Bộ chia quang dựa trên ghép định hướng

Báo cáo thông tin quang MỤC LỤC Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page Báo cáo thông tin quang DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hiệu 1.1 1.2 1.3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Tên hình ảnh Các loại tinh thể quang tử Phương pháp vector sóng phẳng mở rộng Bộ chia quang thực tế Photonic bandgap Planar PhC Ảnh chụp hiển vi cấu lắp ghép 60˚ bend Ảnh hiển vi cấu tạo mối nối Y Đồ thị hiển thị mất chỗ uốn theo tính toán lý thuyết Phổ đo ánh sáng TE-polarized (trắng xám) chia PhC FDTD 3D (đen) Trang 10 13 15 17 18 19 20 LỜI NÓI ĐẦU Trong vài năm qua tinh thể quang tử thu hút nhiều quan tâm cho thấy nhiều đặc điểm hấp dẫn Trong số đó, khả tương tác với ánh sáng theo tỉ lệ bước sóng định hứa hẹn mang đến cấu trúc nano cho mạch quang tích hợp Nhiều thiết bị chức sử dụng tinh thể quang tử đề xuất kì vọng đóng vai trò quan trọng mạch quang tương lai Các thành phần sử dụng mạch quang chiều bao gồm ghép, chia quang, Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page Báo cáo thông tin quang vv… chúng thực tinh thể quang tử chiều Các thiết bị tinh thể quang tử có nhiều ưu điểm dễ dàng thay cấu tạo tích hợp nhanh chóng vào thiết bị thông thường Trước đây, thời gian dài silic cách điện đơn giản hóa cấu tạo thiết bị có chứa tinh thể quang tử chiều với độ xác cao Trước ứng dụng to lớn vậy, thiết kế chia quang đời Đây chia quang dựa việc ghép định hướng ống dẫn sóng Chính vậy, nhóm chúng em xin chọn đề tài “Bộ chia quang dựa ghép định hướng” nhằm mục đích nghiên cứu hiểu rõ cấu trúc chia quang để áp dụng thực tế I Tổng quan, khái niệm Tinh thể quang tử 1.1 Khái niệm Tinh tể quang tử cấu trúc nano quang học có ảnh hưởng đến lan truyền hạt photon tương tự cách mà tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động electron Các tinh thể quang tử xuất cách tự nhiên vỏ Trái Đất nhiều dạng khác nghiên cứu từ đầu kỷ 20 1.2 Đặc điểm Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page Báo cáo thông tin quang Tinh thể quang tử cấu tạo từ cấu trúc nano điện môi kim loại-điện môi thiết kế để tác động lên lan truyền sóng điện từ tương tự cách hố lượng tuần hoàn tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động electron; tức tạo cấu trúc lượng trạng thái photon tinh thể Một vùng trống cấu trúc lượng photon kiểu lan truyền mà sóng điện từ không phép, hay dải bước sóng không lan truyền Điều dẫn đến tượng ngăn cản phát xạ tự phát, gương định hướng có độ phản xạ cao hay ống dẫn sóng có độ tổn hao thấp 1.3 Phân loại − Tinh thể quang tử chia thành loai: • Tinh thể quang tử chiều (1D): cấu trúc gồm lớp xen kẽ có số khúc xạ khác xếp chồng lên • Tinh thể quang tử chiều (2D): tạo cách chồng khối trụ có số khúc xạ cho trước • Tinh thể quang tử chiều (3D): mặt cầu xếp theo mặt khối Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page Báo cáo thông tin quang Hình 1.1 Các loại tinh thể quang tử 1.4 Ứng dụng − Tinh thể quang tử chiều sử dụng rộng rãi quang học màng mỏng, tạo lớp phủ lên bề mặt thấu kính hay gương để tạo độ phản chiếu thấp hay cao tùy ý; hay sơn đổi màu in ấn bảo mật − Các tinh thể quang tử hai chiều ba chiều dùng nghiên cứu khoa học Ứng dụng thương mại tinh thể hai chiều sợi tinh thể quang tử, thay cho sợi quang học truyền thống thiết bị quang học phi tuyến dùng với bước sóng đặc biệt − Các tinh thể quang ứng dụng điều khiển lan truyền ánh sáng Phương pháp vector sóng phẳng mở rộng (PWE – Plane Wave Expansion) Phương pháp vector sóng phẳng mở rộng (PWE) cho ta cách tiếp cận hiệu gần với mô hình sợi tinh thể quang tử (PCF – photonic crystal fiber) Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page Báo cáo thông tin quang Phương pháp cho phép giải phương trình vector sóng đầy đủ cho từ trường Trong mô hình trường hàm tuần hoàn vị trí phụ thuộc vào số điện môi sử dụng khai triển Fourier hàm tuần hoàn xác định vector mạng tương hỗ Từ phương trình vector sóng đầy đủ trường Hk : Trong k vector sóng ε(r) số điện môi cấu trúc Một mô hình cầu trúc sợi tinh thể quang tử mô tả mạng tuần hoàn, chứa cấu trúc tinh thể lỗ hổng Do tính tuần hoàn nên biểu diễn Hk tổng sóng phẳng theo lý thuyết Bloch: Trong G vector mạng không gian đối xứng Hằng số điện môi ε(r) khai triển Fourier: Trong đó: với Au diện tích ô đơn vị Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page Báo cáo thông tin quang (Nguồn: 123 doc.vn) Hình 1.2 Phương pháp vector sóng phẳng mở rộng Phương pháp FDTD (Finite Difference Time Domain) Phương pháp FDTD phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian, đưa Kane Yee người Nhật năm 1966 Phương pháp FDTD đòi hỏi tốc độ xử lý máy tính cao cần nhiều dung lượng nhớ Phương pháp FDTD giải hệ phương trình Maxwell trực tiếp miền thời gian • Nguyên lý phương pháp FDTD: Hệ phương trình dạng vi phân Maxwell: Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page Báo cáo thông tin quang Xét hệ phương trình dạng vi phân Maxwell ta thấy đạo hàm theo thời gian trường phụ thuộc vào rota trường (rot()) , có nghĩa thay đổi trường (đạo hàm theo thời gian) phụ thuộc vào thay đổi trường qua không gian Trong phương pháp FDTD, giá trị điện trường phụ thuộc vào giá trị cũ điện trường sai khác giá trị từ trường xung quanh điểm tính điện trường không gian Từ trường tính tương tự Giá trị từ trường phụ thuộc vào giá trị cũ phụ thuộc vào sai khác điện trường xung quanh điểm tính từ trường • Ứng dụng: + Trong công nghệ quốc phòng: để tính toán, thiết kế, chế tạo loại tên lửa dẫn đường radar + Trong mô Antenna: để phân tích anten phát thu lượng có cấu trúc phức tạp Bộ chia quang 4.1 Khái niệm Bộ chia quang (Optical Splitter) thiết bị quan trọng nằm mạng thụ động GPON mạng FTTH PON hình thức truy nhập mạng cáp quang, kiểu kết nối điểm - đa điểm (P2M) sợi quang làm sở tạo kiến trúc mạng Mỗi khách hàng kết nối tới mạng quang thông qua chia quang thụ động không cần nguồn cấp, thiết bị điện chủ động mạng phân chia băng thông chia sẻ từ nhánh ( feeder) đến người dùng (drop), cho phép sợi quang đơn phục vụ nhiều nhánh sở, thường từ 16-128 PON bao gồm thiết bị đầu cuối dây quang (OLT - Optical Line Terminal) văn phòng trung tâm nhà cung cấp dịch vụ thiết bị mạng quang học (ONUs - Optical Network Units) nơi gần người dùng cuối Công nghệ PON làm giảm yêu cầu số lượng dây dẫn thiết bị văn phòng trung tâm so với kiến trúc điểm - điểm Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page Báo cáo thông tin quang Hiện chia quang sử dụng rộng rãi lĩnh vực viễn thông, mạng cáp quang phát triển ngày mạnh nhu cầu sử dụng chia quang ngày lớn.Bộ chia quang có hai loại Bộ chia quang nhà chia quang trời.Để phân biệt hai loại chia mặt vật lý nhận ran gay Bộ chia quang trời chứa tủ ,hộp sắt nhựa ( hộp thuê bao quang, hộp phối quang trời, hộp odf trời ….) để đảm bảo vấn đề thời tiết đạt chuẩn IP 65 trở lên.Bộ chia quang dùng nhà có cấu trúc vật lý đơn giản , gọn nhẹ tiện sử dụng Hình 1.3: Bộ chia quang 4.2 Phân loại Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page Báo cáo thông tin quang Bộ chia quang 1:2 Bộ chia quang 1:4 Bộ chia quang 1:8 Bộ chia quang 1:16 Bộ chia quang 1:32 Bộ chia quang 1:64 Tùy vào nhu cầu sử dụng ta chọn chia phù hợp 4.3 Ứng dụng, Ưu điểm • Ưu điểm: − Tiết kiệm số sợi quang (tiết kiệm cáp quang) − Quản lý tập trung dễ dàng − Đảm bảo băng thông quang ổn định • Ứng dụng: − Phương tiện truyền thông quang − Hệ thống truyền hình quang − Hệ thống CATV − Bộ cảm biến quang − Bộ khuếch đại quang − Bộ điều phối quang Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page 10 Báo cáo thông tin quang II Giới thiệu chung báo Một chia ống dẫn sóng tinh thể quang trình diễn chia Ultralow-loss 3-dB ánh sáng TE phân cực chế tạo chất liệu silicon-on-insulator cách sử dụng kĩ thuật quang khắc UV sâu Hiệu suất cao ta sử dụng mối nối Y Mối nối thiết kế để hoạt động tốt chế độ đơn mode, low-loss 60˚ bends Tín hiệu đầu Zeroloss-3dB thu thực nghiệm khoảng từ 1560-1585 nm Kết chênh lệch từ mô hình time-domain tham số điều chỉnh tìm thấy kết tuyệt vời với kết thí nghiệm Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page 11 Báo cáo thông tin quang III Cơ sở lý thuyết thực Các thiết bị quang học dựa cấu trúc tinh thể quang phẳng (PhC) thay cho thiết bị sử dụng phản xạ toàn phần (TIR) cách sử dụng tính chất độc đáo hiệu ứng PBG (Tinh thể PBG cấu trúc điều khiển chùm ánh sáng tương tự điều khiển dòng điện chất bán dẫn) Hình 3.1 : Photonic bandgap Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page 12 Báo cáo thông tin quang Hiệu ứng PBG cho phép tương tác ánh sáng cấu trúc tinh thể quang phẳng (PhC) diễn vài bước sóng Điều giảm thiểu kích thước thành phần đặc biệt làm tăng đáng kể mật độ device-packing (lên tới 10⁶ lần so với thiết bị TIR thông thường) Những tiến gần quang khắc UV sâu bước sóng 248nm sau chế tạo hang loạt thiết bị quang phẳng siêu nhỏ gọn dựa hiệu ứng PBG cách sử dụng công nghệ chế tạo sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp bán dẫn Các hiệu ứng PBG xuất chất liệu điện môi thiết kế đặc biệt cách điều chế tuần hoàn số khúc xạ Ống dẫn sóng tinh thể quang phẳng (PhCWs) hình thành việc đưa dòng hụt vào tinh thể quang hoàn hảo khác Qua ánh sáng bị hạn chế theo chiều ngang tinh thể PBG inplane theo chiều dọc TIR Do ảnh hưởng hiệu ứng PBG PhCW, ánh sáng định tuyến theo góc nhọn với bán kính uốn theo thứ tự bước sóng Tuy nhiên hoạt động đơn mode gián đoạn Planar PhCW phản xạ rộng bề mặt phần khác PhCW Tính gián đoạn kích thích chế độ trật tự cao mà không thiết theo điều hướng PhCW Bởi chức thành phần PhC thường phát sinh từ gián đoạn, trở ngại điều cần thiết thiết kế thành phần PhC để tránh tổn thất Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page 13 Báo cáo thông tin quang Hình 3.2: Planar PhC Một thành phần quang quan trọng chia quang, sử dụng rộng rãi giao thoa (tách) ghép kênh Cho đến nay, có vài công trình với chia quang tảng PhC công bố, chế tạo mô hình chia ống dẫn sóng tinh thể quang phẳng Y mà gián đoạn chia vùng uốn cong đặt vào vị trí cách cẩn thận, đảm bảo chia rẻ Ultralow-loss 3-dB ánh sáng TE-polarized Thực nghiệm việc truyền quang phổ thu cho thành phần chế tạo chất liệu silicon-on-insulator so sánh với tính toán FDTD 3D Sự trùng khớp liệu thực nghiệm lý thuyết điều dự đoán từ trước Cấu trúc tinh thể quang phẳng xác định airholes xâm nhập vào lớp silicon dày 220nm đặt lớp Silica 1µm Các lỗ đặt mạng tam giác có đường kính d = 0.57∆ (∆ có giá trị 435nm) PhCW miêu tả dòng lỗ trễ khiếm khuyết theo hướng GK mạng lưới tam giác Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page 14 Báo cáo thông tin quang Cấu hình đem lại PBG tương đối lớn lớn bên dòng Silica cho phép truyền đơn mode TE-like PhCWs Chóp ống dẫn sóng, chiều rộng bước sóng giảm dần từ 4µm mẫu đến 1µm gần bề mặt PhC, sử dụng để định tuyến ánh sáng đến từ PhCWs Các cấu trúc phổ với quang khắc sâu UV 248nm chuyển lên đầu lớp Silicon cách sử dụng trình khắc Reactive-ion Các thành phần chế tạo quang học đặc trưng cho truyền ánh sáng TEphân cực cách sử dụng băng thông rộng diode phát sáng, thiết bị điều khiển phân cực máy phân tích quang phổ học Trong tính toán FDTD hệ thống 3D sử dụng để bao gồm tổn thất out-of-plane cách áp dụng điều kiện biên out-of-plane mã Onyx-2 Các tính toán thực mà tham số điều chỉnh thành phần giống việc chế tạo Tất phổ truyền qua việc đo tính toán chuẩn hóa với phổ cho PhCWs có độ dài tương đương Các chia PhCW thiết kế mối nối Y hình thành giao PhCW hợp thành góc 120˚ Để có kênh đầu chia Y song song với kênh đầu vào, kênh đầu có chỗ uốn cong 60˚ cách 15∆ từ mối nối Y Cả mối nối Y chỗ uốn cong 60˚ biểu diễn gián đoạn nghiêm trọng PhCWs miền thông dụng hoạt động đơn mode thiết kế bị tổn thất cách chấp nhận Chỗ uốn cong sửa đổi cách thay lỗ loại bỏ lỗ chỗ uốn cong Hơn lỗ viền thay lỗ lớn với đường kính D = 0.77∆ Xem hình 3.3 Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page 15 Báo cáo thông tin quang Hình 3.3: Ảnh chụp hiển vi cấu lắp ghép 60˚ bend Các mối nối Y bị thay đổi cách tương tự cách loại bỏ lỗ bên mối nối thay lỗ đường viền với kích thước lớn Tuy nhiên, điều chuyển đổi mối nối Y thành buồng cộng hưởng quang với nhiều chế độ, làm giảm hiệu suất chia quang chế độ cộng hưởng không hỗ trợ PhCW Do lỗ bổ sung them vào chia quang , nhờ kích thước mối nối buồng cộng hưởng giảm Các thiết kế kế mối nối Y thể hình 3.4 Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page 16 Báo cáo thông tin quang Hình 3.4: Ảnh hiển vi cấu tạo mối nối Y Để khảo sát việc thực biến đổi chỗ uốn cong 60˚ , PhCW chứa hai khúc uốn cong liên tiếp cách 15∆ chế tạo (như hình 3.3) Một điểm đáng ý giống tương đối việc đo đạc tính toán hình 3.5 đây: Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page 17 Báo cáo thông tin quang Hình 3.5: Đồ thị hiển thị mất chỗ uốn theo tính toán lý thuyết Đường màu đen thể kết tính toán theo FDTD đường màu xám cho kết phép đo thực nghiệm Điều cho ta biết chế tạo thiết bị theo hướng dẫn thiết kế từ trước Độ lệch nhỏ thí nghiệm mô xuất phát từ xác đường kính lỗ độ dày lớp Silicon Hai dãy băng thông phân biệt với nhau: Trong dãy từ 1555-1585nm mát chỗ uốn cong vào thực nghiệm 0.25 ± 0.58dB Hiệu ứng cộng hưởng cho gây tổn thất below-zero đạt miền Vì The Lends truyền tải ánh sáng tốt so với chiều dài tương đương PhCW thẳng Trong phạm vi bước sóng 1370-1410nm mát tìm thấy 0.7 ± 0.35dB chỗ uốn cong Vì chỗ uốn 60˚ cho thấy mát chỗ uốn cong thấp cửa sổ 30nm Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page 18 Báo cáo thông tin quang Việc chế tạo chia PhCW Y hình 1.7 Tổng kích thước chia từ 15µm*20µm Quang phổ qua thực nghiệm truyền số cho chia Y thể qua hình 3.6 Hình 3.6: Phổ đo ánh sáng TE-polarized (trắng xám) chia PhC FDTD 3D (đen) Một lần tính toán phổ (đường màu đen) lặp lại cách xác tất tính chính, mức độ lan truyền quang phổ đo (trắng xám) Hơn phổ đo hai kênh đầu phù hợp hoàn hảo với tính đối xứng cấu trúc Trong khoảng 1560-1585nm, đầu zero-loss 3-dB có từ chia Y Trong phạm vi bước sóng 1370-1480nm số dư mát tìm thấy khoảng 1-2dB Ở mát uốn cong chiếm tới nửa so với mát quan sát được, tối ưu hóa đoạn uốn cong cải thiện hiệu suất chi miền Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page 19 Báo cáo thông tin quang Kết luận, chứng minh chia Y hiển thị tín hiệu zero-loss-dB so sánh với PhCW thẳng băng thông 25nm từ 15601585nm Băng thông low-loss kéo dài cách tối ưu hóa mối nối Y đoạn uốn cong chia Các chia thiết kế với sai số vừa đủ cho việc chế tạo với tiêu chuẩn quang khắc sâu UV Do dễ dàng ứng dụng thành phần PhC tương lai Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page 20 Báo cáo thông tin quang KẾT LUẬN Đứng trước lợi ích to lớn tinh thể quang tử mang lại, chia quang nghiên cứu thể số đặc điểm hấp dẫn Trong đó, hệ số truyền đạt lên đến 95,2% Đây thực số đáng ngưỡng mộ đem so sánh với chia quang khác Bộ chia quang tương lai tích hợp với mạch quang với mong muốn tạo mạch quang nano Qua tìm hiểu, nhóm chúng em biết thêm số đặc điểm lan truyền ống dẫn sóng báo cho chúng em biết them kĩ thuật uốn cong PhCW thẳng nhằm nâng cao hiệu suất truyền quang Trong trình thực nghiên cứu đề tài, hạn chế thời gian, kiến thức kinh nghiệm thực tế nên nhóm chúng em thiếu sót Kính mong nhận đóng góp ý kiến cô bạn Chúng em xin chân thành cảm ơn cô TS Hoàng Phương Chi giúp đỡ nhóm em hoàn thành đề tài này! Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page 21 Báo cáo thông tin quang TÀI LIỆU THAM KHẢO Thomas F Krauss, “Planar photonic crystal waveguide devices for integrated optics,” phys stat sol (a) 197,688-702 (2003) Sharee J McNab, Nikolaj Moll, and Yurii A Vlasov, “Ultra-low loss photonic integrated circuit with membrane-type photonic crystal waveguides,” Opt Express 11, 2927-2939 (2003), http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-11-22-2927 Mehmet Bayindir, B Temelkuran, and E Ozbay, “Photonic-crystal-based beam splitters,” Appl Phys Lett 77, 3902-3904 (2000) S Boscolo, M Midrio, and T F Krauss, “Y junctions in photonic crystal channel waveguides: high transmission and impedance matching,” Opt Lett 27, 1001-1003 (2002) Fan SH, Johnson SG, Joannopoulos JD, Manolatou C, Haus HA, “Waveguide branches in photonic crystals,” JOSA B, 18 162-165 (2001) David M Pustai, Ahmed S Sharkawy, Shouyuan Shi, Ge Jin, Janusz A Murakowski, Dennis W Prather, “Characterization and Analysis of Photonic Crystal Coupled Waveguides,” JM3, 2, 292-299, (2003) F S - Chien, Y - Hsu, W - Hsieh, and S - Cheng, "Dual wavelength demultiplexing by coupling and decoupling of photonic crystal waveguides," Opt Express 12, 1119-1125 (2004), http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-12-6-1119 Koshiba M, “Wavelength division multiplexing and demultiplexing with photonic crystal waveguide couplers,” J Lightwave Technol 19, 1970-1975 (2001) Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page 22 Báo cáo thông tin quang A S Sharkawy, S Shi, D W Prather, and R A Soref, "Electro-optical switching using coupled photonic crystal waveguides," Opt Express 10, 1048-1059 (2002), http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-10-20-1048 10 M Bayindir and E Ozbay, "Band-dropping via coupled photonic crystal waveguides," Opt Express 10,1279-1284 (2002), http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-10-22-1279 11 S G Johnson and J D Joannopoulos, "Block-iterative frequency-domain methods for Maxwell's equations in a planewave basis," Opt Express 8, 173-190 (2001), http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-8-3-173 12 Morten Thorhauge, Lars H Frandsen, and Peter I Borel, “Efficient photonic crystal directional couplers,” Opt Lett 28, 1525-1527 (2003) 13 Boscolo, S., Midrio, M., Someda, and C.G., “Coupling and decoupling of electromagnetic waves in parallel 2D photonic crystal waveguides,” IEEE J Quantum Electron 38, 47-53 (2002) 14 A Yariv, P Yeh, Optical Waves in Crystals, (Wiley, NewYork, 1984) 15 A Taflove, S.C Hagness, Computational Electrodynamics: The FiniteDifference Time-Domain Method, second ed., (Artech House, Boston, 2000) Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page 23 ... lên .Bộ chia quang dùng nhà có cấu trúc vật lý đơn giản , gọn nhẹ tiện sử dụng Hình 1.3: Bộ chia quang 4.2 Phân loại Tìm Hiểu Bộ Chia Quang Page Báo cáo thông tin quang Bộ chia quang 1:2 Bộ chia quang. .. quang 1:4 Bộ chia quang 1:8 Bộ chia quang 1:16 Bộ chia quang 1:32 Bộ chia quang 1:64 Tùy vào nhu cầu sử dụng ta chọn chia phù hợp 4.3 Ứng dụng, Ưu điểm • Ưu điểm: − Tiết kiệm số sợi quang (tiết... quang tử chiều với độ xác cao Trước ứng dụng to lớn vậy, thiết kế chia quang đời Đây chia quang dựa việc ghép định hướng ống dẫn sóng Chính vậy, nhóm chúng em xin chọn đề tài Bộ chia quang dựa