Tổng quan luận án

Công nghệ mạch tích hợp quang tử silicon (Silicon Photonic Integrated Circuits - PICs) trên nền chất cách điện (Silicon on Insulator - SOI) là một hướng phát triển trong lĩnh vực truyền thông quang tốc độ cao, băng thông rộng và tiêu thụ năng lượng thấp. Đối với mạng quang trên chip và các trung tâm dữ liệu, việc gia tăng dung lượng truyền dẫn gặp nhiều giới hạn khi chỉ dựa vào kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao (DWDM) do yêu cầu khắt khe về căn chỉnh bước sóng, kiểm soát nhiệt độ và mức tiêu thụ điện năng lớn từ nhiều nguồn phát laser. Ghép kênh phân chia theo mode (Mode Division Multiplexing - MDM) là giải pháp truyền đồng thời nhiều mode quang trực giao trên cùng một bước sóng trong cùng một ống dẫn sóng đa mode mà không gây nhiễu xuyên kênh. Khi kết hợp $M$ mode quang trực giao của kỹ thuật MDM với $N$ bước sóng của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM), tổng số kênh truyền của hệ thống đạt $M \times N$, tăng $M$ lần so với các hệ thống WDM thông thường.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là các kiến trúc chuyển mạch quang truyền thống chủ yếu hoạt động với tín hiệu đơn mode, không đáp ứng được yêu cầu chuyển mạch giữa các mode không gian khác nhau. Các cấu trúc chuyển mạch quang đa mode $N \times N$ cải tiến trước đây (loại II) sử dụng các bộ hợp kênh cố định $1 \times M$ tách biệt với các bộ chuyển mạch đơn mode $M \times M$, khiến cấu trúc nút mạng trở nên phức tạp và cồng kềnh. Bên cạnh đó, việc thiết kế ống dẫn sóng đa mode cắt ngang nhau có suy hao thấp và phát triển các thiết bị đa mode có khả năng tái cấu hình vẫn là những rào cản kỹ thuật lớn.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm:

  1. Nghiên cứu và phát triển các kiến trúc xử lý tín hiệu quang đa mode trên nền mạch tích hợp quang tử silicon, hỗ trợ xử lý 4 mode quang phân cực điện trường ngang từ $\text{TE}_0$ đến $\text{TE}_3$.
  2. Đề xuất cấu trúc bộ chuyển mạch lựa chọn mode tích hợp tại nút mạng chính (Node A) nhằm thay thế đồng thời cả bộ hợp kênh cố định và bộ chuyển mạch đơn mode, kết hợp sử dụng bộ giao thoa đa mode (MMI) $4 \times 4$ thay thế chuỗi chuyển mạch $2 \times 2$.
  3. Thiết kế bộ ghép kênh/phân kênh kết hợp đồng thời kỹ thuật WDM và MDM tại nút mạng liên kết (Node B) nhằm khai thác tài nguyên bước sóng và mode trên cùng một thiết bị.
  4. Đề xuất các cấu trúc chuyển đổi và trao đổi 4 mode linh hoạt với hiệu suất chuyển đổi quang cao phục vụ cho các nút mạng liên kết (Node C và Node D).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các cấu trúc xử lý tín hiệu đa mode trong mạng MDM trên chip, xây dựng từ ba khối chức năng cơ bản gồm bộ giao thoa đa mode MMI (đặc biệt là MMI $4 \times 4$), cấu trúc chữ Y đối xứng cải tiến ($1 \times 4$) và bộ ghép định hướng.
  • Phạm vi nghiên cứu: Mạch tích hợp quang tử trên nền vật liệu SOI, làm việc với các mode phân cực điện trường ngang ($\text{TE}_0, \text{TE}_1, \text{TE}_2, \text{TE}_3$), dải bước sóng quang viễn thông tiêu chuẩn (1310 nm, 1490 nm, 1550 nm), công bố năm 2022 tại Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án điểm lại các công trình nền tảng về chuyển mạch không gian quang học như kiến trúc Crossbar, Benes, Spanke – Benes đã được chứng minh trên nhiều nền tảng chất cách điện khác nhau [1-7]. Tuy nhiên, các kiến trúc này chỉ áp dụng cho hệ thống đơn mode. Về công nghệ ghép kênh, tác giả phân tích các giải pháp DWDM [9], CWDM, ghép kênh phân chia theo phân cực PDM [10], ghép kênh phân chia theo không gian SDM đa lõi [11] và SDM đa mode/MDM [12-15]. Kỹ thuật SDM đa lõi đòi hỏi diện tích lớn, bố trí mạch phức tạp và suy hao lớn do nhiều ống dẫn sóng đan chéo, trong khi MDM cho phép truyền nhiều mode trên một ống dẫn sóng duy nhất.

Về vấn đề ống dẫn sóng cắt ngang, các nghiên cứu trước đã chế tạo ống dẫn sóng đơn mode cắt ngang dùng MMI đạt suy hao 0,02 dB và nhiễu xuyên kênh -40 dB [21]. Tuy nhiên, với tín hiệu đa mode, cơ chế tự sao ảnh của các mode bậc cao khác với mode cơ bản. Đề xuất dùng cấu trúc chữ Y [24] chỉ giải quyết được cho 2 mode, còn đề xuất dùng cấu trúc đục lỗ nano [25] chỉ hỗ trợ tối đa 3 mode và quy trình chế tạo phức tạp.

Về thiết bị đa mode tái cấu hình, các công trình [26-35, 44-56] thường tích hợp bộ chuyển mạch đơn mode với các bộ hợp/phân kênh đa mode, dẫn đến số lượng linh kiện lớn. Đề xuất chuyển mạch quang đa mode $N \times N$ loại II trong công bố của nhóm tác giả trước đó [8] đã bổ sung $N$ bộ chuyển mạch quang đơn mode không tắc nghẽn $M \times M$ vào giữa $N$ bộ phân kênh mode $1 \times M$ và $M$ bộ chuyển mạch quang đơn mode $N \times N$, tạo ra tổng số $(M!)^N N!$ trạng thái định tuyến.

Vị trí của luận án là giải quyết tính cồng kềnh của kiến trúc trong [8] bằng cách tích hợp bộ chuyển mạch chọn mode thay thế bộ hợp kênh $1 \times M$ và chuyển mạch $M \times M$, đồng thời dùng MMI $4 \times 4$ thay cho các bộ chuyển mạch $2 \times 2$. Luận án mở rộng khả năng xử lý lên 4 mode bất kỳ ($\text{TE}_0, \text{TE}_1, \text{TE}_2, \text{TE}_3$) và thiết kế bộ ghép kênh lai kết hợp WDM-MDM cho 12 kênh quang.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án xây dựng trên hệ thống lý thuyết sóng quang và quang học dẫn sóng:

  • Phương trình tán sắc trong ống dẫn sóng dạng sườn: $k_{xv}^2 + \beta_v^2 = k_0^2 n_{\text{core}}^2$, với số sóng không gian tự do $k_0 = \frac{2\pi}{\lambda}$ và điều kiện sóng đứng $W_{ev} k_{xv} = (v + 1)\pi$.
  • Độ rộng hiệu dụng của ống dẫn sóng đa mode: $W_{ev} \approx W_{e0} = W_{\text{MMI}} + \frac{\lambda_0}{\pi} (n_{\text{core}}^2 - n_{\text{clad}}^2)^{-1/2} (\frac{n_{\text{clad}}}{n_{\text{core}}})^{2\sigma}$, trong đó $\sigma = 0$ cho mode phân cực TE và $\sigma = 1$ cho mode phân cực TM.
  • Chiều dài phách giữa hai mode bậc thấp nhất: $L_\pi \approx \frac{4 n_{\text{core}} W_{ev}^2}{3 \lambda_0}$.
  • Lý thuyết tự sao ảnh của Soldano [69]: Xác định trường sóng $\Psi(x, z)$ và quan hệ pha $\phi_{rs}$ giữa cổng vào thứ $r$ và cổng ra thứ $s$ trong bộ giao thoa MMI $N \times N$.
  • Lý thuyết các khối cơ bản: Bộ ghép định hướng với hệ số ghép $C = \frac{\pi \Delta n}{\lambda}$, công suất truyền qua $P_{\text{through}} = P_0 \cos^2(CL)$ và ghép chéo $P_{\text{cross}} = P_0 \sin^2(CL)$; Giao thoa kế Mach-Zehnder với dải phổ tự do $\text{FSR} = \frac{c}{n_g \Delta L}$; Bộ cộng hưởng vi vòng với chu vi $L_{rt} = 2\pi r + 2L_c$; Cách tử Bragg với bước sóng Bragg $\lambda_B = 2\Lambda n_{\text{eff}}$ và hệ số phản xạ cực đại $R_{\text{peak}} = \tanh^2(\kappa L)$.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp mô phỏng số và thực nghiệm:

  • Mô phỏng số: Sử dụng phần mềm thương mại Rsoft của Synopsys. Các phương pháp tính toán gồm phương pháp truyền chùm (Beam Propagation Method - BPM), phương pháp phân tích lan truyền mode (Mode Propagation Analysis - MPA), phương pháp hệ số hiệu dụng (Effective Index Method - EIM) và phương pháp mở rộng mode riêng (Eigenmode Expansion - EME).
  • Dòng thiết kế và thực nghiệm: Nghiên cứu quy trình thiết kế mạch tích hợp quang tử silicon (kiểm tra quy tắc thiết kế DRC, xác nhận layout), tham gia chế tạo thử nghiệm bộ giao thoa đa mode MMI $4 \times 4$ trên nền SOI bằng kỹ thuật khắc UV sâu kết hợp khắc khô, thực hiện đo kiểm thực tế trên hệ thống đo quang.
  • Dữ liệu nghiên cứu: Dữ liệu phân bố trường điện, suy hao chèn (Insertion Loss - IL), nhiễu xuyên kênh (Crosstalk - CT) theo bước sóng và các đáp ứng truyền dẫn đo đạc thực nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan ghép kênh phân chia theo mode dựa trên mạch tích hợp quang tử silicon

Chương 1 hệ thống hóa các công nghệ ghép kênh quang (DWDM, CWDM, PDM, SDM đa lõi và SDM đa mode). Nội dung tập trung phân tích hai thách thức kỹ thuật lớn trong mạng quang đa mode trên chip: thiết kế ống dẫn sóng đa mode cắt ngang nhau và chế tạo các thiết bị đa mode có khả năng tái cấu hình. Tác giả trình bày đặc tính nền tảng vật liệu SOI với độ tương phản chiết suất cao và tương thích chuẩn chế tạo CMOS.

Chương này phân tích chi tiết cơ chế hoạt động của 6 khối chức năng quang tử cơ bản:

  1. Bộ ghép định hướng: Phân tích theo lý thuyết supermode và EME, xác định điều kiện chiều dài ghép nối $L_x = \frac{\lambda}{2\Delta n}$.
  2. Cấu trúc ống dẫn sóng chữ Y: Khảo sát 4 cấu hình:
    • Chữ Y đối xứng đơn mode: Phát $\text{TE}_0$ ở cổng chính tạo 2 tín hiệu $\text{TE}_0$ cùng pha; phát $\text{TE}_1$ tạo 2 tín hiệu $\text{TE}_0$ ngược pha. Phát $\text{TE}_0$ từ một nhánh vào cổng chính bị suy hao do triệt pha.
    • Chữ Y đối xứng đa mode: Phát $\text{TE}_2$ vào cổng chính tạo 2 mode $\text{TE}_1$ cùng pha; phát $\text{TE}_3$ tạo 2 mode $\text{TE}_1$ ngược pha. Phát mode bậc cao từ nhánh bị suy hao hoàn toàn ở cổng chính.
    • Chữ Y bất đối xứng đơn mode: Tín hiệu $\text{TE}_0$ phát vào nhánh rộng được truyền ra cổng chính; phát vào nhánh hẹp bị triệt tiêu hoàn toàn.
    • Chữ Y bất đối xứng đa mode: Phát $\text{TE}_0$ vào cổng chính tạo $\text{TE}_0$ ở nhánh rộng; phát $\text{TE}_1$ vào cổng chính tạo $\text{TE}_0$ ở nhánh hẹp.
  3. Giao thoa kế Mach-Zehnder: Thiết lập phương trình cường độ ra phụ thuộc độ lệch pha $\Delta W$ hoặc $\Delta L$, ứng dụng hiệu ứng quang nhiệt và quang điện để điều chế hoặc chuyển mạch.
  4. Bộ cộng hưởng vòng: Xác định đáp ứng cổng truyền thẳng và cổng tách sóng cho cấu hình all-pass và add/drop.
  5. Cách tử Bragg: Xác định hệ số ghép $\kappa$, băng thông $\Delta \lambda$ và độ phản xạ đỉnh cho cấu trúc cách tử đồng nhất dạng chữ nhật và hình sin.
  6. Bộ giao thoa đa mode MMI: Khảo sát chi tiết 3 cơ chế giao thoa dựa trên vị trí kích thích cổng vào và chiều dài vùng đa mode $L_{\text{MMI}}$:
Cơ chế giao thoa Điều kiện cổng vào Chiều dài tạo đơn ảnh ($N=1$) Chiều dài tạo $N$ ảnh ($L_{\text{MMI}}$) Ví dụ kích thước ($p=1$)
Giao thoa tổng quát Bất kỳ $p(3L_\pi)$ $\frac{p}{N}(3L_\pi)$ Đơn ảnh: $354\ \mu\text{m}$; Đôi ảnh: $177\ \mu\text{m}$
Giao thoa theo cặp Đặt tại $\pm W_{ev}/6$ ($c_v = 0$ với $v = 2, 5, 8, 11$) $p(L_\pi)$ $\frac{p}{N}(L_\pi)$ Đơn ảnh: $118\ \mu\text{m}$; Đôi ảnh: $59\ \mu\text{m}$
Giao thoa đối xứng Đặt tại tâm $x=0$ ($c_v = 0$ với $v = 1, 3, 5, 7, 9$) $\frac{p}{4}(3L_\pi)$ $\frac{p}{4N}(3L_\pi)$ Đơn ảnh: $88,5\ \mu\text{m}$; Ba ảnh: $29,5\ \mu\text{m}$

Chương 2: Bộ chuyển đổi bốn mode bất kì TE0 / TE1 / TE2 / TE3

Chương 2 đề xuất cấu trúc bộ chuyển đổi 4 mode bất kỳ dạng kênh trên nền SOI. Cấu trúc gồm 3 thành phần chính: 1 bộ ghép nối chữ Y $1 \times 4$, 4 bộ dịch pha ($\text{PS}_1, \text{PS}_2, \text{PS}_3, \text{PS}_4$) và 1 bộ giao thoa đa mode MMI $4 \times 4$.

Cơ chế vận hành:

  • Bộ ghép chữ Y $1 \times 4$ nhận một trong 4 mode đầu vào ($\text{TE}_0, \text{TE}_1, \text{TE}_2, \text{TE}_3$) và chuyển đổi thành 4 tín hiệu mode cơ bản $\text{TE}0$ ở 4 ống dẫn sóng nhánh với biên độ đồng đều và các quan hệ pha cố định. Chiều dài các đoạn $L{\text{arm1}}$ và $L_2$ được tối ưu hóa để đảm bảo độ cân bằng pha và biên độ.
  • Các bộ dịch pha quang nhiệt hoặc quang điện (dạng cánh bướm với độ rộng trung tâm $W_{\text{PS}}$ và nửa chiều dài $L_{\text{PS}}$) được điều khiển để tạo ra các độ lệch pha cần thiết.
  • MMI $4 \times 4$ tiếp nhận 4 tín hiệu $\text{TE}_0$ đã điều chỉnh pha và tái tổ hợp thành mode đầu ra mong muốn ($\text{TE}_0, \text{TE}_1, \text{TE}_2$ hoặc $\text{TE}_3$).

Tác giả lập bảng tổng hợp cấu hình giá trị dịch pha cho toàn bộ 16 cặp chuyển đổi mode ($\text{TE}_i \rightarrow \text{TE}_j$ với $i, j \in {0, 1, 2, 3}$). Kết quả mô phỏng BPM và MPA hiển thị phân bố trường điện tương ứng với từng trạng thái chuyển đổi, đồng thời đánh giá suy hao chèn (IL) và nhiễu xuyên kênh (CT) theo bước sóng. Tác giả cũng phân tích định lượng ảnh hưởng của sự mất cân bằng công suất giữa các nhánh 2 và 3 của MMI đến hiệu suất thiết bị.

Chương 3: Bộ chuyển mạch mode không tắc nghẽn

Chương 3 trình bày thiết kế hai bộ chuyển mạch quang đa mode:

  1. Bộ chuyển mạch lựa chọn 4 mode ($\text{TE}_0 / \text{TE}_1 / \text{TE}_2 / \text{TE}_3$): Cấu trúc kết hợp bộ ghép chữ Y $1 \times 4$, hai bộ giao thoa đa mode $\text{MMI}_1$, $\text{MMI}2$ và các bộ dịch pha $W{ps}$. Thiết bị cho phép định tuyến một mode đầu vào bất kỳ đến một trong 4 cổng đầu ra $O_j$ ($j = 1, 2, 3, 4$). Mô phỏng phân bố trường điện và tính toán phổ suy hao chèn, nhiễu xuyên kênh chứng minh khả năng định tuyến chọn lọc mode chính xác.
  2. Bộ chuyển mạch mode cơ bản $4 \times 4$: Cấu trúc gồm 4 cổng vào và 4 cổng ra, sử dụng các phần tử chuyển mạch MMI và bộ điều khiển pha quang nhiệt/quang điện. Luận án khảo sát các kịch bản định tuyến không tắc nghẽn (chẳng hạn trường hợp TH3: chuyển từ các cổng vào $I(1,2,3,4)$ đến các cổng ra $O(1,3,2,4)$), đánh giá suy hao chèn và nhiễu xuyên kênh theo bước sóng.
  3. Chế tạo và đo kiểm thực nghiệm: Luận án trình bày kết quả chế tạo thử nghiệm bộ giao thoa đa mode MMI $4 \times 4$ trên chip SOI. Tác giả thiết lập hệ thống đo kiểm quang với hai kịch bản phát tín hiệu đồng thời:
    • Kịch bản 1: Phát đồng thời tín hiệu vào hai cổng 1 và 4 của MMI $4 \times 4$ ở trạng thái cùng pha và ngược pha ($180^\circ$).
    • Kịch bản 2: Phát đồng thời tín hiệu vào hai cổng 2 và 3 của MMI $4 \times 4$ ở trạng thái cùng pha và ngược pha ($180^\circ$). Kết quả đo thực nghiệm xác nhận sự phân bố công suất đầu ra phù hợp với tính toán lý thuyết và mô phỏng số.

Chương 4: Bộ ghép kênh/phân kênh kết hợp MDM và WDM

Chương 4 thiết kế cấu trúc bộ ghép kênh lai kết hợp MDM và WDM xử lý đồng thời 12 tín hiệu mode cơ bản $\text{TE}_0$ ở đầu vào để tạo ra tín hiệu đa kênh trên cùng một ống dẫn sóng đầu ra.

Cấu trúc gồm hai khối chức năng chính:

  1. Bộ ghép kênh ba bước sóng ($3\lambda\text{-WDM}$): Sử dụng bộ giao thoa MMI hình cánh bướm để ghép 3 bước sóng tiêu chuẩn gồm 1310 nm, 1490 nm và 1550 nm. Chiều dài $L_{\text{MMI}}$ được khảo sát và tối ưu hóa để đạt công suất cực đại cho cả 3 bước sóng.
  2. Bộ ghép kênh bốn mode ($4\text{M-MDM}$): Cấu trúc gồm 3 tầng ống dẫn sóng ghép nối bất đối xứng. Tác giả khảo sát các thông số chiều dài và chiều rộng ống dẫn sóng tại từng tầng (tầng 1, tầng 2, tầng 3) để chuyển đổi và ghép các tín hiệu $\text{TE}_0$ thành các mode bậc cao ($\text{TE}_1, \text{TE}_2, \text{TE}_3$).

Kết quả mô phỏng phân bố trường điện chứng minh thiết bị ghép thành công 12 kênh thông tin (3 bước sóng $\times$ 4 mode $\text{TE}_0, \text{TE}_1, \text{TE}_2, \text{TE}_3$). Phổ suy hao chèn và nhiễu xuyên kênh được đánh giá chi tiết xung quanh 3 cửa sổ bước sóng trung tâm 1310 nm, 1490 nm và 1550 nm.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt học thuật và kỹ thuật của luận án bao gồm:

  • Về lý luận và mô hình thiết kế:
    • Làm sáng tỏ cơ chế truyền dẫn, phân bố biên độ và pha của các mode bậc cao trong cấu trúc chữ Y đối xứng và bất đối xứng (đơn mode và đa mode).
    • Đề xuất cấu trúc bộ chuyển đổi 4 mode bất kỳ ($\text{TE}_0, \text{TE}_1, \text{TE}_2, \text{TE}_3$) tích hợp bộ ghép chữ Y $1 \times 4$, 4 bộ dịch pha và MMI $4 \times 4$, thiết lập bảng điều khiển pha hoàn chỉnh cho 16 trạng thái chuyển đổi.
    • Đề xuất cấu trúc bộ chuyển mạch lựa chọn mode tích hợp thay thế đồng thời cả bộ hợp kênh cố định và bộ chuyển mạch đơn mode riêng rẽ, giúp giảm kích thước và độ phức tạp của nút mạng MDM.
    • Thiết kế bộ chuyển mạch mode cơ bản $4 \times 4$ dựa trên MMI $4 \times 4$ thay thế chuỗi chuyển mạch $2 \times 2$ truyền thống.
    • Đề xuất cấu trúc ghép kênh lai kết hợp $3\lambda\text{-WDM}$ (1310 nm, 1490 nm, 1550 nm) và $4\text{M-MDM}$ ($\text{TE}_0 - \text{TE}_3$), nâng dung lượng truyền dẫn lên 12 kênh trên một chip SOI đơn lẻ.
  • Về mặt thực tiễn:
    • Áp dụng quy trình dòng thiết kế mạch tích hợp quang tử silicon (thiết kế sơ đồ, bố trí layout, kiểm tra DRC), tham gia chế tạo và đo kiểm thực nghiệm thành công linh kiện MMI $4 \times 4$ trên nền SOI, kiểm chứng thực tế đặc tính phân bố pha và công suất của bộ giao thoa đa mode.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Thực nghiệm chế tạo và đo kiểm mới dừng lại ở khối linh kiện cơ bản là bộ giao thoa đa mode MMI $4 \times 4$; các cấu trúc phức hợp như bộ chuyển đổi 16 trạng thái hay bộ ghép kênh lai 12 kênh WDM-MDM chủ yếu được kiểm chứng thông qua mô phỏng số.
  • Các thiết kế tập trung khảo sát các mode phân cực điện trường ngang ($\text{TE}_0 - \text{TE}_3$), chưa khảo sát đồng thời các mode phân cực từ trường ngang (TM).
  • Quá trình chế tạo thực tế chịu ảnh hưởng bởi dung sai công nghệ (độ rộng, độ dày lớp khắc UV sâu và khắc khô) có thể gây sai lệch thông số hoạt động so với mô phỏng.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Hoàn thiện chế tạo thực tế và đo kiểm toàn bộ các vi mạch phức hợp đã đề xuất (bộ chuyển đổi 4 mode, bộ chuyển mạch lựa chọn mode và bộ ghép lai WDM-MDM).
  • Mở rộng số lượng mode xử lý (lớn hơn 4 mode) và tích hợp thêm phân cực TM để kết hợp đồng thời 3 kỹ thuật MDM, WDM và PDM.
  • Tối ưu hóa các bộ dịch pha quang nhiệt/quang điện nhằm giảm mức tiêu thụ điện năng và nâng cao tốc độ chuyển mạch.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Quang điện tử, Vật lý Quang học và Vi điện tử.
  • Kỹ sư thiết kế vi mạch quang tử (PICs) tại các trung tâm R&D và doanh nghiệp công nghệ viễn thông.

Các nội dung có giá trị tham khảo cụ thể:

  • Bảng tổng hợp công thức và điều kiện chiều dài cho 3 cơ chế giao thoa MMI (tổng quát, theo cặp, đối xứng) tại Chương 1.
  • Bảng cấu hình pha cho 16 cặp chuyển đổi mode $\text{TE}_i \rightarrow \text{TE}_j$ tại Chương 2.
  • Quy trình phân tích dung sai, bố trí layout mạch quang tử và các kịch bản đo kiểm thực nghiệm linh kiện MMI tại Chương 3 và Phụ lục.

Câu hỏi thường gặp

  1. Luận án đề xuất giải pháp nào để gia tăng dung lượng truyền dẫn quang trên chip?
    Luận án đề xuất kết hợp kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mode (MDM) với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM). Bằng cách ghép 4 mode quang trực giao ($\text{TE}_0, \text{TE}_1, \text{TE}_2, \text{TE}_3$) với 3 bước sóng quang tiêu chuẩn (1310 nm, 1490 nm, 1550 nm), hệ thống tạo ra 12 kênh truyền dẫn đồng thời trên một ống dẫn sóng duy nhất.

  2. Cấu trúc bộ chuyển đổi bốn mode trong Chương 2 hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
    Bộ chuyển đổi kết hợp 3 khối: bộ ghép chữ Y $1 \times 4$ (tách mode đầu vào $\text{TE}_0 - \text{TE}_3$ thành 4 tín hiệu $\text{TE}_0$ có biên độ cân bằng), 4 bộ dịch pha $\text{PS}_1 - \text{PS}_4$ (điều chỉnh góc pha của từng nhánh theo bảng cấu hình 16 trạng thái) và bộ giao thoa đa mode MMI $4 \times 4$ (tái tổ hợp 4 tín hiệu $\text{TE}_0$ thành mode đầu ra mong muốn).

  3. Tại sao bộ giao thoa đa mode MMI $4 \times 4$ được lựa chọn để thay thế chuỗi chuyển mạch $2 \times 2$?
    Sử dụng một bộ MMI $4 \times 4$ duy nhất giúp giảm số lượng linh kiện quang tử trên chip, thu gọn kích thước vi mạch, giảm suy hao xen ghép tích lũy qua nhiều tầng chuyển mạch và hỗ trợ chuyển mạch không tắc nghẽn giữa 4 cổng vào và 4 cổng ra.

  4. Thành phần nào trong luận án đã được chế tạo thực nghiệm và đo kiểm?
    Tác giả đã hoàn thiện thiết kế layout, áp dụng quy trình kiểm tra DRC và tham gia chế tạo thử nghiệm bộ giao thoa đa mode MMI $4 \times 4$ trên tấm SOI bằng công nghệ khắc UV sâu và khắc khô. Linh kiện đã được đo kiểm thực tế dưới hai kịch bản phát tín hiệu đồng thời vào các cặp cổng 1-4 và cổng 2-3 (ở trạng thái cùng pha và ngược pha $180^\circ$).

  5. Các phương pháp mô phỏng số và phần mềm nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng Rsoft của Synopsys, kết hợp các phương pháp tính toán: phương pháp truyền chùm (BPM), phương pháp phân tích lan truyền mode (MPA), phương pháp hệ số hiệu dụng (EIM) và phương pháp mở rộng mode riêng (EME).

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Hồ Đức Tâm Linh đã nghiên cứu và phát triển các cấu trúc xử lý tín hiệu đa mode ($\text{TE}_0 - \text{TE}_3$) cho mạng ghép kênh phân chia theo mode (MDM) trên nền tảng vi mạch quang tử silicon (SOI). Các cấu trúc đề xuất bao gồm bộ chuyển đổi 4 mode 16 trạng thái, bộ chuyển mạch lựa chọn mode tích hợp, bộ chuyển mạch mode cơ bản $4 \times 4$ và bộ ghép kênh lai 12 kênh WDM-MDM. Các thiết kế đã được kiểm chứng qua mô phỏng số bằng phần mềm Rsoft (BPM, MPA, EIM) và kiểm chứng thực nghiệm thông qua việc chế tạo, đo kiểm thành công linh kiện MMI $4 \times 4$ trên chip SOI.