Tìm hiểu về bộ lọc thông dải dựa trên sự dịch pha của lưới dẫn sóng tinh thể quang tử

Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Hıǹ h 1.1 Sơ đồ khối lọc (a) Bộ lọc cố định bước sóng λk (b) Bộ lọc điều chỉnh bước sóng khoảng ∆λ …… Hıǹ h 1.2 (a) Các thông số đặc trưng lọc (b) Độ gợn sóng lọc…… …… Hıǹ h 1.3: (a) Cách tử truyền dẫn (b) Cách tử phản xạ………………………… …….9 Hı̀nh 1.4 (a) Cách tử sợi quang chiết suất đồng (b) Cách tử Bragg sợi quang chiết suất giảm dần (c) Phổ công suất phản xạ cách tử đồng (d) Phổ công suất phản xạ cách tử giảm dần …… 10 Hıǹ h 1.5 dùng điện cực để thay đổi bước sóng hoạt động lọc FabryPerot 11 Hı̀nh 1.6 lọc ghép/tách kênh tạo từ lọc màng mỏng điện môi … 12 Hıǹ h 1.7(a) Bộ lọc MZI tạo thành cách kết nối couplers định hướng 3dB (b) sơ đồ khối MZI độ lệch hướng nhánh (c) Sơ đồ khối MZI bốn tầng sử dụng bước sóng khác tầng ………12 Hıǹ h 1.8 Cách tử ống dẫn sóng ma trận ………13 Hı̀nh 1.9 Một AOTF đơn giản ………13 Hıǹ h 2.1 Lưới dẫn sóng tinh thể quang tử đơn pha ………16 Hı̀nh 2.2 Đường cong phân tán vùng dịch pha từ bán kính khác r0…… 16 Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội Hı̀nh 2.3 Phổ lý thuyết lưới dẫn sóng dịch pha đơn cho lưới dẫn sóng chiều dài L1 ………17 Hıǹ h 2.4 Lưới dẫn sóng với vùng dịch pha ………17 Hı̀nh 2.5(a) Phổ lưới dẫn sóng dịch pha tinh thể quang tử lý thuyết (b) Biểu diễn phổ lọc thiết kế cách sử dụng phương pháp 2-D FDTD ………18 Hıǹ h 2.6 Phổ lưới dẫn sóng dịch pha tinh thể quang tử với chiều dài lưới dẫn sóng Lout khác ………18 Hı̀nh 2.7 Phổ lưới dẫn sóng dịch pha tinh thể quang tử với bán kính r khác ………19 Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT IL Insertion Loss Suy hao xen WDM Wavelength devision Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng ITU-T Tiêu chuẩn viễn thông International Telecommunication Union thuộc Tổ chức Viễn thông Telecommunication Standardization quốc tế Sector BUF Bandwidth-untilization Factor Hệ số sử dụng băng thông LW Linewidth Độ rộng kênh truyền FP Fabry-Perot Bộ lọc Fabry-Perot TFMF Thin-film Multicavity Filter MZI Mach-Zehnder Filter AWG AOTF Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi Bộ lọc Mach-Zehnder Bộ lọc cách tử ống dẫn sóng ma Array of Waveguides trận Bộ lọc quang-âm điều chỉnh Acousto-Optic Tunable Filter PCs Photonic Crystals DWD M Dense Wavelength-DivisionMultiplexed TM Transverse Magnetic Từ trường ngang PBG Photonic Bangap Vùng cấm quang tử FDTD Finite-Difference Time-Domain DFB Distributed Feedback Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang Tinh thể quang tử Ghép đa kênh theo bước sóng Miền thời gian hữu hạn chiều Phản hồi thông tin phân tán Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội LỜI NÓI ĐẦU Với phát triển vô mạnh mẽ công nghệ thông tin nói chung kỷ thuật viễn thông nói riêng, nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển nhanh tạo áp lực ngày cao việc dung lượng thông tin ngày tăng lên Và việc chế tạo áp dụng thành công việc truyền tin tính chất quang xem thành công lớn nhà khoa học Tuy mạng thông tin quang số hạn chế chất lượng truyền dẫn băng thông, khoảng cách, chất lượng dịch vụ…Vì nhiều sáng tạo giải pháp đời, ví dụ giải pháp ghép kênh theo bước sóng WDM, đa kênh theo bước sóng DWDM cho phép ghép nhiều bước sóng sợi quang, tăng dung lượng đường truyền mà không cần tăng thêm sợi quang Tuy để có hệ thống quang tốt tất yếu phải có phát triển cải tiến tốt tất thành phần hệ thống, tron lọc quang mắt xích quan trọng Vì vậy, qua môn học Thông Tin Quang đồng ý Cô T.S Hoàng Phương Chi, chúng em định chọn đề tài cho tập lớn môn là: “Tìm hiểu lọc thông dải dựa dịch pha lưới dẫn sóng tinh thể quang tử” thông qua báo “Bandpass filters based on phase-shifted photonic crystal waveguide gratings” Optics Express, Vol 15, Issue 18, pp 11278-11284 (2007) Chao Chen, Xuechun Li, Hanhui Li, Kun Xu, Jian Wu, and Jintong Lin Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Cô T.S Hoàng Phương Chi ân cần bảo chúng em suốt thời gian học trình làm tập lớn môn Thông Tin Quang Do kiến thức hạn hẹp thời gian tìm hiểu không nhiều, nên tập lớn không tránh khỏi sai sót, thiếu sót Chúng em mong nhận góp ý Cô để tập lớn hoàn thiện Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội NỘI DUNG I Tổng quan lọc quang tinh thể quang tử Tinh thể quang tử 1.1 Định nghĩa Tinh thể quang tử cấu trúc nanô 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 nghiên cứu từ đầu kỷ 20 1.2 Giới thiệu Tinh thể quang tử tạo thành từ cấu trúc nanô 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 Ở đây, 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 hao tổn thấp Bản chất tượng quan sát nhiễu xạ sóng điện từ, chu kỳ không gian cấu trúc tinh thể phải có kích cỡ với bước sóng sóng điện từ (tức vào cỡ vài trăm nm cho tinh thể quang tử làm việc với ánh sáng) Đấy khó khăn kỹ thuật cho việc chế tạo tinh thể quang tử nhân tạo 1.3 Tinh thể quang tử tự nhiên Một ví dụ tinh thể quang tử tự nhiên opal Các màu sắc nhiễu xạ Bragg mắt tinh thể Một hệ tinh thể quang tử tự nhiên khác quan sát cánh số loài bướm, loài Morpho 1.4 Ứng dụng Các tinh thể quang tử ứng dụng để điều khiển lan truyền ánh sáng Các tinh thể quang tử chiều dùng rộng rãi quang học màng mỏng; tạo lớp phủ lên bề mặt thấu kính hay gương để tạo độ phản chiếu thấp hay cao tuỳ ý; hay sơn đổi màu in ấn bảo mật Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội Các tinh thể quang tử hai chiều ba chiều dùng nghiên cứu khoa học Ứng dụng thương mại tinh thể quang tử 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 (ở vật liệu truyền thống suốt không khí hay chất khí) Khả sản xuất ngăn ngừa lỗi tinh thể quang tử ba chiều nghiên cứu Tổng quan lọc quang 2.1 Định nghĩa Bộ lọc thiết bị cho phép kênh bước sóng qua, khóa tất kênh bước sóng khác Nguyên lý lọc giao thoa tín hiệu, bước sóng hoạt động lọc cộng pha nhiều lần qua nó, kênh bước sóng khác, ngược lại, triệt tiêu pha Tùy thuộc vào khả điều chỉnh kênh bước hoạt động, người ta chia lọc làm hai loại: lọc cố định (fixed filter) lọc điều chỉnh (tunable filter) Hình 1.1 sơ đồ khối lọc cố định lọc điều chỉnh Hı̀nh 1.1 Sơ đồ khối lọc (a) Bộ lọc cố định bước sóng λk (b) Bộ lọc điều chỉnh bước sóng khoảng ∆λ  Yêu cầu lọc Hiện nay, có nhiều công nghệ chế tạo lọc Tuy nhiên, yêu cầu chung tất công nghệ là:  Bộ lọc tốt phải có giá trị suy hao xen IL thấp  Bộ lọc phải không phụ thuộc nhiều vào trạng thái phân cực tín hiệu đưa vào  Dải thông hoạt động lọc phải không nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ môi trường Bộ lọc phải đảm bảo khoảng nhiệt độ hoạt động (thường Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội khoảng 1000C, độ dịch dải thông hoạt động phải không vượt khoảng cách hai kênh bước sóng hoạt động gần  Khi ứng dụng ghép nối tiếp nhiều lọc hệ thống WDM, băng thông hoạt động bị thu hẹp lại Để hạn chế tối đa điều này, lọc phải có hàm truyền đạt khaongr bước sóng hoạt động phẳng  Hàm truyền đạt lọc phải có độ dốc lớn để tránh giao phần vạt hai bước sóng lân cận, gây xuyên nhiễu kênh  Giảm chi phí sản xuất Vấn đề lại phụ thuộc vào công nghệ chế tạo Tuy nhiên, vấn đề đặt lên hàng đầu ta có hai lựa chọn Thứ dung công nghệ ống dẫn sóng, cho phép sản xuất vi mạch tích hợp quang (bù lại hoạt động phụ thuộc vào trạng thái phân cực sóng quang) Thứ hai dung công nghệ sản xuất thiết bị quang, khó khăn tích hợp mạch có nhiều ưu điểm không phụ thuộc trạng thái phân cực sóng quang, ghép sóng từ sợi quang vào thiết bị dễ dàng Hı̀nh 1.2 (a) Các thông số đặc trưng lọc (b) Độ gợn sóng lọc 2.2 Các thông số Hình 1.2 minh họa đặc tính đặc trưng cho lọc, đặc tính định nghĩa sau:  Bước sóng trung tâm: phải bước sóng tuân theo tiêu chuẩn ITU-T  Độ rộng băng thông (Pass Bandwidth): độ rộng hàm truyền đạt mức suy hao xen cách đỉnh 0.5 dB Trong số trường hợp, người ta Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội xét băng thông qua dB, dB Đặc tính quan trọng laser trường hợp không lý tưởng phát tín hiệu có bước sóng dao động định so với bước sóng trung tâm qui định theo chuẩn ITU-T  Độ rộng băng chặn (Stop BandWidth): độ rộng hàm truyền đạt mức suy hao xen đỉnh 20 dB Dải chặn lọc phải nhỏ tốt để tránh tượng xuyên nhiễu kênh  Độ cách li (Isolation): để công suất kênh bước sóng xuyên nhiễu sang kênh bước sóng lân cận  Độ gợn sóng (Ripple): độ chênh lệch đỉnh – đỉnh phạm vi kênh bước sóng  Hệ số sử dụng băng thông BUF (Bandwidth-utilization Factor): tỉ số độ rộng kênh truyền LW (Linewidth) ánh sáng truyền so với ánh sáng phản xạ mức suy hao xác định Bộ lọc lí tưởng phải có BUF = Trên thực tế, IL = -25 dB BUF = 0.4 Nếu lọc thuộc loại điều chỉnh bước sóng được, có thêm đặc tính là:  Khoảng điều chỉnh bước sóng động: khoảng bước sóng mà phạm vi hoạt động lọc  Số kênh bước sóng xử lý: tỉ lệ khoảng điều chỉnh bước sóng động khoảng cách kênh bước sóng  Thời gian điều chỉnh: thời gian điều chỉnh kênh bước sóng hoạt động khác  Tỉ lệ nén biên SSR (Sidelobe Suppression Ratio): khoảng cách giá trị công suất đỉnh so với giá trị cộng suất lớn biên  Độ phân giải: độ dịch bước sóng nhỏ lọc nhận biết Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội 2.3 Cách tử Cách tử dùng để mô tả thiết bị mà hoạt động dựa tượng giao thoa tín hiệu quang xuất phát từ nguồn quang có độ lệch pha tương Phân biệt với cách tử vật chuẩn (etalon) thiết bị có nhiều tín hiệu quang tạo nhờ hốc cộng hưởng (single cavity) lặp lại tia ngang qua Sóng ánh sáng có lan truyền theo hướng x với tần số góc ω số pha β có độ dịch pha (ωt – βz) Do độ dịch pha tương đối sóng phát sinh từ nguồn tạo cách cho chúng truyền qua đường khác Hình 1.3 ví dụ cách tử truyền dẫn cách tử phản xạ Hın ̀ h 1.3: (a) Cách tử truyền dẫn (b) Cách tử phản xạ 2.4 Cách tử Bragg Định nghĩa: Cách tử Bragg sử dụng rộng rãi hệ thống thông tin quang Mọi biến đổi tuần hoàn môi trường truyền sóng (thường biết đổi tuần hoàn chiết suất môi trường) hình thành từ cách tử Bragg Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội Hình 1.4 (a) Cách tử sợi quang chiết suất đòng (b) Cách tử Bragg sợi quang chiết suất giảm dần (c) Phổ công suất phản xạ cách tử đồng (d) Phổ công suất phản xạ cách tử giảm dần Trong đó, ∆ độ rộng dải thông khoảng cách bước sóng đỉnh điểm phản xạ tối thiểu trường hợp mặt cắt chiết suất đồng ∆ tỉ lệ nghịch với chiều dài cách tử ∆ λ độ lệch bước sóng so với bước sóng đồng pha 2.5 Một số loại lọc quang thông dụng a Bộ lọc cách tử kiểu sợi quang Cách tử Bragg kiểu sợi quang đoạn sợi quang nhạy với ánh sáng, chế tạo cách dùng tia cực tím UV (Ultra-violet) chiếu vào để làm thay đổi cách tuần hoàn chiết suất bên lõi Sự thay đổi chiết suất lõi sợi cần nhỏ (khoảng 10-4) đủ tạo cách tử Bragg Bộ lọc cách tử Bragg kiểu sợi quang phân làm loại: cách tử chu kỳ ngắn cách tử chu kỳ dài Cách tử chu kỳ ngắn có chu kỳ cách tử tương đương với bước sóng hoạt động khoảng 5µm Trong cách tử chu kỳ dài có chu kỳ cách tử lớn nhiều lần so với bước sóng hoạt động khoảng vài trăm µm đến vài mm Bộ lọc Bragg kiểu sợ quang lọc cố định lọc điều chỉnh Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang 10 Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội b Bộ lọc Fabry-Perot Bộ lọc Fabry-Perot gồm khoang tạo hai gương có hệ số phải xạ cao đặt song song với Ánh sáng vào gương thứ nhất, phần qua gương thứ hai, phần lại phản xạ qua lại hai bề mặt hai gương Bộ lọc dạng gọi giao thoa kế (interferometer) hay vật chuẩn (etalo) Fabry-Ferot Hình 1.5 Dùng điện cực để thay đổi bước sóng hoạt động lọc Fabry-Perot c Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF) Bộ lọc màng mỏng TFF (Thin-Film Filter) dạng giao thoa kế FabryPerot, gương bao quanh hốc cộng hưởng thực nhiều lớp màng mỏng điện môi phản xạ Bộ lọc lọc dải thông cho bước sóng định qua phản xạ tất bước sóng lại Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF) gồm nhiều hốc cộng hưởng cách màng mỏng điện môi phản xạ Số hốc cộng hưởng nhiều hàm truyền đạt công suất có đỉnh phẳng dải thông có độ dốc đứng Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang 11 Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội Hình 1.6 Bộ lọc ghép/tách kênh tạo từ lọc màng mỏng điện môi d Bộ lọc Mach-Zehnder Bộ lọc Mach-Zehnder loại giao thoa kế Sóng vào lọc phân thành nhiều đường khác nhau, sau cho hợp giao thoa với MZI thường sản xuất dựa mạng tích hợp quang thường gồm couple dB nối với đường có dộ dài khác Hình 1.7 (a) Bộ lọc MZI tạo thành cách kết nối couplers định hướng 3dB (b) Sơ đồ khối MZI độ lệch hướng nhánh (c) Sơ đồ khối MZI bốn tầng sử dụng bước sóng khác tầng e Bộ lọc cách tử dẫn sóng ma trận (AWG) AWG trường hợp tổng quát lọc giao thoa Mach-Zehnder Bộ lọc bao gồm couple nhiều cổng kết nối với ma trận dẫn sóng AWG xem thiết bị tín hiệu nhân lên thành loạt tín hiệu với độ lệch pha tương đối khác rộng cộng lại với Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang 12 Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội Hình 1.8 Cách tử ống dẫn sóng ma trận f Bộ lọc quang – âm điều chỉnh (AOTF) AOTF (Acousto-Optic Tunable) tiêu biểu cho họ thiết bị mà công nghệ chế tạo kết hợp âm ánh sáng Dùng sóng âm để tạo cách tử Bragg ống dẫn sóng, cách tử thực chức lựa chọn bước sóng Trong điều kiện công nghệ tại, lọc AOTF thiết bị có khả điều chỉnh để lựa chọn nhiều bước sóng lúc Khả giúp cho lọc linh kiện chủ chốt chế tạo kết nối chéo bước sóng Hình 1.9 Một AOTF đơn giản II Bộ lọc thông dải dựa dịch pha lưới ống dẫn sóng tinh thể quang tử Giới thiệu Tinh thể quang tử (PCs) [3-5] vật liệu có cấu trúc tuần hoàn với điện môi lớn Các cấu trúc tuần hoàn cấm sóng điện từ truyền phạm vi tần số, gọi vùng cấm quang tử (Photonic Bangap PBG) Bởi tính độc đáo trên, năm gần thiết bị quang học dựa tinh thể quang tử thu hút ý lớn Nhiều loại tinh thể quang tử (PC) khác ống dẫn sóng [6] lọc [7-9], nghiên cứu từ lâu chúng có kích thước nhỏ gọn khả ứng dụng rộng rãi mạch quang học mạng lưới truyền thông Trong số thiết bị khác dựa tinh thể quang tử, lọc quang học thành phần quan trọng nhận ý đặc biệt chúng có Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang 13 Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội thể hoạt động phân kênh để lựa chọn kênh cụ thể nhiều kênh kênh hệ thống truyền thông quang học DWDM Để sử dụng hệ thống truyền thông quang học DWDM, lọc phải có điều kiện đáp ứng lọc phải đỉnh phẳng sườn dốc từ dải thông đến dải chắn Một loại lọc thông dải dựa tinh thể quang tử đề xuất R Costa sử dụng tinh thể quang tử dựa lỗ trống Fabry-Perot [8], gương phản chiếu phần lỗ trống FP thực cách chèn thêm vào ống dẫn sóng tinh thể quang tử chiều (2-D) cho phù hợp Trong loại lọc này, hệ số phản xạ, pha độ dài quang học tinh thể quang tử dựa lỗ trống FP nên thiết kế cách cẩn thận để xác định tần số cộng hưởng băng thông Hơn nữa, vị trí tương đối lỗ trống FP chèn vào mạng tinh thể quang tử chiều (2-D) phải thiết kế cẩn thận để cải thiện hiệu suất lọc, làm hiệu đạt tốt từ thiết kế khó khăn Trong tài liệu tham khảo [9], lọc thông dải thứ ba Chebyshev dựa cộng hưởng lỗi nhúng ống dẫn sóng tinh thể quang tử thiết kế phạm vi băng tần truyền thông quang học Trong thiết bị này, chậm pha cộng hưởng lân cận phải thiết kế để tránh độ gợn thông dải Vì vậy, thông số cộng hưởng lỗ trống phải thiết kế xác để nâng cao hiệu suất lọc Trong báo này, lọc thông dải [10-11] dựa dịch pha lưới dẫn sóng tinh thể quang tử đề xuất Mỗi vùng dịch pha bao gồm chu kỳ lưới dẫn sóng tinh thể quang tử chèn vào lưới dẫn sóng tinh thể quang tử [1214] Trong vùng dịch pha, sóng điện từ tần số cách tử Bragg ống dẫn sóng tinh thể quang tử truyền với dịch pha π/2 Các cấu hình hệ thống quang học tương tự lọc quang học bao gồm cấu trúc phản hồi thông tin phân tán (DFB) [15] cộng hưởng vòng [16] Các đặc tính truyền dẫn cách tử ống dẫn sóng dịch pha mặt lý thuyết phân tích cách truyền ma trận dựa tiêu chuẩn lý thuyết [17-18] Các hệ số ghép nối hình thức tính xấp xỉ số theo phương pháp đề cập [12] Chi tiết mục phương trình để tính toán truyền dẫn giới thiệu [14] Các số liệu mô thực cách sử dụng miền thời gian hữu hạn chiều (FDTD) để xác minh kết lý thuyết Theo phân tích Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang 14 Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội nhà nghiên cứu, thông dải thứ Chebyshev dựa tinh thể quang tử hai chiều với thnah điện môi cao không khí thiết kế băng tần truyền thông quang học Thiết kế cấu trúc lọc Đầu tiên, xem xét lưới ống dẫn sóng tinh thể quang tử dịch đơn pha mô tả hình 2.1, dựa tinh thể quang tử chiều làm từ lưới vuông gồm que điện môi không khí Ống Acrylic có hệ số điện môi ε = 11,56 bán kính r = 0.2a, với a số mạng tinh thể Trong tinh thể quang tử chiều (2 D), PBG tồn từ trường ngang (TM) kéo dài từ ω = 0,289 đến 0,42 (2πc/a) [5], ω tần số lấy mẫu Các ống dẫn sóng tinh thể quang tử đơn mode hình thành cách loại bỏ hàng Các tiếp giáp với hai bên ống dẫn sóng luân phiên thay với bán kính khác theo qui tắc r1 = 0.16a để xây dựng ống dẫn sóng tinh thể quang tử hoạt động đáp ứng lọc thông dải Đáp ứng bọ lọc có tần số trung tâm tần số Bragg ω0= 0,37426 (2πc/a) định nghĩa tần số mà hiệu phản ánh tối đa [13] Vùng dịch pha thực chu kỳ ống dẫn sóng tinh thể quang tử, có số mạng tinh thể giống tảng tinh thể quang tử, đặt phù hợp với mạng tinh thể quang tử nằm trung tâm cách tử ống dẫn sóng Chiều dài lưới phần lưới thống L1 ø1 khoảng dịch pha vùng dịch pha Trong khu vực dịch pha, mối quan hệ tán sắc chế độ ống dẫn sóng tinh thể quang tử sửa đổi cách thay đổi bán kính hai que biên (biểu thị que với màu đen hình 2.1 [19] Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang 15 Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội Hình 2.1 Lưới dẫn sóng tinh thể quang tử đơn pha Khi bán kính biên tăng lên, đường cong phân tán chuyển sang tần số thấp Các giá trị tần số ω β(ω)=0.25 (2πc/a) cho bán kính r0 khác tính toán thể hình 2.2(b) Từ đồ thị thấy tần số ω1 = 0.3743 với bán kính r0 = 0.18a, tương đương với tần số Bragg ω0 lưới ống dẫn sóng bán kính r = 0.16a Dịch pha ø1 = βa xảy vùng dịch pha π/2 với sóng điện từ lan truyền tần số Bragg ω cách tử ống dẫn sóng tinh thể quang tử bán kính r1=0.16a Hình 2.2 Đường cong phân tán vùng dịch pha từ bán kính khác r0 Tính toán qua lý thuyết phổ ống dẫn sóng tinh thể quang tử đơn pha có bán kính r0 = 0.18a với lưới dẫn sóng chiều dài L (hình 2.3) Đỉnh truyền với hình dạng dòng Lorentzian tâm tần số Bragg ω Khi chiều dài cách tử ống dẫn sóng tăng lên, dải truyền giảm xuống (đo chiều rộng nửa cực đại (FWHM)) Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang 16 Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội Hình 2.3 Phổ lý thuyết lưới dẫn sóng dịch pha đơn cho lưới dẫn sóng chiều dài L1 Lưới dẫn sóng có M vùng dịch pha với chiều dài đoạn dẫn sóng L1.L2… LM với số pha dịch tương ứng ø1=ø2 = =øm Hình 2.4 Lưới dẫn sóng với vùng dịch pha Bởi lưới dẫn sóng lần dịch pha thể tối ưu thiết kế lọc thực tế [11] Thiết bị thiết kế đối xứng với chiều dài L1=L3=Lout L2=Lin Qua lý thuyết tính toán phổ truyền ống dẫn sóng tinh thể quang tử pha với Lout = Lin = 12Λ r0 = 0.18a hình 2.5(a) biểu đường liền nét Chúng ta thấy rằng, phổ lọc có dạng hình chữ nhật với độ gợn dải thông 0.35db, giống với phổ lọc thông dải Chebyshev Bằng cách điều chỉnh đọ dài ống dẫn sóng phía lẫn phía trong, giảm độ gợn dải thông [11-16] Ở đây, độ gợn giảm xuống khoảng 0.1dB cách thay đổi chiều dài lưới dẫn sóng phía từ 12Λ xuống 11Λ Phổ truyền sau tối ưu hóa biểu diễn hình 2.5 a biểu thị đường nét đứt Tuy nhiên, hệ số s đặc trưng cho chọn lọc băng truyền tải, bị giảm từ 0.756 xuống 0.712 Vì vậy, việc thay đổi chiều dài ống dẫn sóng phía bên làm giảm độ gợn dải thông chọn lọc băng truyền bị ảnh hưởng nhiều Hình 2.5 (b) cho thấy phổ lưới dẫn sóng dịch pha tinh thể thực tế thiết kế thông qua tính toán sử dụng phương pháp 2-D FDTD Các tính toán sử dụng phương pháp 2-D FDTD phù hợp với lý thuyết, chứng minh cho hiệu lọc Sự biến dạng đáp ứng tần số sai số sử dụng phương pháp FDTD [10] Các tần số trung tâm băng truyền thường khoảng tầm 0,37404(2 π c/a) Xảy tượng có xấp xỉ hệ số ghép nối hình thức truyền ma trận Phổ tối ưu biểu diễn đường nét đứt trải dài Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang 17 Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội từ 0.3738 đến 0.3743(2nc/a) với độ gợn song nhỏ 0.1dB Hình 2.5 (a) Phổ lưới dẫn sóng dịch pha tinh thể quang tử lý thuyết (b) Biểu diễn phổ lọc thiết kế cách sử dụng phương pháp 2-D FDTD Phân tích hiệu suất lọc Hın ̀ h 2.6 Phổ lưới dẫn sóng dịch pha tinh thể quang tử với chiều dài lưới dẫn sóng Lout khác Hình 2.6 thể phổ lưới dẫn sóng dịch pha tinh thể quang tử với Lin, Lout khác Với số mạng a = 0.58μm, độ dài lưới Lout=19Λ(Lin=19Λ), r0=0.18a Như thể hình 2.6, băng truyền tải lọc có tần số trung tâm 193,33 THz băng thông khoảng phẳng 50Ghz Độ gợn dải thông 0.1db Những đặc điểm thiết kế cho lọc sử sụng hệ thống DWDM với khoảng cách kênh 100Ghz Hı̀nh 2.7 Phổ lưới dẫn sóng dịch pha tinh thể quang tử với bán kính r0 Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang 18 Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội khác Các tần số trung tâm băng truyền sửa đổi cách thay đổi độ lớn độ dịch pha [8] Như đề cập phần 2, dịch pha chủ yếu bị ảnh hưởng kích thước đường bao vùng dịch pha Do đó, tần số trung tâm thay đổi cách làm thay đổi bán kính r Hình 2.7 cho thấy phổ lọc thông dải với bán kính r khác trung tâm vùng dịch pha Như bán kính r0 tăng 0.005a tần số trung tâm thay đổi khoảng 35GHz Theo đó, băng truyền lọc có bán kính r = 0.18a 0.195a tập trung tần số 193.33THz 193.23THz, tương ứng với khoảng tần số 100 GHz Nếu độ xác tần số trung tâm nghiêm ngặt cần thiết hệ thống, tính xác trình chế tạo cần thiết nghiêm ngặt Giá trị gợn (dB) dải thông cho giá trị bán kính khác r0 biểu diễn hình 2.8 Cần lưu ý giá trị gợn sóng (dB) thay đổi gần tối ưu r0 =0.18a 0.25dB, làm cho hiệu suất lọc biến đổi thay đổi độ dịch pha Hın ̀ h 2.8 Sự phụ thuộc độ gợn dải thông vào bán kính r0 Lưới dẫn sóng dịch pha tinh thể quang tử xây dựng với hệ thống lỗ trống xếp thanh, hệ thống lỗ kiểu lưới dẫn sóng tinh thể quang tử thảo luận [10] Kết luận Trong báo này, lọc thông dải dựa dịch pha lưới cách tử ống dẫn sóng tinh thể quang tử báo cáo Mỗi vùng dịch pha bao gồm chu kì Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang 19 Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội lưới dẫn sóng tinh thể quang chèn vào lưới dẫn sóng tinh thể quang Sự dịch pha π/2 thực cách chọn bán kính xác cho đường bao vùng dịch pha Bộ lọc thiết kế có đỉnh phẳng sườn dốc để đáp ứng với băng thông hẹp Độ gợn dải thông giảm xuống 0.1 dB cách điều chỉnh độ dài lưới dẫn sóng tinh thể quang phía bên Tần số trung tâm dải thông thay đổi cách thay đổi bán kính đường bao vùng dịch pha mà không làm giảm hiệu suất lọc Chúng tin tưởng cấu trúc lưới dẫn sóng dịch pha tinh thể quang tử tảng cho lọc channel-dropping dựa tinh thể quang tử ứng dụng hệ thống thông tin quang DWDM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Th.S Đỗ Văn Việt Em, “Kỹ thuật thông tin quang 2”, Học viện công nghệ bưu viễn thông [2] Chao Chen, Xuechun Li, Hanhui Li, Kun Xu, Jian Wu, and Jintong Lin “Bandpass filters based on phase-shifted photonic crystal waveguide gratings” Optics Express, Vol 15, Issue 18, pp 11278-11284 (2007) [3] E Yablonovitch, “Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics,” Phys Rev Lett 58, 2059-2062 (1987) [4] S John “Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices,” Phys Rev Lett 58, 2486-2489 (1987) [5] J D Joannopoulos, R D Meade, and J N Winn,Photonic Crystals(Princeton U Press, 1995) [6] A Mekis, J C Chen, I Kurland, S Fan, P R Villeneuve, and J D Joannopoulos, “High transmission through sharp bends in photonic crystal Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang 20 Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội waveguides,” Phys Rev Lett.77, 3787-3790 (1996) [7] S Fan, P R Villeneuve, J D Joannopoulos, H.A.Haus, “Channel drop filters in photonic crystals” Opt Express 3, 4-11 (1998) http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=oe-3-1-4 [8] R Costa, A Melloni, and M Martinelli, “Bandpass resonant filters in photonic-crystal waveguides,” IEEE Photon Technol Lett 15, 401-403 (2003) [9] D Park, S Kim, I Park, and H Lim, “Higher order optical resonant filters based on coupled defect resonators in photonic crystals,” J Lightwave Technol 23, 1923-1928 (2005) [10] G P Agrawal and S Radic, “Phase-shifted fiber Bragg gratings and their application for wavelength demultiplexing,” IEEE Photon Technol Lett 6, 995-997 (1994) [11] R Zengerle and O Leminger, “Phase-shifted Bragg-gratings filters with improved transmission characteristics” J Lightwave Technol 13, 2354-2358 (1995) [12] T Fujisawa and M Koshiba, “An analysis of photonic crystal waveguide gratings using coupled-mode theory and finite-element method,” Appl Opt 45, 41144121 (2006) [13] N Yokoi, T Fujisawa, K Saitoh, and M Koshiba, "Apodized photonic crystal waveguide gratings," Opt Express 14, 4459-4468 (2006) http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=oe-14-10-4459 [14] C Chen, X Li, K Xu, J Wu, and J Lin, “Photonic crystal waveguide sampled gratings,” Opt Comm 276, 237-241 (2007) [15] H A Haus, Waves and Fields in Optoelectronics(Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1984), pp 235-253 [16] A Melloni, and M Martinelli, “Synthesis of direct-coupled-resonators bandpass filters for WDM systems,” J Lightwave Technol 20, 296-303 (2002) [17] A Yariv, “Coupled-mode theory for guided-wave optics,” IEEE J Quantum Electron.9, 919-933 (1973) [18] T Erdogan, “Fiber grating spectra,” J Lightwave Technol 15, 12771294 (1997) Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang 21 Báo cáo thông tin quang Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội [19] A Adibi, R K Lee, Y Xu, A.Yariv, and A Scherer, “Design of photonic crystal optical waveguides with singlemode propagation in the photonic bandgap,” Electron Lett 36, 1376–1378 (2000) [20].http://vi.wikipedia.org/wiki/Tinh_th%E1%BB%83_quang_t%E1%BB%AD Nhóm SVTH: Nhóm 20 Trang 22 ... suất lọc Trong báo này, lọc thông dải [10-11] dựa dịch pha lưới dẫn sóng tinh thể quang tử đề xuất Mỗi vùng dịch pha bao gồm chu kỳ lưới dẫn sóng tinh thể quang tử chèn vào lưới dẫn sóng tinh thể. .. Vùng dịch pha thực chu kỳ ống dẫn sóng tinh thể quang tử, có số mạng tinh thể giống tảng tinh thể quang tử, đặt phù hợp với mạng tinh thể quang tử nằm trung tâm cách tử ống dẫn sóng Chiều dài lưới. .. ………18 Hıǹ h 2.6 Phổ lưới dẫn sóng dịch pha tinh thể quang tử với chiều dài lưới dẫn sóng Lout khác ………18 Hı̀nh 2.7 Phổ lưới dẫn sóng dịch pha tinh thể quang tử với bán kính r khác