ thống xử lý tín hiệu đa mode. Luận án tập trung vào việc thiết kế và tối ưu hóa các mạch tích hợp quang tử silicon, giúp tăng hiệu suất và giảm kích thước của các thiết bị quang tử.

3.1. Thiết kế mạch tích hợp quang tử

Luận án trình bày quy trình thiết kế và tối ưu hóa các mạch tích hợp quang tử silicon, bao gồm các bộ giao thoa đa mode, cấu trúc chữ Y, và bộ ghép nối định hướng. Các mạch này được thiết kế để xử lý tín hiệu đa mode một cách hiệu quả, đảm bảo hiệu suất truyền dẫn cao và giảm thiểu nhiễu xuyên kênh.

3.2. Ứng dụng trong hệ thống MDM

Các mạch tích hợp quang tử được thiết kế trong luận án được ứng dụng trong hệ thống MDM, giúp tăng dung lượng truyền dẫn và hiệu suất của hệ thống. Luận án cũng đề xuất các cải tiến trong thiết kế mạch để tối ưu hóa hiệu suất và giảm kích thước của các thiết bị quang tử.

IV. Xử lý tín hiệu quang

Xử lý tín hiệu quang là một trong những vấn đề chính được nghiên cứu trong luận án, tập trung vào việc xử lý tín hiệu đa mode trong hệ thống MDM. Luận án đề cập đến các phương pháp xử lý tín hiệu quang dựa trên mạch tích hợp quang tử, giúp tăng hiệu suất và dung lượng truyền dẫn.

4.1. Phương pháp xử lý tín hiệu quang

Luận án trình bày các phương pháp xử lý tín hiệu quang, bao gồm việc sử dụng các bộ giao thoa đa mode, cấu trúc chữ Y đối xứng, và bộ ghép nối định hướng để xử lý tín hiệu đa mode một cách hiệu quả. Các phương pháp này giúp tăng hiệu suất truyền dẫn và giảm thiểu nhiễu xuyên kênh.

4.2. Ứng dụng trong hệ thống MDM

Các phương pháp xử lý tín hiệu quang được nghiên cứu trong luận án được ứng dụng trong hệ thống MDM, giúp tăng dung lượng truyền dẫn và hiệu suất của hệ thống. Luận án cũng đề xuất các cải tiến trong thiết kế mạch để tối ưu hóa hiệu suất và giảm kích thước của các thiết bị quang tử.

01/03/2025
Luận án tiến sĩ kỹ thuật xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE DỰA TRÊN MẠCH TÍCH HỢP QUANG TỬ SILICON 1.1 Giới thiệu chương Chương này sẽ trình bày tổng quan về các công nghệ ghép kênh đang được sử dụng phổ biến hiện nay, đó là các công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng (Wavelength Division Multiplexing - WDM), ghép kênh phân chia theo phân cực (Polarization-division multiplexing -PDM) và ghép kênh phân chia theo không gian (Space Division Multiplexing - SDM). Trong đó giải thích vì sao công nghệ SDM đa mode (hay còn gọi là ghép kênh phân chia theo mode) phù hợp với các mạch tích hợp quang tử nhỏ gọn. Không giống như mạch tích hợp điện tử, nghiên cứu phát triển các mạch tích hợp quang tử, đặc biệt là các mạch quang tử tỉ lệ lớn thì độ phức tạp và khó khăn cao hơn nhiều lần. Thực tế chứng minh rằng, để phát triển mạch tích hợp quang tử tỉ lệ lớn, đòi hỏi các nhà khoa học phải vượt qua được các trở ngại vốn có khi làm việc với tín hiệu ánh sáng, đặc biệt là các tín hiệu ánh sáng đa mode.

Bên cạnh đó, nội dung của chương sẽ trình bày thêm hai thách thức lớn cần phải vượt qua để phát triển mạng ghép kênh phân chia theo mode trên các mạch tích hợp quang tử. Ngoài ra, trong chương cũng trình bày các cấu trúc hình học cơ bản phổ biến nhất được sử dụng để xây dựng nên các mạch tích hợp quang tử silicon trên nền chất cách điện (Silicon on Insulator - SOI). GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE 1.2 Ghép kênh phân chia theo mode 1.1 Giới thiệu ghép kênh phân chia theo mode Một trong những giải pháp hiệu quả để nâng cao dung lượng của liên kết quang là sử dụng các công nghệ ghép kênh tiên tiến, như ghép kênh phân chia theo bước sóng (DWDM hoặc CWDM), ghép kênh phân chia theo phân cực (PDM), và ghép kênh phân chia theo không gian (SDM) v. Công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao (Dense Wavelength Division Multiplexing - DWDM) được ứng dụng trong các mạng quang đường dài.

Công nghệ này có khả năng ghép hàng chục kênh tín hiệu trên các sóng mang quang với khoảng cách hẹp trên cùng một sợi quang đơn mode. Xu hướng của công nghệ tiên tiến này là phát triển đến các trung tâm dữ liệu lớn [9]. Tuy nhiên, trong hệ thống DWDM, các bước sóng được phát ra từ các nguồn laser phải được căn chỉnh và giữ ổn định chính xác thông qua quá trình kiểm soát nhiệt độ một cách rất công phu. Do đó, việc quản lý điều chỉnh bước sóng, chuyển đổi, định tuyến và chuyển mạch trong hệ thống DWDM trở nên phức tạp, tốn kém và tiêu thụ rất nhiều điện năng.

Điều này có thể chấp nhận được đối với mạng quang đường dài, tuy nhiên đối với mạng quang trên chip là khó chấp nhận được, đặc biệt trên một chip kích thước nhỏ nhưng tồn tại quá nhiều nguồn phát và nhiều trình điều khiển laser ở trên đó. Một lựa chọn tối ưu hơn cho các liên kết quang trên cùng một chip hoặc giữa các chip là sử dụng công nghệ ghép kênh theo bước sóng thô (Coarse Wavelength Division Multiplexing - CWDM). Công nghệ này cũng sử dụng phương thức ghép kênh theo bước sóng, tuy nhiên khoảng cách giữa các bước sóng lớn và số lượng kênh ghép ít hơn, điều này giảm yêu cầu khắc khe về độ chính xác trong các điều kiện căn chỉnh bước sóng và độ phức tạp trong các trình điều khiển laser. Bên cạnh việc tăng dung lượng kênh truyền bằng cách ghép nhiều bước sóng mang như WDM thì việc tăng dung lượng trên một kênh sóng mang đơn cũng rất cần thiết.

Hai công nghệ ghép kênh phân chia theo phân cực (PDM) và ghép kênh phân chia theo không gian (SDM) trở nên rất hữu ích trong trường hợp này. Công nghệ PDM được sử dụng rộng rãi để nâng cao dung lượng đường truyền ở mạng cáp quang đường dài. Công nghệ này sử dụng hai phân cực trực giao kết hợp với điều chế pha hoặc điều chế biên độ cầu phương (QAM) cho phép tốc độ truyền từ 100 Gbit/s trở lên trên một bước sóng đơn [10]. Do trạng thái phân cực ánh sáng trong sợi quang là biến đổi ngẫu nhiên nên công nghệ PDM 2 CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE DỰA TRÊN MẠCH TÍCH HỢP QUANG TỬ SILICON Hình 1.1 Dải tần ghép kênh CWDM và DWDM. thường phải kết hợp với các kỹ thuật mã hóa kênh tiên tiến và xử lý tín hiệu số (DSP) để giải mã tín hiệu. Một điểm rất thuận lợi đối với các kết nối quang trên chip là trạng thái phân cực của ánh sáng có thể được duy trì rất tốt. Do đó, sử dụng kỹ thuật PDM sẽ không cần thiết phải làm việc với các kỹ thuật mã hóa kênh tiên tiến cũng như DSP cho các kết nối quang trên chip.

Bên cạnh đó, công nghệ hợp kênh phân chia theo không gian SDM cung cấp một phương pháp mới để cải thiện dung lượng đường truyền bằng cách sử dụng nhiều sợi quang hoặc ống dẫn sóng quang đa lõi [11] hoặc đa mode [12, 13]. Công nghệ này ngày càng thu hút nhiều sự quan tâm trong lĩnh vực truyền thông quang trong những năm gần đây. Ưu điểm khi sử dụng công nghệ SDM đa lõi cho mạng quang tử trên chip là các liên kết được tách biệt về mặt vật lý và không cần đến các bộ hợp kênh/phân kênh. Tuy nhiên, điểm hạn chế của công nghệ SDM đa lõi này là diện tích lớn và độ phức tạp của bố trí mạch tăng lên, đặc biệt là khi có nhiều lõi ống dẫn sóng trên mạch.

Ngoài ra, suy hao sẽ rất đáng kể do tồn tại quá nhiều các ống dẫn sóng đan chéo nhau, điều này thường tồn tại đối với các mạch tích hợp quang tử quy mô lớn. Hơn nữa, SDM đa lõi sẽ rất bất tiện trong quá trình chuyển đổi tín hiệu quang giữa hai ống dẫn sóng bất kỳ do không gian vật lý quá hạn chế. Một giải pháp thay thế là sử dụng công nghệ SDM đa mode [14, 15] hay còn gọi là công nghệ ghép kênh phân chia theo mode (MDM). Gần đây, công nghệ ghép kênh phân chia 3 1.

GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE Hình 1.2 (a) Sơ đồ tổng quát của một hệ thống thông tin sợi quang, (b) Ghép kênh WDM sử dụng nguồn tài nguyên bước sóng, (c) Ghép kênh MDM sử dụng nguồn tài nguyên mode.2(a) chỉ ra sơ đồ của một hệ thống thông tin quang, gồm phần phát, phần thu, môi trường truyền dẫn và các node ở trên đường truyền. Trạm phát phát các kênh riêng lẻ và được ghép kênh (sử dụng các bộ ghép kênh MUX) trên cùng một đường truyền để truyền đi. Tại đây, các node có thể sử dụng thêm các bộ định tuyến, chuyển đổi, chuyển mạch, ghép xen/rớt tín hiệu. và tại trạm thu thì xử lý quá trình ngược lại (sử dụng bộ giải ghép kênh DEMUX) để tách ghép tín hiệu ra từng kênh thông tin riêng lẻ.

Một điều rõ ràng rằng, nghiên cứu thiết kế các thiết bị trong hệ thống mạng ghép kênh phân chia theo mode có nét tương đồng như các thiết bị đã được phát triển trong hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng. Thay vì các thiết bị trong mạng WDM (Hình 1.2(b)) làm việc với nguồn tài nguyên bước sóng, thì các thiết bị trong mạng MDM làm việc với nguồn tài 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE DỰA TRÊN MẠCH TÍCH HỢP QUANG TỬ SILICON nguyên mode (Hình 1. 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 (Hình 1. 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 Hình 1.3 Sơ đồ kết hợp giữa hai công nghệ WDM và 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. GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE 1.2 Thách thức cần vượt qua thứ nhất: Thiết kế ống dẫn sóng đa mode cắt ngang nhau Trong các mạch tích hợp quang tử silicon đa mode mật độ cao, đặc biệt là mạng quang tử trên chip thì thiết kế ống dẫn sóng cắt ngang giữa các đường giao nhau với suy hao thấp là rất quan trọng.

Trước đây, các ống dẫn sóng giao nhau hỗ trợ mode cơ bản truyền thẳng qua đã được thiết kế nhiều và chứng minh được khả năng truyền tín hiệu xuyên kênh và suy hao thấp [18–22]. Ví dụ, thiết kế ống dẫn sóng đơn mode cắt ngang nhau với suy hao khoảng 0,02 dB và nhiễu xuyên kênh khoảng -40 dB đã được thực hiện bằng cách sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode MMI [21]. Trong cấu trúc này, chiều dài MMI được chọn tối ưu để đạt được khả năng tự sao ảnh cho mode cơ bản khi truyền tín hiệu ánh sáng qua đường cắt ngang giữa hai ống dẫn sóng. Tuy nhiên, sử dụng cấu trúc MMI trong trường hợp này sẽ trở nên rất khó khăn khi thiết kế ống dẫn sóng đa mode để truyền thẳng tín hiệu quang qua chỗ giao nhau này.

Sự khó khăn này là do các mode bậc cao hoạt động rất khác với mode cơ bản và chúng thường có các vị trí tự sao ảnh khác nhau trong phần giao thoa đa mode. Một số đề xuất kết nối cắt ngang giữa các ống dẫn sóng đa mode dựa trên các cấu trúc đặc biệt đã được thực hiện [23–25]. Những cấu trúc này thường rất khó thực hiện trên thực tế vì cấu trúc phức tạp, mở rộng khó và suy hao lớn khi chuyển tín hiệu ngang qua các cấu trúc này.4 Cấu trúc các ống dẫn sóng đa mode cắt ngang nhau trên chip, (a) Sử dụng bộ chuyển đổi mode cấu trúc chữ Y [24].

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Luận án tiến sĩ "Kỹ thuật xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia mode bằng mạch tích hợp quang tử" trình bày những kỹ thuật tiên tiến trong việc xử lý tín hiệu quang, đặc biệt là trong lĩnh vực ghép kênh phân chia mode. Tài liệu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các phương pháp và công nghệ hiện đại mà còn nêu bật những lợi ích mà các kỹ thuật này mang lại cho việc tối ưu hóa hiệu suất hệ thống quang. Độc giả sẽ tìm thấy thông tin hữu ích về cách thức cải thiện khả năng truyền tải dữ liệu và giảm thiểu nhiễu trong các mạch quang tích hợp.

Để mở rộng thêm kiến thức về lĩnh vực này, bạn có thể tham khảo tài liệu Phân tích crosstalk giữa các đại sóng quang trong mạch tích hợp quang, nơi cung cấp cái nhìn chi tiết về vấn đề nhiễu trong các mạch quang. Ngoài ra, tài liệu Nghiên cứu tính chất quang ứng dụng tán xạ raman dây nano silic sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các ứng dụng quang học trong công nghệ nano. Cuối cùng, tài liệu Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của erbium trong vật liệu thủy tinh silicate sẽ cung cấp thông tin bổ ích về các công nghệ khuếch đại quang, một phần quan trọng trong việc phát triển hệ thống quang hiện đại. Những tài liệu này sẽ giúp bạn có cái nhìn toàn diện hơn về các xu hướng và thách thức trong lĩnh vực kỹ thuật quang.