NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ỐNG DẪN SÓNG PLASMONIC NANO TRONG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƢỚC SÓNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGUYỄN VĂN TÀI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ỐNG DẪN SÓNG PLASMONIC NANO TRONG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƢỚC SÓNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 9.52.02.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI - 2022 Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đặng Hoài Bắc TS Trương Cao Dũng Phản biện 1:…………………………………………………………………………… ……………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………… ……………………………… Phản biện 3: ………………………………………………………………………… ……………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Học viện họp tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG Vào hồi………giờ…………ngày………tháng………năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Thư viện Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ viễn thông, internet nay, truy nhập internet tốc độ cao, truy nhập video có độ phân giải cao hay dịch vụ điện tốn đám mây,… Do đó, u cầu nâng cấp tốc độ truyền dẫn mạng thông tin cáp sợi quang cần thiết Qua nghiên cứu, t ng hợp ết nghiên cứu cấu kiện quang tử xử lý ghép/phân ênh bước sóng dựa ống dẫn sóng sử dụng hiệu ứng plasmonic đ ch số vấn đề tồn cần khắc phục cải thiện Đó là: cấu trúc đ đề xuất ch nghiên cứu lý thuyết mô số với ống dẫn sóng kim loại - điện mơi - kim loại không gian hai chiều (2D) thực tế cấu trúc hơng gian ba chiều (3D), số cấu trúc sử dụng cộng hưởng vịng plasmonic lại ch hỗ trợ số bước sóng, ích thước cấu kiện cịn tương đối lớn Bên cạnh đó, số vấn đề đề tài nghiên cứu xử lý tín hiệu tách ghép bước sóng sử dụng ống dẫn sóng plasmonic lai ghép plasmonic đ nghiên cứu gần hông giải triệt để mặt hạn chế, vấn đề ghép nối ống dẫn sóng silic ống dẫn sóng plasmonic; vấn đề chuyển đ i trạng thái phân cực vấn đề lọc trạng thái phân cực Do đó, đề xuất xây dựng tiếp cận để cải thiện mặt hạn chế nêu Mục i i Mục tiêu luận án là: Thiết kế c ng logic quang có chức ghép/tách tín hiệu quang lựa chọn bước sóng cấu kiện có khả quay phân cực mode sóng dựa ống dẫn sóng plasmonic ích thước nano; Thiết kế cấu kiện ghép/tách kênh phân chia theo bước sóng dựa ống dẫn sóng plasmonic có ích thước nano mét với bước sóng cửa s bước sóng viễn thơng thông tin ánh sáng khả kiến Các cấu kiện đề xuất có ưu điểm hiệu suất truyền cao, kích thước nhỏ gọn, nhiễu xuyên kênh nhỏ, tầm truyền dài, cho phép dung sai chế tạo lọc bước sóng phù hợp Các cấu trúc đề xuất có khả ứng dụng cho hệ thống WDM Ý ĩa k oa ọc óp Các đóng góp luận án có tiềm ứng dụng mạch tích hợp quang tử kích cỡ nano mét thiết bị quang - điện tử Luận án gồm có 02 đóng góp sau: 1) Đề xuất thiết kế ống dẫn sóng lai ghép plasmonic HPW có chức quay phân cực cổng logic XOR, OR, NOT, cổng Feynman quang thuận nghịch dựa ống dẫn sóng plasmonic kích thước nano mét theo cấu trúc MIM 2) Đề xuất thiết kế ống dẫn sóng plasmonic kích thước nano mét theo cấu trúc MIM để tạo lọc bước sóng quang có độ rộng băng thơng lớn, hiệu suất truyền cao cho phép dung sai chế tạo phù hợp Bố cục ậ Nội dung luận án trình bày chương Chương trình bày Cơ sở lý thuyết ống dẫn sóng plasmonic Chương trình bày Ống dẫn sóng lai ghép plasmonic - silic có chức quay phân cực c ng logic tồn quang ích thước nano mét Chương trình bày thiết kế lọc bước sóng sử dụng ống dẫn sóng plasmonic ích thước nano mét CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỐNG DẤN SÓNG PLASMONIC 1.1 Kỹ thuật ghép kênh eo bƣớc sóng Ghép ênh theo bước sóng (WDM) cơng nghệ truyền dẫn nhiều bước sóng ánh sáng sợi quang Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng ánh sáng hác t hợp lại (ghép ênh) để truyền sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu t hợp phân giải (tách kênh), khơi phục lại tín hiệu gốc đưa vào thiết bị đầu cuối Ưu điểm WDM: Dung lượng truyền dẫn lớn; Tính suốt mạng WDM; Việc nâng cấp dung lượng hệ thống thực dễ dàng, linh hoạt: Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng mạng có lên đến hàng Tbps, đáp ứng nhu cầu mở rộng nhiều cấp độ khác Bên cạnh mở thị trường mới, thuê ênh quang (hay bước sóng quang) ngồi việc sợi hay cáp quang, việc nâng cấp hệ thống đơn giản cắm thêm card hệ thống hoạt động (Plug and Play); Quản lý băng tần hiệu cấu hình hệ thống mềm dẻo Với ưu điểm vượt trội WDM vậy, đóng vai trị quan trọng mạng truyền thông quang tốc độ cao để đáp ứng yêu cầu ngày cao tốc độ, dung lượng hệ thống thông tin Để đáp ứng yêu cầu ngày cao này, địi hỏi phải ứng dụng cơng nghệ mới, có khả thu nhỏ linh kiện quang điện tử nhằm tăng tích hợp mạch điện tử, mà xu nhà khoa học quan tâm ứng dụng hiệu ứng plasmonic để chế tạo ống dẫn sóng cho hệ thống WDM 1.2 Lý thuyết plasmonic 1.2.1 Giới thiệu Chương trình bày t ng hợp cách hệ thống plasmonic ứng dụng ghép kênh phân chia theo bước sóng, nhằm cung cấp kiến thức tảng cho đề xuất nghiên cứu sau luận án Trong tập trung trình bày cấu trúc ống dẫn sóng plasmonic, truyền sóng ống dẫn sóng; mơ hình tính tốn tham số sóng truyền lan ống dẫn sóng; phương pháp phân tích mơ ống dẫn sóng 1.2.2 Plasmonic Plasmonic cộng hưởng điện từ dao động tập thể electron dẫn Công nghệ thiết bị plasmonic tận dụng đặc tính quang học cấu trúc kim loại cỡ nano (cộng hưởng điện từ dao động tập thể electron dẫn, làm tập trung ánh sáng có cấu trúc bước sóng để tăng cường tính truyền dẫn thơng qua chuỗi chu kỳ bước sóng màng mỏng kim loại) để định tuyến điều khiển ánh sáng bước sóng cỡ nanomet 1.2.3 Phân cực plasmon bề mặt Phân cực plasmon bề mặt (SPPs) ích thích điện từ (EM) ết hợp với dao động tập trung electron tự bề mặt im loại, ràng buộc truyền dọc theo giao diện im loại - điện môi 1.2.4 Cộ ƣởng plasmon bề mặt Là kích thích electron tự bên vùng dẫn, dẫn tới hình thành dao động đồng pha Khi ích thước tinh thể nano kim loại nhỏ bước sóng xạ tới, tượng cộng hưởng plasmon bề mặt xuất 1.3 Ống dẫn sóng plasmonic Vận tốc pha phân cực plasmon bề mặt SPPs lan truyền khe hở kim loại ích thước nano phụ thuộc mạnh vào độ rộng khe hở Điều có nghĩa điều khiển vận tốc pha SPPs cách thay đ i độ rộng khe hở Nhờ vào đặc điểm mà thực mạch thiết bị ống dẫn sóng quang ích thước nano Những ống dẫn sóng quang ích thước cỡ nano mét gọi ống dẫn sóng khe hở plasmon bề mặt SPGWs 1.4 C c p ƣơ pháp phân tích mơ sử dụng luận án Q trình thực thiết kế, mô linh kiện đề xuất, nghiên cứu sinh sử dụng công cụ mô đ thương mại hóa hãng Synopsys hãng cung cấp phần mềm mô thiết kế vi mạch điện tử, quang tử vật liệu tiên tiến Các phương pháp mô số dựa việc nghiên cứu trường điện từ, cách thức phân bố trường điện từ hành vi quang sóng dẫn cấu trúc dẫn sóng Các cơng cụ bao gồm: Phương pháp EME, Phương pháp FDTD 1.5 Kết luận c ƣơ Chương mở đầu luận án đ giới thiệu sở lý thuyết tượng plasmon bề mặt, cộng hưởng sóng ánh sáng plasmon bề mặt cấu trúc, trình truyền lan tăng cường sóng plasmon ống dẫn sóng bước sóng, đặc điểm ống dẫn sóng plasmon bước sóng đối tượng áp dụng để thiết kế cấu trúc ống dẫn sóng plasmon kích thước nano mét đóng góp luận án Sau đó, luận án giới thiệu phương pháp phân tích mà mơ số phục vụ cho trình thiết kế tối ưu tham số ống dẫn sóng plasmon bước sóng đề xuất Trong đó, phương pháp mơ truyền mode riêng EME phương pháp sử dụng rộng rãi hiệu toàn kết nghiên cứu, đề xuất thiết kế luận án Như đ phân tích, đánh giá cơng trình nghiên cứu đ công bố kỷ yếu hội nghị, tạp chí khoa học uy tín giới ống dẫn sóng plasmonic cịn số mặt hạn chế cần phải cải thiện như: ích thước cấu kiện, công suất suy hao hấp thụ, phản xạ, suy hao chèn tương đối lớn, băng thơng hoạt động cịn tương đối thấp Do vậy, chương chương 3, NCS đề xuất, thiết kế cấu kiện có chức quay phân cực, c ng logic tồn quang, số lọc bước sóng dựa ống dẫn sóng plasmonic cải thiện mặt hạn chế để ứng dụng hệ thống WDM CHƢƠNG 2: ỐNG DẪN SÓNG LAI GHÉP PLASMONIC SILIC CÓ CHỨC NĂNG QUAY PHÂN CỰC VÀ CÁC CỔNG LOGIC TỒN QUANG KÍCH THƢỚC NANO MÉT Các cấu kiện ống dẫn sóng có chức quay phân cực mode sóng c ng logic quang có vị trí cần thiết cho số yêu cầu kỹ thuật WDM Như việc phải quay phân cực, việc chuyển đ i mức logic mode sóng trước đưa vào thiết bị ghép kênh theo bước sóng hệ thống thông tin quang Để đạt mạch tích hợp nhỏ gọn cần thiết phải đưa cấu kiện ích thước bước sóng, muốn việc chế tạo cấu kiện cần phải ứng dụng công nghệ mới, mà xu hướng chủ yếu dựa hiệu ứng plasmonic Bên cạnh đó, việc chuyển đ i tương tự - số hay lựa chọn tín hiệu đầu theo trạng thái đầu vào để từ thực ghép ênh để truyền đồng thời nhiều tín hiệu đường truyền cần có c ng logic để thực yêu cầu cụ thể hệ thống ghép kênh WDM thực tế Do đó, Chương đề xuất thiết kế hai cấu kiện (1)ống dẫn sóng lai ghép plasmonic - silic có chức quay phân cực (2)các c ng logic toàn quang OR, XOR, NOT, Feynman quang ích thước nano mét để ứng dụng hệ thống WDM 2.1 Ống dẫn sóng lai ghép plasmonic - silic có chức ă quay phân cực kích ƣớc nano mét Đầu tiên, NCS đề xuất cấu trúc ống dẫn sóng lai ghép plasmonic HPWs để bắt giữ ánh sáng lớp giao diện điện môi cỡ vài chục nano mét ứng dụng xử lý quay trạng thái mode phân cực Các cấu trúc dựa kích thích ánh sáng ban đầu lõi ống dẫn sóng hình chữ nhật vật liệu silic, bắt giữ sau xảy lớp lõi silic lớp kim loại sử dụng vật liệu bạc Việc nghiên cứu truyền mode sử dụng kỹ thuật mô số phương pháp FEM EME 2.1.1 Thiết kế cấu trúc phân tích hoạ động Hình 2.1(a) hình 2.1(b) phân tích cấu trúc ống dẫn sóng đề xuất Bước sóng hoạt động cấu trúc thiết kế 0  1550nm TM WAg= 280 nm LAg = 3.2 µm tSiO2 = 40 nm tSi = 350 nm Bạc (Ag) SiO2, nSiO2=1.44 Silic, nSi=3.47 w = 400 nm tAg= 70 nm δ = 120 nm (a) TE (b) Hình Các cấu trúc ống dẫn sóng lai ghép plasmonic HPW: a) ống dẫn sóng HPW với nắp kim loại đặt đối xứng trục b) ống dẫn sóng với nắp kim loại lệch = 120 nm có tác dụng biến đ i quay mode phân cực Qua bước khảo sát để lựa chọn tham số tối ưu cho cầu trúc đề xuất, cấu trúc gồm có lõi silic có chiều dài L = 4.1µm, chiều rộng w=400nm lớp lớp thủy tinh silic (SiO2) dày tsio  40nm phía lớp SiO2 phủ lớp kim loại bạc (Ag) mỏng có chiều dày t f  70nm Chiều dày lớp Silic thiết kế tsi  350nm để tối thiểu hóa suy hao chuyển đ i mode phân cực riêng trước điểm cuối ống dẫn sóng (giảm suy hao hấp thụ vào lớp kim loại tán xạ bên ngồi vỏ) Thiết kế ích thước đảm bảo ích thích đơn mode lõi Si nhờ sử dụng công cụ giải mode kỹ thuật FEM Độ rộng lớp nắp bạc thiết lập ban đầu w Ag  280nm Chiết suất cho lõi Si lớp vỏ thủy tinh Silic (SiO2) 3.47 1.444 bước sóng 1550nm Trong hi đó, hệ số chiết suất kim loại bạc bước 13 Trong trường hợp c ng XOR, ta cố định đầu vào A c ng điều khiển giữ trạng thái mức 1, hi đầu vào B = ta nhận đầu X = 0, ngược lại hi đầu vào B = ta nhận đầu X = Do đó, cặp B X hoạt động c ng NOT logic C) Cổng OR Thực tương tự c ng logic XOR, ích thước d A  dB  240nm , l1  l2  l  LC /  170nm, lx  0nm Din  780nm để nhận chọn thông số dạng phân bố cường độ từ trường H y c ng logic X c ng logic OR tất trạng thái đầu với bảng chân lý c ng OR Trong trường hợp này, việc xác định mức tương tự trường hợp c ng XOR D) Cổng thuận nghịch Feynman Ta điều ch nh số thông số hình học để thực chức c ng thuận nghịch Feynman Thông qua công cụ mô phỏng, giám sát hiệu suất truyền c ng để cấu kiện hoạt động theo bảng chân lý c ng logic Feynman cách thay đ i thơng số ích thước dA, dB, LC, Din chọn thơng số ích thước d A  dB  180nm ,và Din  780nm để nhận dạng phân bố cường độ từ trường H y c ng logic đầu X Dữ liệu mơ cho thấy băng thơng bước sóng tương đối lớn từ 1300nm đến 1620nm để cấu trúc đ đề xuất hoạt động xác bảng chân lý c ng Feynman Do đó, để khơng làm tính t ng quát, rút kết luận chung tất c ng logic plasmonic đề xuất có dải bước sóng rộng 14 Bảng 2 So sánh c ng logic đề xuất với cơng trình đ cơng bố tạp chí chuyên ngành Tài liệu Tài liệu Tài liệu Tiêu Cấ rúc đề tham tham khảo tham chuẩn xuất [J1] khảo [52] [53] khảo [54] Ống dẫn Bộ cộng Ống dẫn Ống dẫn sóng hưởng sóng sóng Cấu plasmonic vòng Lithium plasmonic trúc MIM Niobate MIM Vật liệu Ag, SIO2, silicon Silic, SIO2 LiNbO3 Ag, GaAsInP Cấu kiện đề xuất OR, XOR, NOT, FEYNMAN NOT, OR, AND FEYNMAN AND, OR, NOT Kích ƣớc cấu kiện 340nm x 1,073μm (OR, XOR, NOT GATE);1,25 μm x 963nm (Feynman Gate) > 10μm (đường kính vịng cộng hưởng) 23,8mm x 0,63mm 38,4μm x 0,66 μm Bƣớc sóng 1550nm 1550nm 1550nm 632,8nm Bă thơng >300nm 35nm Không nhắc đến Không nhắc đến Từ bảng 2.2 nhận thấy rằng, cấu trúc đề xuất có ưu điểm vượt trội ích thước nhỏ gọn, băng thông hoạt động lớn so với cấu trúc đ công bố 15 2.3 Kết luậ C ƣơ Như vậy, Chương đ trình bày hai đề xuất, bao gồm: Một đề xuất thiết kế ống dẫn sóng lai ghép plasmonic HPW với ống dẫn sóng silic Khi dịch chuyển nắp kim loại bạc khỏi vị trí tâm để tạo cấu trúc bất đối xứng cách thích hợp cấu trúc ống dẫn sóng thiết bị quay biến đ i trạng thái phân cực Trong dải băng thông 100nm vùng cửa s thông tin quang thứ ba cho thấy cấu trúc quay phân cực có suy hao nhỏ, tầm truyền dài ích thước thiết bị nhỏ Các cấu trúc HPW đề xuất sử dụng mạch tích hợp quang tốc độ cao với ích thước cỡ nano mét Hai đề xuất thiết kế c ng logic XOR, OR, NOT, c ng Feynman quang Các c ng logic plasmonic dựa ống dẫn sóng MIM ích thước nano mét có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn băng thông rộng để xây dựng mạch tích hợp quang tử ích thước nano mét hệ thống thông tin quang CHƢƠNG THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC BƢỚC SÓNG SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG PLASMONIC KÍCH THƢỚC NANO MÉT Chương trình bày đề xuất tạo lọc bước sóng cửa s bước sóng viễn thơng thơng tin ánh sáng iến, sử dụng ống dẫn sóng plasmonic ích thước nano mét theo cấu trúc MIM có độ rộng băng thông lớn, hiệu suất truyền cao dung sai chế tạo lớn Bao gồm: a) Tạo lọc băng 1310nm 1550nm; b) Tạo lọc băng 1310nm, 1430nm 1550nm; c) Tạo lọc bước sóng RGB cho thơng tin VLC 16 3.1 Thiết kế lọc bă sóng 1310nm 1550nm dựa ống dẫn sóng nano plasmonic Phần đề xuất thiết kế lọc bước sóng photonic nhỏ gọn dựa cấu trúc nanoplasmonic kim loại-điện mơi-kim loại Các kết nghiên cứu xác việc sử dụng thuyết ghép mode theo thời gian Phương pháp mô số mô truyền mode riêng sử dụng cho trình thiết kế t ng thể Các kết mô cho thấy hiệu truyền lọc tách sóng có hiệu đáng ể việc lựa chọn chiều dài tối ưu khoang phản xạ hình chữ nhật Cấu trúc đ đề xuất có tiềm lớn việc thiết kế mạch tích hợp nhỏ gọn có hiệu hoạt động cao hệ thống thơng tin quang 3.1.1 Mơ hình ngun lý thiết kế 3.1.1.1 Nguyên lý hoạt động thiết kế cấu trúc hình học Hình Sơ đồ tách bước sóng plasmonic ích thước nano hai bước sóng dựa cấu trúc MIM Hình 3.1 biểu diễn lọc bước sóng plasmonic hai c ng bao gồm nanobus, hai ống dẫn sóng rẽ kênh kích thước 17 nano gọi khoang a, khoang b hai ống hình chữ nhật kích thước nano hoang ích thước cỡ nano Trong phương pháp mô EME, chế độ phân giải thiết lập x  z  5nm không gian hai chiều Chiều rộng khe kim loại đường dẫn ống dẫn sóng thiết lập wt =50nm; Chiều rộng hoang a hoang b thiết lập ban đầu w1 = 60nm w2 = 100nm Khoảng cách tham chiếu khoang a ống dẫn sóng rẽ ênh đường dẫn ống dẫn sóng thiết lập t = 10nm, khoảng cách hoang b đường dẫn ống dẫn sóng thiết lập g = 20nm khoảng cách tham chiếu d = 490nm Sự tồn sóng phân cực TM theo phân bố mode plasmonic c ng đầu vào đường dẫn ống dẫn sóng làm rõ phương pháp mơ EME 3.1.1.2 Tối ưu hóa tham số cấu trúc Quá trình thiết kế thực cách chọn lọc để thấy rõ hiệu suất truyền cao hoang ích thước nano thông qua mô số Bước đầu tiên, thiết kế khoang b theo chiều dọc với chiều dài d2 cho bước sóng 1550nm cộng hưởng cịn bước sóng 1310nm khơng cộng hưởng Qua mơ tìm ích thước tối ưu d2 = 0.68 m , d1  0.82m Như vậy, lọc hai bước sóng 1310nm 1550nm dựa cấu trúc ống dẫn sóng plasmonic MIM có ích thước nhỏ gọn, băng thơng rộng, nhiễu xun âm thấp đ đề xuất Bảng So sánh tách ênh hai bước sóng với cơng trình đ cơng bố tạp chí chun ngành Tài liệu Tiêu Cấ rúc đề Tài liệu tham khảo chuẩn xuất [C2] tham khảo 18 [76] [77] Cấu trúc Ống dẫn sóng plasmonic MIM Ống dẫn sóng plasmonic MIM Ống dẫn sóng lai ghép silicon Vật liệu Ag, khơng khí Ag, khơng khí Silicon, khơng khí Cấu kiện đề xuất Bộ tách kênh hai bước sóng Bộ tách kênh hai bước sóng Tách kênh hai bước sóng Bƣớc sóng làm việc 1310nm, 1550nm 700nm, 1800nm 1310nm, 1550nm Bă thông 80nm - 100nm Không nhắc đến Không nhắc đến Kíc ƣớc cấu kiện 1,7μm x 3,4μm 0,6μm x 1,6μm 6μm x 100μm Hiệu suất truyền cổng -5dB (31,6%) > 90% Không nhắc đến Suy hao hấp thụ -1,8dB, -3,7dB Không nhắc đến Không nhắc đến < -20dB Không nhắc đến -18dB Nhiễu xuyên âm Từ Bảng 3.1 thấy cấu trúc đề xuất so sánh với kết công bố tài liệu tham khảo [77] có bước sóng hoạt động 1310nm 1550nm cấu trúc đề xuất có ưu điểm vượt trội ích thước nhỏ gọn nhiêu xuyên âm thấp Tuy nhiên, ết cơng bố tài liệu tham 19 khảo [76] có ích thước nhỏ gọn hơn, hiệu suất truyền cao cấu trúc ống dẫn sóng thiết kế cho dải sóng hoạt động 700nm 1800nm Điều hồn tồn dễ hiểu hai dải bước sóng cách xa nhau, việc tách dải hồn tồn khơng bị ảnh hưởng nhiễu xuyên âm, chồng lấn pha,…Bên cạnh đó, hai dải bước sóng hồn tồn khơng sử dụng ph biến thông tin quang 3.2 Bộ lọc bă 1310 m, 1430 m 1550 m dựa ống dẫn sóng nano plasmonic MIM Phần đề xuất thiết kế lọc bước sóng nano plasmonic cho dải bước sóng ph biến s viễn thơng 1310nm, 1430nm 1550nm dựa cấu trúc tách kênh ống dẫn sóng MIM sử dụng cộng hưởng FabryPerot hình chữ nhật cặp ống dẫn sóng (double stub waveguide) Kết đ chứng minh lọc ba bước sóng plasmonic ích thước nano mét tách bước sóng 3dB đ thực hiệu chức thêm/bớt/tách bước sóng ứng dụng thiết bị WDM, chẳng hạn cho mạng truy nhập quang hay hệ thống tính tốn quang có độ tin cậy cao chế độ viễn thông mạng truy nhập quang hệ thống tính tốn quang 3.2.1 Mơ hình ngun lý thiết kế Sơ đồ nguyên lý lọc bước sóng đề xuất mơ tả hình 3.8 Cấu kiện bao gồm ống dẫn sóng SiO2 đặt theo phương thẳng đứng, cặp óng dẫn sóng ích thước nano mét đối xứng đặt theo phương nằm ngang ba ống dẫn sóng SiO2 hình chữ nhật ích thước nano mét đặt theo 20 phương nằm ngang thiết kế để ghép nối có chọn lọc với dải bước sóng nhằm thực chức tách kênh w Cavity2 Port 1430 nm l2 Port 1550 nm l3 Port 1310 nm L L w L2 t2 Cavity3 w L3 t3 D D2 Cavity1 w D3 L1 l1 t1 w D SPP wave Silver (Ag) p-polarized (TM mode) SiO2 Hình Sơ đồ nguyên lý lọc bước sóng dựa cấu trúc ống dẫn sóng MIM Tất ống dẫn sóng có chiều rộng w Cặp ống dẫn sóng nano có chiều dài L cho nhánh Ba khoang có tên Cavity1, Cavity2, Cavity3 c ng có tên port1, port2, port3 Bảng So sánh tách ênh ba bước sóng với cơng trình đ cơng bố tạp chí chun ngành Cấu trúc Tài liệu Tài liệu Tài liệu Tiêu đề xuất tham khảo tham tham chuẩn [92] khảo [94] khảo [97] [J2] Ống dẫn Ống dẫn Ống dẫn Ống dẫn sóng sóng sóng sóng Cấu plasmonic plasmonic plasmonic plasmonic trúc MIM MIM MIM MIM Vật liệu Ag, SIO2 Ag, SIO2 Ag, khơng khí Ag, khơng khí Cấu kiệ đề xuất Bộ tách kênh ba bước sóng chia bước sóng 3dB Bộ tách kênh hai bước sóng Bộ tách Bộ tách kênh ba kênh ba bước sóng bước sóng 21 Bƣớc sóng làm việc 1310nm, 1430nm 1550nm 1340nm, 1550nm 712nm, 820nm 928nm 1220nm, 1281nm, 1389nm Bă thông 90nm, 80nm, 100nm Không nhắc đến Không nhắc đến 54nm, 46nm, 53nm 0,5μm x 0,9μm > 3μm x 1,072μm 26%, 25%, 31% Kích ƣớc tồn cấu kiện 1,77μm x 1,72μm Chiều dài lớn 2,25μm, chiều rộng không nhắc đến Hiệu suất truyền cổng -5.37dB (29%) (1310nm), -6.19dB (24%) (1430nm) -5.68dB (27%) (1550nm) - 4dB (1340nm), 5dB (1550nm) 70% Suy hao hấp thụ < -1dB Không nhắc đến Không nhắc đến Suy hao phản xạ < - 10dB Không nhắc đến Không nhắc đến < -15dB Không nhắc đến Không nhắc đến w  2nm Không nhắc đến Không nhắc đến Nhiễu xuyên âm Dung sai chế tạo Không nhắc đến 22 Từ Bảng 3.2 cho thấy, cấu trúc đề xuất có ưu điểm vượt trội ích thước nhỏ gọn, hiệu suất truyền đạt cao, suy hao hấp thụ, phản xạ nhiễu xuyên âm thấp Đặc biệt cấu trúc đề xuất có xem xét đến dung sai chế tạo cho phép, yếu tố quan trọng trình chế tạo thực tế cấu kiện Tuy nhiên, so sánh với kết tài liệu tham khảo [94] cấu kiện đề xuất có ích thước lớn hơn, hiệu suất truyền đạt thấp Điều ống dẫn sóng tài liệu tham khảo [94] thiết kế hoạt động cho dải bước sóng hông sử dụng ph biến cửa s bước sóng viễn thơng nay, cấu trúc đề xuất thiết kế hoạt động cho dải bước sóng sử dụng ph biến cửa s bước sóng viễn thông 3.3 Thiết kế lọc bƣớc sóng RGB để ứng dụng cho xử lý ảnh, trộn màu truyền hình, thơng tin VLC Trong phần này, đề xuất lọc bước sóng RGB nhỏ gọn thiết bị tách bước sóng plasmonic có ích thước nano mét dựa cấu trúc MIM Kết mô cho thấy hiệu suất truyền lọc rẽ kênh RGB đạt hiệu đáng ể cách áp dụng ống dẫn sóng khoang cộng hưởng FabryPerot ích thước nano tối ưu hóa Hiệu quang học tương đối tốt với suy hao truyền < -8dB, mức tín hiệu nhiễu quang lớn -10dB 30nm băng thông cho ba dải RGB Cấu trúc đề xuất có tiềm mạnh mẽ cho việc thiết kế mạch tích hợp siêu nhỏ gọn hiệu cao hệ thống thông tin quang ích thước nano 23 3.3.1 Mơ hình nguyên lý thiết kế Q Ey S’-2 S-2 Hz t Ex d1 O S+1 SPP mode S-1 Ag P Air w1 Khoang cộng hưởng b (Cavityb) g1 S’+1 S’+3 S’-3 g2 S’-1 Khoang cộng hưởng a (Cavitya) w2 Ống dẫn sóng S-3 wt d2 Các mặt phẳng tham chiếu D Hình 3 Sơ đồ lọc plasmonic dựa hiệu ứng đào hầm cộng hưởng khoang nano ống dẫn sóng MIM Bảng 3 So sánh lọc bƣớc sóng RGB với cơng rì đƣợc cơng bố tạp chí chun ngành Tiêu chuẩn Cấ rúc đề xuất [J3] Tài liệu tham khảo [122] Tài liệu tham khảo [123] Cấu trúc Ống dẫn sóng plasmonic MIM Ống dẫn sóng polycarbonate Sợi tinh thể quang tử PCF Vật liệu Ag, khơng khí Polycarbonate, khơng khí silicon-nitride (Si3N4) Cấu kiện đề xuất Bộ tách kênh ba bước sóng RGB Bộ tách kênh ba bước sóng RGB Bộ tách kênh ba bước sóng RGB Kích ƣớc toàn cấu kiện 2,2μm x 3,2μm 4μm x 4μm 3μm x 3μm Bƣớc sóng làm việc 465nm, 520nm 640nm 450nm, 530nm, 600nm 450nm, 550nm, 650nm 24 Bă thông 30nm cho bước sóng 11.3nm, 8.2nm, 5.6nm 16.3nm, 6.1nm, 5.9nm Suy hao truyền -8dB 0.901dB, 0.828dB, 1.246dB 1.675dB, 1.7dB, 2.26dB Tỷ số tín hiệu/nhiễu >10dB Khơng nhắc đến Khơng nhắc đến Từ Bảng 3.3 thấy rằng, cấu trúc đề xuất có ưu điểm vượt trội ích thước nhỏ gọn, băng thông hoạt động lớn, suy hao truyền dẫn thấp nhiều so với kết đ công bố tài liệu tham khảo [122] [123] 3.4 Kết luận C ƣơ Chương đ trình bày ba đề xuất, bao gồm: Một là, đề xuất cấu trúc lọc hai bước sóng plasmonic sở lọc rẽ kênh ống dẫn sóng plasmonic MIM với có mặt khoang phản xạ ghép nối bề mặt Mô EME cho thấy hiệu suất truyền tách ênh hai bước sóng 1310nm 1550nm đạt hiệu tốt cách chọn độ dài tối ưu đặc biệt khoang phản xạ Hai là, đề xuất lọc ba bước sóng sử dụng ống dẫn sóng MIM với vách ngăn mỏng cặp ống ích thước nano mét đ thực phần giống cộng hưởng FP lựa chọn bước sóng Bộ lọc bước sóng có băng thơng rộng hiệu suất cao, ích thước nhỏ gọn cỡ nano mét chia bước sóng 3dB băng rộng đ chứng minh chi tiết thông qua phương pháp mô EME Để thiết bị đ đề xuất có băng thơng hẹp chuyển đ i bước sóng cao dựa vào chế cộng hưởng Fano dạng đường thẳng - 25 phương pháp để thiết kế phần tử có ích thước cỡ nano mét khả chuyển đ i bước sóng cao thơng tin quang máy tính, đặc biệt hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng hệ thống chuyển mạch Ba là, đề xuất lọc bước sóng RGB dựa ống dẫn sóng plasmonic MIM có ích thước nano mét Kết mơ cho thấy bước sóng cộng hưởng khoang hẹp điều khiển cách điều ch nh chiều dài khoang Hệ thống ống dẫn sóng plasmonic đề xuất có ứng dụng tiềm thiết bị quang tích hợp cao, chẳng hạn lọc RGB, kỹ thuật WDM plasmonic đa ênh ích thước nano hệ thống chuyển mạch quang Kế ậ ƣớ p riể Hai đóng góp hoa học luận án: 1) Đề xuất thiết kế ống dẫn sóng lai ghép plasmonic HPW có chức quay phân cực cổng logic XOR, OR, NOT, cổng Feynman quang thuận nghịch dựa ống dẫn sóng plasmonic kích thước nano mét theo cấu trúc MIM 2) Đề xuất thiết kế ống dẫn sóng plasmonic kích thước nano mét theo cấu trúc MIM để tạo lọc bước sóng quang có độ rộng băng thơng lớn, hiệu suất truyền cao cho phép dung sai chế tạo phù hợp Hƣớng phát triển thời gian tới Toàn nội dung kết đạt luận án ch hướng nghiên cứu ứng dụng ống dẫn sóng nano plasmonic ghép ênh phân chia theo bước sóng khả thi có tiềm cao Hướng phát triển thời gian tới triển khai thực thử nghiệm phương pháp đề xuất mạch phần 26 cứng, từ có kết đo thực tế hiệu suất làm việc, tỷ lệ suy hao hấp thu, nhiễu xuyên âm ích thước thực tế mạch So sánh kết đo đạc thực tế với kết lý thuyết mô số ta có đánh giá xác nội dung khoa học đ đề xuất áp dụng thiết bị vào thiết bị hệ thống thông tin liên lạc thực tế DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ [C1] Nguyễ Vă Tài, Nguyễn Tấn Hưng, Đặng Hoài Bắc, Trương Cao Dũng, “Các cấu trúc ống dẫn sóng lai ghép Plasmonic - Silic sử dụng nắp kim loại bạc quay phân cực cho mạch quang tử ích thước nano”, REV-ECIT 2017 [C2] Tai Nguyen Van, Tuan Do Huu, Hung Nguyen Tan, Cao Dung Truong and Bac Dang Hoai, “Dualband-wavelength demultiplexer based on the nanoplasmonic MIM waveguides”, 2018 International Conference On Advanced Technologies For Communications, 2018, Ho Chi Minh City, Vietnam [J1] Nguyen Van Tai, Do Huu Tuan, Nguyen Tan Hung, Dang Hoai Bac and Truong Cao Dung, “All Optical logic gates base on nanoplasmonic MIM waveguides”, The University of Danang, Journal of Science and Technology: Issue on Information and Communications Technology, Vol.18, No.12.2, 2020 [J2] Nguyễ Vă Tài, Trương Cao Dũng, Đặng Hoài Bắc, “Bộ tách ghép ênh RGB quang ích thước nano dựa ống dẫn sóng MIM-Plasmonic”, Tạp chí Khoa học Công nghệ thông tin Truyền thông, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng, Số 4A.2020 [J3] Cao Dung Truong, Tai Nguyen Van, Minh Tuan Trinh, Hoang Chu Manh, Hung Nguyen Tan and Bac Dang Hoai, “Triple-wavelength filter based on the nanoplasmonic metal-insulator-metal waveguides”, Optical and Quantum Electronics, Vol.53, No.223, 2021