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].