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

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

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)

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

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

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.

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

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.

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

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,