Thiết kế bộ lọc kích thước nhỏ (cỡ micromet) dùng trong truyền dẫn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN HỒNG QUÂN THI T Ộ ỌC C CH THƯỚC NHỎ ICRO NG TRONG TRU T N N QU NG C LUẬN VĂN THẠC S THUẬT NGƯỜI HƯỚNG D N KHOA HỌC: TS HOÀNG PHƯ NG CHI Hà Nội – Năm 2015 ỜI C ĐO N Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực luận văn MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU CHƯ NG TỔNG QUAN V BỘ LỌC QUANG 1.1 Gi i thiệu 1.3 Các loại lọc quang .7 1.3.1 Bộ lọc cách tử 1.3.2 Cách tử Bragg 10 1.3.3 Bộ lọc cách tử kiểu sợi quang 13 1.3.4 Bộ lọc Fabry-Perot 16 1.3.5 Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF) 20 1.3.6 Bộ lọc Mach-Zehnder 21 1.3.7 Bộ lọc cách tử ống dẫn sóng sóng ma trận (AWG) 24 1.3.8 Bộ lọc quang – âm điều chỉnh (AOTF) 26 1.4 Các tham số lọc 30 1.4.1 Hàm truyền đạt lọc .30 1.4.2 Dải phổ tự - FSR 33 1.4.3 Độ mịn lọc F .34 1.4.4 Yêu cầu đối v i lọc 34 1.5 Ứng dụng lọc quang: 35 CHƯ NG TINH THỂ QUANG TỬ- PHOTONIC CRYSTAL 36 2.1 Gi i thiệu 36 2.2 Phân loại 38 2.2.1 Tinh thể quang tử chiều 38 2.2.2 Tinh thể quang tử hai chiều .45 2.2.3 Tinh thể quang tử ba chiều 49 CHƯ NG THI T Ộ LỌC TINH THỂ QU NG TỬ 53 3.1 Thiết kế lọc 53 3.2 Thực nghiệm kết 55 KẾT LUẬN .59 TÀI LIỆU THAM KHẢO .60 NH ỤC CHỮ VI T T T C ữ viế ắ Tiế WDM Wavelength Division Multiplexing DWDM GPON IC PhC PBG UV DBR Laser Dense Wavelength Division Multiplexing Gigabit-capable Passive Optical Networks Integrated circuit Photonic crystal Photonic bandgap Ultra-violet Tiế Việ Ghép kênh phân chia theo bư c sóng Ghép kênh phân chia theo bư c sóng mật độ cao Mạng quang thụ động tốc độ Gigabit Mạch tổ hợp Tinh thể quang tử Vùng cấm quang Tia cực tím Distributed Bragg Reflector Laser Nguồn laser phân bố kiểu Bragg EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier FSR FWHM TFF TFMF DEMUX MZI AWG Free Spectral Range Full Width at Half Maximum Thin-film Filter Thin-film Multicavity Filter Demultiplexer Mach-Zehnder Interferometer Arayed Waveguide Grating AOTF Acousto-Optic Tunable Filter SAW BUF IL SSR TIR Surface Acoustic Wave Bandwidth-utilization Factor Insertion Loss Sidelobe Suppression Ratio Total Internal Reflection Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium Khoảng phổ tự Toàn độ rộng nửa cực đại Bộ lọc màng mỏng Bộ lọc đa khoang màng mỏng Bộ tách bư c sóng Giao thoa kế Mach-Zehnder cách tử ống dẫn sóng sóng ma trận Bộ lọc quang – âm điều chỉnh Sóng âm bề mặt Hệ số sử dụng băng thông Suy hao ghép xen Tỉ số nén biên Phản xạ toàn phần bên NH ỤC H NH V Hình 1.1 Sơ đồ khối lọc [4] Hình 1.2 Liên quan trễ pha thành phần tần số gây trải phổ tín hiệu Hình 1.3 Cách loại cách tử [4] Hình 1.4 Nguyên tắc hoạt động cách tử truyền dẫn [4] Hình 1.5 Cách tử blazing v i góc blaze α Năng lượng giao thoa tối đại tương ứng v i góc blaze cực đại [4] .10 Hình 1.6 Các loại cách tử sợi quang [4] 12 Hình 1.7 Một số ứng dụng lọc cách tử Bragg kiểu sợi quang [4] 16 Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động lọc Fabry-Perot [4] .17 Hình 1.9 Hàm truyền đạt công suất lọc Fabry-Perot [4] 18 Hình 1.10 Dùng điện cực để thay đổi bư c sóng hoạt động lọc Fabry-Perot [4] 19 Hình 1.11 Bộ lọc đa khoang màng mỏng TFMF (Thin-film Multicavity Filter) .20 Hình 1.12 Bộ lọc ghép/tách kênh tạo từ lọc màng mỏng điện môi [4] 21 Hình 1.13 Các kiểu lọc Mach-Zehnder [4] 22 Hình 1.14 Cách tử ống dẫn sóng ma trận [4] 24 Hình 1.15 Mẫu kết nối chéo tạo từ AWG [4] 24 Hình 1.16 Vòng Rowland dùng để tạo coupler cho AWG [4] 26 Hình 1.17 Một AOTF đơn giản [4] 27 Hình 1.18 Bộ lọc quang-âm điều chỉnh AOTF (Acousto-optic Tunable Filter) [4] 28 Hình 1.19 Hàm truyền đạt công suất lọc AOTF [4] 29 Hình 1.20 Bộ kết nối chéo bư c sóng tạo từ lọc AOTF 30 Hình 1.21 Hàm truyền đạt lọc 30 Hình 1.22 Các thông số lọc [4] 31 Hinh 1.23 Đặc tính truyền dẫn phản xạ 32 Hình 1.24 FSR F lọc v i N kênh khác .33 Hình 2.1 Các cấu trúc tinh thể quang tử 38 Hình 2.2 Cách tử Bragg 39 Hình 2.3 Nguyên l cách tử Bragg [4 39 Hình 2.4 Màng đa l p, tinh thể quang 1-D 40 Hình 2.5 Cấu trúc band quang tử cho đường truyền trục, tính toán cho ba màng đa l p khác 41 Hình 2.6 Các mode kết hợp v i độ rộng khe thấp cấu trúc vẽ hình hình 2.5, ε=π/a 43 Hình 2.7 Cấu trúc band màng đa l p v i số tinh thể a l p có độ rộng khác .45 Hình 2.8 Cấu trúc tinh thể quang 2-D 45 Hình 2.9 Một tinh thể quang 2-D 46 Hình 2.10 Cấu trúc band tinh thể quang cho dãy vuông cột điện môi bán kính r = 0.2a, ɛ =8.9 xung quang môi trường không khí ɛ = 47 Hình 2.11 Trường thay bên TM dãy tinh thể vuông v i cột ɛ = 8.9 không khí 48 Hình 2.12 Trường từ điểm X trạng thái TE bên mạng tinh thể vuông có cột điện môi ɛ = 8.9 không khí .49 Hình 2.13 Cấu trúc g 49 Hình 2.14 Cấu trúc sử dụng hai l p tinh thể quang tử khác xếp so le 50 Hình 2.15 Cấu trúc tinh thể chiều đầy đủ 50 Hình 2.16 Mạng tinh thể 3-D khối lập phương 52 Hình 2.17 Mô hình điện môi tưởng tưởng cho mạng tinh thể 3-D 52 Hình 3.1 Sơ đồ l PhC nhúng đỉnh điện môi ống dẫn sóng hoạt động lọc PhC [1 54 Hình 3.2 Đáp ứng phổ tương ứng a k 1, b k=1, c k .55 Hình 3.3 Nguyên l lọc tinh thể quang tử .55 Hình 3.4 Phân bố trường lọc tinh thể quang tử vùng dịch pha .56 Hình 3.5 Hàm truyền đạt S11 phản xạ S21 lọc tinh thể quang tử vùng dịch pha 56 Hình 3.6 Phân bố trường lọc tinh thể quang tử hai vùng dịch pha 57 Hình 3.7 Hàm truyền đạt S11 phản xạ S21 lọc PhC hai vùng dịch pha, k=0.85 57 Hình 3.8 Hàm truyền đạt S11 phản xạ S21 lọc PhC hai vùng dịch pha, k=1.05 58 NH ỤC ẢNG IỂU Bảng 2.1 Thông số tập trung cho hai band mạng tinh thể vuông điện môi, điểm X vùng Brillouin 49 Bảng 3.1 Các kích thư c lọc thiết kế: 56 LỜI MỞ ĐẦU Cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật diễn cách mạnh mẽ toàn cầu Cuộc cách mạng đưa nhân loại tiến sang kỉ nguyên m i, kỉ nguyên văn minh dựa sở công nghiệp trí tuệ Khoa học kĩ thuật góp phần thúc đẩy kinh tế phát triển tiến sang giai đoạn m i kinh tế tri thức Trong viễn thông ngành công nghiệp tương lai đóng vai trò vô quan trọng mặt đời sống xã hội Mạng truyền dẫn quang đời đáp ứng nhu cầu người sử dụng dịch vụ viễn thông băng thông l n, chất lượng tín hiệu đảm bảo Điều dẫn đến phát triển tất yếu mạng truyền dẫn quang Nó nhanh chóng phát triển trở thành mạng đường trục tốc độ l n v i nhiều công nghệ m i đời phục vụ cho mạng WDM, GPON Cùng v i phát triển mạng truyền dẫn quang công nghệ chế tạo thiết bị quang ngày phát triển Các thiết bị m i đời nhằm tăng tốc độ chất lượng truyền dẫn cho mạng khắc phục nhược điểm cố hữu mạng quang tán sắc, suy hao, khuyếch đại công suất, lọc… Bộ lọc phần quan trọng truyền dẫn quang Không có thiết bị thực chuyển mạch truyền dẫn vài tín hiệu sợi quang thời điểm Tinh thể quang tử (photonic crystal) loại vật liệu m i có nhiều nét tương đồng tinh thể bán dẫn, vật liệu làm nên cách mạng m i phát triển công nghiệp vi điện tử (IC) Chính nhờ phát triển ngành công nghiệp chế tạo máy tính cá nhân gọn, nhẹ v i tốc độ cao, hệ thống thông viễn thông siêu tốc băng thông rộng Tinh thể quang tử cấu trúc không gian tuần hoàn vật liệu có số điện môi khác Sự biến đổi tuần hoàn số điện môi làm xuất vùng cấm quang (photonic bandgap PBG) cấu trúc dải tinh thể quang tử Vùng cấm quang tinh thể quang tử có vai trò giống vùng cấm lượng bán dẫn Chúng ta sử dụng tinh thể quang tử để điều khiển, giam giữ kiểm soát ánh sáng không gian ba chiều Tinh thể quang tử cấm hoàn toàn sóng điện từ có bư c sóng vùng cấm quang lan truyền qua mà không phụ thuộc vào phân cực ánh sáng Trên thực tế, tinh thể quang tử xem linh kiện then chốt cho mạch tích hợp quang thông tin quang hệ thống máy tính lượng tử tương lai V i khả kiểm soát lan truyền xạ tự phát ánh sáng, tinh thể quang tử có ảnh hưởng to l n đến phát triển công nghệ chế tạo lọc quang, chuyển mạch quang tốc độ cao, hốc quang, điốt quang, laser, ống dẫn sóng v i hư ng rẽ ánh sáng đột ngột ứng dụng thông tin quang sensor… Bản thân công tác lĩnh vực viễn thông, v i mong muốn tìm hiểu sâu thiết bị quang, chọn đề tài T iế mi m ế ộ ọ ỏ để tiến hành nghiên cứu Dư i hư ng dẫn tận tình TS Hoàng Phương Chi – giảng viên môn hệ thống viễn thông, viết luận văn nhằm nghiên cứu, thiết kế lọc quang sử dụng công nghệ tinh thể quang tử, theo sử dụng phần mềm Comsol để mô đặc tính lọc để cụ thể hóa l thuyết Do hiểu biết hạn chế, luận văn khó tránh khỏi sai sót, mong nhận ý kiến đóng góp thầy cô quan tâm CHƯ NG TỔNG QUAN V BỘ LỌC QUANG 1.1 Giới iệ Trư c tiên, lọc trình xử lý nhằm loại bỏ giá trị không quan tâm đến giữ lại có giá trị sử dụng Trong xử lý tín hiệu, lộc thiết kế để lọc tín hiệu “sạch” cần tìm) từ tín hiệu trộn lẫn tín hiệu nhiều tín hiệu nhiễu (không cần thiết) Thuật ngữ "bộ lọc quang" thuật ngữ rộng l n, bao gồm cấu trúc phân biệt thành phần tần số khác tín hiệu đến xử lý chúng theo cách khác Bộ lọc quang phần tử thụ động hoạt động nguyên lý truyền sóng không cần nguồn cung cấp Việc chuyển đổi tín hiệu đầu vào biên độ, pha, hai, thực chủ yếu thông qua số hình thức cộng hưởng can nhiễu, sau liên quan đến hiệu ứng trễ pha tán sắc Bỏ qua phi tuyến, lọc quang bao gồm hệ thống tuyến tính thời gian bất biến, đặc trưng miền thời gian hàm đáp ứng xung h(t) V i tín hiệu đầu vào x(t), đầu y(t), định nghĩa là: y (t )  x (t ) * h(t )   x ( ) h(t   ) d (1.1) Trong miền tần số: Y ( )  X ( ) H ( ) (1.2) H ( ) | H ( ) | ei ( ) (1.3) Trong đó: Hàm truyền đạt, H(), trọng tâm vấn đề thiết kế lọc Cường độ làm thay đổi biên độ tín hiệu đến, pha phụ thuộc tần số (), mô tả pha tích lũy cho thành phần tần số cho trư c truyền qua lọc Một chức lọc quang tách bư c sóng quang Có nhiều cách để thực hiện, nguyên l chúng dựa quan điểm: bư c sóng bị trễ pha so v i bư c sóng khác chúng hư ng qua đường dẫn khác Tùy thuộc vào cách nguyên lý hoạt động thiết bị mà ta có hai nhóm lọc quang khác như: lọc quang cố định lọc quang điều khiển - Bộ lọc quang cố định lọc nguyên lý loại bỏ tất bư c sóng, cho phép giữ lại bư c sóng cố định xác định trư c l tưởng - Bộ lọc điều chỉnh lọc thay đổi bư c sóng cho qua tùy theo yêu cầu Đây loại lọc có khả chọn lựa bư c sóng truyền qua Những lọc loại phần tử tích cực chúng đòi hỏi phải có nguồn cung cấp từ bên Một tập hợp bư c sóng vào lọc, phận điều khiển việc lựa chọn bư c sóng mong muốn Chúng ta cần loại lọc cho hai mục đích: lọc kênh bư c sóng trư c máy thu xây dựng mạng chuyển mạch quang linh động Tốc độ điều chỉnh phụ thuộc vào kiểu mạng mà sử dụng Mạng chuyển mạch quang sử dụng yêu cầu tốc độ tương đối thấp, thời gian chuyển mạch tính ms Còn mạng chuyển mạch gói có thời gian chuyển mạch cỡ μs chí ns nên đòi hỏi tốc độ cao Bộ lọc điều chỉnh có số ứng dụng khác như: đường dây trễ, lazer sợi thay đổi được, thiết bị đo lường,… Hình 1.1 Sơ đồ khối lọc [4] (a) Bộ lọc cố định bư c sóng λk , (b) Bộ lọc điều chỉnh bư c sóng khoảng Δλ Một tinh thể quang tử 2-D cấu trúc tuần hoàn theo hai trục đồng theo trục Mẫu thông dụng, bao gồm tinh thể hình vuông cột điện môi, hình 2.9 Giá trị xác không gian cột, tinh thể có PBG mặt xy Bên gap, trạng thái mở rộng chấp nhận, tia t i phản xạ Không giống màng đa l p, 2-D ngăn cản ánh sáng truyền theo hư ng nằm mặt phẳng Hình 2.9 Một tinh thể quang 2-D [3] Điện môi tọa độ tinh thể tính theo công thức 2.7 sau: ε(r) = ε(r + R) R = mxax + myax mx, my  {0,  1,  2,…} (2.7) Tinh thể vuông v i cột điện môi Xem ánh sáng truyền theo mặt phẳng xy, v i dãy vuông cột điện môi, ví dụ cấu trúc hình 2.9, v i số tinh thể a Cấu trúc band tinh thể bao gồm nhôm (ɛ = 8.9) không khí, bán kính r/a = 0.2, vẽ hình 2.10 Cả cấu trúc band TM TE họa hình 2.10 Trục nằm ngang minh họa giá trị vector sóng mặt phẳng k|| Từ trái sáng phải, k|| di chuyển qua sườn hình chữ nhật vùng Brillouin giảm kích thư c, từ Г đến X đến M, hình 2.10 46 Hình 2.10 Cấu trúc band tinh thể quang cho dãy vuông cột điện môi bán kính r = 0.2a, ɛ =8.9 xung quang môi trường không khí ɛ = [3] Đồ thị trường mode TM band (dielectric air band) hình 2.11 Tại điểm Г, đồ thị trường hoàn toàn giống v i m i cell Tại điểm X, đồ thị trường xen kẽ vào cell theo hư ng vector sóng kx, hình thành sóng song song v trục y Tại điểm M, trường xen kẽ vào cell lân cận, hình thành đồ thị “bàn cờ” Mặc dù đồ thị X M trông giống sóng trư c đường truyền – sóng đứng v i vận tốc nhóm Đồ thị trường mode TE điểm X band vẽ hình 2.12 V i mode TM, mạng tinh thể có band gap hoàn toàn hai band, v i tỉ số gap-midgap 31.4% Ngược lại v i mode TE band gap Chúng ta giải thích cho kết trên, việc xem lại hình 2.11 2.12 Trường kết hợp v i mode TM thấp tập trung mạnh vùng điện môi Điều vẽ đối lập v i đồ thị trường band không khí Một mặt phẳng nút cắt qua cột điện môi, bị biến thay vào biên độ trường từ vùng điện môi cao 47 Hình 2.11 Trường thay bên TM dãy tinh thể vuông v i cột ɛ = 8.9 không khí [3] Bảng 2.1 thông số tập trung trường mà ta cần đến Band điện môi mode TM có thông số tập trung 83%, band không khí 32% Sự khác sợ phân bố trường mode cạnh đáp ứng cho vùng cấm quang TM l n 48 Bảng 2.1 Thông số tập trung cho hai band mạng tinh thể vuông điện môi, điểm X vùng Brillouin TM TE Dielectric band 83% 23% Air band 32% 9% Hình 2.12 Trường từ điểm X trạng thái TE bên mạng tinh thể vuông có cột điện môi ɛ = 8.9 không khí [3] 2.2.3 Tinh thể quang tử ba chiều Có loại cấu trúc tinh thể quang tử chiều: - Cấu trúc g : Hình 2.13 Cấu trúc g 49 - Cấu trúc sử dụng hai l p tinh thể quang tử khác xếp so le: Hình 2.14 Cấu trúc sử dụng hai l p tinh thể quang tử khác xếp so le - Cấu trúc tinh thể chiều đầy đủ: Hình 2.15 Cấu trúc tinh thể chiều đầy đủ Cấu trúc có lợi thế:  Nó có band gap rộng hoàn thiện  Nó bao gồm l p phẳng v i phần cắt chéo nhau, tuân theo chế tạo theo l p, v i chu kỳ l p Do cho phép sử dụng kỹ thuật in thạch truyền thống v i khả kiểm soát cao l i (ống dẫn sóng, khoang thành phần khác) tinh thể  Bản thân m i l p ngăn xếp xen kẽ v i dạng đặc trưng tinh thể 2D: điện môi không khí l không khí điện môi Đây đặc 50 tính phân biệt cấu trúc v i cấu trúc trư c đó, cấu trúc 2D đối xứng cao cho phép xây dựng mạng quang học phức tạp cách thay đổi l p Và cấu trúc bẫy dẫn ánh sáng cực cao Tinh thể quang 3-D có đặc tính m i vùng cấm band gap, mode điểm khuyết định vị ánh sáng không gian chiều Mặc dù có nhiều thông số không định đối v i mô hình không gian có tinh thể quang chiều, đặc biệt làm cho quan tâm đến mô hình chúng đẩy mạnh tồn vùng cấm quang So v i phần trư c 1-D 2-D, tổng quát hóa hơn, muốn có mạng kênh điện môi chạy theo tất hư ng mà trường điện muốn trỏ đến Trong chiều, đó, thử tạo mạng tinh thể gồm có ống khối cầu mạng phân tử tinh thể Nó lựa chọn mạng tinh thể làm để kết nối chúng lại việc đáng ý việc xác định làm để thu vùng cấm cách dễ dàng Hình 2.16 biểu diễn nguyên l mạng tinh thể chiều hình cầu khối lập phương Mạng tinh thể đơn giản hình thành hình cầu nằm góc khối lập phương, v i vector mạng tinh thể ax , ay az Đây mạng tinh thể lập phương đơn giản Nếu thêm khối hình cầu đỏ đậm vào tâm mặt bên, thu tinh thể fcc (facecentered cubic) Tinh thể fcc, có đơn vị lặp lại nhỏ tế bào gốc tế bào lập phương hình 2.16 Nếu ta thêm khối cầu màu hồng, loại tinh thể fcc khác dịch (a/4, a/4, a/4) đối v i khối cầu màu xanh, thu “nguyên tử” cho m i tế bào gốc hình thoi Trong tinh thể kim cương, hình cầu “nguyên tử” carbon, v i m i nguyên tử có nguyên tử lân cận, minh họa hình Trở lại trường hợp điện môi, tính công thức tổng quát điện môi t i điểm mà trưởng trỏ t i theo hình 2.17 công thức 2.8 51 Hình 2.16 Mạng tinh thể 3-D khối lập phương Hình 2.17 Mô hình điện môi tưởng tưởng cho mạng tinh thể 3-D k Lout Lin  ( r )   ( x  R ) ; R  mx a x  m y a y  mz a z ; mx , m y , mz  {0, 1, 2 } (2.8) 52 CHƯ NG THI T BỘ LỌC TINH THỂ QUANG TỬ Các thiết bị tinh thể quang tử hay thiết bị cấu trúc nano (PhC) nhận ý năm gần đây, chúng cho phép khả mong muốn việc tối ưu hóa kích thư c thiết bị cho việc sản xuất mạch điện quang tích hợp mật độ cao Một số thiết bị thiết yếu PhC lọc tinh thể quang tử, sử dụng ứng dụng WDM Đã có nghiên cứu việc thiếu hụt tạo việc bỏ l chu i l nhúng chóp ống dẫn sóng cộng hưởng Trong hệ thống truyền quang, tối thiểu hóa dải thông yêu cầu cho tín hiệu điều chế khoảng 1dB thấp để sinh đặc tính truyền gần xung vuông Nguyên lý cách tử Bragg áp dụng cho lọc tinh thể quang tử để có đáp ứng lọc mong muốn Bằng lựa chọn dịch pha thay đổi kích thư c khoang cộng hưởng phù hợp, biên độ vị trí phù hợp, ta tạo đáp ứng cho lọc yêu cầu Biến đổi kích thư c khoảng cộng hưởng đầu vào đầu cho bậc tự khác việc thiết kế đáp ứng lọc 3.1 Thiết kế lọc Trong trình thiết kế lọc quang học, ta phải xác định loại lọc yêu cầu Một lọc mà đơn giản tìm cách tạo trễ pha băng tần định sử dụng thiết bị khác so v i loại cần phải chọn lọc thành phần tần số hẹp từ tín hiệu băng thông rộng Ngoài ra, cần phương pháp thích hợp để thiết kế mô hình đáp ứng xung cho lọc quang điều chỉnh dạng hình học lọc để có hàm đáp ứng phù hợp v i yêu cầu ứng dụng Nguyên lý: Trong ống dẫn sóng thiết kế v i cấu trúc gồm vi khoang (có thể PhC, cột điện môi không khí xếp theo chu kỳ định, thay đổi điều khiển đặc tính truyền sóng cách tạo số miền dịch pha thay đổi vị trí độ l n vi khoang 53 Hình 3.1 Sơ đồ l PhC nhúng đỉnh điện môi ống dẫn sóng hoạt động lọc PhC [1] Như hình 3.1, Chiều dài phần cách tử có ảnh hưởng l n đến đặc tính truyền dẫn Để mô tả ảnh hưởng này, ta sử dụng hệ số k (thông số mô tả đặc tính hàm truyền đạt): k Lout (3.1) Lin Chú ý công thức áp dụng v i cấu trúc có nhiều vùng dịch pha Đáp ứng lọc phụ thuộc nhiều vào giá trị k:  V i k đáp ứng lọc xuất đỉnh nhọn yếu tố truyền dẫn nhỏ  V i k=1 truyền dẫn hoàn toàn xảy ra, xuất đỉnh tròn  V i k>1 xuất vùng lõm đáp ứng lọc, tăng giá trị k số đỉnh tăng đồng thời 54 Hình 3.2 Đáp ứng phổ tương ứng a k1 [1] 3.2 T ự iệm v ế ả Ta thiết kế sơ đồ nguyên lý lọc quang sau: Đế bán dẫn Lỗ không khí 9a (a) Ánh sáng vào a r Miền dịch pha (b) 8a (c) 18a 10a 8a 10a Lin Lout Hình 3.3 Nguyên l lọc tinh thể quang tử a Bộ lọc PhC vùng dịch pha, b Bộ lọc PhC hai vùng dịch pha, k=0.85, c Bộ lọc PhC hai vùng dịch pha, k=1.05 55 Tất lọc sử dụng bán dẫn có chiết suất nbackground = 3.4, l không khí có chiết suất n=1, chu kỳ cách tử a = 0.2822µm, bán kính l không khí r = 0.2a Bảng 3.1 Các kích thư c lọc thiết kế: Chu kỳ cách tử Đường kính l PhC Chiết suất Chiết suất l không khí a = 0.2822µm r = 0.2a nbackground = 3.4 n=1 Trên hình 3.3 a, lọc PhC vùng dịch pha tức có vùng dịch pha giữa, số l trống hai bên 9, ánh sáng vào bên trái bên phải Kết mô Comsol sau: Hình 3.4 Phân bố trường lọc tinh thể quang tử vùng dịch pha Hình 3.5 Hàm truyền đạt S11 phản xạ S21 lọc tinh thể quang tử vùng dịch pha 56 Nhận xét: - Tần số trung tâm f0 = 1.93695E14 Hz, bư c sóng trung tâm λ0= 1,549 um - Bandwidth B(3dB) = 3.02 nm V i lọc thấy chưa có phổ truyền tốt, đỉnh nhọn, sườn dốc l n, tồn hài, cần nghiên cứu tối ưu hóa Trên hình 3.3 b c, lọc PhC dịch pha đôi tức có vùng dịch pha giữa, số l trống hai bên vùng dịch pha và 10, hệ số k (2x8.5a/20a) = 0.85 (2x10.5a/20a) = 1.05 Ánh sáng vào bên trái bên phải Kết mô Comsol sau: (a) k=0.85 (b) k=1.05 Hình 3.6 Phân bố trường lọc tinh thể quang tử hai vùng dịch pha Hình 3.7 Hàm truyền đạt S11 phản xạ S21 lọc PhC hai vùng dịch pha, k=0.85 57 Hình 3.8 Hàm truyền đạt S11 phản xạ S21 lọc PhC hai vùng dịch pha, k=1.05 Nhận xét: - Tần số trung tâm f0 = 1.931E14 Hz, bư c sóng trung tâm λ0= 1,553 um - Bandwidth B(3dB) = 4.32 nm Sang lọc này, trường hợp (ứng v i k=0.85) ta thấy phổ truyền chưa tốt, đỉnh nhọn, sườn dốc, sang trường hợp (ứng v i k=1.05) thấy sườn dốc hơn, đỉnh không nhọn, nhiên độ gợn sóng (Ripple) l n Trong tương lai cần tối ưu để nâng cao phẩm chất lọc 58 K T LUẬN Quản lý lọc phần việc vô quan trọng truyền dẫn hệ thống thông tin quang Bài luận văn góp phần mang lại nhìn bao quát phương thức hoạt động lọc Bộ lọc ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thông tin quang, việc lọc cần thiết Không có thiết bị thực chuyển mạch truyền dẫn vài tín hiệu sợi quang thời điểm Bài luận văn trình bày đặc tính vật l kiến thức tảng mạng tinh thể quang hay mạng nano hay photonic crystal Bằng việc đưa ví dụ cụ vế trường hợp lọc PhC hư ng tối ưu lọc PhC, phần luận văn gi i thiệu đáp ứng lọc thông qua việc đưa kết cuả đo mô Một lần nữa, việc nhấn mạnh tầm quan trọng hư ng đắn việc tiếp cận thiết bị quang kích thư c nano Từ đó, giúp cho việc chế tạo mạch đa chức tích hợp v i mật độ dày đặc Tuy nhiên khó khăn đặt việc sản xuất thiết bị, có kích thư c nano nên thiết bị sản xuất cách xác chưa đáp ứng nhu cầu, phạm vị phòng thí nghiệm Thêm nữa, việc chọn hay sử dụng lọc tùy thuộc vào mục đích yêu cầu thông số chất lượng toán Hư ng phát triển luận văn sâu nghiên cứu cấu trúc band gap để tối ưu đặc tính, nâng cao phẩm cấp lọc Do tính chất phức tạp phát triển nhanh chóng công nghệ, thời gian tìm hiểu ngắn, hạn chế tài liệu kiến thức nên trình bày luận văn có phần chưa hoàn chỉnh Một lần cảm ơn TS Hoàng Phương Chi giúp hoàn thành luận văn Rất mong nhận nhận xét đánh giá từ giảng viên hư ng dẫn, thầy cô hội đồng phản biện quan tâm! 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO A.S Jugessur, P.Pottier and R.M De La Rue, (2004), Engineering the filter response of photonic crystal microcavity filters, tr 1-5 Jeremiah Daniel Brown, (2009), Design and optimization of nanostructured optical filter John D.Joannopoulos, Steven G.Johnson, Joshua N Winn, Robert D.Meade, (2008), Photonic Crystals Molding the Flow of Light, Second Editor, Princeton University Press, UK Đ Văn Việt Em, Kỹ thuật Thông Tin Quang II, HV Công nghệ bưu viễn thông 60 ... quang 13 1.3.4 Bộ lọc Fabry-Perot 16 1.3.5 Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF) 20 1.3.6 Bộ lọc Mach-Zehnder 21 1.3.7 Bộ lọc cách tử ống dẫn sóng sóng ma trận... họa hình 1.12 Hình 1.12 Bộ lọc ghép/tách kênh tạo từ lọc màng mỏng điện môi [4] 1.3.6 Bộ lọc Mach-Zehnder 1.3.6.1 Ðị ĩ Bộ lọc Mach-Zehnder loại giao thoa kế Sóng vào lọc phân thành nhiều đường... mạng quang tán sắc, suy hao, khuyếch đại công suất, lọc Bộ lọc phần quan trọng truyền dẫn quang Không có thiết bị thực chuyển mạch truyền dẫn vài tín hiệu sợi quang thời điểm Tinh thể quang