Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày một thiết kế mới của thiết bị tách/ghép kênh phân chia hai mode dựa trên cấu trúc rẽ nhánh chọn lọc mode của ống dẫn sóng dạng bus. Các mode cơ bản, mode bậc nhất được tách riêng ra hai cổng ở đầu ra. Thiết kế được thực hiện bởi phân tích lý thuyết và mô phỏng số sử dụng phương pháp mô phỏng truyền chùm ba chiều (3D-BPM).
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 25 THIẾT BỊ TÁCH GHÉP KÊNH PHÂN CHIA HAI MODE SUY HAO THẤP SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG SOI DẠNG BUS RẼ NHÁNH A LOW LOSS MODE DIVISION (DE)MULTIPLEXING DEVICE BASED ON SOI WAVEGUIDE IN THE FORM OF A BRANCHED BUS Nguyễn Thị Hằng Duy1*, Tuấn Anh Trần2, Tạ Duy Hải1, Bùi Phi Thường1, Lê Như Quỳnh1, Nguyễn Mạnh Thắng1, Trương Cao Dũng1 Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng – PTIT; duyhang2397@gmail.com, duyhang2397@gmail.com, taduyhaiptit@gmail.com, bpthuong@gmail.com, lequynhvt331@gmail.com, nmthang97@gmail.com, dungtc@ptit.edu.vn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; mrtran3233@gmail.com Tóm tắt - Trong báo này, thiết kế thiết bị tách/ghép kênh phân chia hai mode dựa cấu trúc rẽ nhánh chọn lọc mode ống dẫn sóng dạng bus Các mode bản, mode bậc tách riêng hai cổng đầu Thiết kế thực phân tích lý thuyết mô số sử dụng phương pháp mô truyền chùm ba chiều (3D-BPM) Các kết cho thấy tách hai kênh thành công với băng thông rộng 150 nm cửa sổ thơng tin quang 1550 nm, suy hao thấp dB xuyên nhiễu kênh nhỏ -20 dB Thiết bị đề xuất có diện tích tích hợp µm x 200 µm, khơng có tiềm hệ thống truyền dẫn ghép kênh phân chia theo bước sóng theo mode mà cho mạch tích hợp quang tử silic mật độ cao Abstract - In this paper, a new proposed design of dual-mode (de)multiplexer based on the bus structure of mode selective excitation Input lights at fundamental and first-order modes are demultiplexed at two different ports at the outputs The design is carried out through both theoretical analysis and numerical simulation using three dimensional - beam propagation method (3D-BPM) The results show a successful two-mode demultiplexing with the wavelengthband as wide as 150 nm in the window of 1550 nm region, in which, insertion loss is lower than 1dB and crosstalk is smaller than -20 dB The proposed device also exhibits a small footprint as much as µm x 200 µm, thus making it potential for not only wavelength-division multiplexing (WDM) and multimodedivision multiplexing (MDM) transmission systems, but also high bitrate and compact on-chip silicon photonics integrated circuits Từ khóa - Bộ ghép (tách) kênh; kích thích chọn lọc mode; ống dẫn sóng SOI; phương pháp BPM; mơ số; ống dẫn sóng bus; kích thích chọn lọc mode Key words - Mode (de)multiplexer; SOI waveguide; beam propagation method (BPM), numberical simulation; bus waveguide; mode selective excitation Giới thiệu Thế giới sống kỷ ngun cách mạng cơng nghiệp 4.0, hạ tầng kết nối thơng tin-truyền thơng đóng vai trò then chốt cho thành công công cách mạng Bên cạnh đó, thời kỳ rực rỡ của dịch vụ thông tin di động thông minh nở rộ Nhu cầu đòi hỏi băng thơng cho dịch vụ số liệu gia tăng chóng mặt Cho đến nay, công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng để làm nhiệm vụ truyền tải tín hiệu thông tin quang tốc độ cao - lên tới 400 Gb/s [1] cho bước sóng Tb/s nhằm đáp ứng nhu cầu băng thông cho dịch vụ di động 5G trung tâm liệu, ứng dụng trí tuệ nhân tạo Do đó, chiến lược nâng cao dung lượng cho kênh quang ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM (dense wavelength division multiplexing) cần sử dụng kết hợp phổ bước sóng với kỹ thuật tiên tiến khác Chẳng hạn, dạng điều chế cao cấp đa mức [2] điều chế biên độ trực giao QAM (quadrature amplitude modulation), hay ghép kênh phân chia theo trạng thái phân cực PDM (polarization division multiplexing) Gần đây, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mode MDM (mode division multiplexing) nghiên cứu để kết hợp với hệ thống DWDM, với bước sóng nâng cao dung lượng lên gấp số lần mode Kỹ thuật khơng chịu ảnh hưởng tính phi tuyến mode trực giao với bước sóng Kỹ thuật áp dụng tốt hệ thống thông tin liên chip (intrachip communiation) khoảng cách ngắn board mạch quang tử Thông tin áp dụng cho hệ thống cự ly xa áp dụng kỹ thuật bù tán sắc, đạt thành tựu tiến Thông tin đa mode sợi chứng tỏ thực tế ghép kênh phân chia theo mode không gian sợi nhiều [3] ghép mode sợi hỗ trợ mode (FMF) [4], [5] Ngày nay, kỹ thuật MDM [6] xem đường sáng sủa để phá vỡ giới hạn Shannon cho lý thuyết thông tin [5], nhờ kỹ thuật MDM kết hợp với kỹ thuật WDM [7] Mặc dù có số kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mode sử dụng kiểu ghép theo sợi để xử lý trực tiếp việc ghép kênh Tuy nhiên, tính linh hoạt việc xử lý sợi không cao cần trình chế tạo phức tạp Ngược lại, sử dụng chip quang tử để xử lý cho phép ghép/tách kênh phân chia theo mode linh hoạt nhiều tạo nhiều mạch phức tạp, chẳng hạn nâng cao dung lượng bus quang nối liên chip (intrachip communication systems), hay mạng truy nhập tốc độ cao cự ly ngắn trung bình Đặc biệt, mạch quang phẳng –PLC (planar lightwave circuits) sử dụng vật liệu silicon có nhiều ưu điểm suy hao thấp, băng thông rộng, sai khác chiết suất lõi-vỏ lớn nên cho phép bắt giữ ánh sáng lõi cực tốt với hiệu suất cao, tạo vi mạch quang tử tích hợp cao Ưu điểm lớn công nghệ mạch quang phẳng vật liệu silic SOI (silicon on insulator) tương thích cơng nghệ bán dẫn chế tạo vi mạch điện tử CMOS, giá thành sản xuất thấp có tiềm sản xuất hàng loạt Nguyễn Thị Hằng Duy, Tuấn Anh Trần, Tạ Duy Hải, Bùi Phi Thường, Lê Như Quỳnh, Nguyễn Mạnh Thắng, Trương Cao Dũng 26 Một vài tách ghép phân chia theo mode sử dụng số kiểu ống dẫn sóng ghép định hướng ống dẫn sóng bất đối xứng [8], [9] hay đoạn nhiệt [10], [11] có phối ghép khó chế tạo phức tạp Trong báo này, nhóm tác giả trình bày cấu trúc tách ghép kênh mode sử dụng bus rẽ nhánh chọn lọc mode, sử dụng vật liệu SOI Việc phân tích lý thuyết sử dụng lý thuyết ghép chọn lọc mode trong cấu trúc bus rẽ nhánh thiết kế tối ưu thông qua mô số truyền chùm ba chiều 3D–BPM (three dimensional - beam propagation method) phương pháp hệ số hiệu dụng EIM (effective index method) Các kết mô cho thấy hệ thống có băng thơng rộng 150 nm Kích thước cấu kiện cho phép ứng dụng mạch tích hợp quang tử xử lý tín hiệu MDM-WDM nâng cao dung lượng cho hệ thống thông tin nối chip Wm w= Wm= 0.5 µm G=1.6 µm 0.62µm L=150 µm Silicon core h=220 nm Wm nm Mơ hình Seimeier sử dụng để phân tích đặc tính chiết suất vật liệu silic thủy tinh silic cho thấy vùng phổ bước sóng 1550 nm biến đổi chậm nên ta coi chiết suất ống dẫn sóng SOI khơng đổi dải bước sóng băng C Tồn ống dẫn sóng chế tạo theo phương pháp quang khắc đại, chẳng hạn sử dụng chùm điện tử (Ebeam writing) kỹ thuật ăn mòn khơ (dry etching) sử dụng kỹ thuật plasma ghép cảm ứng ICP etching (inductively coupled plasma etching) [10] kỹ thuật quang khắc tia cực tím – DUV lithography (deep ultra violet photolithography) với chiều cao kênh 220 nm từ phiến SOI tiêu chuẩn (lớp kênh dẫn Silic cao 220 nm) nSiO2 =1.45 nSi =3.47 Hình Sơ đồ thiết kế đề xuất thiết bị tách kênh hai mode Nguyên lý thiết kế hoạt động tối ưu cấu trúc Sơ đồ cấu trúc thiết bị phân chia theo mode mơ tả Hình Thiết bị thiết kế thành hai trục ống dẫn sóng, theo gồm ống dẫn sóng đóng vai trò bus chính, ống dẫn sóng rẽ nhánh để chọn lọc mode nhằm tách riêng mode Lõi ống dẫn sóng sử dụng vật liệu silic (Si), lớp vỏ thủy tinh silic (SiO2) Chiều rộng ống dẫn sóng bus Wm chiều rộng ống dẫn sóng nhánh w (như thấy Hình 1) Thiết bị thiết kế để hoạt động cho hai mode trạng thái không véc tơ (nonvectorial mode) với bước sóng trung tâm hoạt động 1550 nm Các ống dẫn sóng SOI thiết kế theo dạng ống dẫn sóng dạng kênh với lớp lõi silic có chiết suất nr = 3.465 chiết suất lớp thủy tinh silic nc=1.445 bước sóng 1550 Hình Kết mơ đặc tính truyền đạt ghép theo độ rộng ống dẫn sóng phụ w(nm) thỏa mãn điểm tối ưu chọn lọc ghép mode Đầu tiên, nhóm tác giả sử dụng kỹ thuật phân tích giải mode để tìm hệ số hiệu dụng nhằm xác định mode làm việc ống dẫn sóng Cơng cụ mơ nhờ giải mode (mode solver) kỹ thuật mô BPM Để hỗ trợ hai mode Wm nằm khoảng từ 0,56 µm đến 0,68 µm Do đó, thiết kế nhóm tác giả chọn Wm = 0,62 µm cho hoạt động hai mode Thiết kế nhóm tác giả tạo hai mode, hai mode tách hai hướng khác có biến đổi mode Mode (mode0) ống dẫn sóng chính, mode bậc (mode1) ống dẫn phụ, thiết kế Tổng chiều dài ống dẫn sóng 200 µm chiều dài ống dãn sóng phụ theo phương truyền z là L = 150 µm Khoảng cách từ nguồn đến điểm bắt đầu cảu ống dẫn sóng phụ ghép nối vào 50 µm Độ rộng hai ống dẫn sóng phụ đầu G = 1,6 µm Sử dụng kỹ thuật mơ BPM cách cẩn thận bước nhỏ một, nhóm tác giả mô phỏng, khảo sát theo w khoảng từ 300nm-600nm Nhóm tác giả dựa vào đặc tính truyền đạt để tìm độ rộng w mà ống dẫn sóng phụ coupling tốt với ống dẫn sóng Nhóm tác giả dựa vào hai tham số δ gọi hệ số không ghép nối (uncoupling coefficient) ε hệ số ghép nối (coupling coefficient) để khảo sát tính sau: P out = 10log10 Pi (1) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN quang tử Hai tham số định nghĩa sau: P' out = 10log10 Pi (2) Trong Pin cơng suất đầu vào ống dẫn sóng chuẩn hóa đơn vị công suất đầu vào, Pout công suốt mong muốn thu cổng cần chọn lọc ghép nối, P’out công suất không mong muốn thu a) 27 P IL = 10log10 out Pin P CrT = −10log10 out P'out (3) (4) b) Hình Mẫu đường bao điện trường (contour map) cho tách ghép kênh phân chia hai mode đề xuất cho (a) mode bản, (b) mode bậc Ta khảo sát w khoảng từ 0.35 µm đến 0.55 µm để tìm đặc tính δ ε đầu nhằm chọn lựa cách thích hợp Dựa Hình 2, nhóm tác giả chọn w=0,5µm (tại điểm đánh dấu hình) tránh xuyên nhiễu crosstalk hai mode (nghĩa công suất không mong muốn mode lại xuyên nhiễu vào cổng mong muốn mode kia) có khoảng băng rộng, ống dẫn phụ có khả ghép nối chọn lọc hiệu suất cao Với cách chọn thích hợp này, mode tách theo đầu ống dẫn sóng bus chính, mode bậc ghép nối chọn lọc theo điều kiện thích hợp pha (phase matching condition) tức tương thích số truyền bậc ống dẫn sóng (độ rộng Wm) với số truyền ống dẫn sóng rẽ (độ rộng w), việc tách riêng rẽ kênh (demultiplexing) hai mode hoàn tất Cấu trúc ngược lại thực chức ghép kênh hai mode (multiplexing) Kết mô thảo luận Đầu tiên, nhóm tác giả mơ truyền mode mode để nhận chức phân tách kênh cấu kiện đề xuất thiết kế Hình thể kết mô BPM phân bố trường mode mode bậc truyền từ đầu vào thiết bị trung tâm bước sóng hoạt động 1550 nm Kết mô cho thấy phù hợp với phân tích hoạt động thiết bị Kết cho thấy lượng nhỏ công suất xuyên nhiễu không mong đợi từ mode sang mode khác thiết bị, phần nhỏ không đáng kể phát xạ từ lõi vỏ Để đánh giá hiệu hoạt động thiết bị mặt quang học, nhóm tác giả đánh giá hai số tham số quan trọng suy hao chèn IL (insertion loss) mức xuyên nhiễu CrT (crosstalk) thiết bị cấu kiện Hình Đặc tính hiệu quang học thiết bị phụ thuộc vào bước sóng cho hai mode theo suy hao chèn xuyên nhiễu Tiếp theo nhóm tác giả đánh giá khoảng băng làm việc thiết bị đề xuất hai tham số quan trọng IL CrT kể Mô BPM theo phổ bước sóng từ 1.5 µm đến 1.65 µm cho thấy thiết bị suy hao chèn IL không vượt dB xuyên nhiễu CrT nhỏ -20 dB toàn băng khảo sát vùng cửa sổ 1550 nm Do vậy, băng thông thiết bị rộng Tiếp theo, dung sai chế tạo quan trọng thiết bị quy trình sản xuất có suy hao Đối với nghiên cứu dựa mô cần đánh giá suy hao chế tạo để xem xét hiệu suất hệ thống Nhóm tác giả biết rằng, chiều cao ống dẫn sóng thiết lập theo chiều cao kênh dẫn silic ống dẫn sóng SOI tiêu chuẩn loại 220nm Trong thực tế, chất lượng phiến SOI sử dụng công nghệ chế tạo chip tích hợp cỡ lớn VLSI nói chung chip quang tử nói riêng phụ thuộc vào mẫu cung cấp nhà sản xuất phiến Mặt khác, xác độ rộng ống dẫn sóng đạt phụ thuộc công nghệ chế tạo Ebeam hay DUV Cũng vậy, độ xác thiết kế mơ phụ thuộc độ xác mơ hình mơ Do vậy, ta phải khảo sát dung sai chế tạo thiết bị theo độ rộng chiều cao ống dẫn sóng Hình khảo sát độ rộng ống sóng chính, theo tham số dung sai độ rộng ΔW (nm) mơ BPM Kết từ Hình cho ta thấy rằng, xung quanh giá trị dung sai ΔW = ± 20 nm giá trị IL hai mode không đổi (khoảng dB) toàn nhất, CrT hai mode biến động không lớn -20 dB Tương tự Hình thể dung sai chế tạo theo chiều cao IL CrT hai mode Kết cho thấy IL không đổi với suy hao khoảng dB CrT