Chương 1. 31 Chương 2 Phân tích, thiết kế các cổng logic toàn quang .1 Nguyên lý thực hiện cổng logic quang .2 Cổng logic quang dùng 4x4 MMI .3 Cổng logic quang dùng cấu trúc plasmonic .1 Thiết kế cổng XNOR và OR dùng cấu trúc plasmonic .2 Thiết kế cổng NAND dùng plasmonic .4 Kết luận Chương 2. 51 n Chương 3 Phân tích, thiết cấu kiến trúc làm nhanh, chậm ánh sáng và ứng dụng cho trễ/ đệm quang .1 Bộ đệm quang dùng vi cộng hưởng .2 Cấu trúc vi cộng hưởng ghép nối tiếp.3 Cấu trúc nhiều bộ vi cộng hưởng sử dụng bộ Sagnac .2 Bộ đệm quang dùng vi cộng hưởng 4x4 MMI .1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động. Kết quả mô phỏng và thảo luận .4 Kết luận Chương 3.
70 Chương 4 Phân tích và thiết kế cấu trúc tạo tín hiệu đa mức PAM-4 cho hệ thống kết nối máy tính quang .1 Tạo tín hiệu PAM-4 dùng 3x3 MMI.2 Tạo tín hiệu PAM-4 dùng 4x4 MMI.3 Tạo tín hiệu PAM-4 không chirp .4 Kết luận Chương 4. 101 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ. 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 106 n DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt 1.
ALU Arithmetic Logic Unit Khối số học và logic học 2. BPM Beam Propagation Method Phương pháp BPM Complementary Metal-oxide- 3. CMOS Công nghệ chế tạo CMOS Semiconductor 4. CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm 5.
DCN Data Center Network Trung tâm dữ liệu Mô-đun bộ nhớ nội tuyến 6. DIMM Dual In-line Memory Module kép 7. DNN Deep Neural Network Mạng nơ-ron sâu Electromagnetic Induced 8. EIT Hiệu ứng trong suốt EIT Transparency 9.
EME Eigenmode Expansion Method Phương pháp EME Chuyển mạch gói trong 10. EPS Electronic Packet Switching miền điện Phương pháp sai phân hữu 11. FDTD Finite-difference Time-domain hạn trong miền thời gian Floating-point Operations per Phép toán dấu phảy động 12. FLOPS Second trên giây 13.
FPGA Field Programmable Gate Array Mảng logic khả trình Hệ thống tính toán hiệu 14. HPC High performance computing năng cao Ống dẫn sóng plasmonic 15. HPWG Hybrid Plasmonic Waveguide lai ghép 16. MMI Multimode Interference Cấu trúc giao thoa đa mode Phương pháp phân tích 17.
MPA Mode Propagation Analysis truyền mode 18. MRR Microring Resonator Bộ vi cộng hưởng 19. MZI Mach Zehnder Interferometer Giao thoa Mach Zehnder 20. PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung Phương pháp ma trận 21.
TMM Transfer Matrix Method truyền dẫn n DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Diễn giải Tiếng Anh Biên độ phức tín hiệu tại các cổng vào a i (i=1,., N) Complex Amplitudes MMI a i (i = 1,., N) Công suất chuẩn hóa tín hiệu 2 Normalized Power α0 Hệ số suy hao ống dẫn sóng (dB/cm) Attenuation α Suy hao tính theo dB Attenuation in dB Tín hiệu biểu diễn dạng vector, Signal representation a a = [ a1 a 2 a 3 ] T in vector Biên độ phức tín hiệu tại các cổng ra Complex Amplitudes bi (i=1,., N) MMI at outputs Normalized power at bi (i = 1,., N) Công suất chuẩn hóa tín hiệu 2 output β Hệ số lan truyền Propagation Constant βυ Hệ số lan truyền cho mode υ Tín hiệu biểu diễn dạng vector, b b = [ b1 b 2 b3 ] T cυ Hệ số kích thích trường trong MMI Field factor * Liên hợp phức ∆ϕ Di pha (dịch pha) Phase shift Effective Refractive ∆n e Thay đổi chiết suất hiệu dụng index Chênh lệch chiết suất giữ lõi và vỏ ống ∆n Index Difference dẫn sóng ∆L Chiều dài dịch của MMI Length of MMI ∆ϕ1 và ∆ϕ2 Dịch pha của hai cánh MZI Electric field D= εE Cảm ứng điện displacement ε Độ điện thẩm tuyệt đối Permittivity εr Độ điện thẩm tương đối, ( ε r =ε / ε0 ) Relative permittivity n Ký hiệu Diễn giải Tiếng Anh Độ điện thẩm chân không, ε0 Vacuum permittivity ε0 ≈ 8.m −1 Electric field in x, y Ex , E y , Ez Trường điện theo các trục x, y, z and z-directions E Trường điện Electric field EL Suy hao (dB) Excess Loss (dB) h co Chiều cao (nm) height (nm) Thickness of the h SiO2 Độ dày (nm/ µm ) under cladding layer Magnetic field in x, y Hx , H y , Hz Trường từ theo các trục x, y, z and z-directions H Trường từ Magnetic field Độ dày bên ngoài ống dẫn sóng SOI h Height dạng sườn Độ dày bên trong ống dẫn sóng SOI H dạng sườn j Phần ảo ( j2 = −1 ) Imaginary unit Coupling coefficient κ Hệ số ghép of a coupler k Hằng số sóng ( k = 2π / λ ) Wave number (Optimised) Length of an MMI coupler L MMI Chiều dài MMI (µm) calculated using the 3D-BPM or 3D- EME λ Bước sóng (nm) Operating wavelength Beat length between Lπ Chiều dài phách, L π = π / (β0 − β1 ) two lowest order modes Length of a L 2 or L M Chiều dài MMI ( µm ) multimode section ∇2Ψ Toán tử Laplace, n Ký hiệu Diễn giải Tiếng Anh ∇ 2 Ψ= ∂ 2 Ψ / ∂x 2 + ∂ 2 Ψ / ∂y 2 µ Độ từ thẩm tuyệt đối Permeability µr Độ từ thẩm tương đối, ( µ r =µ / µ0 ) Relative permeability υ =0, 1, ., M-1 Số mode Mode number M Ma trận MMI Matrix of MMI mij (i,j=1,2,.,N) Các thành phần của ma trận MMI Matrix elements Pi (i=1, ., N) Công suất chuẩn hóa Normalized Power ψ (y, 0) Profile trường bên trong MMI Field Profile ψ (y) Phân bố trường theo mode của MMI Mode Evolution ψ (y, z = L) Trường điện vị trí z=L Electric Field Pha tín hiệu từ cổng vào i đến cổng ra j φij Phase của MMI Voltage applied to the Va Điện áp áp dụng cho dịch pha phase shifter Voltage applied to a phase shifter to Vπ Điện áp dịch pha 180 độ introduce a phase shift of π Width of an MMI WMMI Độ rộng MMI ( µm ) coupler y-direction (lateral or y Trục y horizontal direction) z-direction z Trục z (propagation direction) n DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Các phương pháp thực hiện cổng logic toàn quang. Bảng chân lý cho cổng XOR. Bảng chân lý cho cổng XNOR.
Bảng chân lý cho cổng OR. Bảng chân lý cho cổng NAND. Bảng chân lý cho cổng XOR sử dụng cấu trúc plasmonic. Bảng chân lý cho cổng XNOR sử dụng cấu trúc plasmonic.
Bảng chân lý của cổng logic NAND sử dụng cấu trúc plasmonic. Mức PAM-4 dựa trên hai bộ di pha được phân đoạn. So sánh các kiến trúc PAM-4. Các mức PAM-4 dựa trên hai bộ dịch pha được phân đoạn.
98 n DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Kết nối quang trong các hệ tính toán và trung tâm dữ liệu. Nền tảng trung tâm dữ liệu quang hiện tại của LightningValley2, ThunderValley và Pegasus [8]. Kiến trúc của một trung tâm dữ liệu.
Kiến trúc của trung tâm dữ liệu quang (a) lai ghép và (b) toàn quang. Kiến trúc của máy tính hiện đại. (a) Kiến trúc của máy tính hiện đại tích hợp quang và (b) Kết nối quang trong hệ thống trung tâm dữ liệu.7 Hàm truyền MZI và MRR sử dụng cho tạo tín hiệu PAM-4. Ống dẫn sóng phẳng.
Mô phỏng số tín hiệu truyền trong mạch quang. Điều chế tín hiệu quang sử dụng giao thoa Mach Zehnder .11 Mô phỏng tín hiệu quang truyền qua 3x3 MMI dùng BPM. (a) Lược đồ đề xuất cho các cổng logic quang học và (b) Tín hiệu trong ống dẫn sóng. Cổng XOR với tín hiệu đầu vào 00, 01, 10, 11.
Cổng XNOR với tín hiệu đầu vào 00, 01, 10, 112. Cổng OR với tín hiệu đầu vào 00, 01, 10, 11 .5 Cổng NAND với tín hiệu đầu vào 00, 01, 10, 11. Thiết kế tối ưu cho cấu trúc 4x4 và 2x2 MMI. (a) Công suất đầu ra chuẩn hóa cho logic 1 và 0 và (b) Tỷ lệ tương phản.
Công suất đầu ra chuẩn hóa với các độ dài khác nhau của bộ ghép 4x4 MMI. (a) Sơ đồ đề xuất cho cổng logic quang học, (b) Mặt cắt ngang HPWG và (c) Tín hiệu trong ống dẫn sóng .10 Chỉ số khúc xạ hiệu dụng của ống dẫn sóng HPWG với các độ rộng khác nhau. (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. Cổng XOR với các tín hiệu đầu vào 00, 01, 10, 11 dùng plasmonic.
Cổng XNOR với các tín hiệu đầu vào 00, 01, 10, 11 dùng plasmonic .14 Thiết kế tối ưu cho cấu trúc 4x4 và 2x2 MMI dùng plasmonic .15 (a) Công suất đầu ra chuẩn hóa đối với logic 1 và 0 cho (a) cổng XOR và (b) cổng XNOR dùng plasmonic .16 Tỷ lệ tương phản của cổng XOR và XNOR. Cổng NAND với các tín hiệu đầu vào 00, 01, 10, 11 dùng plasmonic. (a) Công suất đầu ra chuẩn hóa cho mức logic 1 và 0 và (b) tỷ lệ tương phản của cổng NAND .1 Bộ cộng hưởng vi mạch ghép nối tiếp với bộ phản xạ vòng Sagnac .2 Bộ vi cộng hưởng đơn .3 Hàm truyền, pha và trễ nhóm của bộ vi cộng hưởng với các hệ số truyền dẫn khác nhau .4 Xung đầu vào và đầu ra tại bộ cộng hưởng vi mạch đơn .5 Đặc tính truyền dẫn của bộ vi cộng hưởng ghép nối tiếp (a) τ= τ=1 0,99 và (b) τ= τ=1 0,9975 .6 Xung đầu vào và đầu ra tại cấu trúc bộ vi cộng hưởng ghép nối tiếp .7 Đặc tính truyền dẫn của bộ vi cộng hưởng ghép nối tiếp (a) 𝝉𝝉 = 𝝉𝝉𝟏𝟏 = 𝟎𝟎, 𝟗𝟗𝟗𝟗 và (b) xung đầu ra .8 Đặc tính truyền dẫn của bộ vi cộng hưởng ghép nối tiếp (a) τ= τ=1 0,9975 và (b) xung đầu ra .9 Thời gian trễ và làm nhanh khi có và không có bộ phản xạ Sagnac .10 Mô phỏng FDTD của cấu trúc được đề xuất với hai bộ cộng hưởng vòng62 Hình 3.11 Sơ đồ của một bộ vi cộng hưởng kết hợp với cấu trúc 4x4 GMZI .12 Mô phỏng BPM cho bộ ghép 4x4 MMI nối tiếp được sử dụng cho bộ cộng hưởng MZI cho đầu vào 1 và 2. Phổ truyền qua thiết bị tại cổng bar với= ϕ1 0;= ϕ1 0,5π , và= ϕ1 1,5π.
Phổ truyền qua thiết bị tại cổng bar với κ1 =0,2; κ1 =0,5;và κ1 =0,707. Hiệu ứng EIT được tạo ra bởi cấu trúc. Mô phỏng FDTD của linh kiện. Tạo tín hiệu OOK quang.
Các kiến trúc tạo tín hiệu OOK. Tín hiệu OOK và PAM-4. Kiến trúc thế hệ PAM-4 dựa trên bộ cộng hưởng vòng dựa trên bộ ghép MMI 3x3 với hai bộ dịch pha được phân đoạn. (a) Sự thay đổi chỉ số hiệu dụng và (b) hệ số suy hao ở điện áp phân cực khác nhau tại điểm nối PN .