Nghiên cứu tính toán và thiết kế mạch tích hợp quang băng rộng chuyển đổi và tách ghép mode (design and simulation of wideband photonic integrated circuits for multi mode (de)multiplexing and conversion) tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -0 TRẦN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH TÍCH HỢP QUANG BĂNG RỘNG CHUYỂN ĐỔI VÀ TÁCH GHÉP MODE Ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 9520208 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Hà Nội – 2020 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS.TS TRẦN ĐỨC HÂN TS TRƯƠNG CAO DŨNG Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường họp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội: Vào hồi…… giờ, ngày… tháng….năm… Có thể tìm hiểu luận án thư viện Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Động nghiên cứu Một hướng nghiên cứu thơng tin quang nâng cao băng thông cho ứng dụng băng rộng Có vài kỹ thuật hành phổ biến tách ghép kênh điều chế bước sóng nhiều tầng (WDM), tách ghép kênh phân cực (PDM) Bên cạnh đó, kỹ thuật tách ghép kênh mode ý kỹ thuật bổ trợ nâng cao băng thông thông tin quang Khác với kỹ thuật WDM sử dụng cho truyền tín hiệu đường dài, MDM thích hợp với truyền tín hiệu với khoảng cách ngắn, ví dụ truyền thơng nội chip Do đó, MDM kỹ thuật hứa hẹn áp dụng cho truyền thông quang chip, bên cạnh kỹ thuật ghép kênh khác Mục đích luận án Qua tham khảo nhiều báo công trình nghiên cứu khác, có vài thiết kế MDM đề xuất Tuy nhiên chúng đếu có điều mạnh yếu khác phù hợp với mục đích khác Chính vậy, mục tiêu luận án đề xuất thiết kế MDM dựa ống dẫn sóng SOI dạng đỉnh dạng sườn, ựng dụng cho thiết bị thụ động hoạt đơng băng C hoạt động tốt thiết kế đề xuất trước điểm sau: số mode tách ghép, suy hao kích thước Phương pháp nghiên cứu Tất các cấu trúc thiết kế đề xuất dựa sở lý thuyết sau đặc tính quang học thiết kế đo đạc tối ưu phương pháp mô số học, cụ thể phương pháp BPM EIM Sau đó, hiệu suất hoạt động thiết kế đánh giá dựa tiêu chí suy hao chèn nhiễu xuyên kênh sau: P    Pout I.L  10log  out  Cr T  10log    Pin    Punwanted  Với Pin tổng lượng tín hiệu đầu vào, Pout lượng mong muốn đầu  Punwanted tổng lượng không mong muốn xuất cổng đầu xét Đóng góp khoa học ý nghĩa thực tế luận án 1) Luận án đề xuất thiết kế tách ghép mode sử dụng cầu trúc ống dẫn sóng ADC, cấu trúc tách ghép mode TE0 mode TE1 Kết công bổ tuyển tập hội nghị International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), 2016 2) Luận án đề xuất thiết kế tách ghép mode dựa cầu trúc 3x3 MMI ống dẫn sóng SOI đạng đinh ba Cấu trúc tách ghép mode thấp nhất, kết cơng bổ tạp chí Optical and Quantum Electronic 3) Luận án để xuất thiết kế chọn lọc mode dựa cấu trúc ống dẫn sóng SOI trục rẽ nhánh Số mode tách ghép dựa cấu trúc lên đến mode kết công bố Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications Các thiết kế đề xuất hoạt động băng C với suy hao chèn nhiễu xuyên kênh thấp, kích thước nhỏ, hứa hẹn áp dụng mạch tích hợp quang MDM tốc độ cao Cấu trúc luận án Luận án bao gồm chương, Chương giới thiệu ống dẫn sóng SOI, phương pháp phân tích sử dụng luận án chế tạo Chương 2,3 trình bày cấu trúc ống dẫn sóng SOI sử dụng kỹ thuật MDM Đây đóng góp luận án CHƯƠNG CẤU TRÚC ỐNG DẪN SĨNG SOI, PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ CHẾ TẠO 1.1 Hình dạng chức ống dẫn sóng SOI Trong luận án này, cấu trúc ống dẫn sóng dạng sườn/ đỉnh sử dụng Lớp lõi lớp làm từ Silic lớp vỏ làm từ SiO2 (Silica) Cấu trúc vật liệu sử dụng cơng nghệ CMOS, điều giải thích ống dẫn sóng SOI lại thích hợp để sản xuất mạch tích hợp quang với chi phí thấp 1.2 Phân tích ống dẫn sóng quang phương pháp mơ 1.2.1 Phương pháp chiết suất hiệu dụng (EIM) EIM phương pháp thích hợp để phân tích tính toán số lan truyền mode ống dẫn sóng dạng kênh Phương pháp áp dụng cộng cụ tính tốn phân bố trường ống dẫn sóng phẳng 2D cách tính tốn số lan truyền theo chiều x lấy chiều y làm tham số Bằng cách này, ta tính chiết suất hiệu dụng phụ thuộc vào chiều y; sau lấy giá trị tính tốn lần phân tích ống dẫn sóng phẳng theo chiều cịn lại Từ ta tính tốn phân bố trường số lan truyền ống dẫn sóng 3D với mode theo chiều x y tương ứng 1.2.2 Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) Một trường điện từ truyền dọc theo ống dẫn sóng phân tách thành tổng mode truyền dẫn rời rạc chúng goi eigenmode Với phương pháp FDM, eigenmode tính tốn cách chia tiết diện ống dẫn sóng thành ô vuông Mỗi điểm ô vuông tượng trưng cho trường điện từ điểm liền kề tính theo trường điện từ cách tương ứng phương trình sai phân hữu hạn Tách ion Oxy cấy ghép (SIMOX) - Mật độ ion Oxy >1018cm - Nhiệt độ = 6000C trình cấy ghép - Năng lượng cấy Ion = 200 keV - Ủ nhiệt độ 1300 Gắn kết khắc lại (BESOI) - Hai lớp phiến oxy hóa tiếp xúc gắn với nhiệt độ phòng - Làm mỏng lớp phiến phương pháp CMP Tách phiến - Cấy ion loại p vào phiến làm cho liên kết lưới Silic bị yếu đáng kể - Nhiệt độ 600oC and 1100oC tách phiến cấy ion loại p Cấy Silic kỹ thuật epitaxy - Ngưng tự hóa học (CVD) - (SiH2Cl2) thường dùng nguồn gas - Nhiệt độ > 1000oC Quang khắc Sự dụng ánh sáng tia cực tím, lớp phản quang mặt nạ để tạo cấu trúc ống dẫn sóng lớp Khắc Silic (Sử dụng khí plasmas) Khắc khơ sử dụng khí CF4 nguồn điện AC để đạt yêu cầu kích thước tới hạn ống dẫn sóng cụ thể Làm mỏng lớp Si Hình 1.3.1 Q trình chế tạo ống dẫn sóng SOI 1.2.3 Phương pháp truyền chùm (BPM) FDM giải eigenmode khơng thể giải đặc tính truyền lan trường ống dẫn sóng sợi quang BPM dùng để mơ đặc tính truyền lan trường ống dẫn sóng có hình thù Điều kiện biên suốt (TBC) sử dụng phương pháp FD-BPM để loại trường phản xạ lại trường truyền đến hình tính tốn mơ phỏng, mà trường xạ biến biên 1.3 Chế tạo ống dẫn sóng SOI Cơng nghệ chế tạo ống dẫn sóng SOI giống cơng nghệ CMOS chế tạo bán dẫn, q trình mơ hình 1.3.1 1.4 Các cấu trúc ống dẫn sóng SOI sử dụng phương pháp tách ghép mode (MDM) 1.4.1 Bộ ghép định hướng Ghép nối coi tượng tán xạ Trường từ ống dẫn sóng (với số lan truyền 𝛽1 biên độ a1) bị tán xạ từ ống dẫn sóng (với số lan truyền 𝛽2 biên độ a2), tạo nguồn ánh sang làm thay đổi biên độ trường ống dẫn sóng Ngược lại, trường ống dẫn sóng tác động tương tự lên ống dẫn sóng Phương trình ghép nối biểu diễn sau: da1   j ( 1a1  12 a2 ) (1.4.1) dz da2   j (  a2   21a1 ) (1.4.2) dz 𝜅𝑖𝑗 tính tốn cơng thức tích phân kép mode sau:  ij    n2  n2 ( x, y) Ei* E j dxdy (1.4.3) 2 P   Hệ phương trình vi phân (1.4.1) (1.4.2) có nghiệm trình bày sau:   j      1 a1 ( z )   a1 ( z0 )  cos 0 z  j sin 0 z   12 a2 ( z0 ) sin 0 z  e 20   0     j      2 a2 ( z )   a2 ( z0 )  cos 0 z  j sin 0 z   21 a1 ( z0 ) sin 0 z  e   0       1   1 z (1.4.4) z (1.4.5) Với 0 tham số định nghĩa sau:  1      12 21    12 21   0   (1.4.6) Tỉ lệ lượng ghép nối hai ống dẫn sóng tính tốn phương trình:   pr   12 21 /        12 21 /     (1.4.7) 1.4.2 Giao thoa đa mode (MMI) 1.4.2.1 Hằng số lan truyền Với độ rộng lõi W lớn ống dẫn sóng có độ tương phản chiết suất lớn lõi vỏ, số lan truyền tính bởi: (m  1)2  (1.4.8) m  kneff  4neff W 𝛽0 tương ứng với mode m=0 𝛽1 tương ứng với mode m=1 Định nghĩa 𝐿𝜋 nửa phách chiều dài hai mode bậc thấp nhất: L   o  1  4neff W (1.4.9) 3 Sự chênh lệch số lan truyền mode (m=0) với mode bậc mth biểu diễn từ phương trình (1.4.8) (1.4.9) o   m  m(m  2) 3L (1.4.10) 1.4.2.2 Phân tích mode lan truyền (MPA) Một trường đầu vào 𝛹(𝑥, 0) điểm vào ghép nối giao thoa đa mode phân tách thành tổng phân bố trường rời rạc 𝜓𝑚 (𝑥) M 1  ( x,0)   cm m ( x) (1.4.11) m0 Với 𝑐𝑚 hệ số kích thích trường Theo phương trình (1.4.11) ta có phân bố trường điểm z sau: M 1  ( x, z )   cm m ( x)e j (   o m )z m0 Thay phương trình (1.4.10) vào (1.4.12), ta có (1.4.12) M 1  m0   ( x, z )   cm m ( x) exp   jz m(m  2)   3L  (1.4.13) Trường đầu vào tái tạo pha thỏa mãn điều kiện: exp   jz  m(m  2) / 3L   1 Đặc tính mơ tả tính chất tự tái tạo ảnh MMI Dựa vào đặc tính vị trí mà trường  ( x, L) tái tạo, ta có hai chế tái tạo ảnh MMI giao thoa tổng quát (GI) giao thoa hạn chế (RI) Bản tóm tắt đề cập đến giao thoa tổng quát chế sử dụng thiết kế đề xuất 1.4.2.3 MMI giao thoa tổng quát a, Đơn ảnh tái tạo z = p(3𝐿𝜋 ) với p = 0,1,2 … b, Đa ảnh tái tạo 𝐿 = 3𝑝𝐿𝜋 /𝑁 𝑣ớ𝑖 𝑝 = 1,3,5,7 … Vị trí ảnh tái tạo pha so với tín hiệu đầu vào biểu diễn phương trình sau:  ( x, L)  N 1  j  in ( x  xq )e q C q 0 (1.4.19) với W N q q  p( N  q) N C  N xq  p (2q  N ) (1.4.20) Trong trường hợp chiều dài thiết bị ngắn với p=1, pha tín hiệu ghép MMI NxN tính tốn bởi: ij    ij   4N  4N ( j  i)(2 N  i  j )  o for i+j even (1.4.21a) ( j  i  1)(2 N  i  j  1)  o for i+j odd (1.4.21b) Với cổng đầu vào i (i=1, 2…N) đánh số từ lên cổng đầu j (j=1, 2…N) đánh dấu từ xuống 𝜋 ghép MMI NxN 𝜑0 = −𝛽0 𝐿𝑀𝑀𝐼 − pha cố định Với chiều dài MMI ngắn (p=1), 𝜑0 = 1.4.3 Ống dẫn sóng chữ Y giao bất đối xứng Với trường hợp hai ống dẫn sóng đặt kế nhau, chiết xuất hiệu dụng mode (mth) từ ống dẫn sóng 1st mode (nth) ống dẫn sóng 2nd, mode (mth) trường ống dẫn sóng 1stsẽ ghép thành mode (nth) trường ống dẫn sóng 2nd khi: neff m ( waveguide1)  neff n ( waveguide 2) (1.4.22) Một yếu tố cần xem xét tỉ số chuyển đổi mode (MCF) Phương trình MCF diễn giải sau: MCF  1   12 12 (1.4.23) Với β1 β2 số lan truyền hai mode hai ống dẫn sóng, θ12 góc mở chúng γ12 định nghĩa là: 2  12   1      2kn   1/2 2  (1.4.24) MCF tỉ số hiệu suất chuyển đổi mode bậc cao từ ống dẫn sóng trục sang mode ống dẫn sóng nhánh đầu MCF lớn hiệu suất chuyển đổi mode lớn, ngược lại MCF nhỏ thiết bị trở thành thiết bị chia công suất 1.5 Kết luận Chương giới thiệu cấu trúc ống dẫn sóng, vật liệu sử dụng để chế tạo ống dẫn sóng sử dụng luận án Sau đề cập đến phương pháp phân tích số Kỹ thuật chế tạo ống dẫn sóng SOI giới thiệu Cuối cấu trúc ống dẫn sóng với nguyên lý làm việc chúng cách chi tiết Mỗi cấu trúc có điềm mạnh yếu riêng sử dụng cho kỹ thuật tách ghép mode, trình bày chương CHƯƠNG THIẾT KẾ TÁCH GHÉP MODE DỰA TRÊN CẤU TRÚC GHÉP NỐI BẤT ĐỐI XỨNG (ADC) ADC cấu trúc thu hút nhiều nghiên cứu với chức khác tính đơn giản cấu trúc nguyên lý làm việc Cấu trúc ADC sử dụng để thiết kế MDM nhiên số hạn chế, cụ thể suy hao tương đối cao truyền qua ống dẫn sóng có cấu trúc tương đối phức tạp Chính vậy, chương luận án đề xuất thiết kế tách ghép mode dựa cấu trúc ADC, ống dẫn sóng SOI Cấu trúc gợi ý cho cải thiện tốt tương lai 2.1 Bộ tách ghép mode dựa cấu trúc ống dẫn sóng Silic MZI bất đối xứng Hình 2.1.1 cấu trúc tách ghép mode dựa ống dẫn sóng Silic dạng sườn với kích thước nhỏ µm Output port Output port g Lc Si h1 2w g Ls d d A-A’ w h2 SiO2 Ls Fundamental mode TE0 2w First-order mode TE1 Input port R w Input port Hình 2.1.1 Cấu trúc ADC dựa ống dẫn sóng SOI Thiết bị thiết kế để làm việc mode điện trường ngang (TE) với bước sóng 1550 nm bao gồm ống dẫn sóng ghép nối định hướng bất đối xứng với khoảng cách g chọn g=80 nm Ống dẫn sóng Silic đơn mode đươc chế tạo với độ rông chiều cao w=500 nm h2=500 nm, ống dẫn sóng mode có chiều rộng 2w=1000 nm chiều cao đặt h1 Ống dẫn sóng mode đươc thiết kế để thỏa mãn điều kiện sau: mode TE0 không bị ghép sang ống dẫn sóng đơn mode mode TE1 ghép nối cách hồn tồn sang ống dẫn sóng đơn mode Trong thiết kế này, d = 1.2 µm, chiều dài ống dẫn sóng hình sin Ls tối ưu phương pháp mơ BPM 105 µm Như hình Fig.2.1.2, chiết suất hiệu dụng mode TE0 ống dẫn sóng đơn mode tính tốn phương pháp BPM 2.911 Do đó, chiết suất hiệu dụng mode TE1 ống dẫn sóng mode phải 2.911, h1=550 nm Tiếp theo, chiều dài ghép nối ADC phải thỏa mãn điều kiện sau: Độ nhám bề mặt định σ, độ lệch chuẩn độ nhám Lcor Đặc tính truyền đạt thiết bị phụ thuộc vào độ nhám bề mặt hình 2.1.7(a) (b) hai trường hợp cặp giá trị (σ, Lcor) tương ứng với (2 nm, 50 µm) (0.4 nm, 10 µm) Suy hao tín hiệu giảm xuống tối đa 0.016 dB/mm với σ = 0.4 nm Lcor = 10 µm kỹ thuật làm mịn bề mặt, ví dụ kỹ thuật khắc ướt slici chất hóa học KOH Transmission (dB) I.L TE0-TE1 -5 I.L TE1-TE0 Cr.T TE0-TE1 -10 Cr.T TE1-TE0 -15 -20 -25 -30 -5 -4 -3 -2 -1 Height tolerance, H (nm) -3 x 10 1.4 1.3 1.2 1.1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1.3 0.018 Sidewall roughness loss  [dB/mm] Sidewall roughness loss  [dB/mm] Hình 2.1.6 Hiệu suất làm việc tách ghép mode phụ thuộc vào dung sai chế tạo chiều cao: H=h1=500 nm TE mode TE mode  = nm, L 1.35 cor = 50 nm 1.4 1.45 1.5 Wavelength,  (m) 1.55 1.6 0.016 0.014 0.012 TE mode 0.01 0.008 0.006 TE mode 0.004  = 0.4 nm, L 0.002 1.3 1.35 cor = 10 nm 1.4 1.45 1.5 Wavelength,  (m) 1.55 1.6 Hình 2.1.7 Tính tốn suy hao nhám bề mặt mode phân cực TE với hai trường hợp: a) σ = nm, Lcor = 50 µm b) σ = 0.4 nm, Lcor = 10 µm 2.2 Kết luận Kết thiết bị hoạt động thiết bị điều hưởng sử dụng cơng nghệ CDWM (với khoảng cách bước sóng điều hưởng 5.5 nm), hệ số chuyển đổi mode lên đến 99.74% khoảng bước sóng ±1 nm Thiết bị có suy hao chèn nhiều xuyên kênh thấp, đồng thời yêu cầu độ nhám bề mặt đáp ứng công nghệ chế tạo Thiết bị số 11 điểm cải thiện so với thiết bị có cấu trúc tương tự cơng bố trước Kích thước thiết bị tích hợp khoảng µm x 1600 µm; hồn tồn có khả thích hợp để sử dụng mạch tích hợp quang CHƯƠNG BỘ TÁCH GHÉP MODE DỰA TRÊN CẤU TRÚC GIAO THOA ĐA MODE So với cấu trúc khác, MMI chứng minh trở thành ưng cử viên đầy hứa hẹn để chế tạo tách ghép mode, cấu trúc cho phép dung sai chế tạo lớn với hiệu suất làm việc cao Chương giới thiệu thiết kế MDM dựa MMI 3.1 Bộ tách ghép mode dựa ống dẫn sóng hình đinh ba hai 3x3 MMI ghép nối tiếp Đề xuất cấu trúc thiết kế tách ghép mode dựa cấu trúc MMI ống dẫn sóng hình đinh ba hình 3.1.1 Bộ ghép MMI đầu tiên, dịch pha 2, thiết kế cho lượng mode mode chia hai cổng ngồi cùng, cịn mode tập trung cổng trung tâm Sau đó, ghép MMI thứ dịch pha thứ thiết kế cho mode mode tách cổng khác nhau, đồng thời mode cổng Ống dẫn sóng SOI dạng sườn có chiều cao sườn H = 500nm độ cao ống dẫn sóng phẳng h0 = 100nm G đặt 1.1μm WMMI = 4.8 μm Độ rộng đầu vào ống dẫn sóng đinh ba W0 = 1.5 μm Độ rộng ống dẫn sóng nhánh 520 nm để hoạt động chế độ kích thích đơn mode W1 W1 W1 WPS3 W Wc W2 W1 W1 LMMI2=3Lπ /2 W 3×3 MMI W2 W1 WMMI W2 MMI1=Lπ w Ls WPS2 W1 Wc WMMI 3×3 MMI L φc Port c G W L w First-order mode TE1 +2π/3 Phase Shifter LPS PS2 Output port1 Output port2 Output port3 w PS3 LPS w W0 Second-order mode TE2 W1 W1 φa φb Ltp Port a Port b WPS1 -π/3 Phase Shifter W LPS PS1 Input port Fundamental mode TE0 Hình 3.1.1 Cấu trúc đề xuất tách ghép mode Thiết kế chiều dài Ls ống dẫn sóng hình sin cần phải thỏa mãn điều kiện diễn tả tốn học phương trình (3.1.1) 12  i   i   e2  e2    i  4     e     2  i  i  , Y    e i , Y   e  i  e i Y0  e e      3   2   2 i  i    e  e2   2i      e 4      ( 3.1.1) Output powers of the trident (a.u) Với, θ pha tích lũy trường ánh sáng mode truyền lan qua ống dẫn sóng đinh ba Chiều dài tối ưu Ls chọn 15 µm hình 3.1.2 P -0th mode a 0.9 Pc-0th mode 0.8 P -1st mode a 0.7 P -1st mode 0.6 Pa-2nd moce c P -2nd mode c 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 LS 10 15 20 25 Length of the sinusoidal waveguides, Ls (m) Hình 3.1.2 Mơ BPM phụ thuộc đặc tính truyền lan trường ống dẫn sóng đinh ba vào chiều dài L s Chiều dài ghép MMI đầu tiền chọn: LMMI2=Lπ Chiều dài ghép MMI thứ hai chọn: LMMI2=3Lπ/2 Vì ghép MMI thứ tách mode 0th 1st sang hai cổng khác nhau, nên nguyên lý hoạt động coi 2x2 MMI Mối quan hệ biên độ pha cồng đầu vào cổng đầu hai ghép MMI biểu diễn theo ma trận truyền đạt   i e  2  3i M1  e 3   e3i   2 e3 i  i e3 2 i e3   i e3    2 i  1 e  M2    i    i e e          e i (3.1.2) Qua tính tốn tốn học, ta tính độ dịch pha ΔΦ1= ΔΦ2=2п/3 ΔΦ3=± п/2 đầu vào mode tái tạo lại đầu tương ứng điều kiện đặt ban đầu Kích thước dịch pha ban đầu 13 Phase angle over the PS,  (rad) đặt sau: Lps = 20 µm and Wps = 0.52 µm Để đạt độ dịch pha móng muốn ta cần thay đổi độ rộng dịch pha Wps1=Wps2= 410 nm Wps3= 590 nm, thấy hình 3.1.3 Hình 3.1.4 phân bố trường tách ghép mode đề xuất Hình 3.1.6(a) giá trị I.L lớn -1 dB Cr.T nhỏ -15 dB đạt modes góc nhánh thay đổi khoảng từ độ đến 13 độ (Ls=15 µm tương ứng với 8.4 độ) Hình 3.1.7(a) thay đổi LMMI2 khoảng ± µm, I.L lớn -0.72 dB Cr.T nhỏ -25 dB Hình 3.1.7(b) W0 thay đổi khoảng ± 0.2 µm, I.L lớn -0.6 dB Cr.T nhỏ -20 dB Hình 3.1.8 chiều cao ống dẫn sóng sườn thay đổi khoảng ± 50 nm I.L lớn -2 dB Cr.T nhỏ -18 dB 2π 6.2832  (  =1550 nm) A 1.5π 4.7124 ΔΦ 2π/3 π 3.1416 C π/2 Wps Lps w 0.5π 1.5708 0.3 B Wps=W 0.4 0.5 0.6 0.7 Central width of the phase shifter, Wps ( m) 0.8 Hình 3.1.3 Mơ BPM phụ thuộc giá trị pha bị dịch so với chiều rộng tâm dịch pha Hình 3.1.4 Phân bố trường ống dẫn sóng tách ghép mode 14 Crosstalk, Cr.T (dB) Insertion Loss, I.L (dB) -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 I.L - TE0 -0.7 I.L - TE1 -0.8 I.L - TE2 -0.9 -1 1.5 1.51 1.52 1.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.58 1.59 1.6 Wavelength,  (m) -16 -18 -20 -22 -24 -26 -28 -30 -32 Cr.T-TE0 -34 Cr.T-TE1 -36 Cr.T-TE2 -38 -40 1.5 1.51 1.52 1.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.58 1.59 1.6 Wavelength,  (m) (a) (b) Hình 3.1.5 Hiệu suất làm việc hệ thống để xuất phụ thuộc vào bước sóng: (a) I.L (b) Cr.T (b) (a) 0.5 0.2 0.4 0.6 0.8  Lmmi2 (m) -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -5 -0.5 -10 -15 -0.6 -20 I.L - TE0 -0.7 -25 I.L - TE1 -0.8 -30 -0.9 -35 I.L - TE2 -0.2 -1 -0.2 -0.15 -0.1 -0.05 Crosstalk, Cr.T (dB) Insertion Loss, I.L (dB) I.L - TE -0.1 I.L - TE -0.2 I.L - TE -0.3 -0.4 -15 Cr.T- TE0 -0.5 -20 Cr.T - TE1 -0.6 Cr.T - TE2 -25 -0.7 -0.8 -30 -0.9 -35 -1 -0.5 -1 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 Crosstalk, Cr.T (dB) Insertion Loss, I.L (dB) Hình 3.1.6 Hiệu suất làm việc hệ thống để xuất phụ thuộc vào góc nhánh ống dẫn sóng đinh ba: a) I.L, b) Cr.T Cr.T - TE0 Cr.T - TE1 Cr.T - TE2 -0.1 0 0.1 0.2 0.05 0.1 0.15 0.2 W 0, (m) (a) (b) Hình 3.1.7 Dung sai chế tạo hệ thống để xuất: a) Dung sai chiều dài ghép MMI thứ LMMI2, b) Dung sai chiều rộng cổng vào W0 15 -5 Intensity (dB) -10 -15 -20 -25 -30 -35 I.L - TE0 -15 -20 -5 -25 -10 Intensity (dB) -5 -10 Intensity (dB) -30 -35 -40 -40 -45 -0.05 Cr.T - TE I.L - TE Cr.T - TE I.L - TE2 -20 Cr.T - TE -25 I.L - TE2 I.L - TE0 -15 -30 H, -35 (m) -45 -0.05 I.L - TE Cr.T - TE I.L - TE0 I.L - TE Cr.T - TE2 I.L - TE2 Cr.T - TE Cr.T - TE Cr.T - TE2 Cr.T - TE2 0.05 -40 H, (m) 0.05 -45 -0.05 H, (m) 0.05 Hình 3.1.8 I.L Cr.T hệ thống tách ghép mode để xuất phụ thuộc vào dung sai chiều cao ống dẫn sóng dạng sườn 3.3 Kết luận So sánh với thiết kế trước có cấu trúc MMI, thiết kế đề xuất có số cải tiến Một hạn chế tách ghép mode sử dụng cấu trúc MMI dung sai chế tạo dịch pha ảnh hưởng lớn đến hiệu suất làm việc thiết bị Tuy nhiên, thiết kế dựa cấu trúc MMI có điểm mạnh suy hao thấp, kích thước nhỏ dung sai chế tạo tốt, ứng dụng sử dụng mạch tích hợp quang CHƯƠNG BỘ TÁCH GHÉP MODE DỰA TRÊN CẤU TRÚC ỐNG DẪN SÓNG TRỤC RẼ NHÁNH Đã có vài thiết kế để xuất dựa cấu trúc ống dẫn sóng chữ Y bất đối xứng nhiều nhánh sử dụng để chọn lọc chuyển đổi mode, nhiên số hạn chế suy hao cịn lớn, kích thước chiều dài lớn phụ thuộc vào số mode cần tách ghép Ở chương này, luận án đề xuất thiết kế gọi cấu trúc trục rẽ nhánh Cấu trúc tối ưu hóa thống số suy hao chèn kích thước so với thiết kế đề xuất trước 4.1 Bộ tách ghép mode dựa cấu trúc ống dẫn sóng Silic trục rẽ nhánh Hình 4.1.1 cấu trúc đề xuất tách ghép mode Hình 4.1.2 giá trị Wm khoảng 0.72µm đến 1.04µm dẫn mode bậc thấp Wm chọn 0.94µm Wa lựa chọn cho mode 1st trục chuyển đổi thành mode 0th cổng O1 mode 2nd chuyển đổi thành mode mode 1st trục sau chuyển đổi thành mode 0th cổng O2 Chính vậy, giá trị Wa lựa chọn 0.55µm 16 O2 O1 a) b) Silicon core h=220 nm nSiO2 =1.445 nSi =3.465 Hình 4.1.1 Đề xuất thiết kế tách ghép mode Hình 4.1.2 Sự phụ thuộc chiết suất hiệu dụng ống dẫn sóng trục vào chiều rộng Wm với chiều cao h cố định 220 nm Hai tham số đặc tính ε, δ đề xuất gọi hệ số không ghép nối chọn lọc hệ số ghép nối chọn lọc P mn  10log10  out P  in  P' mn  10log10  out  P  in   (4.1.2)     (4.1.3) Pin lượng đầu vào ống dẫn sóng chuẩn hóa đơn vị, Pout P’out tương ứng lượng cổng ống dẫn sóng trục rẽ nhánh, m n định nghĩa bậc mode số thứ tự nhánh tính theo chiều từ cổng vào đến cổng ống dẫn sóng trục Hình 4.1.3 đường cong đặc tính phụ thuộc δ ε tất mode truyền dẫn cổng vào Wa Wm 17 (a) (b) Hình 4.1.3 Đặc tính truyền đạt hệ thống đề xuất đầu phục thuộc vào Wa (nm) Wm (nm) a) b) c) Hình 4.1.4 Phân bố trường ống dẫn sóng thiết kế mode (a), mode bậc (b), mode bậc (c) Hình 4.1.4 kết mơ sử dụng phương pháp BPM phân bố trường mode bản, bậc bậc bơm vào bên ống dẫn sóng thiết kế Hình 4.1.5 đáp ứng I.L Cr.T modes bơm vào thiết kế thay đổi bước sóng khoảng từ 1.5 µm đến 1.65 µm, I.L lớn -1.45 dB Cr.T nhỏ -16 dB Tiếp đó, hình 4.1.6 đặc tính truyền đạt lượng tín hiệu đầu cổng PO1, PO2, PO3 so với lượng tín hiệu đầu vào chuẩn hóa mode TE0, TE1, TE2 khoảng thay đổi dung sai thiết kế chiều cao chiều rộng ống dẫn sóng tương ứng ±10 nm ±20 nm Giá trị suy hao chèn cao khoảng -1.41 dB 18 Hình 4.1.5 Đặc tính hiệu suất làm việc thiết kế phụ thuộc vào bước sóng, I.L Cr.T đầu mode b) c) Δ a) Δ Δ e) Δ d) Δ f) Δ h) i) Δ g) Δ Δ Δ Δ Δ Hình 4.1.6 Năng lượng cổng đầu PO1, PO2 PO3 khoảng Δh (nm) ΔW (nm) ống dẫn sóng trục mode đầu vào kích thích: (a),(b),(c) TE0, (d),(e),(f) TE1 (g),(h),(i) TE2 19 4.2 Bộ tách ghép mode sử dụng cấu trúc ống dẫn sóng Silic trục rẽ nhánh Cấu trúc tách ghép mode dựa ống dẫn sóng Silic trục rẽ nhánh trình bày hình 4.2.1 Hình 4.2.1 Thiết kế tách ghép mode Hình 4.2.2 với 1.38µm ≥ W0 ≥ 1.05µm kích thích mode Wm chọn 1.2µm Wa chọn cho mode 3rd 1st chuyển đổi thành mode 1st 0th nhánh A1 mode 2nd 0th chuyển đổi thành mode 1st 0th ống dẫn sóng trục Limited width for single mode Y Effective refractive index, n eff 2.5 T X TE0 (W 0) TE1(W 0) TE2(W 0) TE3(W 0) U Z TE4(W 0) TE0(W a, W b) TE1- (W a, W b) TE2- (W a, W b) V 1.5 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 The width of the waveguides, W and W a, W b (m) Hình 4.2.2 Sử dụng mơ số để tính tốn phụ thuộc chiết suất hiệu dụng ống dẫn sóng vào độ rộng ống dẫn sóng 20 Chính vi vậy, Wm chọn 1.1µm Wb chọn để mode 3rd ống dẫn sóng trục sau chuyển đổi thành mode 1st nhánh A1 chuyển đổi thành mode 0th cổng O1 Chính vậy, Wb chọn 0.95µm a) b) c) Hình 4.2.3 Các kết đặc tính truyền đạt thiết bị hệ số ghép nối chọn lọc a) A1 b) A2 c) A3 21 Hình 4.2.3 đường cong đặc tính phụ thuộc δ ε tất mode truyền dẫn cổng thay đổi Wo, Wa, Wb a) b) d) c) Hình 4.2.4 Phân bố trường ống dẫn sóng thiết kế mode (a), mode bậc (b), mode bậc (c), mode bậc (d), a) b) Hình 4.2.5 Đặc tính hiệu suất làm việc thiết kế phụ thuộc vào bước sóng, a) I.L b) Cr.T đầu mode 22 Hình 4.2.4 kết mô phân bố trường ống dẫn sóng thiết kế mode kích thích sử dụng phương pháp mơ BPM Hình 4.2.5 đáp ứng I.L Cr.T mode khoảng bước sóng thay đổi từ 1.5 µm đến 1.6 µm, I.L lớn -1.1 dB Cr.T bé -18 dB Hình 4.2.6 đặc tính truyền đạt lượng đầu so với lượng chuẩn hóa đầu vào cổng PO1, PO2, PO3 vaf PO4 bốn mode TE0, TE1, TE2 TE3 chiều cao chiều rộng ống dẫn sóng trục thay đổi khoảng ±10 nm ±15 nm Hình 4.2.6 Năng lượng cổng đầu O1, O2, O3 O4 thay đổi kích thước Δh (nm) and ΔW (nm) ống dẫn sóng trục mode kích thích (a), (b), (c), (d) mode TE0; (e), (f), (g), (h) mode TE1; (i), (j), (k), (l) mode TE2 and (m),(n),(o),(p) mode TE3 23 4.3 Kết luận So với cơng trình cơng bố gần đây, cấu trúc để xuất chương có hiệu suất làm việc dung sai chế tạo cho phép tương đương nhiên thiết kế đơn giản So với cấu trúc để xuất chương thiết kế chương có khả tách ghép nhiều mode nguyên lý hoạt động tương đối đơn giản chúng Tuy nhiên, điểm hạn chế cấu trúc tách ghép mode sử dụng ống dẫn sóng chữ Y giao bất đối xứng kích thước cịn tương đối lớn Tuy vậy, thiết kế để xuất thích hợp để sử dụng hệ thống truyền thông chip tốc độ cao kết hợp với hệ thống lai DWDMMDM KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Luận án đề xuất thiết kế tách ghép mode dựa công nghệ quang nano Silic Các thiết kế để xuất có điểm mạnh đáng kể: độ ổn định, băng rộng, suy hao chèn thấp, nhiễu xuyên kênh thấp, dung sai chế tạo cao tích hợp với cơng nghệ CMOS chế tạo bán dẫn, từ hạ giá thành sản xuất mạch tích hợp quang cách đáng kể phù hợp cho việc sản xuất với số lượng lớn Hướng phát triển Luận án tập trung nghiên cứu thiết bị thụ động, mở rộng nghiên cứu áp dụng cho thiết bị tách ghép mode tích cực Thêm vào đó, thiết kế dựa vật liệu cấu trúc tinh thể quang (PhC) hướng nghiên cứu tốt nhằm tiếp túc giảm kích thước phận mạch tích hợp tồn quang mà khơng làm giảm hiệu suất làm việc hệ thống thiết kế đơn giản cấu trúc nhánh chữ Y, chia công suất Tuy nhiên giá thành sản xuất điều cần quan tâm thiết bị sử dụng vật liệu PhC; PhC hướng nghiên cứu tốt tương lai áp dụng vào mạch tích hợp quang 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1] T A Tran, Y V Vu, D H Tran, C D Truong, “Two mode division (De) multiplexer based on an MZI asymmetric silicon waveguide”, International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), 2016 [2] T A Tran, D C Truong, H T Nguyen, Y V Vu “A new simulation design of three-mode division (de)multiplexer based on a trident coupler and two cascaded × MMI silicon waveguides”, Optical and Quantum Electronics, vol 49, pp 426, 2017 [3] H D T Nguyen, T A Tran, D H Ta, T P Bui, Q N Le, T M Nguyen, D C Truong, “A low loss mode division (de)multiplexing device based on soi waveguide in the form of a branched bus,” Journal of Science and Technology – University of Danang, vol 132, no 11, pp 25-28, 2018 [4] T A Tran, H D T Nguyen, D C Truong, H T Nguyen, Y V Vu and D H Tran, “Three-mode multiplexed device based on tilted- branch bus structure using silicon waveguide,” Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications, vol 35, pp 100709, 2019 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐANG ĐƯỢC REVIEW H D T Nguyen, D H Ta, T T T Tran, N K D Hoang, T A Tran, C D Hoang, D C Truong, “Four Mode Demultiplexer Based on Branched Silicon Waveguides For Photonics Interconnects,” Summited to Optik: International Journal for Light and Electron Optics ... 4.2.1 Thiết kế tách ghép mode Hình 4.2.2 với 1.38µm ≥ W0 ≥ 1.05µm kích thích mode Wm chọn 1.2µm Wa chọn cho mode 3rd 1st chuyển đổi thành mode 1st 0th nhánh A1 mode 2nd 0th chuyển đổi thành mode. .. xuất mạch tích hợp quang cách đáng kể phù hợp cho việc sản xuất với số lượng lớn Hướng phát triển Luận án tập trung nghiên cứu thiết bị thụ động, mở rộng nghiên cứu áp dụng cho thiết bị tách ghép. .. tách ghép mode Hình 4.1.2 giá trị Wm khoảng 0.72µm đến 1.04µm dẫn mode bậc thấp Wm chọn 0.94µm Wa lựa chọn cho mode 1st trục chuyển đổi thành mode 0th cổng O1 mode 2nd chuyển đổi thành mode mode