MỞ ĐẦU Trong thời điểm bùng nổ của mạng thông tin dữ liệu hiện nay, khi mà kỹ thuật WDM/DWDM đã bão hòa về số lƣợng kênh ghép, tốc độ mỗi kênh truyền không thể tăng hơn đƣợc nữa [1], thậm chí, khi tốc độ xung nhịp đạt 40 GHz, kỹ thuật kết nối linh kiện điện truyền thống là không thể thực thi trên các hệ thống mạng trên chip (on-chip) trƣớc đây [2], [3] bởi vấn đề tiêu hao công suất, giới hạn băng thông hay thời gian trễ của hệ thống. Bên cạnh đó, các thế hệ mạng mới đặt ra yêu cầu xử lý nguồn dữ liệu cực lớn (Bigdata) cho IoT, Blockchain và trí tuệ nhân tạo (AI) đang là các đề tài nổi bật để đáp ứng cho nhu cầu sử dụng dữ liệu của nhân loại ngày càng tăng. Chính vì vậy, một trong các vấn đề quan trọng nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm trên thế giới, cũng nhƣ trong nƣớc đó là vấn đề nâng cao dung lƣợng truyền dẫn WDM của hệ thống thông tin quang trên chip hoặc truyền khoảng cách lớn. Đã có nhiều hƣớng tiếp cận khác nhau, trong đó có kỹ thuật sử dụng các momen quay khác nhau cho mode cơ bản của một bƣớc sóng [4]-[6], mở rộng băng thông cho các sợi quang đơn mode [7], tạo ra các sợi quang đa lõi hay đa mode (MMF) để kết hợp với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mode (MDM) dựa trên các mạch quang phẳng (PLC) là một hƣớng có tiềm năng nổi bật nhất [8]-[10].
Trong đó, các linh kiện quang tử nền SOI đã đƣợc khảo sát về các đặc tính quang học nổi bật nhƣ kích thƣớc siêu nhỏ, băng thông rộng, suy hao và nhiễu thấp, khả năng giam giữ ánh sáng [11], [12] với nhiều chức năng khác nhau, nhƣ tạo đƣợc nhiều mode ánh sáng khác nhau từ mode cơ bản [9], [23], ghép/tách các mode ánh sáng [15], [16]…mà đặc biệt các linh kiện này hoàn toàn tƣơng thích với các công nghệ chế tạo CMOS hiện tại [12].Vì vậy, các linh kiện quang tử này có thể kết hợp đƣợc với các mạch điện tử WDM [13], [14] và tạo nên một hệ thống thông tin quang kết hợp MDM- WDM [10], [17] với dung lƣợng truyền dẫn tăng lên gấp nhiều lần. Ghép kênh phân chia theo mode (MDM) là một trong các kỹ thuật sử dụng các phần tử mode trực giao, trong đó mỗi mode quang đƣợc dùng nhƣ một kênh độc lập cho việc truyền tải tín hiệu quang, các kênh dữ liệu này đƣợc ghép với nhau ở kênh 2 vào và tách ở kênh ra mà không xảy ra nhiễu xuyên kênh [18]. Nhƣ một hệ quả, MDM có thể giúp tăng tổng dung lƣợng hệ thống lên số lần tƣơng ứng với số lƣợng mode đƣợc thực thi. Trong một hệ thống MDM, các linh kiện ghép/tách mode là một trong các thành phần chính có vai trò ghép và tách các mode tại điểm phát và điểm nhận sau khi đƣợc truyền đi trên cáp quang hoặc trên các dẫn sóng trên chip.
Đã có nhiều đề xuất để tạo ra các linh kiện ghép/tách nhƣ vậy với những nguyên lý khác nhau, cả về cấu trúc và vật liệu. Chẳng hạn, các linh kiện ghép/tách sử dụng sợi quang đa mode [19], sử dụng các tinh thể quang tử [20] hoặc các dẫn sóng SOI [21], [22]. Các linh kiện ghép/tách mode nền tảng InP hay InGaAsP/InP cũng có khả năng tích hợp với mật độ cao [23]-[25], tuy nhiên các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đến ƣu thế của các linh kiện quang tử nền SOI với hiệu năng quang cao, đặc biệt tƣơng thích công nghệ chế tạo CMOS hiện tại [12]. Điều này đƣợc thể hiện rõ qua sự đa dạng của các linh kiện quang tử ghép/tách mode đƣợc công bố gần đây, chẳng hạn cấu trúc sử dụng các vòng cộng hƣởng [15], [16], dùng các linh kiện chữ Y (Y-Junction) bất đối xứng [26], [27] hay các linh kiện định hƣớng bất đối xứng (ADC) [28], [29].
Bên cạnh đó, một số các linh kiện ghép/tách mode bằng cách phân tầng các linh kiện giao thoa đa mode MMI [30], [31] hoặc kết nối các linh kiện MMI và chữ Y với nhau [32], [33] sẽ có hiệu quả quang tốt hơn. Trong số các cấu trúc ghép/tách mode nền SOI này, cấu trúc sử dụng vòng cộng hƣởng [15], [16] và các linh kiện chữ Y bất đối xứng [26], [27] có cách thức khá tƣơng tự với các linh kiện ghép/tách mode sử dụng các linh kiện định hƣớng bất đối xứng [28], [29]. Đó là sự ghép nối các mode ánh sáng giữa hai dẫn sóng đặt gần nhau khi điều kiện bắt chiết suất (MEI) xảy ra [34]. Trong nhóm này, so với các cấu trúc khác thì cấu trúc sử dụng vòng cộng hƣởng có biểu diễn quang không tốt bằng.
Với hai cấu trúc còn lại, cấu trúc sử dụng các linh kiện chữ Y bất đối xứng có băng thông siêu rộng và dễ dàng tăng số lƣợng mode [27], trong khi cấu trúc sử dụng các linh kiện định hƣớng bất đối xứng hỗ trợ các mode ánh sáng không phụ thuộc phân cực (TE và TM) với số lƣợng mode lớn [28], [29], tuy nhiên, hiệu quả truyền dẫn quang không tốt nhƣ cấu trúc [27]. 3 Trong khi đó ở trong nƣớc, các nhóm nghiên cứu tập trung vào thiết kế các linh kiện quang tử ghép/tách mode nền SOI theo một số hƣớng tiếp cận tƣơng tự nhƣ trên thế giới. Năm 2016 nhóm tác giả TS. Trần Tuấn Anh đã tạo ra linh kiện ghép/tách hai mode TE sử dụng ADC, cho bốn bƣớc sóng xung quanh 1550 nm [35].
Trƣơng Cao Dũng đã phát triển linh kiện tƣơng tự với khả năng hỗ trợ các mode không phụ thuộc phân cực TE0/TM0 và TE1/TM1 trong dải 10 nm (1545 nm – 1555 nm) với I.L ≥ -0,9 dB và Cr. Trƣớc đó, nhóm của ông đã sử dụng linh kiện MMI để tạo ra linh kiện ghép/tách hai mode cơ bản TE0 và TM0 với I.T ≤ -20 dB và băng thông rộng 20 nm [37] (năm 2014). Mãi đến năm 2017, nhóm của TS. Trƣơng Cao Dũng mới sử dụng lại các linh kiện MMI kết hợp chữ Y để thiết kế linh kiện ghép/tách hai mode TE0 và TE1 với hiệu năng quang cao (0,5 dB < I.T < -25 dB) và băng thông lên đến 150 nm [32] (1500 nm – 1650 nm).
Cũng trong năm này, nhóm tác giả TS. Trần Tuấn Anh cũng đã sử dụng hai linh kiện MMI và một chữ Y tạo ra linh kiện ghép/tách ba mode thấp nhất phân cực TE với dải bƣớc sóng hoạt động từ 1500 nm đến 1600 nm, trong đó I.L < 0,71 dB và Cr. Linh kiện này đƣợc nhóm tác giả TS. Trƣơng Cao Dũng tối ƣu chỉ sử dụng một MMI và một chữ Y (2019), mặc dù có hiệu năng quang thấp hơn [39].
Bên cạnh đó, nhóm của TS. Trần Tuấn Anh cũng tạo ra các linh kiện ghép/tách mode dựa trên các linh kiện chữ Y bất đối xứng. Trong đó, linh kiện ghép/tách hai mode TE có dải bƣớc sóng hoạt động và I.L tƣơng tự nhƣ [32] nhƣng Cr. Năm 2019, nhóm này tiếp tục sử dụng hai linh kiện chữ Y bất đối xứng mắc phân tầng, tạo ra linh kiện ghép/tách ba mode TE với hiệu năng quang và băng thông giữ nguyên không đổi [41].
Mặc dù số lƣợng mode quang tăng theo thời gian [42], [43], nhƣng các linh kiện hầu nhƣ chỉ dẫn các mode ở trạng thái phân cực TE, điều này sẽ cản trở việc kết nối các linh kiện quang tử với sợi quang, thƣờng dẫn đƣợc nhiều mode ánh sáng có trạng thái phân cực khác nhau. Các linh kiện ghép/tách mode sử dụng các chữ Y bất đối xứng nhánh thẳng [40], [41] chƣa thực sự tối ƣu khi không sử dụng các nhánh cong, và có độ hở giữa các nhánh. 4 Nhìn chung, linh kiện quang tử ghép/tách mode là nhân tố cơ bản và quan trọng nhất trong một hệ thống MDM. Tuy nhiên, một hệ thống MDM cũng cần có thêm linh kiện tạo nhiều mode ánh sáng từ mode cơ bản để tăng số lƣợng mode quang tham gia vào quá trình truyền dẫn.
Có rất ít các linh kiện tạo nhiều mode quang nhƣ vậy đƣợc công bố nhƣ [9], [23]. Bên cạnh đó, các linh kiện định tuyến lựa chọn mode kênh ra (MSR) cũng hết sức quan trọng, trong việc chọn đƣờng đi thích hợp cho các kênh dữ liệu, đến đƣợc các nút đích hoặc ngƣời sử dụng. Tận dụng hiệu ứng quang-nhiệt [44], trong việc điều khiển pha của tín hiệu khi truyền qua các ống dẫn sóng Silic [45], các linh kiện dịch pha quang nhiệt (TOPS) gia nhiệt bằng Titan (Ti) đƣợc sử dụng phổ biến trong các linh kiện MSR gần đây [46]-[49]. Tuy nhiên, NCS cùng các cộng sự đã khảo sát Oxit thiếc Indi (ITO), với khả năng hạn chế tối đa hiệu ứng plasmon so với Ti, giảm suy hao truyền dẫn cho các ống dẫn sóng Silic trong quá trình gia nhiệt.
Từ đó, đề xuất các cấu trúc MSR với TOPS bằng ITO, tiết kiệm công suất tiêu thụ cho việc điều khiển hoạt động của linh kiện. Ngoài ra, các TOPS đƣợc đề xuất chỉ hoạt động ở hai trạng thái điều khiển ON/OFF cũng sẽ giúp cho việc điều khiển các linh kiện MSR trở nên linh hoạt hơn các linh kiện đƣợc điều khiển bởi nhiều mức công suất khác nhau (nhiều hơn hai mức) [46]-[49]. Đối tƣợng và mục tiêu nghiên cứu Từ việc khảo sát trên, đối tƣợng và mục tiêu nghiên cứu mà NCS sẽ thực hiện trong Luận án là đề xuất thiết kế các linh kiện quang tử MDM cơ bản, với hiệu năng quang bao gồm các thông số nhƣ I.T, PDL và độ rộng dải bƣớc sóng hoạt động đƣợc cải thiện so với các linh kiện tƣơng tự ở trong và ngoài nƣớc, cụ thể nhƣ sau: Các linh kiện ghép/tách mode không phụ thuộc phân cực hỗ trợ các cặp mode kép (TE/TM) với băng thông siêu rộng, vừa nâng cao dung lƣợng truyền dẫn quang, vừa giải quyết đƣợc các trạng thái phân cực khác nhau của các mode dẫn khi truyền trong sợi quang. Các linh kiện có khả năng định tuyến lựa chọn mode kênh ra (MSR) sử dụng các TOPS tiết kiệm năng lƣợng, có khả năng điều khiển bởi chỉ hai trạng thái 5 ON hoặc OFF, giúp tiết kiệm đƣợc tài nguyên hệ thống và đảm bảo tính liên tục của dữ liệu đến các thiết bị đầu cuối, khi mà trí tuệ nhân tạo AI đang dần đƣợc tích hợp vào trong các khối điều khiển, với khả năng phân tích và đƣa ra các giải pháp tối ƣu cho hoạt động của các hệ thống kết hợp MDM-WDM.
Các linh kiện tạo nhiều mode từ mode cơ bản đáp ứng cho nhu cầu dung lƣợng dữ liệu ngày càng tăng cho các hệ thống kết hợp MDM-WDM.