Nghiên cứu tính toán thiết kế các mạch tích hợp giao thoa đa mode ứng dụng trong mạng toàn quang817

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƢƠNG CAO DŨNG NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ CÁC MẠCH TÍCH HỢP GIAO THOA ĐA MODE DÙNG TRONG MẠNG TOÀN QUANG Chuyên nghành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 62520208 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG HÀ NỘI - 2015 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tập thể hướng dẫn khoa học: 1.GS.TS Trần Đức Hân 2.PGS.TS Lê Trung Thành Phản biện 1: PGS.TS Trương Vũ Bằng Giang Phản biện 2: TS Ngô Quang Minh Phản biện 3: PGS.TS Lê Nhật Thăng Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 14 30 phút, ngày 28 tháng 10 năm 2015 Có thể tìm hiểu luận án tại: 1.Thư viện Tạ Quang Bửu, Trường ĐHBK Hà Nội 2.Thư viện Quốc gia Việt Nam Mở đầu Mạng thơng tin tồn quang (AON) mạng thơng tin xây dựng từ tất thành phần, vi mạch, cấu kiện, thiết bị để thực chức xử lý tín hiệu miền quang khơng qua q trình chuyển đổi tín hiệu sang miền điện Phương pháp xử lý tín hiệu tồn quang có ưu điểm bật về: tốc độ xử lý, băng thông cao, dễ phối ghép, mật độ tích hợp cao dễ đóng gói Đó cách thức để xây dựng mạng tồn quang Các mạch tích hợp quang tử –PICs mà phổ biến xây dựng từ mạch quang phẳng – PLCs ứng cử viên tốt để xây dựng mạch quang thích hợp cho mạng thơng tin quang với bốn ưu điểm: (1) chức nâng cao, (2) suy hao thấp, (3) kích thước nhỏ gọn (4) tiềm để chế tạo hàng loạt Các PLCs dựa ống dẫn sóng có nguyên lý dẫn sóng quang tương tự sợi cáp quang nên chúng sử dụng rộng rãi mạch tích hợp phần tử, cấu kiện mạng toàn quang Các ghép giao thoa đa mode MMI (multimode interference) ống dẫn sóng quang, chúng hoạt động dựa nguyên lý tự tạo ảnh phát triển nhanh năm gần Bộ ghép đa mode có ưu điểm như: băng thông tương đối lớn, suy hao thấp, mật độ tích hợp cao, tính ổn định cao, dung sai chế tạo lớn, thiết kế đa dạng đặc biệt tương thích với cơng nghệ chế tạo bán dẫn CMOS Tuy nhiên, khả áp dụng ghép giao thoa đa mode cho mạch tích hợp xử lý tín hiệu tồn quang cịn nhiều hội thách thức cho nghiên cứu khoa học Khả áp dụng ghép giao thoa đa mode để tạo chia công suất với tỷ số chia đa dạng, chia chùm phân cực, chuyển mạch quang không chặn nhiều cổng, ghép kênh ba bước sóng, ghép kênh phân chia theo mode ,v.v Đó tiềm động lực nghiên cứu cho luận án Đối tƣợng mục tiêu nghiên cứu Tóm lược thảo luận trên, luận án hướng đến đối tượng nghiên cứu sau: - Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu tính chất, đặc điểm vật lý bật ghép giao thoa đa mode Sau đó, sử dụng ưu cấu trúc giao thoa đa mode với cấu hình, cấu trúc hình học, vật liệu khác để đề xuất xây dựng vài thành phần chức mạng xử lý tín hiệu tồn quang - Phương pháp tiếp cận: Xây dựng nên mạch tích hợp, cấu kiện đề xuất có cấu trúc cải tiến để đạt chất lượng hiệu quang học tốt nhờ lợi điểm ghép đa mode Các kết đạt đƣợc Luận án tập trung nghiên cứu đề xuất thiết kế sử dụng ghép đa mode để tạo số thành phần, cấu kiện vi quang Cụ thể cần đạt hướng tới số kết sau: Đề xuất sử dụng ghép giao thoa đa mode với ghép sở để ghép tầng tạo chia cơng suất có nhiều tỷ số chia cơng suất bất đối xứng sử dụng ghép giao thoa đa mode khắc hình cánh bướm vật liệu silic thủy tinh silic để tạo chia chùm phân cực Thiết kế chuyển mạch quang dựa ghép ghép đa mode theo chế giao thoa kế Mach Zehder – MZI Trong đó, đề xuất sử dụng ống dẫn sóng truy nhập ngồi nối vùng đa mode dịch pha cho hoạt động trạng thái chuyển mạch với điều khiển pha điều khiển Đề xuất sử dụng ghép đa mode để thiết kế tách ghép ba bước sóng 1310 nm, 1490 nm, 1550 nm (được gọi triplexer) dùng mạng quang truy nhập FTTH Tổ chức luận án Nền tảng lý thuyết trình bày chương Các nội dung đề xuất thiết kế cấu kiện vi quang sử dụng giao thoa đa mode trình bày chuyên sâu Chương 2, Chương Chương Ba chương thể tồn đóng góp khoa học luận án Cuối kết luận hướng phát triển luận án Chƣơng Giao thoa đa mode mô BPM 1.1 Giao thoa đa mode Giao thoa đa mode tượng ảnh tự chụp theo chu kỳ Đó đặc tính ống dẫn sóng đa mode, mơ tả lần Talbot et.al Sau này, Ulrich giải thích chi tiết sâu mặt lý thuyết trình bày ứng dụng thực tế quang tích hợp 1.1.1 Cơ sở truyền sóng ống dẫn sóng Ánh sáng loại sóng điện từ nên tuân theo hệ phương trình Maxwell kinh điển mà trực tiếp dẫn xuất đến phương trình vi phân đạo hàm riêng bậc hai, phương trình Helmholtz tiếng: 2 E E n ( x, y) k02 E (1.18) x y2 1.1.2 Ống dẫn sóng đa mode phân tích truyền mode Phương pháp phân tích truyền mode sử dụng để mô tả tượng giao thoa đa mode ống dẫn sóng S dụng phân tích truyền mode để cơng thức hóa ảnh có tính chu kỳ Phương pháp đưa vào trường đầu vào, sau kích thích chế giao thoa tự chụp ảnh miền ống dẫn sóng đa mode, tính tốn trường đầu tái kết hợp trường truyền Ống dẫn sóng đa mode (MMI waveguide) Các ống dẫn sóng truy nhập Các ống dẫn sóng truy nhập N N-1 M-1 M Hình 1.1 Sơ đồ ống dẫn sóng đa mode N×M theo hình chiếu Cấu trúc trọng tâm cấu kiện giao thoa đa mode (MMI) ống dẫn sóng thiết kế để dẫn số lượng lớn mode sóng Đó gọi ghép giao thoa đa mode N M (xem Hình 1.1) Hình 1.1 thể ống dẫn sóng hai chiều chiều rộng WMMI , hệ số chiết suất (hiệu dụng) sườn nr hệ số chiết suất vỏ (hiệu dụng) nc Ống dẫn sóng ỗ trợ m mode ngang với số mode có quan hệ: bước sóng khơng gian tự Số sóng ngang kx số truyền 2 2 (1.19) kx k0 nr k0 (1.20) Và điều kiện hình thành sóng đứng: We kx (1.21) Ở đây, độ rộng hiệu dụng mode tính theo độ sâu thẩm thấu trường mode kết hợp với dịch Goos-Hanchen biên Với ống dẫn sóng tương phản hệ số chiết suất lớp lõi vỏ cao độ sâu thẩm thấu nhỏ nên độ rộng mode hiệu dụng xấp xỉ với độ rộng hiệu dụng: We We WMMI nc nr nr2 nc2 Ở cho mode phân cực TE cho mode phân cực TM k02 n2r , số truyền Bằng cách sử dụng xấp xỉ hàm Taylor bậc hai với: kx2 gọn từ phương trình (1.19) (1.21) : (1.22) rút k0 nr (1.23) 4nr We2 Do đó, số truyên ống dẫn sóng đa mode chiết suất bậc cho thấy phụ thuộc bình phương với số mode Bằng cách định nghĩa L nửa chiều dài phách hai mode bậc thấp nhất: L Khoảng cách số truyền viết lại : nr We2 ( (1.24) 2) (1.25) 3L ( x, z) truyền dọc theo trục z xem siêu xếp chồng tất Trường mode dẫn viết dạng : ( x, z) m c ( x)exp j ( 3L 2) z (1.30) Trong đó: ( x) phân bố mode bậc thứ cv hệ số kích thích mode bậc thứ Dạng trường sóng ( x, z L) cuối kiểu ảnh tạo xác định hệ số kích thích c đặc tính nhân tử pha mode : exp j ( 3L 2) L (1.31) 1.1.3 Giao thoa tổng quát – GI Cơ chế giao thoa tổng quát (GI) độc lập với kích thích mode, tức khơng giới hạn vào hệ số kích thích mode c Chúng ta tóm tắt kết sau đây: Giao thoa tổng quát cho cấu trúc N đầu vào tạo dạng khoảng cách: p L (1.36) (3L ) N N-ảnh đứng định vị vị trí xi với pha i tính L.B.Soldano et.al là: W xi p(2 i N) e N , i 1,2,3 N (1.40) p( N i) i N Phương trình chứng tỏ N ảnh đứng tạo vị trí xi, góc pha φi , biên độ 1/ N Cơ chế giao thoa cho phép nhận ghép quang N×N N×M Trường hợp ngắn p=1 Khi đó, quan hệ pha liên kết rs ảnh đầu thứ r đầu vào thứ s ghép N×N là: Và: rs 4N rs 4N ( s 1)(2 N r s) với r s chẵn (1.42) (r s 1)(2N r s 1) với r s lẻ (1.43) 1.1.4 Giao thoa hạn chế -RI Một chế khác giao thoa hạn chế Cơ chế phụ thuộc vào kích thích mode Phần tìm hiểu khả cách tạo ghép MMI mà vài mode kích thích vùng MMI trường đầu vào Sự kích thích có chọn lọc có liên quan đến nhân tử pha mode ( 2) , cho phép chế giao thoa với chu kỳ ngắn Để ý rằng: (1.44) ( 2) mod(3) với 2,5,8,11, Rõ chiều dài chu kỳ nhân tử pha mode giảm lần nếu: c , với 2,5,8,11, (1.45) Tổng quát cho hệ thống N ảnh đứng tạo khoảng cách: p ( L ) với p 0,1,2 N Ở đây: p 0, N số nguyên nguyên tố Pha liên kết ik ảnh đầu thứ k đầu vào thứ i tính theo cơng thức: L ik ik (i k ) k 3N (i2 k2 ) k 3N Aik Aik (1.47) (1.48) (1.49) i N k sin biên độ ảnh kết hợp từ đầu vào thứ i đầu thứ k 2N N 1.1.5 Ống dẫn sóng hình búp măng Để giảm phản xạ mặt cuối cấu trúc giao thoa đa mode, để cải thiện khả bắt giữ ánh sáng làm tăng chất lượng ảnh giao thoa, cấu trúc ống dẫn sóng hình búp măng (taper waveguide) hay cịn gọi ống dẫn sóng sử dụng nhiều ứng dụng Với Aik 1.2 Các phƣơng pháp phân tích ống dẫn sóng 1.2.1Phƣơng pháp Marcatili Phương pháp Marcatili thường sử dụng để phân tích cấu trúc ống dẫn sóng 3D Theo đó, phân bố trường cho mặt phẳng 3D quy 2D xếp thành vùng phân bố điện trường Sau đó, giải hệ phương trình dựa hàm phân bố điện trường kết hợp với điều kiện biên liên tục điện trường vi phân bờ phân cách vùng 1.2.2 Phƣơng pháp hệ số hiệu dụng Tuy phương pháp Marcatili xấp xỉ từ 3D 2D hiệu song tính tốn cịn phức tạp Để đơn giản phương pháp khác đề xuất, là: phương pháp hệ số hiệu dụng EIM (effective refractive index) Bằng cách sử dụng phương pháp EIM, mô hình 3D đơn giản chuyển đổi mơ hình 2D Điện trường phương pháp EIM giả sử tách riêng thành hai trường theo hai hướng x y độc lập với nhau: (1.65) E( x, y) X( x) Y( y ) Thế vào phương trình Helmholtz (1.18), thực phép tính vi phân ta được: X 2Y n ( x, y) k02 (1.66) 2 X x Y y Ta giải phương trình cách hệ số gọi hệ số hiệu dụng thành hai phương trình riêng rẽ sau đây: 2X n ( x, y) k02 neff (1.67) ( x) X x2 2Y n 2eff (x )k02 (1.68) Y y2 Bằng cách giải phương trình (1.67) ta nhận nghiệm neff ( x) gọi hệ số (chiết suất) hiệu dụng Sau giải tiếp phương trình (1.68) ta tìm số truyền 1.2.3 Phƣơng pháp hệ số hiệu dụng hiệu chỉnh Phương pháp hệ số hiệu dụng sử dụng hiệu việc phân tích cấu trúc ống dẫn sóng cách xấp xỉ từ không gian ba chiều rút gọn không gian hai chiều, làm giảm độ phức tạp tính tốn phương trình vi phân đạo hàm riêng Từ đó, rút ngắn thời gian thực tính tốn mơ số cho cấu trúc Tuy nhiên, số trường hợp cụ thể với cấu trúc ống dẫn sóng thích hợp ta cải tiến phương pháp hệ số hiệu dụng phương pháp có tên gọi phương pháp hệ số hiệu dụng biến đổi MEIM (Modified effective index method) Mô số để mơ hình hóa phân tích đặc tính ảnh tự chụp biên độ, pha phức giải mode cho ống dẫn sóng.Có nhiều phương pháp hiệu để giải phương trình vi phân đạo hàm riêng cho cấu trúc ống dẫn sóng, quan trọng phương pháp FDM Chú ý lời giải số học cho phương trình vi phân đạo hàm riêng, điều kiện biên phải xác định vùng tính tốn khơng thể khơng xác định Có vài điều kiện biên đề xuất áp dụng, phổ biến điều kiện biên suốt TBC lớp thích hợp hồn hảo PML Điều kiện biên TBC thường sử dụng phương pháp mô số BPM 1.3 Các phƣơng pháp mô số học Mơ số để mơ hình hóa phân tích đặc tính ảnh tự chụp biên độ, pha phức giải mode cho ống dẫn sóng.Có nhiều phương pháp hiệu để giải phương trình vi phân đạo hàm riêng cho cấu trúc ống dẫn sóng, quan trọng phương pháp FDM 1.3.1 Phƣơng pháp truyền chùm BPM FDM trình bày cách giải mode riêng cho ống dẫn sóng Tuy nhiên, FDM khơng thể nghiên cứu đặc tính truyền ống dẫn sóng biến đổi theo trục z cấu trúc ống dẫn sóng giao thoa đa mode chẳng hạn Với cấu trúc này, phương pháp mô chẳng hạn phương pháp truyền chùm BPM (Beam Propagation Method) bắt buộc BPM kết hợp với dạng mơ số khác nên có nhiều kiểu Có thể kể phương pháp : BPM vi phân hữu hạn FD-BPM, BPM với biến đổi Fourier (FT-BPM), BPM phần tử hữu hạn (FE-BPM) 1.3.2 Lời giải mode thông qua BPM Lời giải mode (mode solver) đặc trưng vật lý quan trọng để tìm hiểu cách thức hình thành truyền mode sóng quang ống dẫn sóng Suy rộng tìm hiểu đặc tính phân bố trường điện từ pha, biên độ, số truyền, số sóng vị trí ống dẫn sóng Có nhiều kỹ thuật để giải mode ống dẫn sóng phương pháp BPM, gần kỹ thuật phát triển kỹ thuật BPM khoảng cách ảo cho phép chạy mô nhanh 1.4 Kết luận chƣơng Chương lu ận án giới thiệu sở lý thuyết tượng tự tạo ảnh ống dẫn sóng có hỗ trợ kích thích giao thoa đa mode phương pháp phân tích ống dẫn sóng giải tích mơ số học Các chế giao thoa xác định biểu thức toán học quan hệ quang lý v ề pha, biên độ, nửa chiều dài phách, hay gọi đặc trưng ma trận truyền đạt Sau đó, luận án giới thiệu phương pháp mô số hiệu cho việc phân tích, thiết kế tối ưu cấu trúc ống dẫn sóng giao thoa đa mode Trong đó: phương pháp mô truyền chùm BPM phương pháp sử dụng cách r ộng rãi hiệu qu ả toàn kết nghiên cứu, đề xuất thiết kế luận án Công cụ mô Beam PROP dựa phương pháp BPM hãng Rsoft Inc – Synopsys xây dựng d ựa phương pháp BPM với nhiều tiện ích mơ đượ c kiểm độ xác sử dụng nhiều nghiên cứu công bố gần quang tích hợp (xem tham khảo thêm website theo đường dẫn: http://optics.synopsys.com/rsoft/rsoft-passivedevice-beamprop.html) Luận án s dụng công cụ mô Beam PROP để nghiên cứu tính tốn, mơ tối ưu đề xuất thiết kế mạch tích hợp quang d ựa ống dẫn sóng giao thoa đa mode Những cấu kiện chức xử lý tín hiệu tồn quang đóng góp khoa học chương luận án Chƣơng 2 Bộ chia công suất nhiều tỷ số chia chùm phân cực sử dụng giao thoa đa mode 2.1 Bộ chia công suất nhiều tỷ số dựa cấu trúc giao thoa đa mode Các ghép nối giao thoa đa mode (MMI coupler) sử dụng để chia công suất không cân cần thiết cho ứng dụng mạch tích hợp như: chỉnh cơng suất, cộng hưởng vòng chất lượng cao, phản xạ phần đối xứng gương vòng Các ghép định hướng kiểu ghép giao thoa MZI để chia công suất ghép có tính ổn định khơng cao, yêu cầu độ xác cao băng thơng khơng cao Một số ghép 2×2 MMI mắc với kiểu MMI-MZI với hai cánh điều khiển pha hiệu ứng plasma, điện -quang tạo chia cơng suất với tỷ số chia biến điệu rõ ràng cấu trúc phức tạp D J Y Feng et.al đề xuất sử dụng ghép sở ghép tầng với cho kết tạo tỷ số chia không đa dạng Phần này, luận án giới thiệu cách để đạt ghép phân chia công suất với tỷ số chia công suất cách ghép nối liên tiếp ba bốn phần MMI loại 2×2 cải tiến với Các cấu kiện đề xuất cung cấp 19 tỷ số phân chia cơng suất Các ống dẫn sóng xây dựng tảng vật liệu SOI với lớp vỏ sử dụng vật liệu thủy tinh silic oxide Phân tích lý thuyết dùng để thiết kế sau phương pháp mơ 3D-BPM kết hợp với phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng sử dụng để tối ưu cấu trúc cấu kiện y LMMI b1 a1 Đầu vào s x Bộ ghép đa mode (MMI) SiO22 s WMMI a2 wa nc Đầu nc nr b2 a) z x z WMMI nr Lõi hco Si Lớp vỏ SiO2 Lớp đế Si (substrate) b) Hình 2.1 Cấu trúc ghép giao toa đa mode 2×2 MMI 2.1.1 Nguyên lý thiết kế Hình 2.1 thể cấu trúc ghép đa mode đơn Bộ ghép đa mode 2×2 có chiều rộng WMMI chiều dài LMMI Độ rộng ống dẫn sóng đầu vào đầu giả thiết wa Thiết lập s khoảng cách hai ống dẫn sóng song song đầu ra, nhằm để tối thiểu hóa kích thước cấu kiện, tham số s chọn nhỏ Để đạt ghép với nhiều tỷ số chia đầu phân tầng cách ghép liên tiếp từ đến đến ghép đa mode lại với Hốn vị cách ghép ta tạo 19 tỷ số chia (so với tỷ số chia cũ) Trong đó, ghép đa mode có khoảng tách biệt ống dẫn sóng truy nhập s Nói chung, độ rộng ghép nối đa mode viết WMMI=r.s với r hệ số không đổi phục thuộc chế giao thoa đa mode Bốn ghép sở theo chế giao thoa tổng quát hạn chế với bố trí cấc cổng đầu vào thích hợp ta thu ma trận truyền đạt đặc trưng sau : Trường hợp A (MMI-A) (κ=0.5, r=1.44): Ma trận truyền đạt xác định biểu thức: MA -j π e π e π j e π -j e j Trường hợp B (MMI-B) (κ=0.5, r=3):Ma trận truyền đạt cho bởi: jπ -j π e e MB -j π jπ e e Trường hợp C (MMI-C) (κ=0.85, r=2): Ma trận truyền đạt cho bởi: MC 3π 3π j cos e π π -j cos - e -j π π cos - e 8 j 3π 3π cos e 8 (2.4) (2.5) (2.6) Trường hợp D ( MMI-D) (κ=0.72, r=2.5): Trung tâm hình học cặp ống dẫn sóng truy nhập đầu dịch đối xứng ±0.25s từ tâm ống dẫn sóng loại MMI-D Ma trận truyền đạt: MD j cos e 10 10 -j cos e 10 10 cos 10 cos 10 -j e 10 j e 10 (2.7) Hình 2.4 Các kết mơ BPM cho vài ghép đa mode nối phân tầng để đạt tỷ số chia công suất 2.1.2 Kết mô thảo luận Vật liệu sử dụng lõi ống dẫn sóng silic có chiết suất 3.45 vỏ thủy tinh ơxít silic có chiết suất 1.46 khơng gian 3D Phương pháp hệ số hiệu dụng tìm thấy hệ số chiết suất hiệu dụng mode TE 2.82 bước sóng 1550 nm khơng gian hai chiều Hệ số chiết suất hiệu dụng tương đương lớp vỏ tính tốn 2.19 khơng gian hai chiều Phần chéo ống dẫn sóng sử dụng thiết kế vẽ Hình 2.1b Chiều cao lõi hco=220 nm độ rộng ống dẫn sóng truy nhập wa =500 nm Kết mơ phương pháp BPM cho 10 trường hợp riêng số 19 tỷ số mới, thể Hình 2.4 gồm: CDA, DDA, BDCD, AAD, ADB, DDC, DCA, DDBD, CDAD DCB Kết mô BPM cho thấy suy hao chèn cho cấu kiện ghép tầng ghép MMI vào khoảng 0.42 dB cho cấu kiện ghép tầng ghép MMI vào khoảng 0.83 dB bước sóng trung tâm 1550 nm Hình 2.5 Kết mơ phương pháp BPM phụ thuộc vào bước sóng Tiếp theo, nghiên cứu độ nhạy bước sóng cấu kiện đề nghị Hệ số truyền đạt toàn phần bước sóng khác cho năm trường hợp phân tầng AAD, ADB, CDA, CDAD DDC đượ c trình bày Hình 2.5 Giữa dB băng thơng cấu kiện MMI phân tầng, biến đổi giá trị κ tìm thấy nhỏ 0.02 Hình 2.7 thể kết mơ BPM chiều dài đa mode khác Ở đây, thay đổi chiều dài kiểu ghép sở MMI-D Dễ quan sát thấy từ mô dung sai chế tạo ghép MMI phân tầng lớn Dung sai chế tạo chiều dài cho cấu trúc đa mode ghép ba tầng ±167 nm cho hệ số chia công suất biến đổi 0.002 Dung sai cho cấu trúc ghép bốn tầng ±167 nm cho hệ số ghép công suất ghép bốn tầng biển đổi 0.01 Hình 2.8 trình bày trường hợp công suất đầu ghép ba tầng ghép bốn tầng độ rộng khác ghép kiểu MMI-D Dung sai chế tạo chiều rộng ống dẫn sóng D cho cấu trúc đa mode ghép ba tầng ±100 nm cho hệ số chia công suất biến đổi 0.005 Các dung sai dễ dàng đạt với cơng nghệ quang khắc hành Hình 2.7 Sự phụ thuộc vào biến đổi chiều dài ghép kiểu D kiểu ghép ba tầng AAD bốn tầng CDAD Hình 2.8 Sự phụ thuộc vào biến đổi chiều rộng ghép kiểu D kiểu ghép ba tầng AAD bốn tầng CDAD 2.2 Bộ chia chùm phân cực dựa ống dẫn sóng đa mode hình cánh bƣớm đƣợc khắc vật liệu SOI Bộ chia chùm phân cực điện/từ cấu kiện ch ức quan trọng nhiều ứng dụng mà trạng thái phân cực ánh sang cần thiết Nhiề u nghiên cứu chia phân cực dựa cấu trúc ống dẫn sóng như: chia nhánh chữ Y, s dụng ghép định hướng, ống dẫn sóng khe có nhược điểm dung sai chế tạo nhỏ, băng thông không cao Kiểu khác dựa cấu trúc quang tử tinh thể cách tử thường có suy hao kích thước cịn lớn khơng tương thích với cơng nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn phổ biến hành CMOS Trong phần luận án đề xuất chia phân cực dựa cấu trúc giao thoa đa mode sử dụng vật liệu SOI có đặc tính lưỡng chiết theo mode phân cực lớn, sẵn có giá thành rẻ Để giảm chiều dài chia phân cực, luận án đề xuất sử dụng cấu trúc ống dẫn sóng đa mode có khắc dạng hình cánh bướm thiết kế Phương pháp mơ s ố sử dụng SV-BPM không gian 3D để mô đánh giá chi tiết phẩm chất cấu kiện 2.3 Kết luận chƣơng Chương đề xuất sử dụng cấu trúc ghép giao thoa đa mode 2×2 để thiết kế chia công suất thụ động vớ i nhiều tỷ số chia cách ghép nối d ạng hình học khác ghép 2×2 sử dụng để thiết kế chia chùm phân cực dựa đặc điểm quang học khác trạng thái phân cực theo mode trường điện từ Các k ết cho thấ y thiết kế đề xuất có ch ất lượng hiệu hoạt động tốt Do đó, cấu kiện chức dựa cấu trúc giao thoa đa mode thích hợp cho ứng dụng xử lý tín hiệu tồn quang Chƣơng 3 Chuyển mạ ch quang dựa cấu trúc giao thoa đa mode Chuyển mạch toàn quang thành phần đặc biệt quan trọng mạng quang C huyển mạch màng mỏng có giá thành đắt khó tích hợp Chuyển mạch tinh thể lỏng, chuyển mạch dựa ghép định hướng thương mại hóa có dung sai chế tạo không lớn Một số chuyển mạch quang sử dụng cấu trúc MMI dùng hiệu ứng nhiệt -quang, hiệu ứng điện-quang Tuy nhiên, điều khiển nhiệt khó xác ổn định, khó khăn, phức tạp Trong chương luận án, chuyển mạch tồn quang N×N (N số ngun dương) dựa ghép đa mode theo kiểu giao thoa Mach-Zehnder (MZI) khái quát Sau đó, luận án vào thiết kế cấu trúc cho chuyển mạch tồn quang cấu trúc 2×2 3×3 sử dụng hiệu ứng phi tuyến Kerr hiệu ứng quang - điện (hiệu ứng electro-optic) để tạo dịch pha cho cấu trúc chuyển mạch Phương pháp ma trận truyền đạt phương pháp BPM sử dụng cho thiết kế tối ưu toàn cấu trúc 3.1 Phân tích tổng qt chuyển mạch quang N×N Các giao thoa đa mode kích thước N×N (N nguyên dương) hoạt động phân chia quang kết hợp quang N đường chọn chiều dài vùng giao thoa đa mode thích hợp theo chế giao thoa tổng quát giao thoa đối xứng (kiểu hạn chế) Từ đây, ý tưởng sử dụng hai ghép đa mode giống hệt với kích thước N×N nối với ống dẫn sóng truy nhập (thường ống dẫn sóng đơn mode) Bộ ghép thứ thực chia N đường quang ghép thứ hai kết hợp N đường quang Sau thực chế tác động trường điều khiển đến ống dẫn sóng vùng (các cánh dẫn sóng) tạo lượng dịch pha thích hợp thực chế chuyển mạch quang không chặn 3.2 Bộ chuyển mạch toàn quang dựa ghép giao thoa đa mode 3×3 sử dụng ghép phi tuyến Phần đề xuất cấu trúc cho chuyển mạch toàn quang dựa hai ghép giao thoa đa mode kiểu 3×3 sử dụng ống dẫn sóng ghép định hướng với tác động hiệu ứng phi tuyến XPM đóng vai trị dịch pha Vật liệu sử dụng lớp lõi cấu trúc chuyển mạch quang đề xuất chalcogenide As2 S3 với hệ số chiết suất nr =2.45 vật liệu sử dụng cho lớp vỏ thủy tinh silica SiO2 (As2S lắng đọng SiO (hệ số chiết suất nc =1.46) sản xuất thương phẩm thương mại hóa) P control y z x Đầu vào P control Bộ dịch pha a1 wa a a3 Wa LMMI WMMI 3x3 MMI A1 Lc φ1 g A2 B1 B2 A3 B3 φ2 Bộ ghép định hướng LMMI WMMI 3x3 MMI b1 b2 b3 Đầu Hình 3.2 Một chuyển mạch toàn quang dựa ghép giao thoa đa mode tổng quát kiểu 3×3 sử dụng ghép định hướng làm dịch pha 3.2.1 Phân tích thiết kế cấu kiện Cấu hình chuyển mạch tồn quang đề xuất trình bày Hình 3.2.Chiều dài ngắn ghép MMI theo chế giao thoa GI thiết lập bằng: 11 LMMI L Bảng 3.1 Các trạng thái dịch pha cho hoạt động chuyển mạch 3×3 (3.9) Đầu vào Đầu φ1 φ2 a1 b1 2π/3 a1 b2 2π/3 a1 b3 -2π/3 -2π/3 a2 b1 2π/3 a2 b2 -2π/3 -2π/3 a2 b3 2π/3 a3 b1 -2π/3 -2π/3 a3 b2 2π/3 a3 b3 2π/3 Điều kiện dịch pha ghép đa mode thứ nhất, pha tích lũy dịch pha yêu cầu để điều khiển tín hiệu đầu vào tới cổng đầu trình bày Bảng 3.1 Các dịch pha phi tuyến xác định biểu thức: n2 Lc I0 Ic (3.18) Cơng suất đầu chuẩn hóa (a.u) Ở đây: I , I c tương ứng cường độ trường ống dẫn sóng tín hiệu điều khiển Khoảng hở, g (µm) Hình 3.3 Mơ 2D-BPM cho giá trị tối ưu khoảng hở g ống dẫn sóng điều khiển ống dẫn sóng tín hiệu ngồi Các tham số thiết kế cấu trúc đề xuất chọn: độ rng ca mi b ghộp ni 3ì3 l WMMI=24 àm ống dẫn sóng truy nhập wa = 4µm, chiều dài vùng giao thoa đa mode thiết lập Lπ cho kiểu chế giao thoa tổng quát Sau đó, phương pháp BPM sử dụng để tìm chiều dài ghép tối ưu 1260 µm Sau đó, xác định khoảng hở tối ưu ghép định hướng gây dịch pha phi tuyến cho trường điều khiển trường tín hiệu khơng bị xuyên nhiễu chéo sang Kết khoảng hở tối ưu thấy Hình 3.3) Bảng 3.2 Các trạng thái cường độ trường cho hoạt động chuyển mạch 3×3 Đầu vào Đầu I1 a1 b1 450 277 a1 a1 a2 a2 a2 a3 a3 a3 b2 b3 b1 b2 b3 b1 b2 b3 274 330.12 279 327.8 448.5 332.62 450.75 277 450 75 332.62 448.5 327.8 279 330.12 274.2 450 12 I2 Ta giả thiết cường độ trường đầu vào I GW/cm2 Bảng 3.2 liệt kê cường độ trường tối ưu trạng thái ống dẫn sóng điều khiển sử dụng hai ống dẫn sóng điều khiển 3.2.2 Mơ thảo luận Hình 3.4 Bảng 3.3 trình bày kết mô 2D-BPM cho trạng thái hoạt động chuyển mạch tham số hiệu hệ thống chuyển mạch tồn quang 3×3 Kết mơ trình bày Hình 3.4 Bảng 3.3 chứng tỏ tất tham số quan trọng chuyển mạch quang đề xuất phù hợp cho chuyển mạch tồn quang Cơng suất đầu chuẩn hóa (a.u) Cơng suất đầu chuẩn hóa (a.u) Hình 3.4 Các kết mơ thực phương pháp BPM cho trạng thái chuyển mạch chuyển mạch tồn quang 3×3 Dung sai chiều rộng (µm) Dung sai chiều dài (µm) a) b) Suy hao chèn, I.L (dB) Hình 3.5 Cơng suất đầu chuẩn hóa theo biến đổi chiều rộng chiều dài MMI cho tất trạng thái chuyển mạch đề xuất: a) theo chiều rộng b) theo chiều dài Bước sóng, λ (nm) Hình 3.6 Sự phụ thuộc theo bước sóng suy hao chèn trạng thái hoạt động chuyển mạch cấu trúc đề xuất 13 Xuyên nhiễu, Cr.T (dB) Tỷ số triệt tiêu, Ex.R (dB) Hình 3.5 trình bày phụ thuộc vào chiều dài rộng phần giao thoa đa mode cấu kiện đề xuất mô phương pháp BPM cho tất trạng thái hoạt động chuyển mạch Các kết thay đổi công suất đầu nhỏ khoảng lớn chiều rộng chiều dài tương ứng nhỏ 0.3 µm 20 µm Do đó, dung sai chế tạo thiết kế đề xuất lớn Hình 3.6 trình bày phụ thuộc vào bước sóng suy hao chèn chuyển mạch toàn quang đề xuất Một tham số quan trọng hoạt động chuyển mạch tồn quang độ nhạy bước sóng Trong thiết kế này, độ nhạy bước sóng định nghĩa thay đổi nhỏ dải bước sóng xung quanh bước sóng hoạt động để đảm bảo mức biến đổi công suất đầu Nếu chọn thay đổi công suất 0.6 dB, liệu từ kết mô cho thấy độ nhạy bước sóng trường hợp khoảng 10 nm Hình 3.7 cho thấy phụ thuộc xuyên nhiễu hệ số phân biệt chuyển mạch vào bước sóng Kết cho thấy dải băng thông 10 nm xung quanh bước sóng trung tâm 1550 nm, thay đổi xuyên nhiễu từ 11 dB đến 29.24 dB thay đổi hệ số phân biệt 29 dB đến 34 dB cách tương ứng Bước sóng, λ (nm) a) Bước sóng, λ (nm) b) Hình 3.7 Các kết mô 2D BPM cho phụ thuộc vào bước sóng cho: a) Xuyên nhiễu b) Tỷ lệ phân biệt Bảng 3.3 Suy hao chèn, hệ số phân biệt xuyên nhiễu chuyển mạch Đầu vào Đầu I.L (dB) Ex.R (dB) Cr.T (dB) a1 b1 -0.19 31.94 28.65 a1 b2 -0.3 30.73 28.83 a1 b3 -0.15 33.33 28.69 a2 b1 -0.17 33.16 28.67 a2 b2 -0.1 29.37 29.03 a2 b3 -0.17 33.16 28.67 a3 b1 -0.15 32.33 28.69 a3 b2 -0.3 30.73 28.83 a3 b3 -0.19 31.94 28.65 3.3 Bộ chuyển mạch tồn quang 2×2 khơng nhạ y phân cực dựa c ấu trúc giao thoa đa mode sử dụng ghép phi tuyến Phần luận án đề xuất sử dụng hai b ộ ghép đa mode 2×2 phân tầng nối với hai ống dẫn sóng để tạo chuyển mạch tồn quang khơng nhạy phân cực hoạt động bước sóng 1550 nm Ống dẫn sóng dạng sườn vật liệu sử dụng lớp lõi cấu trúc chuyển mạch quang đề xuất thủy tinh chalcogenide As2S với hệ số chiết suất nr =2.45 vật liệu sử dụng cho lớp vỏ thủy tinh silica SiO2 3.3.1 Thiết kế tối ƣu cấu trúc Giả thiết dao động sóng phân cực TE, TM quy ước theo hướng x, y tương ứng không gian ba chiều Hình 3.8 Trong thiết kế đề xuất sử dụng phương pháp 3D-BPM phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng để mơ Độ rộng ghép 2×2 MMI WMMI = 18μm, chiều cao h ống dẫn sóng 0.3μm, chiều cao sườn H=1.8 μm, chiều rộng wa ống dẫn sóng truy nhập 3μm Chiều 14 dài LMMI vùng MMI chọn tối ưu để vùng đa mode hoạt động phân chia 2×2 kết hợp 2×2 với chất lượng hiệu tốt Sử dụng mô 3D- BPM cách thay đổi chiều dài vùng MMI dải giá trị xác định phương pháp MPA từ LMMI,TM đến LMMI,TE để tìm giá trị tối ưu mà vùng MMI không hoạt động phân chia 2×2 mà cịn có suy hao chèn tối thiểu cho hai trường hợp mode phân cực TE TM Giá trị tối ưu chọn 1046 μm xem Hình y z a1 x Đầu vào P control wa a Wa LMMI W MMI 2x2 MMI B1 A1 A2 Bộ dịch pha φ g Lc B2 LMMI WMMI 2x2 MMI b1 b2 Đầu Bộ ghép định hướng Hình 3.8 Một chuyển mạch tồn quang 2×2 khơng nhạy phân cực dựa cấu trúc giao thoa đa mode Cấu tạo ống dẫn sóng điều khiển dịch pha gồm ghép định hướng với ống dẫn sóng truy nhập cánh nối hai vùng đa mode Chùm điều khiển chùm tín hiệu có bước sóng trạng thái phân cực tất hoạt động chuyển mạch Bộ ghép định hướng có chiều dài Lc=1483 μm khoảng hở ống cánh dịch pha g = 0.41 μm Giá trị chọn cách thực mô BPM để tìm giá trị tối ưu để giảm thiểu công suất xuyên chéo lẫn chùm điều khiển chùm tín hiệu gây hiệu ứng ghép mode Bảng 3.4 Các trạng thái dịch pha cường độ trường điều khiển tối ưu cho hoạt động chuyển mạch chuyển mạch đề xuất Mode Cổng Cổng Góc dịch Cường độ trường điều phân cực vào pha (φ) khiển I(GW/cm2) TE π/2 0.85 a1 b1 TM π/2 2.6 TE -π/2 46.2 a1 b2 TM -π/2 16.8 TE π/2 47.4 a2 b1 TM π/2 17.5 TE -π/2 0.1 a2 b2 TM -π/2 3.8 Phân tích lý thuyết cơng thứ c ma trận truyền đạt ghép đa mode 2×2 chế GI, dễ thấy tín hiệu quang đưa vào cổng a1 , góc dịch pha φ = π/2 cổng đầu cổng b1, trái lại φ = - π/2 cổng đầu chuyển mạch đến cổng b2 Hình 3.9 Giá trị tối ưu chọn chiều dài vùng ghép đa mode tìm thấy mô 3D-BPM Sử dụng mô 3D-BPM để xác định tối ưu hoạt động cấu kiện Với bước sóng hoạt động 1550nm mode phân cực TE, để chuyển mạch tới cổng b1 từ cổng vào a 1, thủ tục mô tối ưu tìm cường độ trường điều khiển I giá trị tối ưu I=0.85 GW/cm2 Bằng phương pháp tương tự áp dụng thủ tục cho trạng thái hoạt động chuyển mạch 15 lại cho mode TE mode TM Dịch pha giá trị cường độ trường điều khiển tối ưu cho tất trạng thái hoạt động chuyển mạch hai mode phân cực thể Bảng 3.4 3.3.2 Kết mô thảo luận Chúng ta mô truyền đường bao điện trường tồn chuyển mạch Hình 3.10.Tiếp theo, để đánh giá hiệu hoạt động, tính tốn đáp ứng bước sóng chuyển mạch Hình 3.11 10nm băng thông đáp ứng phổ đầu từ cổng đầu vào suy hao chèn khoảng 0.3 dB cho mode TE 0.7 dB cho mode TM (Hình 3.11a) Tỷ lệ phân biệt trường hợp từ 33.5 dB đến 39.5 dB (Hình 3.11b), xuyên nhiễu trường hợp từ 19dB đến 43 dB ( Hình 3.11c), cách tương ứng a1à b (TE) a1 b 2(TE) a2à b 1(TE) a1 b a2 b 2(TE) (TM) a 1à b (TM) a 2à b (TM) a b (TM) b) a) Hình 3.10 Mơ 3D BPM mẫu trường điện chuyển mạch: a) mode TE; b) mode TM 40 Tỷ số triệt tiêu, Ex.R (dB) Suy hao chèn, I.L (dB) -0.2 -0.4 TE: a ->b -0.6 TE: a ->b TE: a ->b TE: a ->b -0.8 2 TM: a ->b TM: a ->b -1 TM: a ->b TM: a ->b 2 Bước sóng, λ (nm) 38 TM: a ->b2 36 TM: a ->b1 TM: a ->b2 35 34 Bước sóng, λ (nm) TE: a 1->b TE: a 1->b 35 TE: a 2->b Xuyên nhiễu, Cr.T (dB) TM: a ->b2 b) 40 25 TE: a 2->b2 37 a) 30 TE: a 1->b2 TE: a 2->b1 33 1545 1546 1547 1548 1549 1550 1551 1552 1553 1554 1555 1545 1546 1547 1548 1549 1550 1551 1552 1553 1554 1555 Wavelength (nm) 45 TE: a 1->b1 39 TE: a ->b TM: a 1->b TM: a 1->b TM: a 2->b TM: a ->b 2 20 15 1545 1546 1547 1548 1549 1550 1551 1552 1553 1554 1555 Bước sóng, λ (nm) c) Hình 3.11 Sự phụ thuộc suy hao chèn, tỷ lệ phân biệt xuyên nhiễu vào bước sóng: a) Suy hao chèn, b)Tỷ lệ phân biệt c) Xuyên nhiễu Các kết mô thể Hình 3.11 chứng minh rằng: tất tham số chất lượng hiệu quan trọng cấu kiện đề xuất có đáp ứng phổ lớn Do vậy, cấu kiện đề xuất đáp ứng đầy đủ cho ứng dụng chuyển mạch toàn quang tốc độ cao 16 Bảng 3.1 Suy hao chèn, xuyên nhiễu tỷ lệ phân biệt chuyển mạch đề xuất Mode phân cực TE TM TE TM TE TM TE TM Đầu vào Đầu a1 b1 a1 b2 a2 b1 a2 b2 Suy hao chèn (dB) -0.13 -0.19 -0.1 -0.04 -0.02 -0.09 -0.21 -0.44 Xuyên nhiễu (dB) 20.87 21.65 26.67 27.22 31.64 22.21 31.98 38.43 Tỷ lệ phân biệt (dB) 39.61 37 35.17 34.36 35.69 33.95 36.53 34.82 3.4 Bộ chuyển mạch quang 3×3 dựa ghép giao thoa đa mode sử dụng hiệu ứng điện- quang dịch pha Trong phần chương, luận án đề xuất thiết kế chuyển mạch tồn quang 3×3 dựa ghép giao thoa đa mode 3×3 ghép theo kiểu MZI -MMI với hai cánh ống dẫn sóng ngồi nối hai phần giao thoa đa mode đặt điện cực (electrodes) Vật liệu sử dụng để thiết kế ống dẫn sóng vật liệu điện-quang cấu kiện sử dụng hiệu ứng điệnquang để tạo dịch pha cho hoạt động chuyển mạch Phương pháp ma trận chuyển đổi phương pháp mô số BPM sử dụng để thiết kế tối ưu cấu trúc cấu kiện chuyển mạch LMMI A1 Wa A2 vào AĐầu WMMI 3× GI -MMI +V1 L a1 a2 a3 φ1 Bộ dịch pha GND GND Bộ dịch pha φ2 +V2 Điện cực B1 B2 B3 L MMI WMMI 3× GI -MMI b1 Đầu b2 b3 Điện cực Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc chuyển mạch quang dựa ghép đa mode 3×3 sử dụng hiệu ứng điện-quang làm dịch pha 3.4.1 Phân tích thiết kế Cấu hình chuyển mạch quang 3×3 s dụng hiệu ứng dịch pha điện - quang đề xuất trình bày Hình 3.13 Sơ đồ cấu hình tương tự chuyển mạch sử dụng hiệu ứng phi tuyến Kerr để điều khiển dịch pha phần trước Dịch chuyển pha củ a sóng quang truyền qua trường điện đại lượng thay đổi xác định bằng: n3 VL d (0.1) Ở đây, E cường độ điện trường, n hệ số chiết suất củ a ống dẫn sóng quang nối hai vùng đa mode kích thước 3×3, L chiều dài vùng điện cực hoạt động, hệ số điện-quang, V hiệu điện chiều d khoảng cách hai điện cực 3.4.2Kết mô thảo luận Vật liệu sử dụng lớp lõi chuyển mạch đề xuất vật liệu tinh thể AgGaSe2 vớ i hệ số chiết suất nr =2.7 v ật liệu thủy tinh silic sử dụng làm lớp vỏ có hệ số chiết suất với giá trị nc =1.46 cho mô ba chiều Các tham số cấu trúc Hình 3.13 chọn sau: độ rộng ghép đa mode MMI 3×3 làWMMI = 36 μm độ rộng ống dẫn sóng truy nhập Wa =10 μm Trong nghiên cứu này, s dụng phương pháp 2D-BPM để mô chuyển đổi xấp xỉ tương đương từ dạng 3D Chiều dài b ộ giao thoa đa mode LMMI thiết lập nửa chiều dài phách Lπ chiều dài tối ưu hóa phương pháp 2D-BPM để tìm giá trị tối ưu 3847.7μm Kết 17 mô cho tất trạng thái chuyển mạch v ới đường bao điện trường thể Hình 3.15 Các kết cho th mặt trực quan chất lượng chuyển mạch quang dựa hiệu ứng điện-quang tốt Kết mô số phương pháp BPM Hình 3.16 cho thấy suy hao chèn cấu trúc nhỏ, 0.7 dB Suy hao chèn, I.L (dB) Hình 3.15 Kết mơ thực phương pháp BPM cho tất trạng thái chuyển mạch chuyển mạch quang 3×3 Bước sóng, λ (nm) Hình 3.16 Sự phụ thuộc vào bước sóng suy hao chèn trường hợp đầu vào chuyển mạch 3.5 Kết luận chƣơng Chương đề xuất hai cách gây dịch pha thụ động điều khiển Cách thứ sử dụng ghép định hướng phi tuyến dựa hiệu ứng Kerr để tạo ra chuyển mạch tồn quang 2×2 3×3 Cách thứ hai sử dụng hiệu ứng Pockel gây dịch pha để thiết kế chuyển mạch 3×3 Cấu trúc đề xuất sử dụng mở rộng để tạo chuyển mạch nhiều cổng, chẳng hạn chuyển mạch quang kích thước 1× M N×M Đánh giá chất lượng hiệu chuyển mạch sử dụng mơ tốt cấu trúc sử dụng hiệu cho ứng dụng mạng thông tin quang tốc độ cao Chƣơng 4.Bộ ghép kênh ba bƣớc sóng sử dụng giao thoa đa mode Triplexer (bộ ghép kênh ba bước sóng) đóng vai trị quan trọng hệ thống thông tin quang như: hệ thống cáp quang đến tận nhà FTTH, mạng quang truy nhập thụ động v.v Do đó, ta cần thiết bị mà ghép kênh phân kênh truy nhập bước sóng thực tế Có số kiểu thiết kế cho triplexer: phân tách lọc chẳng hạn 18 lọc màng mỏng, kiểu có hạn chế khó tích hợp với cấu kiện quang khác nên đắt tiền; hai sử dụng cách tử kích cỡ loại lớn Loại khác sử dụng tinh thể quang ống dẫn sóng silic ghép định hướng băng thơng khơng cao có giá thành chế tạo lớn Các thiết bị dựa ống dẫn sóng MMI sử dụng ống dẫn sóng silic giải pháp hữu hiệu Hơn nữa, tương thích với cơng nghệ chế tạo vi mạch CMOS nên giá thành rẻ Chương luận án đề xuất thiết kế cấu kiện triplexer dựa ghép giao thoa đa mode tảng vật liệu silic thủy tinh silic 4.1 Giới thiệu nguyên lý thiết kế Sử dụng nguyên lý MMI, với hai bước sóng đưa vào đầu vào giao thoa đa mode 2×2, khoảng cách truyền thỏa mãn đẳng thức: L 3mL ( ) nL ( ) (4.1) Ở đây: m n số nguyên dương Nếu m, n tính chẵn lẻ bước sóng đưa cổng đầu ngược lại m, n chẵn lẻ đôi khác bước sóng tách cách riêng biệt hai đầu ống dẫn sóng đa mode 1310 nm 1550 nm Port Port (Cổng 1) (Cổng 3) 1490 nm Port (Cổng 2) g=200nm Ls=30µm L c=498µm Bộ ghép định hng W la =20àm 2ì2 GI-MMI Hỡnh cỏnh bm LMMI=361.5àm f.W W=2.4µm f=0.8 Ống dẫn sóng búp măng 1/2LMMI Si: nr =3.45 z la Input (Đầu vào) Khơng khí: nair=1 Lớp vỏ w=360nm y x 360 nm w Lớp lõi SiO2: nc =1.46 Lớp vỏ Si: nr=3.45 Lớp đế (a) 32 nm 400 H nm h µm (b) Hệ số truyền đạt (a.u) Hình 4.2 Sơ đồ đề xuất triplexer dựa ống dẫn sóng silic: (a) Hình chiếu (b) Hình chiếu đứng mode sở ống dẫn sóng đầu vào cổng thẳng cổng chéo cổng thẳng cổng chéo cổng thẳng cổng chéo Chiều dài ghép MMI thứ nhất: LMMI (µm) Hình 4.3 Mơ 3D BPM cho thay đổi chiều dài ghép giao thoa đa mode hình cánh bướm 19 Hệ số truyền đạt (a.u) 4.2 Thiết kế triplexer dựa ghép giao thoa đa mode 2×2 hình cánh bƣớm ghép định hƣớng sử dụng ống dẫn sóng silic Trong nghiên cứu triplexer kích thước nhỏ, tích hợp cao cách sử dụng ghép đa mode 2×2 hình cánh bướm ghép định hướng dựa ống dẫn sóng silic 4.2.1 Thiết kế tối ƣu cấu trúc Hình 4.2(a) thể cấu hình triplexer dựa ống dẫn sóng silic sườn kích thước micron Chúng ta chọn w=360 nm cấu kiện đề xuất Bằng cách sử dụng phương pháp BPM, thấy độ dày toàn phần lớp dẫn sóng H =0.4 µm chiều cao phần ống dẫn sóng hình phiến h=32 nm trường quang cho hiệu tổn hao tốt truyền ống dẫn sóng (cho ba bước sóng) Cấu kiện xây dựng gồm hai phần Phần đầu gồm có ghép đa mode hình cánh bướm sử dụng để phân tách bước sóng 1310 nm 1550 nm tới cổng đầu chéo, bước sóng 1490 nm tách cổng đầu thẳng vùng giao thoa đa mode (cổng 2) Phần hai gồm ghép định hướng dựa cấu trúc tiếp giáp hình chữ Y nhằm tách bước sóng 1310 nm 1550 nm cổng đầu cổng đầu tương ứng (xem Hình 4.2(a)) Nghiên cứu cịn lại phần luận án thiết kế ghép nối để tách riêng hai bước sóng 1310 nm 1550 nm hai cổng đầu riêng lẻ Ở đây, luận án đề xuất sử dụng ghép định hướng để tách riêng bước sóng nhìn thấy Hình 4.2(a) cổng thẳng cổng chéo cổng thẳng cổng chéo Chiều dài ghép định hướng Lc (µm) Hình 4.6 Mơ 3D-BPM cho chiều dài tối ưu Lc ghép định hướng (a) 1310 nm, (b) 1490 nm and (c) 1550 nm Do đó, chiều dài ghép đa mode MMI thứ phải thỏa mãn điều kiện sau đây: LMMI =m.3Lπ(1310nm)=n.3Lπ(1490nm)=p.3L π(1550nm) (4.3) Ở m, n, p số nguyên dương m, n chẵn lẻ đôi một; L(πλ) nửa chiều dài phách bước sóng λ Kết quả, chiều dài L MMI = 361.5 µm giá trị phù hợp để đạt hiệu truyền đạt tốt thấy Hình 4.3 Tại chiều dài này, bước sóng 1390 tách biệt tới cổng đầu thẳng (bar port) bước sóng 1310 nm 1550 nm tách biệt đến cổng chéo ghép đa mode Với thủ tục tương tự tìm chiều dài ghép định hướng tối ưu chọn Hình 4.6 để tách riêng hai bước sóng 1310 nm 1550 nm 4.2.2 Kết mô thảo luận Bằng cách sử dụng mô 3D-BPM, thực mơ số truyền tín hiệu quang cho tất cổng triplexer Hình 4.7 tính tốn tham số hiệu hệ thống Bảng 4.1 Chúng ta mô đáp ứng bước sóng ba đầu triplexer trình bày Hình 4.8 Dữ liệu mô cho thấy rằng: dB băng thông ba băng bước sóng tương ứng 18 nm băng 1310 nm, 44 nm băng 1490 nm 14 nm băng 1550 nm Do vậy, băng thông triplexer đề xuất tương đối cao Tiếp đó, khảo sát dung sai chế tạo cấu kiện theo chiều rộng chiều dài ghép đa mode hình cánh bướm Hình 4.9 Dữ liệu mô cho thấy với suy hao chèn dB, xuyên nhiễu hệ số phân biệt -10 dB dung sai theo chiều rộng chiều dài tương ứng ±8 nm ±2 µm cách tương ứng Các giá trị tốt phù hợp cho cơng nghệ chế tạo vật liệu ống dẫn sóng SOI thực tế 20 Bảng 4.1.Công suất (chuẩn hóa theo cơng suất đầu vào) ba cổng đầu triplexer đề xuất ba bước sóng Bước sóng (nm) 1310 (Cổng 1) 1490 (Cổng 2) 1550 (Cổng 3) (a) I.L (dB) -0.52 -0.21 -0.58 Cr.T (dB) -25.87 -13.35 -23.39 (b) Ex.R (dB) -18.42 -24.42 -14.09 (c) Hình 4.7 Mẫu điện trường (dạng đường bao) cho triplexer đề xuất ba bước sóng: a) 1310 nm, b)1490 nm c) 1550 nm Cơng suất đầu chuẩn hóa (dB) Cơng suất đầu chuẩn hóa (dB) Hình 4.8 Đáp ứng bước sóng triplexer đề xuất ba cổng cho ba bước sóng I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T Dung sai chiều dài (µm) I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T Dung sai chiều rộng (nm) a) b) Hình 4.9 Dung sai chế tạo triplexer đề xuất: a) dung sai chiều rộng, b) dung sai chiều dài 4.3 Thiết kế triplexer dựa phân tầng hai ghép đa mode 2×2 hình cánh bƣớm sử dụng ống dẫn sóng silic Trong thiết kế này, cấu trúc cho triplexer tích hợp cao cách sử dụng hai ống dẫn sóng đa mode với vật liệu silic dạng sườn Hai ghép đa mode sử dụng cách phân tầng hai phần để tách riêng bước song 1310 nm, 1490 nm 1550 nm ba cổng riêng biệt 21 Phương pháp mô số 3D -BPM phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng sử dụng để thiết kế tối ưu toàn cấu kiện 4.3.1 Phân tích thiết kế tối ƣu cấu trúc Sơ đồ hoạt động triplexer đề xuất trình bày Hình 4.11 Cấu trúc đề xuất gồm có hai phần Phần gồm ghép đa mode 2×2 hình cánh bướm sử dụng để phân kênh bước sóng 1310 nm 1550 nm tới cổng bước sóng 1490 nm tách riêng cổng khác Bộ ghép đa mode 2×2 tầng thứ hai ghép hình cánh bướm khác Bộ ghép có nhiệm vụ tách riêng hai bước sóng 1310 nm 1550 nm hai cổng riêng rẽ Chiều dài lMMI tầng giao thoa hình cánh bướm tầng thứ hai tìm phương pháp BPM lMMI = 306.5 µm thể Hình 4.12 Port Port Port (Cổng 3) (Cổng 1) (Cổng 2) 1310 nm 1550 nm 1490 nm s=0.65 µm 2×2 GI-MMI LMMI=306.5 µm g.W g=0.8 lb =4 µm S=0.61 àm L=900 àm 2ì2 GI-MMI LMMI=361.5 àm Khụng khớ: nair =1 Lớp vỏ f.W f=0.8 la =20 µm w=360 nm Si: nr=3.45 Ống dẫn sóng búp măng W=2.4 µm Input (Đầu vào) 360 nm w Lớp lõi SiO2 : nc =1.46 Lớp vỏ Si: nr=3.45 Lớp đế (a) 32 nm 400 H nm h µm (b) Hệ số truyền đạt (a.u) Hình 4.11 Sơ đồ triplexer dựa phân tầng ghép đa mode sử dụng ống dẫn sóng silic: (a) Hình chiếu bằng; (b) Hình chiếu đứng mode sở ống dẫn sóng đầu vào bước sóng 1550 nm cổng thẳng cổng chéo cổng thẳng cổng chéo Chiều dài MMI thứ hai: l MMI (µm) Hình 4.12 Mơ 3D-BPM chiều dài tối ưu ghép đa mode hình cánh bướm thứ hai 4.3.2 Kết mô thảo luận Hình 4.13 biểu diễn đường bao phân bố điện trường cho ba bước sóng Các tham số hiệu hệ thống tính tốn kết Bảng 4.2 Chúng cho thấy triplexer thiết kế đề xuất có suy hao chèn thấp, xuyên nhiễu nhỏ tỷ lệ phân biệt cao Chúng ta mô đáp ứng bước sóng ba cổng triplexer Các kết mơ trình bày Hình 4.14 Dữ liệu mô cho thấy rằng: 3-dB băng thông suy hao chèn ba băng tương ứng với 24 nm băng 1310 nm (port1), 40 nm băng 1490 nm (port2) 22 34 nm băng 1550 nm (port 3) Do vậy, băng thông triplexer lớn Chất lượng hiệu quang thấy tốt số kết nghiên cứu công bố mà thiết kế dựa kỹ thuật mạch quang phẳng (PLCs) Ngồi thấy rằng, kích thước triplexer đề xuất nhỏ số tham khảo kết công bố gần a) c) b) Hình 4.13 Đường bao phân bố điện trường cho triplexer đề xuất ba bước sóng: a) 1310 nm, b) 1490 nm c) 1550 nm Hình 4.14 Đáp ứng theo bước sóng triplexer đề xuất ba cổng Hệ số truyền đạt (dB) I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T Sai khác hệ số chiết suất lớp lõi Hình 4.16 Dung sai chế tạo vật liệu lớp lõi triplexer đề xuất Bảng 4.2 Cơng suất (được chuẩn hóa theo công suất đầu vào) ba cổng triplexer đề xuất ba bước sóng Bước sóng (nm) I.L (dB) Cr.T (dB) Ex.R (dB) 1310 (Cổng1) 77 18 57 16 1490 (Cổng 2) -0.4 -13.18 -22 1550 (Cổng 3) -0.63 -23.31 -15 Ta khảo sát dung sai chế tạo hệ số chiết suất lớp lõi ống dẫn sóng (silic) trình bày Hình 4.16 Chúng ta thấy hệ số chiết suất thay đổi xung quanh giá trị 3.45 (hệ số chiết suất vật liệu tinh thể silic) với biên độ 0.017 (vào khoảng 5%), suy hao chèn, tỷ lệ phân biệt xuyên nhiễu nhỏ -2 dB, -12 dB -12 dB Do vậy, sai khác hệ số chiết suất cấu kiện lớn 23 4.4 Kết luận chƣơng Chương luận án giới thiệu hai kiểu thiết kế triplexer Cách thứ nhất: triplexer kích thước nhỏ cách sử dụng ghép đa mode 2×2 kiểu hình cánh bướm ghép định hướng Cách thứ hai: triplexer tích hợp cao cách sử dụng cấu trúc ghép hai tầng ống dẫn sóng giao thoa đa mode hình cánh bướm kích thước 2×2 Các cấu trúc sử dụng để phân tách riêng rẽ ba bước sóng 1310 nm, 1490 nm 1550 nm đến ba cổng riêng rẽ Các cấu kiện đề xuất có suy hao nhỏ độ tích hợp cao Do sử dụng hiệu ứng dụng hệ thống truy nhập FTTH mạng truy nhập quang khác Kết luận hƣớng phát triển Các ghép đa mode nghiên cứu khoa học chứng tỏ ứng cử viên tốt cho việc thiết kế vi mạch, cấu kiện quang tích hợp ưu điểm về: tính ổn định, băng thơng tương đối cao, suy hao ghép nối thấp đặc biệt dung sai chế tạo lớn tương thích cơng nghệ chế tạo bán dẫn CMOS cho chi phí sản xuất thấp Nghiên cứu phương pháp thiết kế dựa phương pháp phân tích truyền mode kết hợp với phương pháp hệ số (chiết suất) hiệu dụng Sau đó, tính tốn tối ưu phương pháp mô số, đặc biệt phương pháp mô BPM Luận án trình bày thiết kế số cấu kiện vi mạch tích hợp quang dựa ghép giao thoa đa mode ứng dụng để xây dựng thành phần chức xử lý tín hiệu mạng thơng tin tồn quang Đóng góp khoa học luận án Các nội dung nghiên cứu sau lần đề xuất thực luận án Đây đóng góp khoa học luận án: 1) Các ghép giao thoa đa mode 2×2 dựa tảng vật liệu SOI để tạo chia công suất bất đối xứng với nhiều tỷ số chia chia trạng thái phân cực trình bày luận án Các chia có nhiều ưu điểm hiệu năng: băng thông rộng, tổn hao ghép nối thấp, xuyên nhiễu nhỏ dung sai chế tạo lớn 2) Bằng cách sử dụng cấu hình ghép MMI-MZI với ống dẫn sóng phần nối hai vùng đa mode sử dụng làm dịch pha, chuyển mạch toàn quang với trạng thái chuyển mạch không bị cản đề xuất lần luận án Các thiết kế cụ thể chuyển mạch tồn quang 2×2 3×3 sử dụng hiệu ứng phi tuyến Kerr dựa vật liệu thủy tinh chalcogenide As2S3 hiệu ứng Pockel dựa vật liệu tinh thể AgGaSe2 tạo dịch pha đề xuất để tạo chuyển mạch tồn quang khơng bị cản 2×2 3×3 3) Cuối cùng, luận án đề xuất thiết kế để xây dựng nên ghép/phân kênh ba bước sóng –triplexer cho ứng dụng mạng truy nhập FTTH Các tripexer xây dựng dựa tảng vật liệu SOI cách sử dụng ghép đa mode 2×2 ghép tầng kết hợp với ghép định hướng Các cấu trúc đạt chất lượng hiệu hệ thống tốt như: suy hao thấp (không 0.8 dB), băng thông cao đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn ITU-G.983 Hƣớng phát triển tƣơng lai luận án Hướng phát triển cho nghiên cứu tương lai luận án đề xuất: Toàn nghiên cứu đề xuất hồn tồn có khả ứng dụng thực tiễn để chế tạo cấu kiện thành phần mạng toàn quang, chẳng hạn triplexer ứng dụng cho mạng FTTH Các ứng dụng đề xuất sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode để thiết kế điều chế pha lưỡng cực DPSK ứng dụng cho hệ thống thông tin quang tốc độ cao thiết kế phần tử 90o –hybrid sử dụng hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent) Cuối cùng, luận án xin đề xuất hướng phát triển phát triển bùng nổ tương lai Đó là: sử dụng cấu trúc đa mode để dẫn xử lý tín hiệu dao động bề mặt (plasmonics) lai ghép plasmonic (hybrid plasmonic) Nghiên cứu quang tử plasmonics với hiệu ứng giao thoa đa mode để thiết kế vi mạch chức tích hợp cỡ lớn với tốc độ cao xu hướng nghiên cứu có tính đột phá có triển vọng cho mạch tích hợp quang tử Đó đường chủ đạo dẫn đến “mạch quang tích hợp kích thước bước sóng” (sub wavelength integrated circuits) 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN C D Truong, D H Tran, T A Tran, and T T Le, (2013), “3×3 Multimode interference optical switches using electro-optic effects as phase Shifters,” Opt Commun., vol 292, pp 78–83 C Dung Truong, T Thanh Le, and D Han Tran, (2013), “All-Optical Switches Based on 3×3 Multimode Interference Couplers Using Nonlinear Directional Couplers,” Appl Phys Res., vol 5, no 3, pp 58–69 C.-D Truong and T.-T Le, (2013), “Power splitting ratio couplers based on MMI structures with high bandwidth and large tolerance using silicon waveguides,” Photonics Nanostructures - Fundam Appl., vol 11, no 3, pp 217–225 T T Le and C D Truong, (2013), “All-optical switches based on 3×3 generalized multimode interference structure,” Photonics Nanostructures Fundam Appl., vol 11, no 3, pp 261 –269 C D Truong, D H Tran, and T T Le, (2013), “Design of an insensitivepolarization all-optical switch based on multimode interference structures,” Photonics Nanostructures - Fundam Appl., vol 11, no 3, pp 210–216 C D Truong, T A Tran, D H Tran, Q Tran, and T T Le, (2013), “A novel all-optical switch based on 2×2 multimode interference structures using chalcogenide glass,” J Sci Technol ,Technical Univ., vol 95, no C, pp 165 – 170 C D Truong, T A Tran, T T Le, and D H Tran, (2013), “1×3 all optical switches based on multimode interference couplers using nonlinear directional couplers,” J Sci Technol ,Vietnam Acad Sci Technol., vol 51, no 1A, pp 60– 73 C D Truong, X L Bui, D H Tran, T L Nguyen, and T T Le, (2013), “A Novel Demultiplexer Based on a 2x2 Butterfly MMI Coupler and a Directional Coupler Using Silicon Waveguides,” in 2013 National Conference on Electronics and Communications (REV), , pp 134–139 C D Truong, D H Tran, V C Hoang, and T T Le, (2014), “A Butterfly MMI Waveguides Based Polarization Beam Splitter Etched on SOI platform,” in 2014 IEEE Fifth International Conference on Communications and Electronics (ICCE), pp 425–429 10.C Dung Truong, T Anh Tran, and D Han Tran, (2014), “A design of triplexer based on a 2×2 butterfly MMI coupler and a directional coupler using silicon waveguides,” Opt Commun., vol 312, pp 57–61, 11.C D Truong and V C Hoang, (2014) “A triplexer based on cascaded 2×2 butterfly MMI couplers using silicon waveguides,” Opt Quantum Electron ... sử dụng giao thoa đa mode 2.1 Bộ chia công suất nhiều tỷ số dựa cấu trúc giao thoa đa mode Các ghép nối giao thoa đa mode (MMI coupler) sử dụng để chia công suất không cân cần thiết cho ứng dụng. .. plasmonic) Nghiên cứu quang tử plasmonics với hiệu ứng giao thoa đa mode để thiết kế vi mạch chức tích hợp cỡ lớn với tốc độ cao xu hướng nghiên cứu có tính đột phá có triển vọng cho mạch tích hợp quang... kiện thành phần mạng toàn quang, chẳng hạn triplexer ứng dụng cho mạng FTTH Các ứng dụng đề xuất sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode để thiết kế điều chế pha lưỡng cực DPSK ứng dụng cho hệ thống