Nghiên cứu tính toán thiết kế các mạch tích hợp giao thoa đa mode dùng trong mạng toàn quang (TT)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƢƠNG CAO DŨNG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC MẠCH TÍCH HỢP GIAO THOA ĐA MODE DÙNG TRONG MẠNG TOÀN QUANG Chuyên nghành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62520208 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2015 Công trình này được 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: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Vào hồi giờ, ngày tháng năm 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 thông tin toàn quang (AON) là mạng thông tin được xây dựng từ tất cả những thành phần, vi mạch, cấu kiện, thiết bị để thực hiện các chức năng xử lý tín hiệu trong miền quang không qua quá trình chuyển đổi tín hiệu sang miền điện. Phương pháp xử lý tín hiệu toàn quang có ưu điểm nổi bật về: tốc độ xử lý, băng thông cao, dễ phối ghép, mật độ tích hợp cao và dễ đóng gói. Đó là cách thức để xây dựng mạng toàn quang. Các mạch tích hợp quang tử –PICs mà phổ biến được xây dựng từ các mạch quang phẳng – PLCs là một ứng cử viên tốt để xây dựng các mạch quang thích hợp cho mạng thông tin quang với bốn ưu điểm: (1) chức năng được nâng cao, (2) suy hao rất thấp, (3) kích thước rất nhỏ gọn và (4) tiềm năng để chế tạo hàng loạt. Các PLCs dựa trên các ống dẫn sóng có nguyên lý dẫn sóng quang tương tự như trong sợi cáp quang nên hiện nay chúng được sử dụng rộng rãi trong các mạch tích hợp và các phần tử, cấu kiện của mạng toàn quang. Các bộ ghép giao thoa đa mode MMI (multimode interference) là các ống dẫn sóng quang, chúng hoạt động dựa trên nguyên lý tự tạo ảnh và được phát triển rất nhanh trong những năm gần đây. Bộ ghép đa mode có những 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 và đặc biệt là tương thích với công nghệ chế tạo bán dẫn CMOS. Tuy nhiên, khả năng áp dụng của các bộ ghép giao thoa đa mode cho các mạch tích hợp xử lý tín hiệu toàn quang còn nhiều cơ hội và thách thức cho nghiên cứu khoa học. Khả năng áp dụng các bộ ghép giao thoa đa mode để tạo ra các bộ chia công suất với các tỷ số chia đa dạng, các bộ chia chùm phân cực, các bộ chuyển mạch quang không chặn nhiều cổng, các bộ ghép kênh ba bước sóng, các bộ ghép kênh phân chia theo mode,v.v. Đó cũng chính là những tiềm năng và động lực nghiên cứu cho luận án này. Đối tƣợng và mục tiêu nghiên cứu Tóm lược những thảo luận ở trên, luận án hướng đến những đối tượng nghiên cứu sau: - Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu những tính chất, đặc điểm vật lý nổi bật của các bộ ghép giao thoa đa mode. Sau đó, sử dụng những ưu thế của cấu trúc giao thoa đa mode với các cấu hình, cấu trúc hình học, vật liệu khác nhau để đề xuất xây dựng vài thành phần chức năng mới của các mạng xử lý tín hiệu toàn quang. - Phương pháp tiếp cận: Xây dựng nên các mạch tích hợp, cấu kiện được đề xuất có cấu trúc mới hoặc được cải tiến để đạt được chất lượng hiệu năng quang học tốt hơn nhờ những lợi điểm của bộ ghép đa mode. Các kết quả đạt đƣợc Luận án tập trung nghiên cứu đề xuất các thiết kế sử dụng các bộ ghép đa mode để tạo ra một số thành phần, cấu kiện vi quang mới. Cụ thể cần đạt được hướng tới một số kết quả như sau:  Đề xuất sử dụng bộ ghép giao thoa đa mode với các bộ ghép cơ sở để ghép tầng tạo ra các bộ chia công suất có nhiều tỷ số chia công suất bất đối xứng mới và sử dụng bộ ghép giao thoa đa mode được khắc hình cánh bướm trên nền vật liệu silic và thủy tinh silic để tạo ra bộ chia chùm phân cực.  Thiết kế bộ chuyển mạch quang mới dựa trên ghép các bộ ghép đa mode theo cơ chế giao thoa kế Mach Zehder – MZI. Trong đó, đề xuất sử dụng các ống dẫn sóng truy nhập ngoài cùng nối giữa các vùng đa mode là các bộ dịch pha cho các hoạt động của trạng thái chuyển mạch với sự điều khiển pha điều khiển được.  Đề xuất sử dụng bộ ghép đa mode để thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310 nm, 1490 nm, 1550 nm (được gọi là các bộ triplexer) dùng trong các mạng quang truy nhập FTTH. Tổ chức luận án Nền tảng lý thuyết được trình bày trong chương 1. Các nội dung được đề xuất và thiết kế các cấu kiện vi quang sử dụng giao thoa đa mode được trình bày chuyên sâu trong Chương 2, Chương 3 và Chương 4. Ba chương này thể hiện toàn bộ đóng góp khoa học của luận án. Cuối cùng là các kết luận và hướng phát triển của luận án. 1 Chƣơng 1 Giao thoa đa mode và mô phỏng BPM 1.1 Giao thoa đa mode Giao thoa đa mode là hiện tượng ảnh tự chụp theo chu kỳ. Đó là một đặc tính của các ống dẫn sóng đa mode, được mô tả lần đầu tiên bởi Talbot et.al. Sau này, Ulrich giải thích chi tiết sâu hơn về mặt lý thuyết và trình bày ứng dụng thực tế của nó trong quang tích hợp. 1.1.1 Cơ sở truyền sóng trong ống dẫn sóng Ánh sáng là một 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, chính là phương trình Helmholtz nổi tiếng: 2 E 2 E    n2 ( x, y )k02   2  E  0 (1.18) x 2 y 2 1.1.2 Ống dẫn sóng đa mode và phân tích truyền mode Phương pháp phân tích truyền mode được sử dụng để mô tả hiện tượng giao thoa đa mode trong ống dẫn sóng. Sử dụng phân tích truyền mode để công thức hóa ảnh có tính chu kỳ. Phương pháp này đưa vào một trường đầu vào, sau đó nó sẽ kích thích cơ chế giao thoa và tự chụp ảnh trong miền ống dẫn sóng đa mode, tính toán trường đầu ra bằng tái kết hợp các trường được truyền. Các ống dẫn sóng truy nhập Ống dẫn sóng đa mode (MMI waveguide) Các ống dẫn sóng truy nhập 1 N N-1 M-1 1 M Hình 1.1. Sơ đồ của một ống dẫn sóng đa mode N×M theo hình chiếu bằng. Cấu trúc trọng tâm của cấu kiện giao thoa đa mode (MMI) là một ống dẫn sóng được thiết kế để dẫn số lượng lớn các mode sóng. Đó gọi là bộ ghép giao thoa đa mode N  M (xem Hình 1.1). Hình 1.1 thể hiện một ống dẫn sóng hai chiều chiều rộng WMMI , hệ số chiết suất (hiệu dụng) sườn nr và hệ số chiết suất vỏ (hiệu dụng) là nc. Ống dẫn sóng ỗ trợ m mode ngang với số mode tại bước sóng không gian tự do  . Số sóng ngang k x và hằng số truyền  có quan hệ: k x2  2  k02 nr2 2 k0  (1.19) (1.20)  Và điều kiện hình thành sóng đứng: We kx    1  (1.21) Ở đây, độ rộng hiệu dụng mode tính theo độ sâu thẩm thấu của mỗi trường mode kết hợp với dịch Goos-Hanchen tại biên. Với các ống dẫn sóng tương phản hệ số chiết suất giữa lớp lõi và vỏ cao thì độ sâu thẩm thấu là rất nhỏ nên độ rộng mode hiệu dụng xấp xỉ với độ rộng hiệu dụng: We  We WMMI    n     c      nr  2 1 (1.22) nr2  nc2 Ở đây   0 cho mode phân cực TE và   1 cho mode phân cực TM. Bằng cách sử dụng xấp xỉ hàm Taylor bậc hai với: kx2 k02 nr2 , hằng số truyền  có thể được rút gọn từ các phương trình (1.19) và (1.21) là :   k0 nr 2   1    (1.23) 4nrWe2 Do đó, hằng số truyên trong một ống dẫn sóng đa mode chiết suất bậc cho thấy sự phụ thuộc bình phương với số mode  . 2 Bằng cách định nghĩa L là nửa chiều dài phách của hai mode bậc thấp nhất: L   0  1 Khoảng cách các hằng số truyền được viết lại là :  0      4nrWe2 3 (1.24)  (  2) (1.25) 3L Trường  ( x, z ) truyền dọc theo trục z có thể được xem như là sự siêu xếp chồng của tất cả các mode được dẫn được viết ở dạng : m 1   (  2)   ( x, z )   c  ( x) exp  j z (1.30) 3L  0   Trong đó:  ( x) là phân bố mode bậc thứ  và cv là hệ số kích thích mode bậc thứ . Dạng của trường sóng  ( x, z  L) và cuối cùng kiểu của ảnh được tạo sẽ được xác định bởi hệ số kích thích c và đặc tính của nhân tử pha mode :   (  2) exp  j 3L   L  (1.31) 1.1.3 Giao thoa tổng quát – GI Cơ chế giao thoa tổng quát (GI) là độc lập với sự kích thích mode, tức là không giới hạn vào hệ số kích thích mode c . Chúng ta tóm tắt các kết quả sau đây: Giao thoa tổng quát cho cấu trúc N đầu vào sẽ được tạo dạng ở khoảng cách: p L  (3L ) (1.36) N N-ảnh đứng được định vị tại vị trí xi với pha i được tính bởi L.B.Soldano et.al là: W xi  p(2i  N ) e N , (1.40) i  1, 2,3...N  i  p( N  i ) N Phương trình trên chứng tỏ N ảnh đứng được tạo tại vị trí xi, góc pha φi, biên độ 1/ N . Cơ chế giao thoa cho phép nhận ra một bộ ghép quang N×N hoặc N×M. Trường hợp ngắn nhất là p=1. Khi đó, quan hệ về pha liên kết rs của ảnh giữa đầu ra thứ r và đầu vào thứ s của bộ ghép N×N là: rs  Và: rs   4N  4N ( s  1)(2 N  r  s)   với r  s chẵn (1.42) (r  s  1)(2 N  r  s  1) với r  s lẻ (1.43) 1.1.4 Giao thoa hạn chế -RI Một cơ chế khác là giao thoa hạn chế. Cơ chế này phụ thuộc vào sự kích thích mode. Phần này tìm hiểu khả năng có thể và cách tạo ra các bộ ghép MMI mà chỉ vài mode được kích thích trong vùng MMI bởi trường đầu vào. Sự kích thích có chọn lọc này có liên quan đến nhân tử pha mode  (  2) , nó cho phép cơ chế giao thoa mới với chu kỳ ngắn hơn. Để ý rằng: (1.44)  (  2)  0 mod(3) với   2,5,8,11,... Rõ rằng chiều dài chu kỳ của nhân tử pha mode sẽ giảm đi 3 lần nếu: c  0 , với   2,5,8,11,... (1.45) Tổng quát cho hệ thống N ảnh đứng sẽ được tạo ra tại khoảng cách: 3 p ( L ) với p  0,1, 2 N Ở đây: p  0, N  1 là các số nguyên và nguyên tố cùng nhau. Pha liên kết ik của ảnh giữa đầu ra thứ k và đầu vào thứ i được tính theo công thức: L ik    (i 2  k 2 )   nếu Aik  0 3N 2 2  (i 2  k 2 )  3 ik   k  nếu Aik  0 3N 2 2 k  (1.47) (1.48) (1.49) i  N  k   2 sin   là biên độ ảnh kết hợp từ đầu vào thứ i và đầu ra thứ k. N  2N  1.1.5 Ống dẫn sóng hình búp măng Để giảm phản xạ tại mặt cuối của cấu trúc giao thoa đa mode, hoặc để cải thiện khả năng bắt giữ của ánh sáng và làm tăng chất lượng ảnh giao thoa, một cấu trúc ống dẫn sóng hình búp măng (taper waveguide) hay còn được gọi là ống dẫn sóng côn cũng được sử dụng trong nhiều ứng dụng. Với Aik  1.2 Các phƣơng pháp phân tích ống dẫn sóng 1.2.1Phƣơng pháp Marcatili Phương pháp Marcatili thường được sử dụng để phân tích cấu trúc ống dẫn sóng 3D. Theo đó, phân bố trường cho các mặt phẳng 3D được quy về 2D và được sắp xếp thành các vùng phân bố điện trường. Sau đó, giải các hệ phương trình dựa trên hàm phân bố điện trường kết hợp với các điều kiện biên liên tục của điện trường và vi phân của nó tại các bờ phân cách của các vùng. 1.2.2 Phƣơng pháp hệ số hiệu dụng Tuy phương pháp Marcatili xấp xỉ từ 3D về 2D khá hiệu quả song các tính toán còn khá phức tạp. Để đơn giản một phương pháp khác được đề xuất, đó là: phương pháp hệ số hiệu dụng EIM (effective refractive index). Bằng cách sử dụng phương pháp EIM, một mô hình 3D có thể được đơn giản chuyển đổi về mô hình 2D. Điện trường trong phương pháp EIM giả sử được tách riêng thành hai trường theo hai hướng x và y độc lập với nhau: (1.65) E( x, y)  X ( x).Y ( y) Thế vào phương trình Helmholtz (1.18), thực hiện các phép tính vi phân ta được: 1  2 X 1  2Y (1.66)    n2 ( x, y )k02   2   0 2 2 X x Y y Ta giải phương trình này bằng cách thế hệ số gọi là hệ số hiệu dụng thành hai phương trình riêng rẽ sau đây: 1 2 X 2 (1.67)   n2 ( x, y)k02  neff ( x)   0 X x 2  1  2Y 2 (1.68)   neff ( x)k02   2   0 2 Y y Bằng cách giải phương trình (1.67) ta nhận được nghiệm neff ( x) gọi là hệ số (chiết suất) hiệu dụng. Sau đó giải tiếp phương trình (1.68) ta tìm ra được hằng số truyền  . 1.2.3 Phƣơng pháp hệ số hiệu dụng hiệu chỉnh Phương pháp hệ số hiệu dụng sử dụng rất hiệu quả trong việc phân tích cấu trúc ống dẫn sóng bằng cách xấp xỉ từ không gian ba chiều rút gọn về không gian hai chiều, làm giảm độ phức tạp tính toán các phương trình vi phân đạo hàm riêng. Từ đó, rút ngắn thời gian thực hiện tính toán mô phỏng số cho cấu trúc. Tuy nhiên, trong một số trường hợp cụ thể với cấu trúc ống dẫn sóng thích hợp ta có thể cải tiến phương pháp hệ số hiệu dụng bằng một phương pháp mới có tên gọi là phương pháp hệ số hiệu dụng được biến đổi MEIM (Modified effective index method) 4 Mô phỏng số để mô hình hóa và phân tích các đặc tính ảnh tự chụp về biên độ, pha phức cũng như giải mode cho các ống dẫn sóng.Có nhiều phương pháp hiệu quả để giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng cho các cấu trúc ống dẫn sóng, quan trọng nhất là phương pháp FDM. Chú ý là trong các lời giải số học cho các phương trình vi phân đạo hàm riêng, điều kiện biên phải được xác định và vùng tính toán không thể không xác định. Có vài điều kiện biên được đề xuất áp dụng, phổ biến là các điều kiện biên trong suốt TBC và lớp thích hợp hoàn hảo PML. Điều kiện biên TBC thường được sử dụng trong các phương pháp mô phỏng số BPM. 1.3 Các phƣơng pháp mô phỏng số học Mô phỏng số để mô hình hóa và phân tích các đặc tính ảnh tự chụp về biên độ, pha phức cũng như giải mode cho các ống dẫn sóng.Có nhiều phương pháp hiệu quả để giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng cho các cấu trúc ống dẫn sóng, quan trọng nhất là phương pháp FDM. 1.3.1 Phƣơng pháp truyền chùm BPM FDM như trình bày ở trên là cách giải các mode riêng cho một ống dẫn sóng. Tuy nhiên, FDM không thể nghiên cứu các đặc tính truyền của ống dẫn sóng biến đổi theo trục z như cấu trúc ống dẫn sóng giao thoa đa mode chẳng hạn. Với cấu trúc này, phương pháp mô phỏng chẳng hạn như phương pháp truyền chùm BPM (Beam Propagation Method) là bắt buộc. BPM có thể kết hợp với các dạng mô phỏng số khác nên có nhiều kiểu. Có thể kể ra các 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) là một đặc trưng vật lý quan trọng để tìm hiểu cách thức hình thành và sự truyền của các mode sóng quang trong ống dẫn sóng. Suy rộng ra là sự tìm hiểu các đặc tính phân bố của trường điện từ về pha, biên độ, hằng số truyền, số sóng và vị trí trong ống dẫn sóng. Có nhiều kỹ thuật để giải mode trong ống dẫn sóng trên phương pháp BPM, gần đây một kỹ thuật mới được phát triển là kỹ thuật BPM khoảng cách ảo cho phép chạy mô phỏng rất nhanh. 1.4 Kết luận chƣơng Chương này của luận án giới thiệu cơ sở lý thuyết hiện tượng tự tạo ảnh trong ống dẫn sóng có hỗ trợ kích thích giao thoa đa mode và các phương pháp phân tích ống dẫn sóng bằng giải tích cùng mô phỏng số học. Các cơ chế giao thoa cơ bản sẽ xác định biểu thức toán học quan hệ quang lý về pha, biên độ, nửa chiều dài phách, hay còn gọi là đặc trưng ma trận truyền đạt. Sau đó, luận án giới thiệu các phương pháp mô phỏng số hiệu quả cho việc phân tích, thiết kế và tối ưu các cấu trúc ống dẫn sóng giao thoa đa mode. Trong đó: phương pháp mô phỏng truyền chùm BPM là phương pháp được sử dụng một cách rộng rãi và hiệu quả trong toàn bộ các kết quả nghiên cứu, các đề xuất thiết kế mới của luận án. Công cụ mô phỏng Beam PROP dựa trên phương pháp BPM của hãng Rsoft Inc – Synopsys xây dựng dựa trên phương pháp BPM với nhiều tiện ích mô phỏng đã được kiểm chính về độ chính xác và sử dụng trong nhiều nghiên cứu đã công bố gần đây về quang tích hợp (xem tham khảo thêm tại website theo đường dẫn: http://optics.synopsys.com/rsoft/rsoft-passivedevice-beamprop.html). Luận án này sử dụng các công cụ mô phỏng Beam PROP để nghiên cứu tính toán, mô phỏng tối ưu trong các đề xuất các thiết kế của mạch tích hợp quang dựa trên các ống dẫn sóng giao thoa đa mode. Những cấu kiện chức năng xử lý tín hiệu toàn quang trong những đóng góp khoa học ở những chương tiếp theo của luận án. Chƣơng 2 2. Bộ chia công suất nhiều tỷ số và chia chùm phân cực sử dụng giao thoa đa mode 2.1 Bộ chia công suất nhiều tỷ số dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode Các bộ ghép nối giao thoa đa mode (MMI coupler) được sử dụng để chia công suất không cân bằng là rất cần thiết cho các ứng dụng của mạch tích hợp như: bộ chỉnh công suất, bộ cộng hưởng vòng chất lượng cao, các bộ phản xạ từng phần đối xứng gương vòng. Các bộ ghép định hướng kiểu ghép giao thoa MZI để chia công suất nhưng các bộ ghép này có tính ổn định không cao, yêu cầu độ chính xác cao hơn nữa băng thông không được cao. Một số bộ ghép 2×2 MMI mắc với nhau kiểu MMI-MZI với hai cánh được điều khiển pha bằng các hiệu ứng như plasma, điện-quang có thể tạo ra các bộ chia công suất với tỷ số chia biến điệu được nhưng rõ ràng là cấu trúc phức tạp. D. J. 5 Y. Feng et.al đề xuất sử dụng các bộ ghép cơ sở ghép 2 tầng với nhau cũng cho kết quả tạo ra 7 tỷ số chia mới không được đa dạng. Phần này, luận án giới thiệu một cách mới để đạt được các bộ ghép phân chia công suất với các tỷ số chia công suất mới bằng cách ghép nối liên tiếp ba hoặc bốn phần MMI loại 2×2 được cải tiến với nhau. Các cấu kiện được đề xuất có thể cung cấp 19 tỷ số phân chia công suất mới. Các ống dẫn sóng xây dựng trên nền tảng vật liệu SOI với lớp vỏ sử dụng vật liệu thủy tinh silic oxide. Phân tích lý thuyết dùng để thiết kế và sau đó phương pháp mô phỏng 3D-BPM kết hợp với phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng được sử dụng để tối ưu cấu trúc các cấu kiện này. y LMMI z b1 a1 Đầu vào s SiO22 wa Bộ ghép đa mode (MMI) Đầu ra s WMMI x a2 b2 z nc a) nc nr x WMMI nr Lõi hco Si Lớp vỏ SiO2 Lớp đế Si (substrate) b) Hình 2.1. Cấu trúc của một bộ ghép giao toa đa mode cơ bản 2×2 MMI 2.1.1 Nguyên lý thiết kế Hình 2.1 thể hiện một cấu trúc của một bộ ghép đa mode đơn. Bộ ghép đa mode 2×2 có chiều rộng là WMMI và chiều dài LMMI. Độ rộng của các ống dẫn sóng đầu vào và đầu ra được giả thiết là wa. Thiết lập s là khoảng cách giữa hai ống dẫn sóng song song ở đầu ra, nhằm để tối thiểu hóa kích thước của cấu kiện, tham số s được chọn là nhỏ nhất có thể. Để đạt được một bộ ghép với nhiều tỷ số chia đầu ra phân tầng bằng cách ghép liên tiếp từ 3 đến đến 4 bộ ghép đa mode lại với nhau. Hoán vị các cách ghép này ta có thể tạo ra 19 tỷ số chia mới (so với 7 tỷ số chia cũ). Trong đó, các bộ ghép đa mode có cùng khoảng tách biệt giữa các ống dẫn sóng truy nhập s. Nói chung, độ rộng của bộ ghép nối đa mode có thể được viết bằng WMMI=r.s với r là hệ số không đổi phục thuộc cơ chế giao thoa đa mode. Bốn bộ ghép cơ sở theo cơ chế giao thoa tổng quát hoặc hạn chế với sự bố trí cấc cổng đầu vào thích hợp ta thu được các ma trận truyền đạt đặc trưng như sau : Trường hợp A (MMI-A) (κ=0.5, r=1.44): Ma trận truyền đạt xác định bởi biểu thức: π   -j π j   4 e 4  1 e MA  (2.4) π 2 π -j   j e 4 e 4    Trường hợp B (MMI-B) (κ=0.5, r=3):Ma trận truyền đạt của được cho bởi: π  π -j   j4 e 4 1 e (2.5) MB  π 2 π j   -j e 4 e 4    Trường hợp C (MMI-C) (κ=0.85, r=2): Ma trận truyền đạt được cho bởi: 3π    3π  j 8  cos  - e 1   8  MC  π 2 -j   π 8  cos - e  8  π -j  π 8 cos  - e  8 3π j  3π  8 cos - e  8          (2.6) Trường hợp D (MMI-D) (κ=0.72, r=2.5): Trung tâm hình học của các cặp ống dẫn sóng truy nhập đầu ra được dịch đối xứng bằng ±0.25s từ tâm ống dẫn sóng loại MMI-D. Ma trận truyền đạt: 6 3  j   3  10  cos  - 10 e 2    MD   3 5 -j     10  cos  - e  10   3  10    3  j   3  cos  - e 10   10      cos  - e  10  -j (2.7) Hình 2.4. Các kết quả mô phỏng BPM cho vài bộ ghép đa mode được nối phân tầng để đạt được các tỷ số chia công suất mới 2.1.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận Vật liệu sử dụng lõi ống dẫn sóng là silic có chiết suất 3.45 và vỏ là thủy tinh ôxít silic có chiết suất 1.46 trong không gian 3D. Phương pháp hệ số hiệu dụng tìm thấy hệ số chiết suất hiệu dụng của mode TE là 2.82 ở bước sóng 1550 nm trong không gian hai chiều. Hệ số chiết suất hiệu dụng tương đương của lớp vỏ được tính toán là 2.19 trong không gian hai chiều. Phần chéo ống dẫn sóng được sử dụng trong thiết kế này được vẽ như trên Hình 2.1b. Chiều cao lõi là hco=220 nm và độ rộng của các ống dẫn sóng truy nhập là wa=500 nm. Kết quả mô phỏng bằng phương pháp BPM cho 10 trường hợp riêng trong số 19 tỷ số mới, được thể hiện như trên Hình 2.4 gồm: CDA, DDA, BDCD, AAD, ADB, DDC, DCA, DDBD, CDAD và DCB. Kết quả mô phỏng bằng BPM cho thấy rằng suy hao chèn cho cấu kiện ghép tầng 3 bộ ghép MMI vào khoảng 0.42 dB và cho cấu kiện ghép 4 tầng bộ ghép MMI vào khoảng 0.83 dB tại bước sóng trung tâm 1550 nm. Hình 2.5. Kết quả mô phỏng bằng phương pháp BPM sự phụ thuộc vào bước sóng. Tiếp theo, chúng ta nghiên cứu độ nhạy bước sóng của các cấu kiện được đề nghị. Hệ số truyền đạt toàn phần tại các bước sóng khác nhau cho năm trường hợp phân tầng AAD, ADB, CDA, CDAD và DDC được trình bày trên Hình 2.5. Giữa 1 dB băng thông của mỗi cấu kiện MMI được 7 phân tầng, sự biến đổi của giá trị κ được tìm thấy nhỏ hơn 0.02. Hình 2.7 thể hiện kết quả mô phỏng BPM tại các chiều dài đa mode khác nhau. Ở đây, chúng ta thay đổi chiều dài của kiểu bộ ghép cơ sở MMI-D. Dễ quan sát thấy từ mô phỏng rằng dung sai chế tạo của cùng bộ ghép MMI được phân tầng là rất lớn. Dung sai chế tạo của chiều dài cho cấu trúc đa mode ghép ba tầng là ±167 nm cho hệ số chia công suất biến đổi 0.002. Dung sai cho cấu trúc ghép bốn tầng là ±167 nm cho hệ số ghép công suất ghép bốn tầng biển đổi 0.01. Hình 2.8 trình bày trường hợp các công suất đầu ra của bộ ghép ba tầng và bộ ghép bốn tầng tại các độ rộng khác nhau của bộ ghép kiểu MMI-D. Dung sai chế tạo của chiều rộng ống dẫn sóng D cho cấu trúc đa mode ghép ba tầng là ±100 nm cho hệ số chia công suất biến đổi 0.005. Các dung sai này dễ dàng đạt được với các công nghệ quang khắc hiện hành. Hình 2.7. Sự phụ thuộc vào sự biến đổi của chiều dài của bộ ghép kiểu D trong kiểu ghép ba tầng AAD và bốn tầng CDAD. Hình 2.8. Sự phụ thuộc vào sự biến đổi của chiều rộng của bộ ghép kiểu D trong kiểu ghép ba tầng AAD và bốn tầng CDAD 2.2 Bộ chia chùm phân cực dựa trên ống dẫn sóng đa mode hình cánh bƣớm đƣợc khắc trên nền vật liệu SOI Bộ chia chùm phân cực điện/từ là một trong những cấu kiện chức năng quan trọng của nhiều ứng dụng mà các trạng thái phân cực của ánh sang là cần thiết. Nhiều nghiên cứu của các bộ chia phân cực dựa trên các cấu trúc ống dẫn sóng như: bộ chia nhánh chữ Y, sử dụng các bộ ghép định hướng, các ống dẫn sóng khe nhưng có nhược điểm dung sai chế tạo nhỏ, băng thông không cao. Kiểu khác dựa trên các cấu trúc quang tử tinh thể hoặc các cách tử nhưng thường có suy hao hoặc kích thước còn khá lớn hoặc không tương thích với công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn phổ biến hiện hành CMOS. Trong phần này luận án đề xuất một bộ chia phân cực dựa trên một cấu trúc giao thoa đa mode sử dụng vật liệu SOI có đặc tính lưỡng chiết theo các mode phân cực lớn, rất sẵn có và giá thành rẻ. Để giảm chiều dài của bộ chia phân cực, luận án đề xuất sử dụng một cấu trúc ống dẫn sóng đa mode có khắc dạng hình cánh bướm trong thiết kế. Phương pháp mô phỏng số sử dụng SV-BPM trong không gian 3D để mô phỏng đánh giá chi tiết các phẩm chất của cấu kiện. 8 2.2.1 Phân tích và thiết kế Hình 2.10 mô tả sơ đồ cấu hình của bộ chia phân cực được đề xuất. Trường quang kích thích đầu vào hoặc mode TE hoặc là mode TM tại cổng vào. Hai cổng đầu ra sẽ tách các mode TE và TM ra hai cổng riêng rẽ. Các ống dẫn sóng được xây dựng trên nền tảng ống dẫn sóng silic dạng sườn (rib), trong đó riêng ống dẫn sóng đa mode được khắc hình cánh bướm. Chúng ta giả thiết rằng độ rộng các ống dẫn sóng đơn mode dạng sườn với độ rộng w, chiều cao của lớp lõi silic là H, chiều sâu của vùng cánh bướm được khắc là d. Chiều rộng chính và chiều dài của ống dẫn sóng đa mode hình cánh bướm tương ứng lần lượt là WMMI và LMMI. Tại chính giữa của chiều dài vùng đa mode, độ rộng của cánh bướm được giả thiết là W0 được thiết lập là WMMI /2. Cổng đầu vào được bố trí tại vị trí có tọa độ theo trục dọc đối xứng tâm là s= WMMI /4 , hai cổng đầu ra được bố trí tại các vị trí là ± WMMI /4 tại phía cuối của vùng giao thoa đa mode. Air: nair=1 Lớp vỏ trên 500 nm w Si: nr=3.45 Lớp lõi SiO2: nc=1.46 Lớp vỏ Si: nr=3.45 Lớp đế 32 nm 400 H nm h 3 µm (b) (a) Hình 2.10. Sơ đồ cấu hình của bộ chia chùm phân cực dựa trên bộ ghép đa mode hình được khắc hình cánh bướm trên nền tảng vật liệu SOI: (a) Hình chiếu bằng. (b) Hình chiếu cạnh. Hình 2.12. Công suất đầu ra được chuẩn hóa là hàm với biến là chiều dài vùng đa mode. Nửa chiều dài phách của các mode phân cực TE và TM khác nhau. Ảnh của trường đầu vào được tái tạo trong các đơn ảnh hoặc đa ảnh tại các khoảng có tính chu kỳ dọc theo ống dẫn sóng. Trong cơ chế giao thoa tổng quát, ảnh của đầu vào có thể tái tạo tại các chu kỳ là số nhân của ba lần nửa chiều dài phách. Với cấu trúc cánh bướm thì giá trị này xác định bởi công thức sau đây: Lπ 2nrWe2 3λ (2.12) Ở đây, nr là hệ số chiết suất hiệu dụng lõi, We là chiều rộng hiệu dụng của vùng giao thoa đa mode. Để tách riêng các mode TE và TM theo cơ chế giao thoa GI, chiều dài LMMI của vùng ống dẫn sóng đa mode có thể được thiết kế theo phương trình sau đây với ảnh gần đúng (Quasi state): 1 1   (2.15) LMMI 3Lπ,TE  p   3Lπ,TM  q   5 5   2.2.2 Tối ƣu cấu trúc Thiết bị được đề xuất sử dụng nền tảng vật liệu SOI với lớp vỏ phía trên là không khí. Lõi silic và lớp vỏ bên dưới SiO2 có hệ số chiết suất lần lượt là 3.45 và 1.46. Chiều cao phiến và chiều cao 9 sườn được chọn tương ứng là hs = 100 nm và H=440 nm. Giả thiết độ rộng đáy lớn cánh bướm được chọn là WMMI = 2.4 µm. Bước sóng hoạt động là 1.55 µm. Từ một tập các giá trị của nửa chiều dài phách của các mode TE, TM nhận được từ dữ liệu mô phỏng BPM, chúng ta thấy: tại chiều sâu khắc d = 240 nm, nửa chiều dài phách của các mode TE và TM thỏa mãn điều kiện:  1  1 (2.16) 3×Lπ,TE  6-   3×Lπ,TM  7-   5  5 Do đó, ta chọn p=6 , q=7 và chiều dài của vùng MMI có thể được chọn là 156 µm. Hình 2.14Error! Reference source not found. thể hiện công suất ra bằng mô phỏng BPM tại cổng ra thẳng và cổng ra chéo bởi sự phụ thuộc hàm của chiều dài vùng đa mode. 2.2.3 Kết quả mô phỏng và thảo luận Mô phỏng BPM cho các trạng thái phân cực trong mặt phẳng xy (chiều rộng theo trục x và chiều cao theo trục y) được vẽ ra trên Hình 2.14. Mode TE của ánh sáng được phát vào cổng đầu vào sẽ được phân chia đến cổng ra thẳng và ngược lại mode TM của ánh sáng sẽ được phân chia đến cổng ra chéo. Các chỉ số chất lượng quan trọng nhất để đánh giá hiệu quả chất lượng của bộ chia phân cực là suy hao vượt qua (E.L ) và tỷ lệ phân biệt (Ex.R) thể hiện trên Bang 2.2 Đáp ứng bước sóng được trình bày như suy hao vượt qua và hệ số phân biệt có thể được thể hiện như một hàm phụ thuộc vào bước sóng ở trên Hình 2.15. Dữ liệu đo lường từ kết quả mô phỏng cho thấy khi hệ số phân biệt bé hơn -15 dB, suy hao vượt qua sẽ nhỏ hơn 1dB và băng thông của các mode TE và TM tương ứng là 12 nm và 20 nm. Bảng 2.2. Suy hao vượt qua và tỷ lệ phân biệt của của bộ chia phân cực đã đề xuất Mode TE TM E.L(dB) -0.59 -0.38 Ex.R (dB) -22.04 -20.53 Hình 2.14 Sự truyền cường độ trường quang với các mode phân cực từ vị trí z=0+ µm đến điểm cuối z=218 µm: (a) và (b) đối với mode TE, (c) và (d) đối với mode TM. Hình 2.15. Đáp ứng bước sóng của suy hao vượt qua và tỷ lệ phân biệt cho hai mode phân cực. 10 Kết luận chƣơng Chương này đề xuất sử dụng các cấu trúc của bộ ghép giao thoa đa mode 2×2 để thiết kế các bộ chia công suất thụ động với nhiều tỷ số chia bằng cách ghép nối các dạng hình học khác nhau của các bộ ghép 2×2 cơ bản hoặc sử dụng để thiết kế bộ chia chùm phân cực dựa trên đặc điểm quang học khác nhau của các trạng thái phân cực theo mode của trường điện từ. Các kết quả cho thấy các thiết kế đề xuất có chất lượng hiệu năng hoạt động tốt. Do đó, những cấu kiện chức năng dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode là thích hợp cho những ứng dụng xử lý tín hiệu toàn quang. 2.3 Chƣơng 3 3. Chuyển mạch quang dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode Chuyển mạch toàn quang là thành phần đặc biệt quan trọng trong các mạng quang. Chuyển mạch màng mỏng có giá thành đắt và khó tích hợp. Chuyển mạch tinh thể lỏng, chuyển mạch dựa trên ghép định hướng đã thương mại hóa nhưng có dung sai chế tạo không lớn. Một số chuyển mạch quang sử dụng các cấu trúc MMI dùng các hiệu ứng nhiệt-quang, hiệu ứng điện-quang. Tuy nhiên, điều khiển nhiệt rất khó chính xác ổn định, khó khăn, phức tạp. Trong chương này của luận án, bộ chuyển mạch toàn quang N×N (N là số nguyên dương) dựa trên các bộ ghép đa mode theo kiểu giao thoa Mach-Zehnder (MZI) được khái quát đầu tiên. Sau đó, luận án đi vào thiết kế cấu trúc cho các bộ chuyển mạch toàn quang cấu trúc 2×2 và 3×3 sử dụng hiệu ứng phi tuyến Kerr và hiệu ứng quang - điện (hiệu ứng electro-optic) để tạo ra các bộ dịch pha cho các cấu trúc chuyển mạch. Phương pháp ma trận truyền đạt và phương pháp BPM được sử dụng cho thiết kế và tối ưu toàn bộ cấu trúc. 3.1 Phân tích tổng quát của chuyển mạch quang N×N Các bộ giao thoa đa mode kích thước N×N (N nguyên dương) có thể hoạt động như là một bộ phân chia quang hoặc bộ kết hợp quang N đường nếu chọn chiều dài vùng giao thoa đa mode thích hợp theo cơ chế giao thoa tổng quát hoặc giao thoa đối xứng (kiểu hạn chế). Từ đây, ý tưởng sử dụng hai bộ ghép đa mode giống hệt nhau với kích thước N×N nối với nhau bằng các ống dẫn sóng truy nhập (thường là ống dẫn sóng đơn mode). Bộ ghép thứ nhất thực hiện chia đều N đường quang còn bộ ghép thứ hai kết hợp N đường quang đều nhau. Sau đó thực hiện cơ chế tác động bằng trường điều khiển ngoài đến các ống dẫn sóng vùng giữa này (các cánh dẫn sóng) tạo ra các lượng dịch pha thích hợp thì có thể thực hiện cơ chế chuyển mạch quang không chặn. 3.2 Bộ chuyển mạch toàn quang dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode 3×3 sử dụng các bộ ghép phi tuyến Phần này đề xuất một cấu trúc mới cho chuyển mạch toàn quang dựa trên hai bộ ghép giao thoa đa mode kiểu 3×3 sử dụng các ống dẫn sóng ghép định hướng với tác động của hiệu ứng phi tuyến XPM đóng vai trò của các bộ dịch pha. Vật liệu sử dụng trong lớp lõi của cấu trúc chuyển mạch quang đề xuất là chalcogenide As2S3 với hệ số chiết suất nr=2.45 và vật liệu sử dụng cho lớp vỏ là thủy tinh silica SiO2 (As2S3 có thể được lắng đọng trên SiO2 (hệ số chiết suất nc=1.46) đã được sản xuất thương phẩm được thương mại hóa). Bộ dịch pha Pcontrol 1 y z a1 x waa2 Đầu vào a3 Pcontrol 2 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 ra Hình 3.2. Một bộ chuyển mạch toàn quang dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode tổng quát kiểu 3×3 và sử dụng các bộ ghép định hướng làm các bộ dịch pha 3.2.1 Phân tích và thiết kế cấu kiện Cấu hình của bộ chuyển mạch toàn quang được đề xuất được trình bày trên Hình 3.2.Chiều dài ngắn nhất của bộ ghép MMI theo cơ chế giao thoa GI được thiết lập bằng: 11 LMMI  L (3.9) Bảng 3.1. Các trạng thái dịch pha cho hoạt động chuyển mạch 3×3 Đầu vào φ1 φ2 Đầu ra a1 0 2π/3 b1 a1 2π/3 0 b2 a1 -2π/3 -2π/3 b3 a2 2π/3 0 b1 a2 -2π/3 -2π/3 b2 a2 0 2π/3 b3 a3 -2π/3 -2π/3 b1 a3 0 2π/3 b2 a3 2π/3 0 b3 Điều kiện dịch pha của bộ ghép đa mode thứ nhất, pha tích lũy tại các bộ dịch pha được yêu cầu để điều khiển tín hiệu đầu vào tới bất kỳ cổng đầu ra có thể được trình bày như trên Bảng 3.1. Các dịch pha phi tuyến được xác định bằng biểu thức: 2 n2 Lc  I 0  2 I c   (3.18) 0 Công suất đầu ra chuẩn hóa (a.u) Ở đây: I 0 , I c tương ứng là các cường độ trường của các ống dẫn sóng tín hiệu và điều khiển. Khoảng hở, g (µm) Hình 3.3. Mô phỏng 2D-BPM cho các giá trị tối ưu của khoảng hở g giữa ống dẫn sóng điều khiển và ống dẫn sóng tín hiệu ngoài cùng Các tham số thiết kế của cấu trúc được đề xuất được chọn: độ rộng của mỗi bộ ghép nối 3×3 là WMMI=24 µm và của các ống dẫn sóng truy nhập wa = 4µm, chiều dài của vùng giao thoa đa mode được thiết lập bằng Lπ cho kiểu cơ chế giao thoa tổng quát. Sau đó, phương pháp BPM được sử dụng để tìm ra chiều dài bộ ghép tối ưu là 1260 µm. Sau đó, xác định khoảng hở tối ưu trong bộ ghép định hướng gây dịch pha phi tuyến sao cho trường điều khiển và trường tín hiệu không bị xuyên nhiễu chéo sang nhau. Kết quả khoảng hở tối ưu như thấy trên Hình 3.3). Bảng 3.2. Các trạng thái cường độ trường cho hoạt động của bộ chuyển mạch 3×3 Đầu vào Đầu ra a1 a1 a1 a2 a2 a2 a3 a3 a3 b1 b2 b3 b1 b2 b3 b1 b2 b3 I1 (GW/cm2) 450 274.2 330.12 279 327.8 448.5 332.62 450.75 277 12 I2 (GW/cm2) 277 450.75 332.62 448.5 327.8 279 330.12 274.2 450 Ta giả thiết cường độ trường đầu vào I0 bằng 1 GW/cm2. Bảng 3.2 liệt kê các cường độ trường tối ưu và các trạng thái của ống dẫn sóng điều khiển được sử dụng trong hai ống dẫn sóng điều khiển. 3.2.2 Mô phỏng và thảo luận Hình 3.4 và Bảng 3.3 lần lượt trình bày các kết quả mô phỏng bởi 2D-BPM cho các trạng thái hoạt động chuyển mạch và các tham số hiệu năng hệ thống trong các bộ chuyển mạch toàn quang 3×3. Kết quả mô phỏng được trình bày trong Hình 3.4 và Bảng Error! Reference source not found.3.3 chứng tỏ rằng tất cả các tham số quan trọng của bộ chuyển mạch quang đề xuất là phù hợp cho chuyển mạch toàn quang. Công suất đầu ra chuẩn hóa (a.u) Công suất đầu ra chuẩn hóa (a.u) Hình 3.4. Các kết quả mô phỏng được thực hiện bằng phương pháp BPM cho các trạng thái chuyển mạch của bộ chuyển mạch toàn quang 3×3. Dung sai chiều rộng (µm) Dung sai chiều dài (µm) a) b) Suy hao chèn, I.L (dB) Hình 3.5. Công suất đầu ra chuẩn hóa theo sự biến đổi của chiều rộng và chiều dài của MMI cho tất cả các trạng thái bộ chuyển mạch đề xuất: a) theo chiều rộng và b) theo chiều dài. Bước sóng, λ (nm) Hình 3.6. Sự phụ thuộc theo bước sóng của suy hao chèn trong các trạng thái hoạt động chuyển mạch của cấu trúc đề xuất. 13 Xuyên nhiễu, Cr.T (dB) Tỷ số triệt tiêu, Ex.R (dB) Hình 3.5 trình bày sự phụ thuộc vào chiều dài và rộng của các phần giao thoa đa mode trong cấu kiện đề xuất là được mô phỏng bằng phương pháp BPM cho tất cả các trạng thái hoạt động chuyển mạch. Các kết quả chỉ ra rằng sự thay đổi của công suất đầu ra là nhỏ trong một khoảng khá lớn của chiều rộng và chiều dài là tương ứng nhỏ hơn 0.3 µm và 20 µm. Do đó, dung sai chế tạo của thiết kế đề xuất là lớn. Hình 3.6 trình bày sự phụ thuộc vào bước sóng của suy hao chèn của chuyển mạch toàn quang đã đề xuất. Một tham số quan trọng trong hoạt động của các bộ chuyển mạch toàn quang là độ nhạy bước sóng. Trong thiết kế này, độ nhạy bước sóng được định nghĩa là sự thay đổi nhỏ nhất của dải bước sóng xung quanh bước sóng hoạt động để đảm bảo một mức biến đổi của công suất đầu ra. Nếu chúng ta chọn sự thay đổi của công suất ra là 0.6 dB, dữ liệu từ kết quả mô phỏng cho thấy độ nhạy của bước sóng trong các trường hợp là khoảng 10 nm. Hình 3.7 cho thấy sự phụ thuộc của xuyên nhiễu và hệ số phân biệt của bộ chuyển mạch vào bước sóng. Kết quả cho thấy rằng trong dải băng thông 10 nm xung quanh bước sóng trung tâm 1550 nm, sự thay đổi của xuyên nhiễu là từ 11 dB đến 29.24 dB trong khi sự thay đổi của hệ số phân biệt là 29 dB đến 34 dB một cách tương ứng. Bước sóng, λ (nm) Bước sóng, λ (nm) a) b) Hình 3.7. Các kết quả mô phỏng bằng 2D BPM cho sự phụ thuộc vào bước sóng cho: a) Xuyên nhiễu b) Tỷ lệ phân biệt Bảng 3.3. Suy hao chèn, hệ số phân biệt và xuyên nhiễu của bộ chuyển mạch Đầu vào Đầu ra 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 toàn quang 2×2 không nhạy phân cực dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode sử dụng các bộ ghép phi tuyến Phần này của luận án đề xuất sử dụng hai bộ ghép đa mode 2×2 được phân tầng nối với nhau bởi hai ống dẫn sóng để tạo ra một bộ chuyển mạch toàn quang không nhạy phân cực hoạt động ở bước sóng 1550 nm. Ống dẫn sóng dạng sườn và vật liệu sử dụng trong lớp lõi của cấu trúc chuyển mạch quang đề xuất là thủy tinh chalcogenide As2S3 với hệ số chiết suất nr=2.45 và vật liệu sử dụng cho lớp vỏ là thủy tinh silica SiO2. 3.3.1 Thiết kế và tối ƣu cấu trúc Giả thiết rằng các dao động của các sóng phân cực TE, TM quy ước theo các hướng x, y tương ứng trong không gian ba chiều như trên Hình 3.8. Trong thiết kế đề xuất này chúng ta sử dụng phương pháp 3D-BPM và phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng để mô phỏng. Độ rộng của mỗi bộ ghép 2×2 MMI là WMMI = 18μm, chiều cao h của các ống dẫn sóng là 0.3μm, chiều cao sườn là H=1.8 μm, chiều rộng wa của các ống dẫn sóng truy nhập là 3μm. Chiều 14 dài LMMI của vùng MMI được chọn tối ưu để vùng đa mode có thể hoạt động như là một bộ phân chia 2×2 hoặc bộ kết hợp 2×2 với chất lượng hiệu năng tốt. Sử dụng mô phỏng 3D-BPM bằng cách thay đổi chiều dài của vùng MMI trong một dải giá trị xác định bằng phương pháp MPA từ LMMI,TM đến LMMI,TE để tìm ra một giá trị tối ưu mà vùng MMI không chỉ hoạt động như là một bộ phân chia 2×2 mà còn có suy hao chèn là tối thiểu cho cả hai trường hợp mode phân cực TE và TM. Giá trị tối ưu được chọn đó là 1046 μm như được xem trên Hình 3.. y z a1 x Đầu vào Pcontrol wa a 2 Wa LMMI WMMI 2x2 MMI LMMI B1 A1 A2 Bộ dịch pha φ g Lc B2 WMMI 2x2 MMI b1 b2 Đầu ra Bộ ghép định hướng Hình 3.8 Một bộ chuyển mạch toàn quang 2×2 không nhạy phân cực dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode Cấu tạo của một ống dẫn sóng điều khiển dịch pha gồm bộ ghép định hướng với một ống dẫn sóng truy nhập ở một cánh nối giữa hai vùng đa mode. Chùm điều khiển và chùm tín hiệu có cùng bước sóng và trạng thái phân cực trong tất cả các hoạt động chuyển mạch. Bộ ghép định hướng này có chiều dài Lc=1483 μm và khoảng hở giữa ống nó và cánh dịch pha là g = 0.41 μm. Giá trị này được chọn bằng cách thực hiện mô phỏng BPM để tìm ra một giá trị tối ưu để giảm thiểu công suất xuyên chéo lẫn nhau giữa chùm điều khiển và chùm tín hiệu được gây ra bởi hiệu ứng ghép mode. Bảng 3.4. Các trạng thái dịch pha và cường độ trường điều khiển tối ưu cho hoạt động chuyển mạch của bộ chuyển mạch được đề xuất. Mode Cổng Cổng Góc dịch Cường độ trường điều phân cực vào ra 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 của công thức ma trận truyền đạt của bộ ghép đa mode 2×2 trong cơ chế GI, chúng ta có thể dễ thấy rằng khi tín hiệu quang được đưa vào cổng a1, nếu góc dịch pha φ = π/2 cổng đầu ra sẽ là cổng b1, trái lại khi φ = - π/2 cổng đầu ra sẽ được chuyển mạch đến cổng b2. Hình 3.9. Giá trị tối ưu được chọn của chiều dài của các vùng ghép đa mode được tìm thấy bằng mô phỏng 3D-BPM. Sử dụng mô phỏng 3D-BPM để xác định và tối ưu sự hoạt động của cấu kiện. Với bước sóng hoạt động 1550nm ở mode phân cực TE, để chuyển mạch tới cổng ra b1 từ cổng vào a1, các thủ tục mô phỏng tối ưu chúng ta tìm cường độ trường điều khiển I giá trị tối ưu I=0.85 GW/cm2. Bằng phương pháp tương tự chúng ta áp dụng thủ tục này cho các trạng thái hoạt động chuyển mạch còn 15 lại cho mode TE cũng như mode TM. Dịch pha và các giá trị cường độ trường điều khiển tối ưu cho tất cả các trạng thái hoạt động chuyển mạch của cả hai mode phân cực được thể hiện trên Bảng 3.4. 3.3.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận Chúng ta mô phỏng sự truyền của đường bao điện trường trong toàn bộ chuyển mạch như trên trong Hình 3.10.Tiếp theo, để đánh giá hiệu năng hoạt động, chúng ta tính toán đáp ứng bước sóng của bộ chuyển mạch. Hình 3.11 chỉ ra rằng 10nm băng thông của các đáp ứng phổ đầu ra từ các cổng đầu vào của suy hao chèn là khoảng 0.3 dB cho mode TE và 0.7 dB cho mode TM (Hình 3.11a). Tỷ lệ phân biệt trong các trường hợp này là từ 33.5 dB đến 39.5 dB (Hình 3.11b), trong khi xuyên nhiễu trong các trường hợp này là từ 19dB đến 43 dB (Hình 3.11c), một cách tương ứng. a1à b1(TE) a1à b2(TE) a2à b1(TE) a1à b1 (TM) a2à b2(TE) a1à b2 (TM) a2à b1 (TM) a2à b2 (TM) b) a) Hình 3.10. Mô phỏng 3D BPM của các mẫu trường điện của bộ chuyển mạch: a) mode TE; b) mode TM. 40 Tỷ sốExtinction triệt tiêu,Ratio Ex.R(dB) (dB) (dB) LossI.L SuyInsertion hao chèn, (dB) 0 -0.2 -0.4 TE: a ->b 1 1 TE: a ->b 1 -0.6 2 TE: a ->b 2 1 TE: a ->b 2 -0.8 2 TM: a ->b 1 1 TM: a ->b 1 -1 2 TM: a ->b 2 1 TM: a ->b 2 2 TE: a1->b1 TE: a1->b2 39 TE: a2->b1 38 TE: a2->b2 TM: a1->b2 37 TM: a1->b2 36 TM: a2->b1 TM: a2->b2 35 34 33 1545 1546 1547 1548 1549 1550 1551 1552 1553 1554 1555 Wavelength Bước sóng,(nm) λ (nm) 1545 1546 1547 1548 1549 1550 1551 1552 1553 1554 1555 Wavelength Bước sóng, λ(nm) (nm) b) a) Xuyên nhiễu, Cr.T (dB) (dB) Crosstalk 45 40 TE: a1->b1 TE: a1->b2 TE: a2->b1 35 TE: a2->b2 TM: a1->b1 30 TM: a1->b2 TM: a2->b1 25 TM: a2->b2 20 15 1545 1546 1547 1548 1549 1550 1551 1552 1553 1554 1555 Wavelength (nm) Bước sóng, λ (nm) c) Hình 3.11. Sự phụ thuộc của suy hao chèn, tỷ lệ phân biệt và xuyên nhiễu vào bước sóng: a) Suy hao chèn, b)Tỷ lệ phân biệt và c) Xuyên nhiễu Các kết quả mô phỏng thể hiện trên Hình 3.11 chứng minh rằng: tất cả các tham số chất lượng hiệu năng quan trọng của cấu kiện đã đề xuất có đáp ứng phổ lớn. Do vậy, cấu kiện đề xuất đáp ứng đầy đủ cho các ứng dụng chuyển mạch toàn quang tốc độ cao. 16 Bảng 3.1. Suy hao chèn, xuyên nhiễu và tỷ lệ phân biệt của bộ chuyển mạch được đề xuất Mode phân cực TE TM TE TM TE TM TE TM Đầu vào Đầu ra 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 trên các bộ ghép giao thoa đa mode sử dụng hiệu ứng điện- quang là các bộ dịch pha Trong phần này của chương, luận án đề xuất một thiết kế của bộ chuyển mạch toàn quang 3×3 dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode 3×3 ghép theo kiểu MZI-MMI với hai cánh ống dẫn sóng ngoài cùng nối giữa hai phần giao thoa đa mode được đặt dưới các điện cực (electrodes). Vật liệu sử dụng để thiết kế các ống dẫn sóng là vật liệu điện-quang và cấu kiện sử dụng hiệu ứng điệnquang để tạo dịch pha cho hoạt động chuyển mạch. Phương pháp ma trận chuyển đổi và phương pháp mô phỏng số BPM được sử dụng để thiết kế và tối ưu cấu trúc của cấu kiện chuyển mạch. LMMI A1 Wa A2 vào AĐầu 3 WMMI 3× 3 GI -MMI +V1 L a1 φ1 Điện cực B1 Bộ dịch pha a2 a3 GND GND Bộ dịch pha φ2 +V2 B2 B3 LMMI WMMI 3× 3 GI -MMI b1 Đầu ra b2 b3 Điện cực Hình 3.13. Sơ đồ cấu trúc bộ chuyển mạch quang dựa trên các bộ ghép đa mode 3×3 sử dụng hiệu ứng điện-quang làm các bộ dịch pha 3.4.1 Phân tích và thiết kế Cấu hình của bộ chuyển mạch quang 3×3 sử dụng hiệu ứng dịch pha điện - quang đề xuất được trình bày như trong Hình 3.13. Sơ đồ cấu hình này cũng tương tự như bộ chuyển mạch sử dụng hiệu ứng phi tuyến Kerr để điều khiển dịch pha ở phần trước. Dịch chuyển pha của sóng quang khi truyền qua trường điện đại lượng thay đổi xác định bằng:  n3VL   d (0.1) Ở đây, E là cường độ của điện trường, n là hệ số chiết suất của ống dẫn sóng quang nối giữa hai vùng đa mode kích thước 3×3, L là chiều dài của vùng điện cực hoạt động,  là hệ số điện-quang, V là hiệu điện thế một chiều và d là khoảng cách giữa hai điện cực. 3.4.2Kết quả mô phỏng và thảo luận Vật liệu được sử dụng trong lớp lõi của bộ chuyển mạch đã đề xuất là vật liệu tinh thể AgGaSe2 với hệ số chiết suất là nr =2.7 và vật liệu thủy tinh silic được sử dụng làm lớp vỏ có hệ số chiết suất với giá trị nc =1.46 cho mô phỏng ba chiều. Các tham số cấu trúc ở Hình 3.13 được chọn như sau: độ rộng của mỗi bộ ghép đa mode MMI 3×3 là WMMI = 36 μm và độ rộng của các ống dẫn sóng truy nhập Wa =10 μm. Trong nghiên cứu này, chúng ta sử dụng phương pháp 2D-BPM để mô phỏng bởi sự chuyển đổi xấp xỉ tương đương từ dạng 3D. Chiều dài bộ giao thoa đa mode LMMI được thiết lập bằng nửa chiều dài phách Lπ và chiều dài này được tối ưu hóa bằng phương pháp 2D-BPM để tìm ra giá trị tối ưu bằng 3847.7μm. Kết quả mô phỏng cho tất cả các trạng thái chuyển mạch với đường bao điện trường được thể hiện như Hình 17 3.15. Các kết quả cho thấy về mặt trực quan chất lượng của bộ chuyển mạch quang dựa trên hiệu ứng điện-quang là tốt. Kết quả mô phỏng số bằng phương pháp BPM như trên Hình 3.16 cho thấy rằng suy hao chèn của cấu trúc là rất nhỏ, dưới 0.7 dB. Suy hao chèn, I.L (dB) Hình 3.15. Kết quả mô phỏng thực hiện bằng phương pháp BPM cho tất cả các trạng thái chuyển mạch của bộ chuyển mạch quang 3×3 Bước sóng, λ (nm) Hình 3.16. Sự phụ thuộc vào bước sóng của suy hao chèn trong trường hợp đầu vào 1 và 2 của bộ chuyển mạch. 3.5 Kết luận chƣơng Chương này đề xuất hai cách gây dịch pha thụ động điều khiển được. Cách thứ nhất là sử dụng các bộ ghép định hướng phi tuyến dựa trên hiệu ứng Kerr để tạo ra ra bộ chuyển mạch toàn quang 2×2 và 3×3. Cách thứ hai sử dụng hiệu ứng Pockel gây dịch pha để thiết kế bộ chuyển mạch 3×3. Cấu trúc đề xuất có thể được sử dụng mở rộng để tạo ra các bộ chuyển mạch nhiều cổng, chẳng hạn như các bộ chuyển mạch quang kích thước 1×M hoặc N×M . Đánh giá chất lượng hiệu năng của các bộ chuyển mạch bằng sử dụng mô phỏng là tốt do đó các cấu trúc này có thể sử dụng hiệu quả cho ứng dụng trong các mạng thông tin quang tốc độ cao. Chƣơng 4 4.Bộ ghép kênh ba bƣớc sóng sử dụng giao thoa đa mode Triplexer (bộ ghép kênh ba bước sóng) đóng một vai trò rất quan trọng trong các hệ thống thông tin quang như: các hệ thống cáp quang đến tận nhà FTTH, các mạng quang truy nhập thụ động v.v. Do đó, ta cần một thiết bị mà có thể ghép kênh hoặc phân kênh truy nhập những bước sóng này trong thực tế. Có một số kiểu thiết kế cho triplexer: một là phân tách các bộ lọc chẳng hạn các bộ lọc màng mỏng, nhưng kiểu này có một hạn chế là khó tích hợp với các cấu kiện quang khác 18 nên đắt tiền; hai là sử dụng cách tử nhưng kích cỡ của những loại này vẫn còn khá lớn. Loại khác sử dụng các tinh thể quang hoặc các ống dẫn sóng silic ghép định hướng nhưng băng thông không cao hoặc có giá thành chế tạo lớn. Các thiết bị dựa trên ống dẫn sóng MMI sử dụng ống dẫn sóng silic là một giải pháp hữu hiệu. Hơn nữa, nó rất tương thích với công nghệ chế tạo vi mạch CMOS nên giá thành rẻ. Chương này của luận án sẽ đề xuất các thiết kế mới của cấu kiện triplexer dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode trên nền tảng vật liệu silic và thủy tinh silic. 4.1 Giới thiệu và nguyên lý thiết kế Sử dụng nguyên lý MMI, với hai bước sóng 1 và 2 được đưa vào đầu vào của một bộ giao thoa đa mode 2×2, nếu khoảng cách truyền thỏa mãn đẳng thức: L  3mL (1 )  3nL (2 ) (4.1) Ở đây: m và n là các số nguyên dương. Nếu m, n cùng tính chẵn lẻ thì các bước sóng 1 và 2 sẽ được đưa ra cùng một cổng ở đầu ra còn ngược lại nếu m, n chẵn lẻ đôi một khác nhau thì các bước sóng 1 và 2 sẽ được tách ra một cách riêng biệt ở hai đầu ra của ống dẫn sóng đa mode. 1310 nm 1550 nm Port 1 Port 3 (Cổng 1) (Cổng 3) 1490 nm Port 2 (Cổng 2) g=200nm Ls=30µm Lc=498µm Bộ ghép định hướng W la=20µm 2×2 GI-MMI Hình cánh bướm f.W LMMI=361.5µm f=0.8 1/2LMMI W=2.4µm Không khí: nair=1 Lớp vỏ trên Ống dẫn sóng búp măng Si: nr=3.45 z la w=360nm Input (Đầu vào) y 360 nm w x 32 nm Lớp lõi SiO2: nc=1.46 Lớp vỏ Si: nr=3.45 Lớp đế (a) 400 H nm h 3 µm (b) Hệ số truyền đạt (a.u) Hình 4.2. Sơ đồ đề xuất của bộ triplexer dựa trên các ống dẫn sóng silic: (a) Hình chiếu bằng. (b) Hình chiếu đứng và mode cơ sở của ống dẫn sóng đầu vào. cổng thẳng cổng chéo cổng thẳng cổng chéo cổng thẳng cổng chéo Chiều dài bộ ghép MMI thứ nhất: LMMI (µm) Hình 4.3. Mô phỏng 3D BPM cho sự thay đổi chiều dài của bộ ghép giao thoa đa mode hình cánh bướm. 19 Hệ số truyền đạt (a.u) 4.2 Thiết kế bộ triplexer dựa trên một bộ ghép giao thoa đa mode 2×2 hình cánh bƣớm và một bộ ghép định hƣớng sử dụng các ống dẫn sóng silic. Trong nghiên cứu này bộ triplexer kích thước nhỏ, tích hợp cao bằng cách sử dụng một bộ ghép đa mode 2×2 hình cánh bướm và một bộ ghép định hướng dựa trên ống dẫn sóng silic. 4.2.1 Thiết kế và tối ƣu cấu trúc Hình 4.2(a) thể hiện cấu hình của bộ triplexer được dựa trên ống dẫn sóng silic sườn kích thước micron. Chúng ta chọn w=360 nm trong cấu kiện được đề xuất này. Bằng cách sử dụng phương pháp BPM, chúng ta thấy rằng độ dày toàn phần của lớp dẫn sóng là H=0.4 µm và chiều cao phần ống dẫn sóng hình phiến là h=32 nm thì trường quang cho hiệu năng về tổn hao tốt khi truyền trong ống dẫn sóng (cho cả ba bước sóng). Cấu kiện được xây dựng gồm hai phần. Phần đầu gồm có một bộ ghép đa mode hình cánh bướm được sử dụng để phân tách bước sóng 1310 nm và 1550 nm tới cổng đầu ra chéo, trong khi đó bước sóng 1490 nm được tách ra ở cổng đầu ra thẳng của vùng giao thoa đa mode (cổng ra 2). Phần hai gồm một bộ ghép định hướng dựa trên cấu trúc tiếp giáp hình chữ Y nhằm tách bước sóng 1310 nm và 1550 nm ra cổng đầu ra 1 và cổng đầu ra 3 tương ứng (xem Hình 4.2(a)). Nghiên cứu còn lại của phần này luận án là thiết kế một bộ ghép nối để tách riêng hai bước sóng 1310 nm và 1550 nm ra hai cổng đầu ra riêng lẻ. Ở đây, luận án đề xuất sử dụng một bộ ghép định hướng để tách riêng các bước sóng này như được nhìn thấy ở Hình 4.2(a). cổng thẳng cổng chéo cổng thẳng cổng chéo Chiều dài của bộ ghép định hướng Lc (µm) Hình 4.6. Mô phỏng 3D-BPM cho chiều dài tối ưu Lc của bộ ghép định hướng. (a) 1310 nm, (b) 1490 nm and (c) 1550 nm. Do đó, chiều dài bộ ghép đa mode MMI thứ nhất phải thỏa mãn điều kiện sau đây: LMMI =m.3Lπ(1310nm)=n.3Lπ(1490nm)=p.3Lπ(1550nm) (4.3) Ở đây m, n, p là các số nguyên dương và m, n là chẵn lẻ đôi một; L(πλ) là nửa chiều dài phách tại bước sóng λ. Kết quả, tại chiều dài LMMI = 361.5 µm là giá trị phù hợp nhất để đạt được hiệu năng truyền đạt tốt như được thấy trên Hình 4.3. Tại chiều dài này, bước sóng 1390 sẽ được tách biệt tới cổng đầu ra thẳng (bar port) và các bước sóng 1310 nm và 1550 nm sẽ được tách biệt đến cổng chéo của bộ ghép đa mode đầu tiên này. Với thủ tục tương tự chúng ta tìm ra chiều dài bộ ghép định hướng tối ưu được chọn như Hình 4.6 để tách riêng hai bước sóng 1310 nm và 1550 nm. 4.2.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận Bằng cách sử dụng mô phỏng 3D-BPM, chúng ta thực hiện mô phỏng số sự truyền tín hiệu quang cho tất cả các cổng của bộ triplexer như trên Hình 4.7 và tính toán các tham số hiệu năng hệ thống như trên Bảng 4.1. Chúng ta mô phỏng đáp ứng bước sóng tại ba đầu ra của triplexer được trình bày như trên Hình 4.8. Dữ liệu mô phỏng cho thấy rằng: 3 dB băng thông của ba băng bước sóng tương ứng là 18 nm của băng 1310 nm, 44 nm của băng 1490 nm và 14 nm của băng 1550 nm. Do vậy, băng thông của triplexer đã đề xuất là tương đối cao. Tiếp đó, chúng ta khảo sát dung sai chế tạo của cấu kiện theo chiều rộng và chiều dài của bộ ghép đa mode hình cánh bướm như ở trên Hình 4.9. Dữ liệu mô phỏng cho thấy rằng với suy hao chèn dưới 2 dB, xuyên nhiễu và hệ số phân biệt là dưới -10 dB thì các dung sai theo chiều rộng và chiều dài tương ứng là ±8 nm và ±2 µm một cách tương ứng. Các giá trị này là khá tốt do vậy phù hợp cho công nghệ chế tạo vật liệu ống dẫn sóng SOI trong thực tế hiện nay. 20 Bảng 4.1.Công suất (chuẩn hóa theo công suất đầu vào) ba cổng đầu ra của triplexer đề xuất tại 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 tại ba bước sóng: a) 1310 nm, b)1490 nm và c) 1550 nm. Công suất đầu ra chuẩn hóa (dB) Công suất đầu ra chuẩn hóa (dB) Hình 4.8. Đáp ứng bước sóng của triplexer đề xuất tại ba cổng cho ba bước sóng I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T Dung sai chiều dài (µm) 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 bộ triplexer dựa trên phân tầng hai bộ ghép đa mode 2×2 hình cánh bƣớm sử dụng ống dẫn sóng silic Trong thiết kế này, một cấu trúc mới cho một triplexer tích hợp cao bằng cách sử dụng hai ống dẫn sóng đa mode với vật liệu silic dạng sườn. Hai bộ ghép đa mode được sử dụng bằng cách phân tầng hai phần để tách riêng các bước song 1310 nm, 1490 nm và 1550 nm ra ba cổng riêng biệt. 21 Phương pháp mô phỏng số 3D-BPM và phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng được sử dụng để thiết kế và tối ưu toàn bộ cấu kiện. 4.3.1 Phân tích thiết kế và tối ƣu cấu trúc Sơ đồ hoạt động cơ bản của triplexer đề xuất được trình bày trên Hình 4.11. Cấu trúc đề xuất gồm có hai phần. Phần đầu tiên gồm một bộ ghép đa mode 2×2 hình cánh bướm được sử dụng để phân kênh các bước sóng 1310 nm và 1550 nm tới một cổng ra trong khi bước sóng 1490 nm được tách riêng ra một cổng ra khác. Bộ ghép đa mode 2×2 ở tầng thứ hai cũng là một bộ ghép hình cánh bướm khác. Bộ ghép này có nhiệm vụ tách riêng hai bước sóng 1310 nm và 1550 nm ra hai cổng ra riêng rẽ. Chiều dài lMMI của tầng giao thoa hình cánh bướm tầng thứ hai này tìm ra được bằng phương pháp BPM là lMMI = 306.5 µm như được thể hiện trên Hình 4.12. Port 3 Port 1 Port 2 (Cổng 3) (Cổng 1) (Cổng 2) 1550 nm 1310 nm 1490 nm s=0.65 µm 2×2 GI-MMI g.W LMMI=306.5 µm g=0.8 lb=4 µm S=0.61 µm L=900 µm 2×2 GI-MMI LMMI=361.5 µm Không khí: nair=1 Lớp vỏ trên f.W f=0.8 la=20 µm Ống dẫn sóng búp măng Si: nr=3.45 w=360 nm 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 3 µm (b) Hệ số truyền đạt (a.u) Hình 4.11. Sơ đồ bộ triplexer dựa trên phân tầng các bộ ghép đa mode sử dụng các ống dẫn sóng silic: (a) Hình chiếu bằng; (b) Hình chiếu đứng và mode cơ sở ống dẫn sóng đầu vào tại bước sóng 1550 nm. cổng thẳng cổng chéo cổng thẳng cổng chéo Chiều dài của MMI thứ hai: lMMI (µm) Hình 4.12. Mô phỏng 3D-BPM chiều dài tối ưu của bộ ghép đa mode hình cánh bướm thứ hai. 4.3.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận Hình 4.13 biểu diễn các đường bao phân bố điện trường cho ba bước sóng. Các tham số hiệu năng hệ thống được tính toán kết quả như trên Bảng 4.2. Chúng cho thấy rằng triplexer như thiết kế đề xuất có suy hao chèn thấp, xuyên nhiễu nhỏ và tỷ lệ phân biệt cao. Chúng ta mô phỏng đáp ứng bước sóng tại ba cổng của triplexer. Các kết quả mô phỏng được trình bày trong Hình 4.14. Dữ liệu mô phỏng cho thấy rằng: 3-dB băng thông của suy hao chèn trong ba băng tương ứng với 24 nm của băng 1310 nm (port1), 40 nm của băng 1490 nm (port2) và 22 34 nm của băng 1550 nm (port 3). Do vậy, băng thông của triplexer là lớn. Chất lượng hiệu năng quang được thấy là tốt hơn một số kết quả nghiên cứu đã được công bố mà được thiết kế dựa trên kỹ thuật mạch quang phẳng (PLCs). Ngoài ra có thể thấy rằng, kích thước của triplexer đề xuất là nhỏ hơn một số tham khảo kết quả công bố gần đây. a) c) b) Hình 4.13. Đường bao phân bố điện trường cho triplexer đề xuất tại ba bước sóng: a) 1310 nm, b) 1490 nm và c) 1550 nm Hình 4.14. Đáp ứng theo bước sóng của triplexer đề xuất tại 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 của lớp lõi Hình 4.16. Dung sai chế tạo vật liệu lớp lõi của triplexer đề xuất Bảng 4.2. Công suất ra (được chuẩn hóa theo công suất đầu vào) ba cổng của triplexer đề xuất tại ba bước sóng Bước sóng (nm) I.L (dB) Cr.T (dB) Ex.R (dB) 1310 (Cổng1) -0.77 -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 về hệ số chiết suất của lớp lõi ống dẫn sóng (silic) được trình bày trong Hình 4.16. Chúng ta có thể thấy rằng nếu hệ số chiết suất thay đổi xung quanh giá trị 3.45 (hệ số chiết suất của vật liệu tinh thể silic) với biên độ là 0.017 (vào khoảng 5%), suy hao chèn, tỷ lệ phân biệt và xuyên nhiễu sẽ lần lượt nhỏ hơn -2 dB, -12 dB và -12 dB. Do vậy, sự sai khác hệ số chiết suất của cấu kiện là khá lớn. 23 4.4 Kết luận chƣơng Chương này luận án đã giới thiệu hai kiểu thiết kế một bộ triplexer. Cách thứ nhất: bộ triplexer kích thước nhỏ mới bằng cách sử dụng một bộ ghép đa mode 2×2 kiểu hình cánh bướm và một bộ ghép định hướng. Cách thứ hai: một triplexer tích hợp rất cao bằng 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 được sử dụng để phân tách riêng rẽ ba bước sóng 1310 nm, 1490 nm và 1550 nm đến ba cổng ra riêng rẽ. Các cấu kiện đề xuất có suy hao nhỏ và độ tích hợp cao. Do vậy có thể được sử dụng hiệu quả trong ứng dụng của hệ thống truy nhập FTTH và các mạng truy nhập quang khác. Kết luận và hƣớng phát triển Các bộ ghép đa mode đã được các nghiên cứu khoa học chứng tỏ là một trong những ứng cử viên tốt cho việc thiết kế các vi mạch, cấu kiện quang tích hợp bởi các ưu điểm về: tính ổn định, băng thông tương đối cao, suy hao ghép nối khá thấp đặc biệt là dung sai chế tạo lớn và tương thích công nghệ chế tạo bán dẫn CMOS cho chi phí sản xuất thấp. Nghiên cứu các phương pháp thiết kế dựa trên phương pháp phân tích truyền mode kết hợp với phương pháp hệ số (chiết suất) hiệu dụng. Sau đó, tính toán và tối ưu bằng các phương pháp mô phỏng số, đặc biệt là phương pháp mô phỏng BPM. Luận án này đã trình bày các thiết kế của một số cấu kiện vi mạch tích hợp quang dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode ứng dụng để xây dựng các thành phần chức năng xử lý tín hiệu trong mạng thông tin toàn quang. Đóng góp khoa học của luận án Các nội dung nghiên cứu được chỉ ra sau đây lần đầu tiên được đề xuất và thực hiện trong luận án này. Đây cũng chính là các đóng góp khoa học của luận án: 1) Các bộ ghép giao thoa đa mode 2×2 dựa trên nền tảng vật liệu SOI để tạo ra các bộ chia công suất bất đối xứng với nhiều tỷ số chia mới và bộ chia trạng thái phân cực được trình bày đầu tiên ở luận án. Các bộ chia này có nhiều ưu điểm về hiệu năng: băng thông rộng, tổn hao ghép nối khá thấp, xuyên nhiễu nhỏ và dung sai chế tạo khá lớn. 2) Bằng cách sử dụng cấu hình ghép MMI-MZI với các ống dẫn sóng ở phần nối giữa hai vùng đa mode được sử dụng làm các bộ dịch pha, bộ chuyển mạch toàn quang với các trạng thái chuyển mạch không bị cản đã được đề xuất lần đầu tiên của luận án. Các thiết kế cụ thể và mới của các bộ chuyển mạch toàn quang 2×2 hoặc 3×3 sử dụng các hiệu ứng phi tuyến Kerr dựa trên vật liệu thủy tinh chalcogenide As2S3 hoặc hiệu ứng Pockel dựa trên vật liệu tinh thể AgGaSe2 tạo dịch pha được đề xuất để tạo ra các bộ chuyển mạch toàn quang không bị cản 2×2 hoặc 3×3. 3) Cuối cùng, luận án đề xuất các thiết kế mới để xây dựng nên các bộ ghép/phân kênh ba bước sóng –triplexer cho các ứng dụng của mạng truy nhập FTTH. Các bộ tripexer được xây dựng dựa trên nền tảng vật liệu SOI bằng cách sử dụng bộ ghép đa mode 2×2 được ghép tầng hoặc kết hợp với một bộ ghép định hướng. Các cấu trúc này đạt được chất lượng hiệu năng hệ thống tốt như: suy hao thấp (không quá 0.8 dB), băng thông khá cao đáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn ITU-G.983. Hƣớng phát triển tƣơng lai của luận án Hướng phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo trong tương lai của luận án được đề xuất:  Toàn bộ các nghiên cứu đề xuất hoàn toàn có khả năng ứng dụng thực tiễn để chế tạo ra các cấu kiện thành phần mạng toàn quang, chẳng hạn các triplexer ứng dụng cho mạng FTTH. Các ứng dụng tiếp theo được đề xuất sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode để thiết kế các bộ điều chế pha lưỡng cực DPSK ứng dụng cho các hệ thống thông tin quang tốc độ cao hoặc thiết kế các phần tử 90o –hybrid sử dụng trong những hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent).  Cuối cùng, luận án xin đề xuất một hướng phát triển sẽ được phát triển bùng nổ trong tương lai. Đó là: sử dụng cấu trúc đa mode để dẫn và xử lý tín hiệu dao động bề mặt (plasmonics) hoặc lai ghép plasmonic (hybrid plasmonic). Nghiên cứu về quang tử plasmonics với hiệu ứng giao thoa đa mode để thiết kế các vi mạch chức tích hợp cỡ rất lớn với tốc độ cao đang là xu hướng nghiên cứu có tính đột phá và rất có triển vọng cho mạch tích hợp quang tử. Đó cũng là con đường chủ đạo dẫn đến “mạch quang tích hợp kích thước dưới bước sóng” (sub wavelength integrated circuits). 24 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. C. D. Truong, D. H. Tran, T. A. Tran, and T. T. Le, “3×3 Multimode interference optical switches using electro-optic effects as phase Shifters,” Opt. Commun., vol. 292, pp. 78–83, Apr. 2013. 2. C. Dung Truong, T. Thanh Le, and D. Han Tran, “All-Optical Switches Based on 3×3 Multimode Interference Couplers Using Nonlinear Directional Couplers,” Appl. Phys. Res., vol. 5, no. 3, pp. 58–69, May 2013. 3. C.-D. Truong and T.-T. Le, “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, Aug. 2013. 4. T. T. Le and C. D. Truong, “All-optical switches based on 3×3 generalized multimode interference structure,” Photonics Nanostructures - Fundam. Appl., vol. 11, no. 3, pp. 261–269, Aug. 2013. 5. C. D. Truong, D. H. Tran, and T. T. Le, “Design of an insensitive-polarization all-optical switch based on multimode interference structures,” Photonics Nanostructures - Fundam. Appl., vol. 11, no. 3, pp. 210–216, Aug. 2013. 6. C. D. Truong, T. A. Tran, D. H. Tran, Q. Tran, and T. T. Le, “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, 2013. 7. C. D. Truong, T. A. Tran, T. T. Le, and D. H. Tran, “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, 2013. 8. C. D. Truong, X. L. Bui, D. H. Tran, T. L. Nguyen, and T. T. Le, “A Novel Demultiplexer Based on a 2x2 Butterfly MMI Coupler and a Directional Coupler Using Silicon Waveguides,” in Electronics and Communications (REV), 2013 National Conference on, 2013, pp. 134–139. 9. C. D. Truong, D. H. Tran, V. C. Hoang, and T. T. Le, “A Butterfly MMI Waveguides Based Polarization Beam Splitter Etched on SOI platform,” in Communications and Electronics (ICCE), 2014 IEEE Fifth International Conference on, 2014, pp. 425–429. 10.C. Dung Truong, T. Anh Tran, and D. Han Tran, “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, Feb. 2014. 11.C. D. Truong and V. C. Hoang, “A triplexer based on cascaded 2×2 butterfly MMI couplers using silicon waveguides,” Opt. Quantum Electron., Apr. 2014. [...]... mạch quang 3×3 dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode sử dụng hiệu ứng điện- quang là các bộ dịch pha Trong phần này của chương, luận án đề xuất một thiết kế của bộ chuyển mạch toàn quang 3×3 dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode 3×3 ghép theo kiểu MZI-MMI với hai cánh ống dẫn sóng ngoài cùng nối giữa hai phần giao thoa đa mode được đặt dưới các điện cực (electrodes) Vật liệu sử dụng để thiết kế các. .. dụng cho thiết kế và tối ưu toàn bộ cấu trúc 3.1 Phân tích tổng quát của chuyển mạch quang N×N Các bộ giao thoa đa mode kích thước N×N (N nguyên dương) có thể hoạt động như là một bộ phân chia quang hoặc bộ kết hợp quang N đường nếu chọn chiều dài vùng giao thoa đa mode thích hợp theo cơ chế giao thoa tổng quát hoặc giao thoa đối xứng (kiểu hạn chế) Từ đây, ý tưởng sử dụng hai bộ ghép đa mode giống... sản xuất thấp Nghiên cứu các phương pháp thiết kế dựa trên phương pháp phân tích truyền mode kết hợp với phương pháp hệ số (chiết suất) hiệu dụng Sau đó, tính toán và tối ưu bằng các phương pháp mô phỏng số, đặc biệt là phương pháp mô phỏng BPM Luận án này đã trình bày các thiết kế của một số cấu kiện vi mạch tích hợp quang dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode ứng dụng để xây dựng các thành phần... cổng ra riêng rẽ Các cấu kiện đề xuất có suy hao nhỏ và độ tích hợp cao Do vậy có thể được sử dụng hiệu quả trong ứng dụng của hệ thống truy nhập FTTH và các mạng truy nhập quang khác Kết luận và hƣớng phát triển Các bộ ghép đa mode đã được các nghiên cứu khoa học chứng tỏ là một trong những ứng cử viên tốt cho việc thiết kế các vi mạch, cấu kiện quang tích hợp bởi các ưu điểm về: tính ổn định, băng... dựa trên đặc điểm quang học khác nhau của các trạng thái phân cực theo mode của trường điện từ Các kết quả cho thấy các thiết kế đề xuất có chất lượng hiệu năng hoạt động tốt Do đó, những cấu kiện chức năng dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode là thích hợp cho những ứng dụng xử lý tín hiệu toàn quang 2.3 Chƣơng 3 3 Chuyển mạch quang dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode Chuyển mạch toàn quang là thành phần... nghiên cứu tiếp theo trong tương lai của luận án được đề xuất:  Toàn bộ các nghiên cứu đề xuất hoàn toàn có khả năng ứng dụng thực tiễn để chế tạo ra các cấu kiện thành phần mạng toàn quang, chẳng hạn các triplexer ứng dụng cho mạng FTTH Các ứng dụng tiếp theo được đề xuất sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode để thiết kế các bộ điều chế pha lưỡng cực DPSK ứng dụng cho các hệ thống thông tin quang tốc... Hình 3.2 Một bộ chuyển mạch toàn quang dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode tổng quát kiểu 3×3 và sử dụng các bộ ghép định hướng làm các bộ dịch pha 3.2.1 Phân tích và thiết kế cấu kiện Cấu hình của bộ chuyển mạch toàn quang được đề xuất được trình bày trên Hình 3.2.Chiều dài ngắn nhất của bộ ghép MMI theo cơ chế giao thoa GI được thiết lập bằng: 11 LMMI  L (3.9) Bảng 3.1 Các trạng thái dịch pha... thiết kế các phần tử 90o –hybrid sử dụng trong những hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent)  Cuối cùng, luận án xin đề xuất một hướng phát triển sẽ được phát triển bùng nổ trong tương lai Đó là: sử dụng cấu trúc đa mode để dẫn và xử lý tín hiệu dao động bề mặt (plasmonics) hoặc lai ghép plasmonic (hybrid plasmonic) Nghiên cứu về quang tử plasmonics với hiệu ứng giao thoa đa mode để thiết kế các. .. Bảng 3.3 lần lượt trình bày các kết quả mô phỏng bởi 2D-BPM cho các trạng thái hoạt động chuyển mạch và các tham số hiệu năng hệ thống trong các bộ chuyển mạch toàn quang 3×3 Kết quả mô phỏng được trình bày trong Hình 3.4 và Bảng Error! Reference source not found.3.3 chứng tỏ rằng tất cả các tham số quan trọng của bộ chuyển mạch quang đề xuất là phù hợp cho chuyển mạch toàn quang Công suất đầu ra chuẩn... luận án, bộ chuyển mạch toàn quang N×N (N là số nguyên dương) dựa trên các bộ ghép đa mode theo kiểu giao thoa Mach-Zehnder (MZI) được khái quát đầu tiên Sau đó, luận án đi vào thiết kế cấu trúc cho các bộ chuyển mạch toàn quang cấu trúc 2×2 và 3×3 sử dụng hiệu ứng phi tuyến Kerr và hiệu ứng quang - điện (hiệu ứng electro-optic) để tạo ra các bộ dịch pha cho các cấu trúc chuyển mạch Phương pháp ma ... 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. .. 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 toàn quang 3×3 dựa ghép giao thoa đa mode 3×3... Đó cách thức để xây dựng mạng toàn 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 thông tin quang