Thiết kế mạch tích hợp quang tử chuyển mạch 3x3 ứng dụng trong mạng ghép kênh phân chia theo mode (tt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN QUANG VIỆT THIẾT KẾ MẠCH TÍCH HỢP QUANG TỬ CHUYỂN MẠCH 3X3 ỨNG DỤNG TRONG MẠNG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 8520203 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng - Năm 2022 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS Võ Duy Phúc Phản biện 1: TS Lê Thị Phương Mai Phản biện 2: TS Ngô Văn Sỹ Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Điện tử họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 23 tháng 07 năm 2022 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Truyền thông, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách Khoa - Thư viện Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội MỞ ĐẦU Trong năm trở lại đây, với phát triển nhanh chóng truyền dẫn quang góp phần giải nhược điểm truyền dẫn điện giới hạn băng thông, truyền dẫn tốc độ chậm khó phát triển hệ sau Hơn nữa, nhiễu điện từ tiêu thụ công suất lớn nhược điểm chúng nên nhà khoa học tiến hành nghiên cứu kết nối quang chip để loại bỏ kết nối điện ảnh hưởng Hiện tại, công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM chiếm ưu mạng quang đa dạng nhiều tín hiệu với nhiều bước sóng khác ghép lại truyền dẫn chung kênh truyền Khi đó, việc chọn lọc bước sóng hệ thống chuyển mạch để xử lý tín hiệu yêu cầu cần thiết Các thiết bị chọn lọc bước sóng thiết kế với nhiều cấu trúc khác trình bày tài liệu [1]–[4] Đi với phát triển cơng nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM, công nghệ ghép kênh phân chia theo mode MDM nhận quan tâm thời gian gần Mỗi mode MDM trực giao với nên nhiều mode truyền dẫn kênh truyền với bước sóng mà khơng bị ảnh hưởng lẫn Trong tương lai, kết hợp cơng nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM công nghệ ghép kênh phân chia theo mode MDM đáp ứng nhu cầu tăng dung lượng truyền dẫn đáng kể Cũng chuyển mạch chọn lọc bước sóng WDM, xử lý tín hiệu mode chuyển mạch chọn lọc mode MDM nhận thu hút để nghiên cứu phát triển thiết bị Một số cơng trình tiêu biểu cơng bố [5]– [7] Tuy nhiên, cơng trình hỗ trợ vài mode chưa chuyển mạch tín hiệu (mode) ngõ vào tới ngõ Với nhược điểm đó, để xây dựng thiết bị hỗ trợ nhiều mode chuyển mạch kênh linh hoạt giúp cho việc xử lý tín hiệu dễ dàng hơn, tơi chọn đề tài cho luận văn tốt nghiệp “Thiết kế mạch tích hợp quang tử chuyển mạch 3x3 ứng dụng mạng ghép kênh phân chia theo mode” Thiết bị đề xuất hỗ trợ tối đa ba mode với ba ngõ vào/ra riêng biệt, tín hiệu ngõ vào chuyển mạch tới ngõ tùy ý mà không bị trạng thái tắc nghẽn THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Luận văn tốt nghiệp bao gồm chương: Chương 1: Truyền dẫn quang ghép kênh phân chia theo mode Chương trình bày cơng nghệ ghép kênh phân chia theo mode loại ống dẫn song thường sử dụng để thiết kế thành mạch tích hợp quang tử Chương 2: Giao thoa đa mode MMI dựa vào tượng tự ảnh Chương giúp lý thuyết tượng ảnh ống dẫn sóng cách để tạo giao thoa đa mode MMI Chương 3: Phương pháp truyền chùm tia BPM Chương chủ yếu trình bày lý thuyết phương pháp BPM Thiết bị quang mơ phần mềm mà có tích hợp phương pháp Chương 4: Thiết kế chuyển mạch mode quang 3x3 Chương bao gồm tổng quan thiết bị, nguyên tắc hoạt động đánh giá kết thu phần mềm mô II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Do băng thơng quang lớn (khoảng 100GHz-km) nên sử dụng cho mục đích đơn lẻ lãng phí Vì sử dụng cơng nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn sợi quang cách truyền đồng thời nhiều kênh bước sóng sợi quang Qua nghiên cứu ITU-T đưa cụ thể kênh bước sóng khoảng cách kênh chọn cấp độ 200GHz, 100GHz, 50GHz [TLkỹ thuật thơng tin quang 2, “Học viên bưu viễn thơng” 2007, Biên soạn Ths Đỗ Văn Việt Em.] Hình 1.2 Sơ đồ FTTH truyền dẫn sợi quang THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Thiết kế tối ưu hóa mạch quang tử tách, ghép đa mode quang dựa vật liệu SOI (Silicon On Insulator) có hiệu cao, băng siêu rộng đến 100 nm (~12.5 THz), hoạt động cửa sổ 1550 nm thuộc lĩnh vực thơng tin quang Hình 1.3 Sơ đồ mạng FTTH truyền dẫn hai sợi quang khác III ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu ghép kênh ba bước sóng mạng FTTH: Hệ thống truy cập FTTH giải pháp mang đến hội khách hàng sử dụng dịch vụ thoại truyền thống băng thông rộng tảng đồng ITU xây dựng gói khuyến nghị G.983 sử dụng cho FTTH thụ động mạng mà ba bước sóng sử dụng phổ biến 1310 nm, 1490 nm 1550 nm, cho kênh kỹ thuật số ngược dịng, kỹ thuật số xi dịng kênh tương tự Có vài loại phát triển gần cho ghép ba Phạm vi nghiên cứu: - Các mạch quang tử tích hợp silic (silicon photonics) cho hệ thống thông tin quang dung lượng lớn, cụ thể sâu nghiên cứu vào tính xử lý tín hiệu quang chuyển đổi mode bước sóng để nâng cao dung lượng kênh quang - Kỹ thuật xử lý tín hiệu tồn quang sử dụng mạch tích hợp quang tử IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp luận luận văn kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực tiễn để làm rõ nội dung đề tài Cụ thể sau: - Nghiên cứu yếu tố kỹ thuật liên quan nguyên lý ghép THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội kênh quang theo bước sóng; - Xem xét đề tài nghiên cứu liên quan, phương án kỹ thuật triển khai, so sánh đánh giá ưu điểm, khuyết điểm phương pháp - Đề xuất thiết kế, mơ phần mềm, tối ưu hóa - Đánh giá kết thực V Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Ý nghĩa khoa học: Từ việc nghiên vai trò quan trọng, ưu điểm phương pháp ghép kênh theo bước sóng (WDM), qua ta thấy ứng dụng lợi ích phương pháp ghép kênh theo bước sóng (WDM) sử dụng hệ thống cáp quang đến tận nhà (FTTH) Mạng FTTH phục vụ cho hầu hết nhu cầu internet Xây dựng thiết kế nhằm tăng độ hiệu mạng FTTH - Ý nghĩa thực tiễn: Kết đề tài nêu số sở lý thuyết để cung cấp khả năng, hướng áp dụng để giải vấn đề phát sinh triển khai phương pháp ghép kênh theo bước sóng (WDM) VI KẾT QUẢ DỰ KIẾN Phương thức ghép kênh theo bước sóng (WDM), mạng cáp quang đến tận nhà FTTH sử dụng phổ biến đưa cấu trúc tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng Silic, sử dụng đoạn nối cải tiến so với việc sử dụng đoạn nối truyền thống vai trò Triplexer sử dụng mạng FTTH nay, ưu điểm vượt bậc mạng lại thực tế Chương trình thực nghiệm Các đánh giá hiệu ghép kênh theo bước sóng VII BỐ CỤC DỰ KIẾN CỦA LUẬN VĂN Nội dung dự kiến luận văn gồm chương phần sau: Lời mở đầu Chương 1: Truyền dẫn quang ghép kênh phân chia theo mode Chương trình bày công nghệ ghép kênh phân chia theo mode loại ống dẫn song thường sử dụng để thiết kế thành mạch tích hợp quang tử Chương 2: Giao thoa đa mode MMI dựa vào tượng tự ảnh THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Chương trình bày tượng ảnh ống dẫn sóng cách để tạo giao thoa đa mode MMI Chương 3: Phương pháp truyền chùm tia BPM Chương trình bày lý thuyết phương pháp BPM Thiết bị quang mô phần mềm mà có tích hợp phương pháp Chương 4: Thiết kế chuyển mạch mode quang 3x3 Chương trình bày tổng quan thiết bị, nguyên tắc hoạt động đánh giá kết thu phần mềm mô CHƯƠNG TRUYỀN DẪN QUANG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE 1.1 Giới thiệu chương Hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh phân chia theo mode - Tổng quan ống dẫn sóng quang học - Các ống dẫn sóng dạng kênh dẫn đối xứng 1.2 Hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh phân chia theo mode Một hệ thống truyền dẫn quang dùng kỹ thuật phân chia theo mode gồm: - Sợi quang đa mode - Bộ thiết bị phát - Bộ tổng hợp mode - Bộ ghép mode - Bộ giải ghép mode - Bộ thiết bị thu Hình 1-1 Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn sử dụng công nghệ MDM THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 1.3 Tổng quan ống dẫn sóng quang học 1.3.1 Cơ sở truyền sóng ống dẫn sóng Chúng ta biết rằng, mặt quang học sóng ánh sáng loại sóng điện từ, truyền sóng ánh sáng mơi trường truyền sóng tn theo hệ phương trình Maxwell tiếng: ⃗ 𝜕𝐵 ∇ x 𝐸⃗ = - - 𝐽⃗⃗⃗⃗𝑚 𝜕𝑡 ⃗ = ∇x𝐻 ⃗ 𝜕𝐷 𝜕𝑡 + ⃗⃗⃗ 𝐽𝑒 (1.1) (1.2) ⃗ = ⃗⃗⃗⃗ ∇ 𝐷 𝜌𝑒 (1.3) ⃗ = ⃗⃗⃗⃗⃗ ∇ 𝐵 𝜌𝑚 (1.4) ⃗ vectơ cường độ từ Ở đây, 𝐸⃗ vectơ cường độ điện trường, 𝐻 ⃗ ⃗ trường 𝐷 vectơ cảm ứng điện 𝐵 vectơ cảm ứng từ, 𝐽⃗⃗⃗⃗𝑚 vectơ mật độ dòng từ, ⃗⃗⃗ 𝐽𝑒 vectơ mật động dòng điện, ⃗⃗⃗⃗ 𝜌𝑒 ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝜌𝑚 vectơ mật độ điện tích mật độ từ tích Chúng ta phân loại theo mode phân cực dựa đặc tính thành phần trường theo chiều dọc: Một trường theo mode phân cực TE có Ez = Hz ≠ Một trường theo mode phân cực TM có Hz = Ez ≠ Một trường có phân cực điện từ ngang TEM hay gọi mode TEM có Ez = Hz = Ống dẫn sóng điện mơi hỗ trợ mode TEM Mode lai (Hybrid mode) mode mà có đồng thời Ez ≠ Hz ≠ Mode lai khơng xuất ống dẫn sóng phẳng tồn ống dẫn sóng dạng kênh (ví dụ ống dẫn sóng ridge/rib…) hay sợi quang 1.3.2 Các mode lan truyền ống dẫn sóng 1.3.2.1 Giới thiệu ống dẫn sóng quang học điện mơi Tính chất ống dẫn sóng quang học xác định số điện môi (hệ số chiết suất) mà độc lập theo hướng truyền Có hai kiểu ống dẫn sóng quang học là: ống dẫn sóng khơng phẳng (nonplanar waveguide) ống dẫn sóng phẳng (planar waveguide) Ống dẫn sóng phẳng bắt giữ ánh sáng hướng ngang hệ số chiết suất phụ thuộc hướng, n(x) Ống THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội dẫn sóng khơng phẳng bắt giữ ánh sáng theo hai hướng với chiết suất n (x, y) dẫn sóng theo phương z Các ứng dụng chủ yếu ống dẫn sóng ống dẫn sóng dạng kênh (channel waveguide) sợi quang (optical fiber) (a) (b) Hình 1-2 (a) Ống dẫn sóng khơng phẳng (b) Ống dẫn sóng phẳng Một ống dẫn sóng có hệ số chiết suất thay đổi đột ngột giao diện lớp lõi lớp bao phủ gọi ống dẫn sóng chiết suất phân bậc Ngược lại, hệ số chiết suất thay đổi từ lõi đến lớp bao phủ gọi ống dẫn sóng chiết suất biến đổi dần, mơ tả hình … (a) (b) Hình 1-3 (a) Ống dẫn sóng chiết suất phân bậc (b) Ống dẫn sóng chiết suất biến đổi dần 1.3.2.2 Ống dẫn sóng silicon vật liệu cách điện Hình 1-4 Ống dẫn sóng Silicon vật liệu cách điện THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Ống dẫn sóng mà lõi chế tạo từ tinh thể Silica (Si) gọi ống dẫn sóng Silica (Silicon waveguide) Lớp vỏ ống dẫn sóng thường chế tạo từ điện mơi với lớp cách điện thủy tinh Silica (silica – SiO2) Ống dẫn sóng vật liệu Silicon chất cách điện vật gọi ống dẫn sóng SOI (silicon on insulator) Trong ống dẫn sóng SOI, tương phản lớn hệ số chiết suất lớp lõi lớp bao phủ cho phép bắt giữ ánh sáng tốt (phản xạ toàn phần) Ánh sáng giữ lại phần lớn vào trăm nano-met (nm) với suy hao đường truyền khoảng xấp xỉ dB/cm 1.3.3 Ống dẫn sóng dạng kênh dẫn đối xứng Trong thực tế, hầu hết ống dẫn sóng sử dụng thiết bị ứng dụng ống dẫn sóng khơng phẳng Đối với ống dẫn sóng khơng phẳng, chiết suất n (x, y) hàm phụ thuộc hai trục tọa độ x y Ống dẫn sóng khơng phẳng có nhiều loại khác mà phân biệt đặc điểm bật chiết suất n (x, y) chúng Trong ống dẫn sóng khơng phẳng có nhóm gọi ống dẫn sóng dạng kênh dẫn sóng gồm loại ống dẫn sóng buried channel, ống dẫn sóng strip-loaded, ống dẫn sóng ridge, ống dẫn sóng rib, ống dẫn sóng tán xạ Hình 1-5 Ống dẫn sóng Buried channel Ống dẫn sóng buried channel có lõi dẫn sóng chiết suất cao chơn mơi trường có chiết suất thấp Lõi dẫn sóng có hình dạng mặt cắt ngang hình dạng dùng nhiều hình chữ nhật hình 1-5 Hình 1-6 Ống dẫn sóng Strip-loaded THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 10 Ống dẫn sóng Diffused, hình 1-9, hình thành cách tạo vùng có chiết suất cao lớp thơng qua khuếch tán tạp chất, ống dẫn sóng LiNbO3 với lõi chất khuếch tán Ti Do trình khuếch tán, biên lõi lớp không xác định rõ ràng Tuy nhiên, ống dẫn sóng diffused có độ dày d xác định độ sâu khuếch tán cá tạp chất theo hướng x chiều rộng w xác định phân bố tạp chất theo hướng y 1.4 Kết luận chương Chương trình bày tổng quan hệ thống quang sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mode – MDM Bên cạnh đó, nhìn cấu trúc ống dẫn sóng gồm lớp (lớp lõi, lớp nền, lớp phủ) Tính chất ống dẫn sóng quang học xác định số điện môi độc lập theo hướng truyền Các lý thuyết sở truyền sóng Tùy thuộc vào thay đổi chiết suất lớp mà ống dẫn sóng phân loại thành ống dẫn sóng chiết suất nhảy bậc ống dẫn sóng chiết suất biến đổi CHƯƠNG GIAO THOA ĐA MODE MMI DỰA VÀO HIỆN TƯỢNG TỰ SAO ẢNH 2.1 Giới thiệu chương Trong năm gần đây, có quan tâm nhanh chóng ứng dụng hiệu ứng giao thoa đa mode (MMI) quang học tích hợp Các thiết bị quang dựa vào hiệu ứng MMI có đầy đủ tất yêu cầu trên, thuộc tính hồn hảo dễ dàng chế tạo dẫn đến kết hợp nhanh chóng mạch PIC phức tạp mạng phân tập pha, chuyển mạch Mach-Zehnder điều chế, chia/kết hợp cơng suất, laser vịng 2.2 Nguyên tắc ảnh Nguyên tắc tự ảnh định nghĩa sau: Tự ảnh thuộc tính ống dẫn sóng đa mode mà trường ngõ vào ống dẫn sóng tái tạo lại dạng đơn ảnh đa ảnh khoảng định kỳ dọc theo hướng lan truyền [8] 2.3 Ống dẫn sóng đa mode Cấu trúc trung tâm thiết bị MMI ống dẫn sóng thiết kế để hỗ trợ lượng lớn mode (thường số mode ≥ 3) Để phát ánh sáng vào khôi phục ánh sáng từ ống dẫn sóng đa THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 11 mode đó, số ống dẫn sóng truy cập đặt vị trí bắt đầu vị trí kết cuối Các thiết bị thường gọi ghép MMI 𝑁 × 𝑀 với N M số lượng ống dẫn sóng ngõ vào ngõ tương ứng Hình 2-1 Cấu trúc ống dẫn sóng đa mode MMI Hiện tượng ảnh tồn cấu trúc ba chiều, MPA kết hợp tính tốn mặt cắt ngang hai chiều cung cấp cơng cụ mơ hữu ích Từ đó, ta sử dụng cấu trúc hai chiều minh họa hình 2-1 để phân tích cho ống dẫn sóng đa mode mà kết thu với tỉ lệ gần ống dẫn sóng đa mode ba chiều thực tế Một kỹ thuật để phân tích miền hai chiều phổ biến phương pháp số hiệu dụng EIM Hình 2-2 Mơ tả ống dẫn sóng đa mode cấu trúc hai chiều Bên phải hình chiếu thiết bị theo phương Y-Z, bên trái chiết suất hiệu thiết bị THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 12 2.3.1 Hằng số lan truyền Hình 2-3 Ví dụ trường ψν(y) có biên độ chuẩn hóa tương ứng với mode ống dẫn sóng đa mode 2.3.2 Phân tích lan truyền mode Một trường đầu vào 𝛿(𝑦, 0) áp đặt 𝑧 = hoàn toàn nằm độ rộng 𝑊𝑀𝑀𝐼 (hình 2-4) bị phân rã thành phân bố trường 𝜓𝑣 (𝑦) tất mode Hình 2-4 Ống dẫn sóng đa mode chứa trường ngõ vào δ(y, 0), đơn ảnh đảo ngược (3Lπ), đơn ảnh trực tiếp 2(3Lπ), hai ảnh hình thành (1/2)(3Lπ) (3/2)(3Lπ) 2.4 Giao thoa tổng quát 2.4.1 Các đơn ảnh 2.4.2 Các đa ảnh (a) THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 13 (b) Hình 2-5 Mơ hình cường độ ánh sáng theo lý thuyết tương ứng với chế giao thoa cặp tổng quát hai ống dẫn sóng đa mode dẫn tới hình thành đơn ảnh đảo (a), ảnh (b) 2.5 Giao thoa hạn chế 2.5.1 Giao thoa cặp 2.5.2 Giao thoa đối xứng Bảng 2-1 Tóm tắt đặc điểm chế giao thoa tổng quát, cặp hạn chế Cơ chế giao thoa Tổng quát 𝑁×𝑁 Cặp Hạn chế 2×𝑁 1×𝑁 Ngõ vào x Ngõ Khoảng cách hình thành đơn ảnh Khoảng cách hình thành N ảnh 3𝐿𝜋 𝐿𝜋 3𝐿𝜋 ⁄4 3𝐿𝜋 ⁄𝑁 𝐿 𝜋 ⁄𝑁 3𝐿𝜋 ⁄4𝑁 Sự u cầu kích thích Khơng 𝑐𝑣 = Với 𝑣 = 2, 5, 8, … 𝑐𝑣 = Với 𝑣 = 1, 3, 5, … Vị trí đặt ống dẫn sóng ngõ vào Bất kỳ 𝑦 = ± 𝑊𝑒 ⁄6 𝑦=0 Hình 2-6 biểu diễn mẫu cường độ tính tốn bên ống dẫn sóng đa mode với ngõ vào Tại điểm từ chiều dài ảnh, hai ảnh hình thành Số lượng ảnh tăng dần khoảng cách ngắn hơn, theo (2.31), chúng không khả tạo ảnh Một nguyên tắt tốt để tạo chia quang − 𝑁 cân tốt suy hao thấp trường Gaussian, ống dẫn sóng đa mode u cầu hỗ trợ 𝑚 = 𝑁 + mode THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 14 (a) (b) Hình 2-6 Mơ hình cường độ ánh sáng theo lý thuyết tương ứng với chế giao thoa đối xứng ống dẫn sóng đa mode với độ rộng 4.2 μm chiều dài 34.8 μm ảnh “1 × 1” (a); ống dẫn sóng đa mode rộng 6.8 μm chiều dài 22 μm chia công suất “1 × 4” (b) 2.6 Kết luận Trong chương tổng quan thiết bị quang tích hợp dựa vào giao thoa đa mode Lý thuyết nguyên tắc ảnh phân tích để thể tính linh hoạt giao thoa đa mode Các thiết bị MMI có khả cung cấp nhiều chức chia quang 𝑁 × 𝑀 Các tính với dung sai chế tạo lớn dẫn đến kết hợp nhanh chóng thiết bị MMI chia/kết hợp công suất, cấu trúc Mach-Zehnder laser vịng Chương trình bày phương pháp truyền chùm BPM CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN CHÙM TIA BPM 3.1 Giới thiệu chung Trong chương này, trình bày tổng quan phương pháp truyền chùm BPM, phương pháp lan truyền chùm sai phân THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 15 hữu hạn 2D 3D Thơng qua phương pháp đó, thiết bị mơ tính tốn cách xác 3.2 Lý thuyết BPM Hình 3-1 Lý thuyết BPM BPM chủ yếu thuật toán lan truyền theo hướng phía trước, hướng truyền chủ yếu hướng dọc minh họa hình 3-1 Ngồi ra, thực lưới Nhìn hình 3-2, hiệu ứng khơng phải sóng lan truyền thiết bị Thay vào đó, chuỗi cách tính tốn giải pháp Hình 3-2 Hình ảnh trường khơng phải lan truyền thiết bị, thực lưới mô BPM 3.3 Phương pháp lan truyền chùm sai phân hữu hạn 2D 3.3.1 Phân tích 3.3.2 Xấp xỉ góc nhỏ 3.4 Phương pháp lan truyền chùm sai phân hữu hạn 3D 3.4.1 Phân tích THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 16 3.4.2 Xấp xỉ góc nhỏ 3.5 Kết luận Trong chương trình bày lý thuyết BPM, số giải pháp mà thiết bị mô dựa vào phương pháp truyền chùm sai phân hữu hạn 2D 3D Trong chương tiếp theo, trình bày thiết kế mơ thiết bị chuyển mạch 3x3 với phương pháp lan truyền chùm BPM CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN MẠCH MODE QUANG 3X3 4.1 Giới thiệu chung Một chuyển mạch chéo đơn mode 3x3 đề xuất thiết kế chương Mỗi mode đưa tới ngõ vào, sau chọn ngõ mà mong muốn mà khơng bị trạng thái tắc nghẽn Để tín hiệu khơng gặp trạng thái tắc nghẽn này, dịch pha sử dụng để điều khiển đường chúng Thông qua kết mô phỏng, suy hao chèn nhỏ 1.8 dB dải bước sóng từ 1.53 μm tới 1.565 μm nhỏ 0.5 dB bước sóng 1.55 μm Bên cạnh đó, nhiễu xuyên kênh dao động từ -44 dB tới -24 dB cho toàn dải C Với ưu điểm trên, thiết bị đầy hứa hẹn cho mạch tích hợp xử lý mode toàn quang hệ thống MDM 4.2 Tổng quang nghiên cứu Trong năm gần đây, với phát triển nhanh chóng truyền dẫn quang góp phần giải nhược điểm truyền tải điện hạn chế băng thông, tốc độ truyền giới hạn phát triển tương lai Hiện nay, công nghệ ghép kênh phân chia bước sóng WDM chiếm ưu mạng truyền dẫn quang, nhiên công nghệ đối mặt với cạn kiệt số lượng bước sóng Vì vậy, cơng nghệ MDM nghiên cứu kết hợp với công nghệ WDM để khắc phục tình trạng thiếu hụt bước sóng Một thành phần quan trọng hệ thống WDM chuyển mạch nghiên cứu ứng dụng rộng rãi [12-16] Tuy nhiên, chuyển mạch không tắc nghẽn ứng dụng mạng ghép kênh phân chia mode lại được nghiên cứu rộng rãi Một số chuyển mạch hai mode hoạt động đầu nối chéo mode quang học công bố Cụ thể, dựa ghép định hướng không đối xứng THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 17 hiệu ứng nhiệt quang học, chuyển mạch chọn lọc hai mode với tổng kích thước 16,5 mm đề xuất [17] Mỗi mode chọn cho đầu cách điều khiển gia nhiệt Bài báo [18] chuyển mạch linh hoạt hai mode sử dụng ghép giao thoa đa mode, tách ghép chữ Y chuyển dịch pha dựa lớp pha tạp PN Một đề xuất khác sử dụng hệ thống vi điện tử MEMs để chuyển mạch mode LP01 LP11 đầu mong muốn [19] Bộ chuyển mạch chéo quang thiết kế hình 41, thiết bị bao gồm bốn MMI chia làm hai cặp, cặp gồm hai MMI có tính chất giống với ba ngõ vào ba ngõ Cặp MMI 3x3 (MMI2, MMI3) kết nối lại với vị trí trung tâm, cặp cịn lại (MMI1, MMI4) thêm vào vị trí đầu vị trí cuối cặp để góp phần tạo nên chuyển mạch Ngồi ra, cịn có năm dịch pha nằm với ống dẫn sóng truy cập đặt vị trí khác Bên cạnh đó, taper có hình dạng tứ giác sử dụng nhằm cải thiện hiệu suất truyền dẫn tín hiệu MMI ống dẫn sóng truy cập, tơi chọn LTP = μm WTP = 0,8 μm tương ứng với chiều dài chiều rộng Hình 4-1 Thiết bị chuyển mạch quang 3x3 a) Mô tả ký hiệu thông số thiết bị, b) Mặt cắt ngang ống dẫn sóng THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 18 4.3 Bộ ghép MMI 4.3.1 Tổng quan Để thiết kế chúng, tơi dựa vào ngun tắc ảnh trình bày chương 1, quan hệ biên độ pha tín hiệu [13] Từ lý thuyết đó, tơi chọn chiều rộng WMMI1 = 3,9 μm LMMI1 = 63,5 μm làm chiều dài ghép MMI mơ tả hình 4-2a, vị trí ống dẫn sóng truy cập đặt ±WMMI1/3 vị trí trung tâm vùng MMI So sánh với hình 4-2a, hình 4-2b có ống dẫn sóng truy cập đặt vị trí trung tâm, hai ống dẫn sóng cịn lại đặt vị trí ±WMMI2/4 với WMMI2 = 5,2 μm độ rộng, chiều dài chọn tương ứng LMMI2 = 27,5 μm Hình 4-2 Nguyên lý hoạt động hai ghép MMI a) Phát tín hiệu vào cổng MMI1, b) Phát tín hiệu vào cổng hai tín hiệu đồng thời vào cổng MMI2 4.3.2 Nguyên lý hoạt động Đối với ghép MMI1: phát tín hiệu vào cổng 3, hai cổng ngõ thu tín hiệu với biên độ lệch pha 90 độ Tương tự, hai cổng ngõ thu tín hiệu với biên độ pha lệch 90 độ phát tín hiệu vào cổng Tuy nhiên, phát tín hiệu vào cổng tín hiệu thu ngõ cổng Nguyên lý hoạt động ghép MMI1 áp dụng với ghép MMI4 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 19 Đối với ghép MMI2: phát tín hiệu vào cổng 2, hai tín hiệu thu cổng ngõ với biên độ pha Nếu phát hai tín hiệu đồng thời biên độ pha vào cổng 3, cổng ngõ thu tín hiệu Ngược lại, phát hai tín hiệu đồng vào cổng với biên độ pha lệch 180 độ thu lượng cổng ngõ Nguyên lý hoạt động ghép MMI2 áp dụng với ghép MMI3 Vì MMI có tính chất đối xứng, thực q trình ngược lại, tức phát tín hiệu ngõ MMI nguyên lý hoạt động chúng khơng thay đổi 4.4 Bộ dịch pha Hình 4-3 Khảo sát độ rộng trung tâm dịch pha Để tín hiệu ngõ vào chuyển mạch tới ngõ mong muốn, dịch pha phải đặt vị trí thích hợp Ở bảng tóm tắt cho tất trường hợp chuyển mạch bảng sau: Bảng 4-1 Bảng tóm tắt trường hợp chuyển mạch tổng quát vị trí đặt dịch pha Vị trí đặt dịch pha Cổng 1st 2nd chuyển mạch (I1 → O1), (I2 → O2), (I3 → O3) 90 độ (I1 → O1), (I2 → O3), (I3 → O2) 90 độ (I1 → O2), (I2 → O3), (I3 → O1) 90 độ (I1 → O2), (I2 → O1), (I3 → O3) 90 độ (I1 → O3), (I2 → O2), (I3 → O1) 90 độ (I1 → O3), (I2 → O1), (I3 → O2), 90 độ 3rd 4th 5th 90 độ 180 độ 90 độ 180 độ 90 độ 180 độ 90 độ 90 độ 180 độ 90 độ - THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 20 Trong đó, “– “ vị trí khơng dùng dịch pha Từ bảng thấy rằng, phát nguồn tín hiệu vào trường hợp riêng lẻ, giả sử I3 → O2 ta đặt dịch pha vị trí (2nd, 3rd, 5th) (2nd, 3rd, 6th) 4.5 Đánh giá hiệu thảo luận Xét hình 4-1a, giả sử ngõ vào I1 chọn ngõ đầu tiên, có ba chọn lựa ngõ (O1, O2, O3) Nếu tín hiệu ngõ vào I1 chuyển mạch tới ngõ O1, hai ngõ vào (I2, I3) hai chọn lựa tới ngõ (O2, O3) Nếu tín hiệu chuyển mạch từ ngõ vào I2 sang O2 ngõ vào cịn lại I3 bắt buộc phải chọn ngõ O3 Với chọn lựa (I1 → O1, I2 → O2, I3 → O3), dựa vào bảng 4-1, hai dịch pha 90 độ đặt vị trí (2nd, 5th) Ngược lại, tín hiệu ngõ vào I1 chọn ngõ O1, tín hiệu ngõ vào I2 mong muốn chuyển mạch tới ngõ O3, ngõ O2 chắn nhận tín hiệu phát tín hiệu ngõ vào I3 Dựa vào bảng ta thấy rằng, để chuyển mạch (I1 → O1, I2 → O3, I3 → O2) ba dịch pha sử dụng với hai dịch pha 90 độ đặt vị trí (2nd, 5th) dịch pha 180 độ lại đặt vị trí 3rd Đặc biệt, thứ tự phát tín hiệu ngõ vào không quan trọng Để minh họa chúng rõ ràng chi tiết hơn, hình ảnh phân bố trường ngõ vào chuyển mạch tới ngõ mong muốn thể sau: a) b) c) d) Hình 4-4 Sự phân bố trường ngõ vào I1 chọn ngõ (a) Ngõ vào I1 – Ngõ O1; (b) Ngõ vào (I1, I2) – Ngõ (O1, O2); (c) Ngõ vào (I1, I2) – Ngõ (O1, O3); (d) Ngõ vào (I1, I2, I3) – Ngõ (O1, O3, O2) THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 21 a) b) c) d) Hình 4-5 Sự phân bố trường ngõ vào I2 chọn ngõ (a) Ngõ vào I2 – Ngõ O1; (b) Ngõ vào (I2, I1) – Ngõ (O1, O3); (c) Ngõ vào (I2, I1) – Ngõ (O1, O2); (d) Ngõ vào (I2, I1, I3) – Ngõ (O1, O2, O3) a) b) c) d) Hình 4-6 Sự phân bố trường ngõ vào I3 chọn ngõ (a) Ngõ vào I3 – Ngõ O2; (b) Ngõ vào (I3, I1) – Ngõ (O2, O1); (c) Ngõ vào (I3, I1) – Ngõ (O2, O3); (d) Ngõ vào (I3, I1, I2) – Ngõ (O2, O3, O1) THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 22 Hình 4-7 Suy hao chèn nhiễu xuyên kênh hàm bước sóng ngõ vào I1 Hình 4-8 Suy hao chèn nhiễu xuyên kênh hàm bước sóng ngõ vào I2 Hình 4-9 Suy hao chèn nhiễu xuyên kênh hàm bước sóng ngõ vào I3 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 23 Các kết mô chứng tỏ hình (4.7, 4.8 4.9), bước sóng khảo sát suy hao chèn ln nhỏ 0.5 dB ln nhỏ 1.8 dB tồn băng C Cũng dải này, từ -44 dB tới -24 dB giá trị nhiễu xuyên kênh với chín trường hợp chuyển mạch Trong đó, -44 dB nhiễu xuyên kênh chuyển mạch tín hiệu từ I3 sang O1 bước sóng trung tâm Điều rằng, cơng suất bị rị rỉ qua hai ngõ không mong muốn thấp Thấp -24 dB chuyển mạch tín hiệu từ I2 sang O2 Nhưng, giá trị chấp nhận cơng suất thu ln 67% dải bước sóng từ 1,53 μm tới 1,565 μm So sánh giá trị công suất với giá trị nhiễu xuyên kênh thấp nhất, thấy cơng suất rị rỉ khơng đáng kể Như vậy, công suất chủ yếu suy hao qua tầng ghép MMI 4.6 Kết luận Một thiết bị chuyển mạch cách ghép nối ghép MMI dịch pha với khả chuyển mạch tín hiệu ngõ vào tới ngõ đề xuất chương Hơn nữa, suy hao chèn thiết bị nhỏ 0,5 dB tương ứng với công suất nhận 90% bước sóng 1,55 μm Đặc biệt, tồn băng C nhiễu xun kênh ln đạt giá trị từ -44 dB tới -24 dB KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong luận văn, tơi tìm hiểu tầm quan trọng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mode MDM, nơi mà mode trực giao với xem kênh tín hiệu riêng biệt với bước sóng Nó công nghệ đầy hứa hẹn giúp mở rộng băng thông kênh truyền kết hợp với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM Ngồi ra, chuyển mạch dựa vào ống dẫn sóng giao thoa đa mode MMI thiết kế mô lý thuyết tự ảnh ống dẫn sóng phương pháp lan truyền chùm BPM Do đó, vấn đề chọn lọc mode mong muốn để xử lý ngõ giải ghép kênh giải Thiết bị có ba ngõ vào/ra với tối đa ba mode hỗ trợ Với băng thơng bao phủ tồn băng C, thiết bị đầy tiềm cho mạch tích hợp xử lý mode toàn quang hệ thống MDM Tuy luận văn khắc phục nhược điểm chọn lọc mode THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 24 hệ thống ghép kênh MDM thiết bị hỗ trợ ba ngõ vào/ra băng thông hoạt động băng C Vì vậy, mục tiêu đặt phải xây dựng thiết bị chuyển mạch hỗ trợ nhiều ngõ vào/ra mở rộng vùng băng thơng hoạt động lớn Đó hướng phát triển luận văn THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội ... ? ?Thiết kế mạch tích hợp quang tử chuyển mạch 3x3 ứng dụng mạng ghép kênh phân chia theo mode? ?? Thiết bị đề xuất hỗ trợ tối đa ba mode với ba ngõ vào/ra riêng biệt, tín hiệu ngõ vào chuyển mạch tới... quang ghép kênh phân chia theo mode Chương trình bày cơng nghệ ghép kênh phân chia theo mode loại ống dẫn song thường sử dụng để thiết kế thành mạch tích hợp quang tử Chương 2: Giao thoa đa mode. .. quang ghép kênh phân chia theo mode Chương trình bày cơng nghệ ghép kênh phân chia theo mode loại ống dẫn song thường sử dụng để thiết kế thành mạch tích hợp quang tử Chương 2: Giao thoa đa mode