Luận án Nghiên cứu kỹ thuật xử lý tín hiệu quang ứng dụng trong các hệ thống kết nối máy tính quang

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU QUANG ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỆ THỐNG KẾT NỐI MÁY TÍNH QUANG

Ngành:

KỸ THUẬT MÁY TÍNH

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án này giải quyết nhu cầu ngày càng tăng về xử lý dữ liệu tốc độ cao trong các hệ thống tính toán hiệu năng cao và trung tâm dữ liệu, nơi các giới hạn của điện tử truyền thống đã không còn đáp ứng được. Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các kỹ thuật xử lý tín hiệu quang nhằm thay thế dần các hệ thống điện, hướng tới tích hợp trên một chip bằng công nghệ mạch tích hợp CMOS để xây dựng các hệ thống máy tính toàn quang trong tương lai.

Luận án có ba đóng góp chính. Thứ nhất, nghiên cứu đã phân tích và thiết kế các cổng logic toàn quang như NAND, XNOR, XOR và OR. Các cổng này sử dụng cấu trúc MMI (Multimode Interference) 2x2 và 4x4 tích hợp, tận dụng hiệu ứng giao thoa và plasmonics để giảm kích thước, suy hao thấp và hiệu năng cao, phù hợp cho các node mạng trên chip và board của hệ thống kết nối quang.

Thứ hai, luận án đề xuất các cấu trúc cộng hưởng Fano và EIT (Electromagnetically Induced Transparency) mới, kết hợp MMI với các bộ vi cộng hưởng. Các cấu trúc này được ứng dụng để làm nhanh và làm chậm ánh sáng, tạo bộ trễ/đệm quang. Điều này cho phép xử lý và làm trễ tín hiệu quang trong các node định tuyến và xử lý tiêu đề gói tin quang truyền dẫn trên chip và giữa các hệ thống kết nối, tính toán hiệu năng cao trong miền quang.

Cuối cùng, luận án đã đề xuất hai phương pháp mới để tạo tín hiệu điều chế PAM-4 (Pulse Amplitude Modulation) sử dụng cấu trúc 3x3 MMI và 4x4 MMI. Các phương pháp này được thiết kế để tăng băng thông và tốc độ dữ liệu so với tín hiệu OOK truyền thống, ứng dụng trong các hệ thống kết nối quang của trung tâm dữ liệu thế hệ mới. Các cấu trúc này có ưu điểm tích hợp trên chip, tạo ra nhiều cổng kết nối trên một board đơn, góp phần giải quyết vấn đề nghẽn băng thông tính toán và thúc đẩy sự phát triển của máy tính toàn quang.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU
  • Mục tiêu nghiên cứu
  • Nội dung nghiên cứu của luận án
  • Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
  • Phương pháp nghiên cứu
  • Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• Chương 1: Tổng quan về xử lý tín hiệu quang trong mạng
  • 1.1 Hệ thống tính toán và kết nối quang trong các trung tâm dữ liệu
  • 1. 2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
  • 1.3 Các thành phần hệ thống tính toán, kết nối toàn quang
    • 1.3.1 Ống dẫn sóng (Optical waveguide-OWG)
    • 1.3.2 Cấu trúc giao thoa đa mode (Multimode interference-MMI)
    • 1.3.3 Bộ vi cộng hưởng (Microring Resonator-MRR) và Mach Zehnder
    • 1.2.4 Cộng hưởng Fano và bộ nhớ quang
  • 1.4 Kỹ thuật phân tích, mô phỏng, thiết kế mạch quang
    • 1.4.1 Phân tích giải tích dùng ma trận truyền dẫn
    • 1.3.2 Mô phỏng số
  • 1.5 Kết luận Chương 1
• Chương 2: Phân tích, thiết kế các cổng logic toàn quang
  • 2.1 Nguyên lý thực hiện cổng logic quang
  • 2.2 Cổng logic quang dùng 4x4 MMI
  • 2.3 Cổng logic quang dùng cấu trúc plasmonic
    • 2.3.1 Thiết kế cổng XNOR và OR dùng cấu trúc plasmonic
    • 2.3.2 Thiết kế cổng NAND dùng plasmonic
  • 2.4 Kết luận Chương 2
• Chương 3: Phân tích, thiết cấu kiến trúc làm nhanh, chậm ánh sáng và ứng dụng cho trễ/ đệm quang
  • 3.1 Bộ đệm quang dùng vi cộng hưởng
    • 3.1.1 Cấu trúc
    • 3.1.2 Cấu trúc vi cộng hưởng ghép nối tiếp
    • 3.1.3 Cấu trúc nhiều bộ vi cộng hưởng sử dụng bộ Sagnac
  • 3.2 Bộ đệm quang dùng vi cộng hưởng 4x4 MMI
    • 3.2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
  • 3.4 Kết luận Chương 3
• Chương 4: Phân tích và thiết kế cấu trúc tạo tín hiệu đa mức PAM-4 cho hệ thống kết nối máy tính quang
  • 4.1 Tạo tín hiệu PAM-4 dùng 3x3 MMI
  • 4.2 Tạo tín hiệu PAM-4 dùng 4x4 MMI
  • 4.3 Tạo tín hiệu PAM-4 không chirp
  • 4.4 Kết luận Chương 4
• KẾT LUẬN
  • 1. Các đóng góp của luận án
  • 2. Hướng phát triển của luận án