Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số thiết kế thiết bị trong hệ thống thông tin quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
LÊ DUY TIẾN
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT
XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ THIẾT KẾ THIẾT BỊ
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Hà Nội-2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
LÊ DUY TIẾN
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT
XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ THIẾT KẾ THIẾT BỊ
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN QUANG
Ngành: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN
Mã số: 60.48.01.04
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS. Nguyễn Thanh Thủy
Hà Nội-2014
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác, trừ những chỗ đã ghi chú, trích dẫn tham khảo.
Tác giả
Lê Duy Tiến
iii
Mục lục
LỜI CAM ĐOAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ . . . . . . . . . . . . . . vi

MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x
TÓM TẮT LUẬN VĂN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG KẾT NỐI QUANG. . . . . . . 1
1.1. Mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Giải pháp kết nối quang trong hệ thống tính toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3. Mạch quang tử silic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4. Phương pháp mô phỏng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5. Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Chương 2. LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH MẠCH QUANG TỬ . . . . . . . 17
2.1. Kỹ thuật DSP ứng dụng trong mạch quang tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1. Biến đổi z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.2. Cực và không (Poles and zeros) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.3. Biểu diễn tín hiệu quang trong miền z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.4. Trễ nhóm và tán sắc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2. Bộ ghép có hướng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3. Cấu trúc giao thoa đa mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1. Ống dẫn sóng phẳng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.2. Cấu trúc giao thoa đa mode MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
iv
2.3.3. Thiết bị giao thoa GI-MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.4. Thiết bị giao thoa RI-MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.5. Thiết bị giao thoa SI-MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.6. Mô tả bộ ghép giao thoa đa mode bằng ma trận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4. Bộ vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.1. Cấu trúc vi cộng hưởng dùng MMI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.2. Ứng dụng của bộ vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.3. Biểu diễn bộ vi cộng hưởng trong miền z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5. Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Chương 3. THIẾT KẾ MỘT SỐ THIẾT BỊ CHỨC NĂNG . . . . . . 33
3.1. Bộ ánh sáng nhanh và chậm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.1.1. Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.2. Kết quả mô phỏng và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2. Bộ bù tán sắc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3. Kết luận. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. . . . . . . . . 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
v
Danh sách hình vẽ
1.1 Sự phát triển của các kiến trúc đa lõi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Tốc độ truyền dẫn trong các kiến trúc smartphone . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Sơ đồ của một chip kết nối quang giao tiếp ngoài với bộ nhớ, vi xử lý khác4
1.4 So sánh băng thông của CPU, off-chip, bộ nhớ và I/O . . . . . . . . . . 4
1.5 So sánh công suất tiêu thụ của các đường kết nối điện và quang . . . . . 5
1.6 Xu hướng thiết kế chip gần đây . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.7 Xu hướng thiết kế chip gần đây và định luật Moore . . . . . . . . . . . 6
1.8 Mạng kết nối của hạ tầng tính toán hiệu năng cao . . . . . . . . . . . . 7
1.9 Cấu trúc của một hệ thống quang điểm-điểm . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.10 Bộ điều chế quang sử dụng công nghệ silic của IBM . . . . . . . . . . . 11
1.11 Cấu trúc bộ điều chế quang sử dụng công nghệ silic của IBM . . . . . . 12
1.12 Cấu trúc ống dẫn sóng Silic (a) cấu trúc kênh và (b) cấu trúc rib . . . . 14
1.13 Ví dụ mô phỏng MZI dùng phương pháp BPM . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1 Tín hiệu quang truyền qua ống dẫn sóng thẳng . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Cấu trúc ha i ống dẫn sóng đầu vào và ra . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Mô phỏng BPM tín hiệu trong bộ ghép song song . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Mô hình bộ ghép có hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5 Ống dẫn sóng phẳng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 Trường trong bộ ghép giao thoa đa mdoe GI -MMI . . . . . . . . . . . . 25
2.7 Trường trong bộ ghép giao thoa đa mdoe RI-MMI . . . . . . . . . . . . 26
2.8 Trường trong bộ ghép giao thoa đa mdoe S I-MMI . . . . . . . . . . . . 26
2.9 Bộ vi cộng hưởng sử dụng 2x2 MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

vi
2.10 Đặc tính truyền dẫn của bộ vi cộng hưởng theo hệ số suy hao . . . . . . 28
2.11 Đặc tính phổ của một bộ vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.12 Cấu trúc phản xạ dùng vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.13 Cấu trúc phản xạ dùng vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.14 Mô hình cấu trúc vi cộng hương trong miền z . . . . . . . . . . . . . . 32
2.15 Đáp ứng ra của bộ vi cộng hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1 Cấu trúc sử dụng 4x4 MMI tạo slow và fast light . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Bộ vi cộng hưởng 2x2 MMI độc lập nhau . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 Cấu trúc tạo nhanh và chậm ánh sáng độc lập . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Cấu trúc vi cộng hưởng dùng bộ ghép 2x2 . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 Cấu trúc của ống dẫn sóng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.6 Mô phỏng BPM tín hiệu trong bộ ghép tại cổng 1 và cổng 2 . . . . . . . 39
3.7 Mô phỏng BPM tín hiệu trong bộ ghép 4x4 MMI . . . . . . . . . . . . 39
3.8 Mô phỏng BPM khi có di pha của bộ ghép nhiều tầng . . . . . . . . . . 40
3.9 Kết quả mô phỏng công suất ra chuẩn hóa . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.10 Kết quả mô phỏng công suất ra theo độ rộng W
MMI
và
λ
. . . . . . . . 41
3.11 Kết quả mô phỏng pha tín hiệu ra W
MMI
và
λ
. . . . . . . . . . . . . . 42
3.12 Trễ nhóm thay đổi theo hệ số ghép
κ
1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.13 Tín hiệu vào (nét liền) và ra (nét đứt) của bộ ánh sáng nhanh . . . . . . 44
3.14 Cấu trúc vi cộng hưởng với hệ số ghép
κ
e
thay đổi được . . . . . . . . . 45
3.15 Cấu trúc vi cộng hưởng với hệ số ghép
κ
e
thay đổi được dùng MZI . . . 46
3.16 Cấu trúc vi cộng hưởng với hệ số ghép
κ
e
thay đổi được dùng MZI . . . 47
3.17 Bộ vi cộng hưởng sử dụng 4x4 MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.18 Cấu trúc tạo bộ bù tán sắc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.19 Trễ nhó m của từng bộ vi cộng hưởng và toàn h ệ thống . . . . . . . . . 49
vii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
BPM: Beam Propagation Method (Phương pháp truyền chùm quang)
CDC: Compact Dispersion Compensator (B ộ bù tán sắc nhỏ gọn)
CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor (MOS bù)
DRAM: Dynamic Random Access Memory (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động)
DSM: Distributed Shar ed Memory ( Bộ nhớ chia sẻ phân bố)
DSP: Digital Signal Processing (Xử lý tín hiệu số)
DWDM: Dense Wavelength Division Multiplexing (Ghép kênh theo bước sóng mật
độ cao)
FDM: Finite Difference Method (Phương pháp vi phâ n hữu hạn)
FLOPS: FLoating point Operations Per Second (Phép toán dấu phảy động/giây)
FTTH: Fiber-to-the Home (Cáp quang đến nhà thuê bao)
GMZI: Generalised Mach Zehnder Interferometer (Giao thoa MZ tổng quát)

I/O: Input/Output (Vào/Ra )
IRTS: International Technology Roadmap for Semiconductors
MMI: Multimode Inteference (Giao thoa đa mode)
MP: Message Passing model (Mô hình truyền thông điệp)
MPA: Mode Propagation Analysis (Phân tích truyền mode)
MRR: Microring Resonator (Bộ vi cộng hưởng)
MZM: Mach-Zehnder Modulator (Bộ điều chế Mach-Zehnder)
OXC: Optical Cross Connect (Kết nối chéo quang)
viii
RI: Restricte d Interference (Giao thoa giới hạn)
SBS: Stimulated Brillouin Sc attering (Tán xạ Brillouin kích thích)
SI: Symmetric Interference (Giao thoa đối xứng)
SOI: Silicon on Insulator
TMM: Transfer Matrix Method (Phương pháp ma trận truyền dẫn)
WDM: Wavelength Division Multiplexing (Ghép kênh quang theo bước sóng)
ZT: Z-Transform (Biến đổi z)
ix
MỞ ĐẦU
Trong quá trình nghiên cứu, triển khai và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận
được rất nhiều sự giúp đỡ, độ ng viên quý báu của các thầy cô giáo, các nhà khoa
học và bạn bè đồng nghiệp. Tác giả xin được b ày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến
Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Thanh Thủy- Người Thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ tận
tình, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong học tập, n ghiên cứu hoàn thành
luận văn.
Tôi cũn g xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đến các thầy, cô trong Trường Đại học Công
nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giảng dạy, giúp đỡ cho tôi trong quá trình học
tập và nghiên cứu. Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến các đồ ng nghiệp trong
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong học
tập và nghiên cứu để hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu
sắc đến các thầy, cô phản biện đã đọc góp ý, sửa chữa, đánh giá cho bản luận văn

được hoàn thiện.
Cuối cùng, tôi cũng xin được cảm ơn các bạn bè đ ồng nghiệp, gia đình đã cộng
tác góp ý trao đổi để tôi có điều kiện hoàn thành kết quả nghiên cứu của mình. Do
vấn đề nghiên cứu có tính liên ngành, là vấn đề mới, đang phát triển và do kiến
thức còn hạn chế và thời gian có hạn nên chắc rằng không tránh khỏi thiếu s ót. Tác
giả mong rằng sẽ nhận được nhiều sự quan tâm góp ý của các thầy, cô, các bạn bè
đồng nghiệp trong và ngoài Trường để cho luận văn được hoàn thiện hơn và tiếp
tục được mở rộng nghiên cứu với những kết quả thu được trong giai đoạn sau này.
Tác giả
Lê Duy Tiến
x
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn tập trung nghiên cứu vào việc sử dụng kỹ thuật số, đặc biệt là biến đổi
z trong miền quang để ứng dụng trong thiết kế các thiết bị chức năng quang. Luận
văn được chia làm 3 chương gồ m chương 1: Tổng quan về mạng kết nối quang,
chương 2: Lý thuyết phân tích mạch quang tử và chương 3 tr ình bày về thiết kế
một số thiết bị chức năng ứng dụng trong hệ thố ng kết nối quang.
Luận văn đã tổng hợp, đán h giá việc phát triển của kỹ thuật kết nối toàn quang,
ứng dụng trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao trong tương lai; ph ân tích lý
thuyết kỹ thuật xử lý tín hiệu số ứng dụng trong phân tích, thiết kế thiết bị trong
miền quang; phân tích hoạt động của một số cấu trúc mạch quang tích hợp như bộ
vi cộng hưởng, cấu trúc giao thoa đa mode, thiết bị ghép có hướng, đã đề xuất,
thiết kế tối ưu hai cấu trúc mới là cấu trúc làm chậm và tăng cường ánh sáng sử
dụng cấu trúc giao thoa đa mode 4x4 MMI và cấu trúc bù tán sắc có thể điều chỉnh
được với băng thông rộng.
Trên cơ sở các kết quả đó, hướn g nghiên cứu tiếp theo của đề tài luận văn có thể
là thiết kế bộ nhớ quang, bộ đệm quang và bộ xử lý tín hiệu toàn quang ứng dụng
trong các hệ thốn g tính toán hiệu năn g cao, yêu cầu băng thông rộn g, tốc độ cao.
Tác giả
Lê Duy Tiến

xi
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG KẾT NỐI
QUANG
Chương này trình bày tổng quan về hệ thống kết nối quang tốc độ cao. Trong tương
lai, hệ thống thông tin quang băng rộng sẽ là một ứng cử viên thay thế cho các hệ
thống thông tin hiện có nhờ ưu điểm băng thông cao, tốc độ nhanh và tiêu thụ
công suất nhỏ. Đặc biệt, nếu các thiết bị trong miền quang được chế tạo trên vật
liệu silic thì khả năng thiết kế các thiết bị on chip và kết nối thông tin trong các hệ
thống tính toán hiệu năng cao là rất khả thi. Chương này cũng trình bày về công cụ
mô phỏng các thiết bị sẽ được sử dụ ng trong các chương tiếp theo của Luận văn.
1.1. Mở đầu
Khả năng lưu trữ và xử lý thô ng tin tốc độ cao đ ã đạt được những bước tiến đáng
kể nhờ công nghệ vi mạch. Tuy vậy, khả năng tích hợp đang tiến dần đến giới hạn.
Theo định luật Moore, số linh kiện trên một đơn vị diện tích trong mạch tích hợp
tăng gấp đôi sau 18 tháng [10]. Do vậy, hiệu năng của các hệ thống tính toán đơn
lẻ sẽ đạt đến giới hạn. Để tận dụng hiệu suất tính toán, việc xử lý song song rõ ràng
cần phải được s ử dụng ở cả cấp đ ộ thấp (mức vi xử lý) và cấp độ cao hơn (mức
hệ thống) để cho phép triển khai các nền tảng tính toán hiệu năng cao [34][21].
Các nền tảng tính toán hiệu năng cao này cho phép tính toán và lưu trữ dữ liệu lớn,
phục vụ các bài toán tính toán khoa học, vật lý học, thiên văn và khoa học s ự sống.
Một ví dụ là các siêu máy tính được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực tính toán tốc
độ cao, vật lý học và thiên văn học. Một ví dụ khác có liên quan là các trung tâm
dữ liệu và máy chủ, xu ất hiện nhờ sự thúc đẩy của Internet. Các tru ng tâm dữ liệu
1
không chỉ cho phép phục hồi nhanh chóng các thô ng tin được lưu trữ cho người
dùng kết nối Internet, mà còn có thể hỗ trợ các ứng dụng tiên tiến (như điện toán
đám mây), cung cấp dịch vụ tính toán và lưu trữ.
Kiến trúc của các bộ vi xử lý hiện đại đang chuyển sang kiến trú c đ a lõi (multicore)
như chỉ ra ở Hình 1.1. Băng thông của giao diện DRAM không có khả năng mở

rộng quy mô với nhu cầu lõi ngày càng tăng và cuố i cùng sẽ hạn chế hiệu năng mà
hệ thống có thể đạt được [7]. Với các sản phẩm máy tính để bàn, tiêu chuẩn giao
diện bộ nhớ thế hệ mới DDR4 SDRAM sẽ có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu 266
Gbps. Với các hệ thống server thương mại, giao diện bộ nhớ có thể đạt 2560 Gbps.
Hình 1.1: Sự phát triển của các kiến trúc đa lõi
Thậm chí trên các thiết bị di động, xu hướng tăng băn g thông, bộ nhớ cũng đang
xẩy ra (Hình1.2) [9]. Để đáp ứng được các yêu cầu này, tốc độ tín hiệu điện phải
được cải thiện, nhưng vướng phải công suất phát cao, tiêu thụ công suất lớn và giá
thành đóng gói, chế tạo cao. Theo dự đoán, chỉ có công nghệ quang và xử lý tín
hiệu quang mới đáp ứng được các yêu cầu về băng thông cao, tốc độ lớn, công suất
tiêu thụ và giá thành chế tạo nhỏ.
Trong nhiều thập kỷ qua đã có các tiến bộ đáng kể trong công ng hệ chế tạo vi
mạch, dẫn đến khả năng tính toán ngày càng cao, kích thước nhỏ, tích hợp được
nhiều chức năng trên một chip. Từ đó đã có những cải thiện trong hầu hết các
khía cạnh của các hệ thống tính toán hiệu năng cao. C ác mô hình kiến trúc như
mô hình bộ nhớ chia sẻ phân bố DSM (Distributed Shared Memory ) và mô hình
2
tru yền thông điệp MP (Mess age Passing model)đang nổi lên như là sự lựa chọn
thích hợp cho các hệ thống tính toán hiệu năng cao có khả năng mở rộng.
Số transisor trong các vi mạch sẽ tăng theo thời gian, điều này dẫn đến việc tăng
đáng kế nhu cầu về băng thông ở các mức độ khác nhau, từ kết n ố i on-chip, chip-
to-chip, board -to-board và mức h ệ thống . Khả năng tính toán trên chip tăng sẽ kéo
theo việc tăng băng thông truyền dẫn giữa các chip và các board. Sự chênh lệch
trong việc cải thiện băng thông của các thành phần hệ thống khác nhau được chỉ ra
ở Hình 1.4. Tro ng đó, băng thông CPU được tính bằng cách nhân sự gia tăng tốc
độ đồng hồ với các đường dẫn dữ liệu nội bộ. Tốc độ tiên đoán của CPU, đường nối
off-chip, bộ nhớ và cổng vào/ra được tham khảo IRTS (International Technology
Roadmap for Semiconductor s) năm 2003 [18]. Trong khi tổng số băng thông I/O
, Off-chip (tính b ằng số chân x tốc độ bit/chân) tăng 1,5 lần thì hiệu năng chip sẽ
được cải thiện 4 lần. Khi tốc độ đồng hồ tăng đến hàng GHz, các tín hiệu điện và

kết nối điện sẽ là trở ngại lớn trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao ở cả mức
chip-to-chip và board-to-board .
Hình 1.2: Tốc độ truyền dẫn trong các kiến trúc smartphone
Đối với hệ thống kết nối quang, khi một lõi từ chip vi xử lý muốn giao tiếp với lõi
khác, nó gửi gói dữ liệu tới mặt phẳng quang, khi đó tín hiệu được chuyển đổi từ
điện thành tín hiệu quang dùng bộ điều chế quang. Gói dữ liệu quang sau đó sẽ
được định tuyến qua mạng quang trên chip để tới đích dùng các bộ chuyển mạch
quang băng rộng. Ở phía thu, dữ liệu gói quang lại được chuyển trở lại tín hiệu điện
3
dùng photodiod e. Kết quả là dữ liệu điện cuố i cùng được truyền tới mặt phẳng vi
xử lý của lõi p hía đích. Khi một chip vi xử lý muốn kết nối với bộ nhớ hay chip
vi xử lý khác ở n goài, không trên cùng một board thì nó có thể dù ng cùng một
mạng truyền dẫn quang trên chip để thiết lập đ ườn g truyền giữa hai mạng. Lúc này
sợi quang đơn mode có thể được sử dụng làm đường truyền. Khái niệm trên được
minh họa ở Hình 1.3 [4].
Hình 1.3: Sơ đồ của một chip kết nối quang giao tiếp ngoài với bộ nhớ, vi xử lý khác
Hình 1.4: So sánh băng thông của CPU, off-chip, bộ nhớ và I/O
4
Hình 1.5 mô phỏng kết quả công suất tiêu thụ ở các đườn g kết nố i điện 2, 4, 6, 8
Gbps và đường kết nối quang 4 Gbps. Công suất của các kết n ối điện tăng theo
chiều dài và tốc độ bit vì có suy hao lớn hơn và vì vậy sẽ hạn chế các hệ thống tính
toán hiệu năng cao.
Hình 1.5: So sánh công suất tiêu thụ của các đường kết nối điện và quang
Hiện nay, hiệu năng của các chip vi xử lý chủ yếu bị hạn chế bởi tiêu thụ công suất
và sự tỏa nhiệt. Xu hướng này vẫn đang diễn ra trong việc thiết kế các hệ thố ng
nhiều đơn vị xử lý trung tâm CPU (multi-CPU) và hệ thống đa lõi (multi-core)
như được chỉ ra ở Hình 1.6. Các kết quả nghiên cứu đã chứng tỏ rằng gần 1/2
tổng công suất tiêu thụ trong các hệ thống này là ở dây dẫn (electrical wiring) chứ
không phải là ở các tranzito [27]. Theo dự đoán, công suất tính toán củ a CPU ( tính
bằng FLOPS-FLoating point Operations Per Second) vẫn tăng theo hàm mũ nh ư ở

Hình 1 . 7. Đối với các hệ thống d ây dẫn điện, các tụ điện và đ iện trở trên đường dây
tạo thành các bộ lọc thông thấp làm ảnh hưởng đến tốc độ truyền và băng thông
hệ thống. Đối với các đường truyền quang thì không bị ảnh hưởng bởi yếu tố này.
Vì vậy, nếu như chúng ta có thể phát triển các thiết bị xử lý thông tin trong miền
quang với côn g suất tiêu thụ thấp thì có thể tương lai sẽ thay thế các hệ thống điện
tử hiện n ay. Tuy nhiên, việc phát triển các hệ thống tính toán toàn quang phải có
lộ trình. Đầu tiên các kết nối điện tử trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao có
5
thể được thay thế bằng các đường kết nối quang như Hình 1.6.
Hình 1.6: Xu hướng thiết kế chip gần đây
Về mặt tích hợp, Hình 1.7 thể hiện số linh kiện quang được tích hợp trên một chip
quang cùng với s ố tranzito trên một chip điện tử [28]. Như vậy định luật Moore
trong quang khá giống với định luật Moo re trong điện tử. Xu hướng này cho thấy
số linh kiện quang tử tích hợ p trên một chip có thể đạt đến hàng triệu vào năm
2025.
Hình 1.7: Xu hướng thiết kế chip gần đây và định luật Moore
Xử lý song song cho phép các nhiệm vụ ứng dụng được thực hiện song song trên
nhiều bộ vi xử lý khác nhau, dẫn đến việc giảm thời gian thực hiện và tăng hiệu
6
quả sử dụng. Để có được lợi thế này, các hệ thống máy tính phải được kết nối
thông qua một mạng kết nối dung lượng cao. Tro ng các hệ thống hiện tại, xử lý
song s ong đạt được bằng cách phân nhóm các máy chủ đồn g nhất. Thông thường,
rack chứa vài chục server kết nối qua một chuyển mạch rack như chỉ ra ở Hình 1.8
để mỗi server có thể kết nối với bất kỳ server nào. Cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc
bao gồm thiết bị chuyển mạch điện thường dựa trên Ethernet (cho chi p h í thấp và
tính linh hoạt) ho ặc giao thức Infiniband (cho hiệu suất cao). Tương tự như vậy,
trong các siêu máy tính, một mạn g lưới kết nối với thông lượng cao và độ trễ thấp
là cần thiết đ ể kết nối hàn g ngàn nút tính toán. Gần đây, sự khác biệt giữa hai nền
tảng tính toán n ổ i bật nhất là trung tâm dữ liệu và các siêu máy tính đã trở nên mờ
nhạt hơn.

Hình 1.8: Mạng kết nối của hạ tầng tính toán hiệu năng cao
Trong một vài thập kỷ qua, nút cổ chai chính của cơ sở hạ tầng tính toán hiệu năng
cao chuyển từ các nút tính toán sang hạ tầng thông tin, truyền dẫn. Khi quy mô
tính toán tăng như tăng s ố lượng máy chủ và khả năng tính toán, các yêu cầu về
thông lượng cao và độ trễ thấp khó được đảm bảo và khó đạt được hơn. Hiện nay
các chuyển mạch dựa trên điện bị giới hạn về băng thông, tốc độ và số lượng cổng
vào-ra. Để giải quyết vấn đề này, hai hay nhiều mức kết nối được thiết lập để đảm
bảo các server có thể kết nối đầy đủ với nhau.Tuy nhiên, tín hiệu truyền theo hai
hướng nên vẫn bị h ạn chế về băng thông. Vì vậy, để đáp ứng các điều kiện tiên
quyết về băng thông và độ trễ trong các hệ thống tính toán h iệu năng cao thì việc
tìm ra giải pháp mới cho vấn đề này là cần thiết.
7
Việc tăng quy mô của các hệ thống tính toán cũng gây ra sự tăng đáng kể trong tiêu
thụ điện năng . Hiện nay, tiêu thụ điện năng của hệ thống tính toán lớn đang gia
tăng với tốc độ hàng năm khoảng 15% đến 20 % cho các trun g tâm d ữ liệu và lên
đến 50% cho các siêu máy tính. Theo các ngh iên cứu gần đây, tổn g công suất tiêu
thụ của các trung tâm dữ liệu trên toàn thế giới đã tương đương mức tiêu thụ điện
năng của một nước như Argentina hay Hà Lan [35]. Trong một trung tâm dữ liệu,
cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc được ước tính tiêu hao khoảng 10 % năng lượng
tổng thể giả định rằng có sử dụng đầy đủ các máy chủ. Tuy nhiên, giả định này khó
xẩy ra trong hệ thống tính toán hiện nay vì máy chủ thường được dự phòng. Khi
xem xét các cải thiện gần đây trong việc thiết kế máy chủ để giảm tiêu thụ năng
lượng, tiêu thụ công suất mạng đạt đến 50% tổng công suất tiêu thụ. Vì vậy, giải
pháp kết nối hiệu quả năng lượng đang đ ược đặc biệt quan tâm [6].
Một trong những giải pháp đáng chú ý nhất hiện nay cho vấn đề này là sử dụng
công nghệ quang tử. Nội dung của luận văn tập trung tìm hiểu, nghiên cứu, phát
triển thiết kế một số thiết bị quang như bộ làm chậm, nhanh ánh sáng, bộ bù tán
sắc, dần d ần tiến đến thiết kế bộ xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các mạng
thông tin băng rộng và tính toán hiệu năng cao trong tương lai.
1.2. Giải pháp kết nối quang trong hệ thống tính toán

Để khắc phục n hững hạn chế của thiết bị điện tử, giải pháp công nghệ quang tử
cho thay thế các liên kết điểm-điểm hoặc để thay thế cho toàn bộ kiến trúc chuyển
mạch điện đã được n ghiên cứu, đề xuất trong những năm qua. Hệ thống thông tin
quang có ưu điểm là tiêu thụ công suất nhỏ, s uy hao thấp, băng thông và tốc độ
cao. Các tính năng đó làm cho các kết nối đ iểm-điểm dựa vào quang tử là một s ự
thay thế tuyệt vời so với kết nối qua cáp đồng hiện nay. Theo dự đoán, các kết nối
trong miền quang sẽ thay thế các kết nối trong miền điện trong những năm tới.
Trước tiên, chuyển mạch vẫn sẽ được thực hiện trong miền điện, dần dần v iệc xử
lý thông tin, tính toán sẽ được chuyển sang miền quang nhờ sự phát triển của công
nghệ vi mạch quang tử.
Cấu trúc cơ bản của một đường truyền quang được chỉ ra ở Hình 1.9 [29]. Ở đây
lấy ví dụ môi trường truyền dẫn dùng sợi quang. Tro ng các mạng quang trên chip
thì ống dẫn sóng quang sẽ được sử dụng thay vì sợi quang.
8
Hình 1.9: Cấu trúc của một hệ thống quang điểm-điểm
Để giảm thiểu những hạn chế chuyển mạch điện tử hiện nay như tốc độ chậm,
suy h ao cao, việc sử dụng các kết nối quang trong mạng đã được đề xuất bởi
cộng đồng các nhà khoa học cũng như các tập đoàn hàng đầu thế giới như IBM,
Intel [26][17]. Việc sử dụng kết nối quang đã chứng tỏ khả năng mở rộng (scale
capacitiy) và băng thông, tốc độ cao hơn so với thiết bị chuyển mạch điện tử. Tuy
nhiên, việc thiết kế các bộ kết nối toàn quang gặp phải thách thức là thiếu các bộ
đệm, bộ nhớ, bộ trễ quang nhỏ gọn.
Mạng kết nố i quang tử trong hệ thống tính toán hiệu năng cao và các mạng băng
rộng hiện tại vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Điều đặc biệt được quan tâm là việc làm
thế nào để cải thiện hiệu quả năng lượng. Chiến lược khác nhau có thể được sử
dụng như sự cô lập hoặc phối hợp để nâng cao hiệu quả năng lượng của các mạng
kết nối quang tử. Lấy ví dụ việc thiết kế từng thiết bị quang và kết nối chúng thành
hệ thống theo kiến trúc thích hợp có thể giảm đáng kể việc tiêu thụ năng lượng.
Khi thiết kế một mạng kết nối quang, bước đầu tiên cho việc cải thiện hiệu suất
năng lượng là phải chọn các thiết bị quang tiêu thụ ít công suất. Để đạt đ ược mụ c

tiêu này, các tham số phải tính đến là công n ghệ chế tạo, vấn đề tối ưu hóa và tích
hợp thiết bị, độ nhạy nhiệt, yêu cầu làm mát và chế độ hoạt động của thiết bị có
trạng thái nghỉ hay không.
Công nghệ được sử dụng để chế tạo các thiết b ị quang ảnh hưởng đến yêu cầu về
công suất hoạt độn g. Tuy nhiên, các thiết bị điện tử cần thiết cho mạch điều khiển
các thiết bị quang cũng có ảnh hưởng đến tiêu thụ công suất. Lấy ví dụ một bộ
điều chế quang (optical modulator), chẳng hạn như bộ điều chế giao thoa Mach-
Zehnder (Mach-Zehnder modulator) yêu cầu bộ khu ếch đại điện để cung cấp điện
áp cần thiết cho hiệu ứng điện-quang xẩy ra. Các nguồn quang, khuếch đại quang
9
cũng yêu cầu mạch điện tử để cung cấp hệ s ố khuếch đại quang tương ứng. Cuối
cùng ở bộ thu quang (các photodiode) cũng cần các bộ khuếch đại điện và bộ so
sánh. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng, việc tiêu thụ năng lượng của các thiết bị
điện tử cũng gần như tương đương việc tiêu thụ năng lượng của các thiết bị quang
trong các kiến trúc mạng quang đ a tầng.
Tuy nhiên, với các giải pháp tiên tiến trong công nghệ chế tạo CMOS hiện nay,
các thiết bị quang có thể được chế tạo cùng với các mạch điện tử trên cùng một
chip duy nhất. Do vậy, công suất tiêu thụ có thể được cải thiện đáng kể. Với các
thiết bị quang tích cực n hư bộ điều chế, khuếch đại, bộ tách sóng và các thiết bị
thụ động như bộ lọc, ghép, đường dây trễ đều cần thiết trong mạng kết nối quang.
Công nghệ CMOS có nhiều ưu điểm, cho phép chế tạo thiết bị với suy hao thấp,
có khả năng tích hợp cao, chế tạo hàng loạt với giá thành rẻ.
Nhóm nghiên cứu quang tử silic của IBM lần đầu tiên đã công bố mộ t kết quả
quan trọng trong ứng dụng của quang tử nano nền silic, sử dụng ánh sáng thay thế
cho các sợi đồng cho việc truyền tải thông tin trong các "não" của một con chip
[14]. Đây được coi là một bước ngoặt quan trọng trong tiến trình hình thành các
siêu máy tính trong tương lai. Ưu điểm củ a cô ng nghệ này là tiêu thụ ít công suất,
khả năng tính toán cao.
Kết quả được công bố trên tạp chí Optics Express [14], một trong những tạp chí
hàng đầu của Mỹ, nhóm tác giả tại IBM đã chế tạo thiết bị trên nền silic, cho phép

tru yền tải thông tin tốc độ cao giữa các lõi của chip bằng cách sử dụng các xung
ánh sáng thay thế cho các tín hiệu điện trong dây dẫn đồng thông thường.
Bộ điều chế quang củ a IBM có chức năng biến đổi mộ t tín hiệu điện số trên một
dây dẫn sang một chuỗi các xung ánh sáng, để lưu thông và xử lý trong một đường
dẫn sóng quang nano trên nền silic. Hoạt động của bộ điều chế này được minh
họa trên Hình 1.10. Đầu tiên, một nguồn quang laser (màu đỏ) chiếu vào bộ điều
chế quang. Bộ điều chế quang (hộp màu đen với nhãn hiệu IBM) thực tế là một
"chuyển mạch đóng mở " rất nhanh để điều khiển tín hiệu laser, hoặc chặn tín hiệu
nguồn, hoặc cho nó truyền qua đường dẫn sóng đ ầu ra. Khi một tín h iệu điện là
xung (được mã hóa bằng số "1" hay bit 1, màu vàng) đến từ bên trái bộ điều chỉnh,
một xung ánh sán g ngắn được phép đi qua tới bộ điều chế quang đầu r a bên phải.
Ngược lại, nếu không có xung điện tại bộ điều chỉnh (đ ược mã hóa bằng s ố "0"
hay bit 0), bộ điều chỉnh này sẽ ngăn ánh sáng, không cho chúng đi tới được đầu
10
ra. Với cách xử lý này, thiết bị đã "điều chỉnh" cường độ của tia laser đầu vào và
biến các tín hiệu điện số (1 và 0) thàn h các xung ánh sáng.
Hình 1.10: Bộ điều chế quang sử dụng công nghệ silic của IBM
Bộ điều chế được các nhà nghiên cứu sử dụng đó là bộ giao thoa Mach Zehnder
trên nền silic, đ ể biến đổi tín hiệu điện sang tín hiệu xung ánh sáng. Điều đáng
chú ý là bộ điều chế này có kích thước nhỏ h ơn 100 lần (và có khả năng thu nhỏ
hơn tới 1000 lần) so với các thiết bị điều chế hiện tại. Việc tạo ra tín hiệu laser
trên nền silic là vô cùng khó vì silic có cấu trúc vùng năng lượng khác so với các
loại vật liệu tạo laser khác. Do đó, đây cũng là thiết bị sau cùng trong hệ thống
tích hợp cần được silic hóa, để xây dựng một chíp hoàn toàn trên nền silic. Công
nghệ quang tử silic hiện đang là một ứng cử viên sáng giá, s o với các công nghệ sử
dụng các vật liệu khác như Germanium, hay Gallium Arsenide, Cadmium Sulfide
và Gallium Nitride.
Trữ lượng cao (silic là một trong số các nguyên tố có trữ lượng nhiều nhất trên
trái đất) và đầu tư nghiên cứu trong suốt hơn 30 năm qua là những thế mạnh mà
vi mạch dùng silic có được. C ác v i mạch hiện nay đều được chế tạo trên nền silic.

Nhóm nghiên cứu sử dụng bộ điều chỉnh nền silic cũng k hông nằm ngoài mục đích
này và nó là một nguyên nh ân làm giảm giá thành, một vấn đề quan trọng và quyết
định khi thương mại hóa s ản phẩm; kết hợp với bộ xử lý hoàn toàn bằng quang,
sẽ tiêu hao năng lượng ít hơn, bảo mật hơn, đồng thời tăng dung lượng truyền tải
thông tin giữa các lõi lên tới hàng trăm lần so với phương pháp dây dẫn hiện tại.
Bộ điều chế quang của IBM sử dụng các đ ườn g dẫn sóng quang nano silic để
11
điều khiển ng u ồn sán g trên một chip silic. C ác tín hiệu điện sẽ được tru yền vào
các đường dẫn sóng nano silic tạo bởi lớp bán dẫn d ạn g chuyển tiếp (p+)-( i)- (n+)
thông qua các cực điện (màu vàng) như được chỉ ra ở Hình 1.11. Các điện tích (lỗ
trống -các hạt màu xanh và electron- các hạt màu đỏ ) vào trong các đường dẫn và
thay đổi đặc tính quang học của s ilic.
Hình 1.11: Cấu trúc bộ điều chế quang sử dụng công nghệ silic của IBM
Hiện tại, các nhà nghiên cứu tại IBM và các trường đại họ c đang tập trung vào
thiết kế các thiết bị quang tiêu thụ công suất thấp , có khả năng tích hợp cao, ứng
dụng mạng kết nối quang giữa các chip và trên chip [2].
Một tro ng số các chip mạnh nhất của IBM, đó là bộ xử lý Cell chứa 9 lõi trong
một chip. Công nghệ mới này s ẽ hướng tới một phương pháp công suất-hiệu quả
để có thể liên thôn g hàng trăm đến hàng ng hìn các lõi trong một chíp nhỏ và thay
thế hoàn toán các dây dẫn. Sử dụng ánh sáng thay cho dây dẫn để truyền thông tin
giữa các lõi sẽ tăng tốc độ lên tới 100 lần, trong kh i chỉ tiêu hao 1/10 năng lượng
so với kỹ thuật dây dẫn đương thời.
Ống dẫn sóng (waveguide) được tạo bởi các sợi silic (màu tím ) với chiều 200
lần nhỏ hơ n so với sợi tóc của con người, trên một đế cách điện silic. Ánh sáng
sẽ được truyền dẫn trong các đườn g dẫn quang n ano silic theo nguyên lý phản xạ
toàn phần, như trên Hình 1.11. Ánh sáng được tập trung trong ống dẫn sóng quang
giúp cho bộ điều chế quang có kích thước giảm một cách rõ rệt so với công nghệ
hiện tại [2].
Đây là mô h ình đề xuất thực hiện đ ườn g dẫn hoàn toàn bằng quang học với N kênh,
mỗi kênh có khả năng truyền tải tốc độ 10Gbps. N kênh đầu tiên được tách kênh

theo phương p háp phân chia bước sóng trong mạch quang tử (Wavelength Division
12
Multiplexing), sau đó được sắp xếp và đảo qua bộ điều chỉnh quang học và được
ghép kênh trở lại bằng bộ ghép kênh bước sóng. Nguồn dữ liệu có thể được đệm
trong một đường làm chậm quang học nếu cần thiết. Các kênh được điều khiển
cùng với bộ cảm quang Ge tích hợp. Các mạch logic CMOS sẽ thực hiện quá trình
xử lý thông tin. Các chân điện nối chíp quang điện với các chíp khác thông qua
các tín hiệu điện.
1.3. Mạch quang tử silic
Các hệ thống vật liệu quang được sử dụng trong v i mạch quang tích h ợp có thể là
các hợp chất bán dẫn, LiNbO
3
,SiO
2
, po lyme, Si, Mỗi hệ thố n g vật liệu có ưu và
nhược điểm riêng của nó. Trong luận văn này, vật liệu silic trên đế SOI (silicon on
insulator) được sử dụng. Đặc điểm của vật liệu SOI là có độ tương phản chiết suất
lớn, nên cho phép kích thước thiết bị giảm xuống cỡ
µ
m. Hơn nữa hiệu ứng quang
điện và plasma có thể được sử dụng trong vật liệu này để tạo ra các thiết bị quang
tích cực như điều chế, chuyển mạch với công suất thấp và tốc độ cao. Nhược điểm
của thiết bị là vì có kích thước nhỏ nên khó ghép với h ệ thống thôn g tin quang
hiện thời với sợi quang cỡ 10
µ
m. Tuy nh iên, nhược điểm này hiện nay không còn
là vấn đề khi mà dùng bộ ghép cách tử Bragg có thể ghép đ ến trên 90% công suất
vào ống dẫn sóng SOI tích hợp quang.
Công nghệ quang tử silic được lựa chọn trong thiết kế cảm biến bởi vì nó có thể áp
dụng công n g hệ chế tạo CMOS hiện thời với giá thành rẻ và dễ dàng với chế tạo

hàng loạt. Công nghệ cho phép chế tạo thiết bị có kích thước nhỏ, khả năng tích
hợp cao và đ a năng. Ống dẫn sóng SOI sử dụng silic làm đế và lõi ống dẫn sóng.
Độ tương phản chiết suất của lõi và võ ống dẫn sóng rất cao. Chiết suất của Si là
n
Si
= 3,45 và của SiO
2
là n
SiO
2
= 1,45 cho phép bán kính ốn g dẫn sóng vòng nhỏ.
Hơn nữa, công nghệ SOI cho phép tích hợp thiết bị quang tử và điện tử một cách
dễ dàng. Do vậy, đây có thể nói là công nghệ của tương lai.
Có hai cấu trúc ống dẫn sóng SOI cơ bản là cấu trúc rib và cấu trúc kênh như chỉ
ra trên Hình 1.12 dưới đây. Cả hai cấu trúc này có ưu và nhược điểm riêng. Để đ ạt
được cơ chế hoạt động đơn mode, cấu trúc kênh SOI phải có kích thước nhỏ. Điều
này có thể gây ra suy hao truyền dẫn tăng và khó ghép tín hiệu với hệ thống thông
tin quang hiện tại. Ngược lại, cấu trúc rib có kích thước lớn hơn và dễ dàng ghép
13
với hệ thốn g hiện tại hơn, nhưng kích thước của thiết bị và mạch lại tăng.
Hình 1.12: Cấu trúc ống dẫn sóng Sil ic (a) cấu trúc kênh và (b) cấu trúc rib
1.4. Phương pháp mô phỏng
Mô phỏng thiết bị quang tích hợp dẫn tới yêu cầu giải phương trình Maxwell bằng
số. Có hai phương p háp tiếp cận cơ bản để tiếp cận giải phương trình Maxwell: tiếp
cận giải trực tiếp trong miền thời gian và tiếp cận giải trong miền tấn số dùng biến
đổi Fourier [20]. Tron g đó, BPM (Beam propagation method) là một trong những
phương pháp mạnh, được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả nhất để giải phương trình
Maxwell bằng s ố cho mô phỏng đặc tính truyền dẫn sóng trong các thiết bị quang
tích hợp.
Trong phần này sẽ mô tả vắn tắt một số nội dung cơ bản nhất của p hương pháp.

Cụ thể hơn về phương pháp BPM và các kỹ thuật tiên tiến khác áp dụng cho BPM
xin xem thêm tài liệu tham khảo [16].
Giả sử một tín hiệu đơn tần phụ thuộc thời gian t, truyền dẫn trong môi trường chiết
suất phân bố đều theo hướng truyền dẫn, có dạng e
j
ω
t
. Phương trình Maxwell viết
cho tín hiệu n ày là [20]:
∇x

E = j
ω
n
2
ε
0

H (1.1)
∇

xH = j
ω
n
2
ε
0

E (1.2)
trong đó,

−→
E và
−→
H là vectơ trường điện và từ,
ε
0
là hằng số đ iện môi của môi trường
tru yền sóng.
14