Bộ lọc thông dải dịch pha dựa trên lưới dẫn sóng tinh thể quang tử

Bài tập lớn thông tin quang Đề tài: Bộ lọc thông dải dịch pha dựa lưới dẫn sóng tinh thể quang tử Mục Lục Giới thiệu Tinh thể quang tử (PCs) 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 tinh thể quang học dựa tinh thể quang tử thu hút ý lớn Nhiều loại tinh thể quang tử (PC) khác ống dẫn sóng lọc, 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 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 FabryPerot trong, 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 tự thiết kế khó khăn Trong tài liệu tham khảo, 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 [Type text] Page Trong báo này, lọc thông dải 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 Trong vùng dịch pha, sóng điện tử tần số cách tử Bragg ống dẫn sóng tinh thể quang tử truyền với dich 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) cộng hưởng vòng 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 Các hệ số ghép nối hỉnh thức tính xấp xỉ số Các số liệu mô thực cách sử dụng miền thời gian hữu hạn chiều (FDTD) để xác minh kết lý thuyết Theo phân tích nhà nghiên cứu, lọc thông dải thứ ba Chebyshev dựa tinh thể quang tử chiều với điện môi cao không khí thiết kế băng tần truyền thông quang học [Type text] Page 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 = 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 = 0,289 đến 0,42 (2c/a), 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 quy tắc r1 = 0,16a để xây dựng ống dẫn sóng tinh thể quang tử hoạt động đáp ứng lọc thông dải Đáp ứng lọc có tần số trung tâm tần số Bragg 0,37426 (2πc/a) định nghĩa tần số mà hiệu phản ánh tối đa 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 hai lưới phần lưới thống L1 1là 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 kỉnh hai que biên (biểu thị que màu đen hình 2.1) Hình 2.1: Lưới dẫn sóng tinh thể quang tử đơn pha [Type text] Page Hình 2.2(a) cho thấy đường cong tán sắc ống dẫn sóng tinh thể quang tử bán kính khác biên tương ứng với r0 = 0,16a; 0,17a; 0,18a; 0,19a 0,20a Khi bán kính biên tăng lên, đường cong phân tán chuyển sang tần số thấp Các giá trị tần số ω1 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 r1 = 0,16a Dịch pha ∅1 = xảy vùng dịch pha với sóng điện từ lan truyền tần số Bragg ω0 cách tử ống dẫn sóng tinh thể quang tử có 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 L1 (hình 2.3) Đỉnh truyền với hình dạng dòng Lorentzian tâm tần số Bragg ω0 Khi chiều dài cách tử ống dẫn sóng tăng lên, dải truyền giảm xuống (đo chiều rộng nửa cực đại (WFHM)) [Type text] Page Hình 2.3: Phổ lý thuyết lưới dẫn sóng dịch pha đơn cho lưới dẫn sóng chiều dài L1 Lưới dẫn sóng có M dịch pha với chiều dài đoạn dẫn sóng L1.L2…….LM với số pha dịch tương ứng Hình 2.4: Lưới dẫn sóng với vùng dịch pha Hình 2.4 thể lưới dẫn sóng với vùng dịch pha Bởi lưới dẫn sóng lần dịch pha thể tối ưu thiết kế lọc thực tế 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 = 12 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 độ dài ống dẫn sóng phía lẫn phía trong, giảm độ gợn dải thông Ở đây, độ gợn giảm xuống khoảng 0,1dB cách thay đổi chiều dài lưới dẫn sóng phía từ 12 xuống 11 [Type text] Page 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 tần 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 Các tần số trung tâm băng truyền thường khoảng tầm 0,37404 (2πc/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 từ 0,3738 đến 0,3743 (2πc/a) với độ gợn sóng 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 [Type text] Page Phân tích hiệu suất lọc Hình 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 = 0,58m, độ dài lưới Lout = 19 (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 dụng hệ thống DWDM với khoảng cách kênh 100GHz Hình 2.7: Phổ lưới dẫn sóng dịch pha tinh thể quang tử với bán kính r0 khác Các tần số trung tâm băng truyền sửa đổi cách thay đổi độ lớn độ dịch pha Như đề cập phần 2, có 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 r0 Hình 2.7 [Type text] Page cho thấy phổ lọc thông dải với bán kính r0 khác trung tâm vùng dịch pha Như bán kính r0 tăng 0,005a tần số trung tâm thay đổi khoảng 35GHz Theo băng truyền lọc có bán kính r0 = 0,18a 0,195a tập trung tần số 193,33THz 193,23THz, tương ứng với khoảng tần số 100GHz 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 Hình 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] [Type text] Page 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 kỳ lưới dẫn sóng tinh thể quang tử chèn vào lưới dẫn sóng tinh thể quang tử Sự dịch pha /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 0,1dB cách điều chỉnh độ dài lưới dẫn sóng tinh thể quang tử 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 [Type text] Page 11 Tài liệu tham khảo E Yablonovitch, “Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics,” Phys Rev Lett 58, 2059-2062 (1987) S John “Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices,” Phys Rev Lett 58, 2486-2489 (1987) J D Joannopoulos, R D Meade, and J N Winn, Photonic Crystals (Princeton U Press, 1995) A Mekis, J C Chen, I Kurland, S Fan, P R Villeneuve, and J D Joannopoulos, “High transmission through sharp bends in photonic crystal waveguides,” Phys Rev Lett 77, 3787-3790 (1996) 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 R Costa, A Melloni, and M Martinelli, “Bandpass resonant filters in photoniccrystal waveguides,” IEEE Photon Technol Lett 15, 401-403 (2003) 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, 19231928 (2005) 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) R Zengerle and O Leminger, “Phase-shifted Bragg-gratings filters with improved transmission characteristics” J Lightwave Technol 13, 2354-2358 (1995) 10 T Fujisawa and M Koshiba, “An analysis of photonic crystal waveguide gratings using coupled-mode theory and finite-element method,” Appl Opt 45, 4114-4121 (2006) 11 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 [Type text] Page 12 12 C Chen, X Li, K Xu, J Wu, and J Lin, “Photonic crystal waveguide sampled gratings,” Opt Comm 276, 237-241 (2007) 13 H A Haus, Waves and Fields in Optoelectronics (Englewood Cliffs, NJ: PrenticeHall, 1984), pp 235-253 14 A Melloni, and M Martinelli, “Synthesis of direct-coupled-resonators bandpass filters for WDM systems,” J Lightwave Technol 20, 296-303 (2002) 15 A Yariv, “Coupled-mode theory for guided-wave optics,” IEEE J Quantum Electron 9, 919-933 (1973) 16 T Erdogan, “Fiber grating spectra,” J Lightwave Technol 15, 1277-1294 (1997) 17 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) [Type text] Page 13 ... 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 kỳ lưới dẫn sóng tinh thể quang tử chèn vào lưới dẫn sóng tinh thể quang tử Sự dịch. .. suất lọc [Type text] Page Trong báo này, lọc thông dải 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. .. 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 = 0,58m, độ dài lưới