I. Tính cấp thiết của đề tài
Nhu cầu về lưu lượng dữ liệu ngày càng tăng do sự phát triển của các ứng dụng như video chất lượng cao và điện toán đám mây. Các hệ thống tính toán hiệu năng cao và trung tâm dữ liệu cần các kết nối quang để xử lý và truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao. Việc sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu quang trong các hệ thống này là cần thiết để thay thế các kết nối điện tử hiện tại, vốn không đáp ứng được yêu cầu về băng thông và tốc độ. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển các giải pháp quang cho các kết nối giữa các board, rack và on-chip, nhằm nâng cao hiệu suất và giảm thiểu độ phức tạp của hệ thống.
1.1. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển các phương pháp xử lý tín hiệu quang để cải thiện hiệu suất của các hệ thống kết nối máy tính quang. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc thiết kế và phân tích các cổng logic quang, bộ đệm quang và các cấu trúc tạo tín hiệu đa mức PAM-4. Các giải pháp này sẽ giúp tối ưu hóa băng thông và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong các hệ thống tính toán hiện đại.
II. Tổng quan về xử lý tín hiệu quang trong mạng
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ thống kết nối máy tính quang và các thành phần chính của nó. Các công nghệ như ống dẫn sóng, bộ vi cộng hưởng và cấu trúc giao thoa đa mode được phân tích chi tiết. Việc áp dụng công nghệ quang học trong các hệ thống này cho phép truyền dẫn dữ liệu với tốc độ cao hơn so với các phương pháp điện tử truyền thống. Các nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng việc sử dụng tín hiệu quang có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của các trung tâm dữ liệu và hệ thống tính toán hiệu năng cao.
2.1. Hệ thống tính toán và kết nối quang trong các trung tâm dữ liệu
Hệ thống tính toán hiện đại yêu cầu các kết nối quang để xử lý dữ liệu hiệu quả. Các kết nối này không chỉ giúp tăng tốc độ truyền dẫn mà còn giảm thiểu độ trễ. Việc áp dụng kỹ thuật quang học trong các trung tâm dữ liệu cho phép tối ưu hóa băng thông và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc chuyển đổi từ kết nối điện sang quang có thể giải quyết các vấn đề nghẽn mạng và nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.
III. Phân tích thiết kế các cổng logic toàn quang
Chương này tập trung vào việc phân tích và thiết kế các cổng logic quang, một phần quan trọng trong hệ thống kết nối máy tính quang. Các cổng logic quang như cổng XOR, XNOR và NAND được thiết kế dựa trên cấu trúc plasmonic và giao thoa đa mode. Việc sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu quang trong thiết kế này giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng các cổng logic quang có thể hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng thực tế.
3.1. Nguyên lý thực hiện cổng logic quang
Nguyên lý hoạt động của các cổng logic quang dựa trên việc điều chế tín hiệu quang để thực hiện các phép toán logic. Các cổng này sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode để tạo ra các tín hiệu đầu ra tương ứng với các tín hiệu đầu vào. Việc áp dụng kỹ thuật quang học trong thiết kế cổng logic không chỉ giúp tăng tốc độ xử lý mà còn giảm thiểu độ phức tạp của mạch điện. Các nghiên cứu cho thấy rằng cổng logic quang có thể đạt được hiệu suất cao hơn so với các cổng logic điện tử truyền thống.
IV. Phân tích và thiết kế cấu trúc tạo tín hiệu đa mức PAM 4
Chương này trình bày các phương pháp tạo tín hiệu đa mức PAM-4, một kỹ thuật quan trọng trong truyền tín hiệu quang. Việc sử dụng PAM-4 cho phép truyền tải nhiều bit dữ liệu hơn trong một chu kỳ xung, từ đó nâng cao băng thông của hệ thống. Các cấu trúc như 3x3 MMI và 4x4 MMI được phân tích và thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn. Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu quang trong thiết kế tín hiệu PAM-4 có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của các hệ thống kết nối máy tính quang.
4.1. Tạo tín hiệu PAM 4 dùng 3x3 MMI
Việc tạo tín hiệu PAM-4 bằng cách sử dụng cấu trúc 3x3 MMI cho phép tối ưu hóa băng thông và giảm thiểu độ trễ trong truyền dẫn. Cấu trúc này hoạt động dựa trên nguyên lý điều chế biên độ xung, cho phép truyền tải nhiều mức tín hiệu trong một chu kỳ. Các mô phỏng cho thấy rằng tín hiệu PAM-4 có thể đạt được hiệu suất cao trong các ứng dụng thực tế, nhờ vào việc áp dụng công nghệ quang học trong thiết kế.
