Nghiên cứu đặc tính quang của bộ tách kênh ghép tín hiệu sử dụng ống dẫn sóng silicon

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VĂN HOÀNG C C R L T NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH QUANG CỦA BỘ TÁCH KÊNH GHÉP TÍN HIỆU SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG SILICON U D Chuyên nghành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TẤN HƯNG Đà Nẵng – Năm 2019 C C DU R L T MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC KÝ HIỆU .7 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 10 DANH MỤC HÌNH .12 MỞ ĐẦU .12 CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN QUANG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE 17 C C 1.1 Giới thiệu chương .17 1.2 Tương lai kỹ thuật ghép kênh chia phân chia theo mode 17 1.3 Hệ thống truyền dẫn quang ghép kênh phân chia theo mode 18 1.4 Kết luận chương .20 R L T DU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ỐNG DẪN SÓNG QUANG HỌC .21 2.1 Giới thiệu chương .21 2.2 Cơ sở truyền sóng ống dẫn sóng .21 2.3 Các mode lan truyền ống dẫn sóng 24 2.3.1 Giới thiệu ống dẫn sóng quang học điện mơi 24 2.3.2 Ống dẫn sóng silicon vật liệu cách điện 25 2.4 Các loại ống dẫn sóng dạng kênh dẫn đối xứng .26 2.5 Kết luận chương .29 CHƯƠNG BỘ GIAO THOA ĐA MODE MMI, BỘ Y - JUCTION, BỘ DỊCH PHA………………………………………………………………………………… 30 3.1 Giới thiệu chương 30 3.2 Tổng quan giao thoa đa mode MMI 30 3.3 Lý thuyết giao thoa đa mode MMI phương pháp phân tích truyền mode……………………………………………………………………………… 30 3.4 Tổng quan loại giao thoa 34 3.4.1 Giao thoa tổng quát -GI .34 3.4.1.1 Các đơn ảnh .34 3.4.1.2 Các đa ảnh 34 3.4.2 Giao thoa hạn chế -RI 35 3.4.2.1 Giao thoa theo cặp .35 3.4.2.2 Giao thoa đối xứng 36 3.5 Cơng thức Bachmann giải thích pha trường đầu vào cổng MMI 37 3.5.1 Sự biểu diễn mode riêng lẻ 37 3.5.1.1 Phân tích mode riêng lẻ .37 3.5.1.2 Phân bố trường đầu .38 3.5.2 Nguồn gốc pha cổng đầu vào với giá trị M = 38 3.6 Bộ truyền dẫn Y-junction 39 3.6.1 Cấu trúc mối nối chữ Y-Junction 40 3.6.1.1 Mối nối chữ Y đối xứng đơn mode 40 3.6.1.2 Cấu trúc Y junction đối xứng đa mode .42 3.6.2 Cấu trúc Y junction không đối xứng 43 3.6.2.1 Cấu trúc Y junction không đối xứng đơn mode 43 3.6.2.2 Cấu trúc Y junction không đối xứng đa mode 44 3.6.3 Nhận xét chung 45 C C R L T DU 3.7 Bộ dịch pha Phase Shift 45 3.8 Kết luận chương 47 CHƯƠNG BỘ GHÉP KÊNH, PHÂN KÊNH HAI MODE LP00 VÀ LP11 SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG GIAO THOA ĐA MODE 48 4.1 Giới thiệu chương 48 4.2 Thiết kế thiết bị 48 4.2.1 Mô tả tổng quát .48 4.2.2 Ống dẫn sóng hình dạng chữ Y .49 4.2.3 Bộ giao thoa mode MMI 51 4.2.4 Bộ dịch pha PS 51 4.3 Đánh giá hiệu suất chuyển đổi quang 51 4.4 Kết luận 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .56 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI 59 NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH QUANG CỦA BỘ TÁCH KÊNH GHÉP TÍN HIỆU SỬ DỤNG ỐNG DẪN SĨNG SILICON Học viên: Nguyễn Văn Hồng Mã số: CH677 Khóa: 36 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Trong q trình phát triển khoa học cơng nghệ kỷ thuật cao ngày việc trao đổi thơng tin truyền tải liệu nhu cầu ngày gia tăng số lượng chất lượng, tốc độ truyền dẫn khoảng cách truyền dẫn tăng lên đến hàng ngàn kilômét xuyên qua lục địa đại dương Sự đời hệ thống thông tin sợi quang góp phần giải nhu cầu thiết yếu cấp bách Trong hệ thống truyền dẫn quang, để truyền tín hiệu nhằm tiết kiệm tài nguyên cần phải thực ghép kênh Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng - WDM sử dụng phổ biến nay, tín hiệu tương ứng kênh chuyển sang tần số quang học (được biễu diễn bước sóng 𝜆) Trong 𝑛 số bước sóng 𝜆 có 𝑛 số kênh truyền Ta biết kênh tín hiệu với bước sóng 𝜆 có 𝑚 số mode khác Kỹ thuật ghép kênh đời ghép kênh phân chia theo mode - MDM (Mode Division Multiplexing) Vì tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu đặc tính quang tách kênh ghép tín hiệu sử dụng ống dẫn sóng silicon” C C R L T DU Từ khóa: Bộ chuyển đổi toàn quang MOC; Ghép kênh phân chia mode MDM; Thiết bị quang tử; Liên kết đa mode Y; Các ống dẫn sóng quang dựa vật liệu SOI STUDY THE OPTICAL OF SIGNAL SPLITTERS USING SILICON TUBES Student: Nguyen Van Hoang Major: Electronics Technology Code: CH677 Course: 36 The University Of DaNang - University Of Science And Technology Abstract— In the process of developing high – tech science and technology, information exchanger and data transmission are increasing in capacity and quality, transmisson distance can increase to thousands of km across continents and oceans The introduction systems has contributed to solving urgen tneeds in optical transmission system to transmit signal effectively and to save resources, it is necessary to multiplex The multipexing technique according to the WDM wavelength is currently popular in which each signal corresponding to a channel is transferred to a channel is transferred to the optical frequency by the frequency of lamda, in n numbers which lamda wavelengths, there are n channels transmitter We know that in each lamda wavelenth there will be different modes, multiplexing techniques according to mode MDM So I chose the topic: “study the optical properties of signal splitters using silicon tubes” C C DU R L T Key words: MOC - Mode Order Converter; MDM - Mode Division Multiplexing; Photonic Devices; Multimode Y-Junctions; SOI - Silicon-On-Insulator; DANH MỤC KÝ HIỆU KÝ HIỆU: 𝐸⃗ Véc tơ cường độ điện trường ⃗ 𝐻 Véc tơ cường độ từ trường ⃗ 𝐷 Véc tơ cảm ứng điện ⃗ 𝐵 Véc tơ cảm ứng từ ⃗⃗⃗⃗ 𝐽𝑚 Véc tơ mật độ dòng từ ⃗⃗⃗𝐽𝑒 Véc tơ mật độ dòng điện 𝜌𝑒 ⃗⃗⃗⃗ 𝜌𝑚 ⃗⃗⃗⃗⃗ C C R L T DU Véc tơ mật độ điện tích Véc tơ mật độ từ tích 𝜇𝑜 Hằng số độ từ thẩm tuyệt đối 𝜀0 Hằng số độ điện thẩm tuyệt đối 𝜀𝑟 Hằng số điện môi tương đối 𝜇𝑟 Hệ số từ thẩm tương đối ∇ Toán tử nabla (Hamilton) ∇2 Toán tử Laplace 𝑖𝑥 Véc tơ đơn vị trục 𝑥 𝑖𝑦 Véc tơ đơn vị trục 𝑦 𝑖𝑧 Véc tơ đơn vị trục 𝑧 𝑊𝑀𝑀𝐼 Độ rộng MMI 𝐿𝑀𝑀𝐼 Chiều dài MMI 𝑊 Độ rộng phần đế ống dẫn sóng 𝐿𝑖𝑛 Chiều dài phần thân chia cơng suất 𝑊𝑡𝑎𝑝 Độ rộng phần ống dẫn sóng hình nêm 𝑛𝑟 Hệ số chiết suất (hiệu dụng) lõi 𝑛𝑐 Hệ số chiết suất (hiệu dụng) vỏ 𝜆 Bước sóng không gian tự 𝐿𝜋 C C R L T DU Nửa chiều dài phách hai mode bậc thấp 𝜓() Trường quang truyền ống dẫn sóng 𝑣 Số thứ tự mode 𝑐𝑣 Hệ số kích thích mode bậc thứ 𝑣 𝑝 Biểu thị chất định kỳ hình ảnh dọc theo ống dẫn sóng đa mode 𝐿 Khoảng cách có ảnh 𝑚𝑜𝑑 Phép tốn lấy phần dư 𝐿𝑃𝑆 Chiều dài Phase Shift 𝑤 Chiều rộng ống dẫn sóng truy nhập 𝑊𝑃𝑆 Chiều rộng trung tâm Phase Shift ∆Φ Độ chênh lệch pha tạo Phase Shift 𝐼 𝐿 Suy hao chèn 𝐶𝑟 𝑇 Hệ số xuyên nhiễu C C DU R L T 10 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ADM BER BPM CMOS DEMUX DWDM EF EIM FM FWM GI GVD LASER MF MMI MDM MOC MMF MPA MPC MPM MUX MMI MZ MI PS RIB RI RZ SOI SMF SNR Add/Drop Mode Bit Error Rate Beam propagation method Complementary Metal-OxideSemiconductor Demultiplexer Dense WDM Electric Field Effective Index Method Frequency Modulation Four-Wave Mixing General Interference Group Velocity Dispersion Light Amplified and Stimulated Emission of Radiation Magnetic Field Multimode Interference Mode-Devision Multiplexing Mode Ghép/ Tách Tỷ lệ lỗi bit Phương pháp truyền chùm tia Chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung Bộ giải ghép kênh WDM mật độ cao Trường điện Phương pháp số hiệu dụng Điều tần Trộn bốn sóng Giao thoa tổng quát Tán sắc vận tốc nhóm Khuếch đại ánh sáng xạ kích thích C C R L T DU Modular Port Concentrator Mode Propagation Method Multiplexer Trường từ Giao thoa đa mode Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mode Bộ chuyển đổi chế độ Sợi đa mode Phương pháp phân tích truyền mode Bộ tâp trung cổng tích hợp mơđun Phương pháp phân tích truyền mode Bộ ghép kênh Mach-Zehnder Interferometer Mirrored Images Phase Shift ridge waveguide Restricted interference Return to Zero Silicon-On-Insulator Single Mode Fibre Signal to Noise Ratio Bộ giao thoa kế Mach-Zehner Ảnh đối xứng gương Bộ dịch pha dạng sườn sóng Giao thoa hạn chế Trở khơng Silicon cách điện Sợi quang đơn mode Tỉ lệ tín hiệu nhiễu Mode Order Converter Multimode Fibre Mode Propagation Method 54 C C R L T DU Hình 4.5 Xun nhiễu hàm bước sóng Hình 4.4 hình 4.5 suy hao chèn xuyên nhiễu thiết bị hàm bước sóng cho mode LP00 LP11 Bước sóng bị thay đổi khoảng từ 1535 nm tới 1560 nm Một suy hao chèn nhỏ xuyên nhiễu đạt dB 38 dB với khoảng bước sóng 25 nm Hiệu suất chuyển đổi mode thay đổi từ 80 % đến 92 % khoảng bước sóng khảo sát 55 4.4 Kết luận Em trình bày cấu trúc tách ghép tín hiệu quang hai mode sử dụng ống dẫn sóng chữ Y giao thoa đa mode 2x2 MMI Với hai mode LP00 LP11 ngõ vào, thiết bị phân kênh thành công đầu với suy hao chèn lớn dB băng C Hơn nữa, thiết bị đề xuất cú kớch thc nh (5 àm ì 180 àm ì 0,52 µm) tương thích với cơng nghệ chế tạo CMOS Với tính vượt trội băng thơng, suy hao chèn, nhiễu xuyên âm kích thước nhỏ ghép kênh/phân kênh ứng cử viên đầy hứa hẹn cho ứng dụng mạch tích hợp quang tử chip mạng quang hợp kênh đa mode C C DU R L T 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn tìm hiểu lý thuyết truyền sóng, lý thuyết mode hệ phương trình Maxwell lý thuyết giao thoa đa mode, Y-junction, dịch pha Các kết mà luận văn đạt gồm: - Thiết kế Bộ chia công suất hình chữ Y – Junction - Thiết kế giao thoa đa mode MMI - Thiết kế dịch pha - Thiết kế tách ghép tín hiệu quang hai mode sử dụng ống dẫn sóng giao thoa đa mode MMI C C Sau tiến hành thiết kế đạt kết em rút số kết luận sau: R L T - Dựa nguyên lý hoạt động giao thoa đa mode MMI ta hồn tồn thiết kế ghép kênh / phân kênh mode sử dụng ống dẫn sóng đa mode MMI theo yêu cầu thiết kế DU - Với cấu trúc nhỏ gọn mặt kích thước, với chiều rộng µm, chiều dài 180 µm chiều cao 0,52 µm tương thích với cơng nghệ chế tạo CMOS - Có tính vượt trội băng thơng, suy hao chèn, nhiễu xuyên âm 57 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Berdague, P Facq, “Mode division multiplexing in optical fiber”, Appl Opt 21 (1982) 1950–1955 [2] D A B Miller, “Optical interconnects to silicon”, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics (2000) 1312–1317 doi:10.1109/2944.902184 [3] K Yoshida, K Tanaka, T Tsujimura, Y Azuma, “Assissted focus adjustment for free space optics system coupling single-mode optical fibers”, IEEE Transactions on Industrial Electronics 60 (2013) 5306–5314 [4] S G L.-Saval, N K Fontaine, J R S.-Gil, B Ercan, R Ryf, J BlandHawthorn, “Mode-selective photonic lanterns for space-division multiplexing”, Opt Express C C 22 (2014) 1036–1044 [5] N Bai, et al., “Mode-division multiplexed transmission with inline few-mode fiber R L T amplifier”, Opt Express 20 (2012) 2668–2680 DU [6] A Sharkawy, S Shi, D W Prather, “Multichannel wavelength division multiplexing with photonic crystals”, Appl Opt 40 (2001) 2247–2252 [7] D Dai, J Wang, Y Shi, “Silicon mode (de)multiplexer enabling high capacity photonic networks-on chip with a single-wavelength-carrier light”, Op tics Letters 38 (2013) 1422–1424 [8] Y.-D Yang, Y Li, Y.-Z Huang, “A W Poon, Silicon nitride three-mode division multiplexing and wavelength-division multiplexing using asymmetrical directional couplers and microring resonators”, Opt Express 22 (2014) 22172–22183 [9] S M.-Garaot, S.-Y Tseng, J G Muga, “Compact and high conversion efficiency mode-sorting asymmetric y junction using shortcuts to adiabaticity”, Optics Letters 39 (2014) 2306–2309 [10] W Chen, P Wang, J Yang, “Mode multi/demultiplexer based on cascaded asymmetric y-junctions”, Opt Express 21 (2013) 25113–25119 [11] J D Love, N Riesen, “Single-, few-, and multimode y-junctions”, J Light Technol 30 (2012) 304–309 [12] L.-W Luo, et al., “WDM-compatible mode-division multiplexing on a silicon 58 chip”, Nat Commun (2014) 1–7 [13] T Uematsu, Y Ishizaka, Y Kawaguchi, K Saitoh, M Koshiba, “Design of a compact two-mode multi/demultiplexer consisting of multimode interference waveguides and a wavelength-insensitive phase shifter for modedivision multiplexing transmission”, J Light Technol 30 (2012) 2421–2426 [14] Y Liu, J Yan, G Han, “The transmission characteristic of metal-dielectricmetal slot waveguide-based nanodisk cavity with gain medium”, IEEE Photonics J (2015) 1–8 [15] Y Li, C Li, C Li, B Cheng, C Xue, “Compact two-mode (de)multiplexer based on symmetric y-junction and multimode interference waveguides”, Opt Express 22 (2014) 5781–5786 C C [16] L B Soldano, E C M Pennings, “Optical multi-mode interference devices based on self-imaging: Principles and applications”, J Light Technol 13 (1995) 615–627 DU R L T C C U D R L T C C R L T DU Scanned by CamScanner C C R L T DU Scanned by CamScanner C C R L T DU Scanned by CamScanner C C R L T DU Scanned by CamScanner DAI HOC DA NANG TRUONG D~I HQC BAcH KHOA xA HOI CHU NGHiA VIET NAM DQcl~p - TV - H~nh phuc CONG HOA HO sa HOI DONG DANH GIA LuAN , VAN THAC SY HQc vien: Nguyin Van Hoang Bien ban H9i d6ng Bang diem cua hoc vien cao hoc Ly lich khoa hoc cua hoc vien Bien ban kiem phieu Nhan xet TT C C R HQvATEN PGS.TS Ding Tfrn Chi~n TS Nguyen Duy Nh~t Vi€n PGS.TS Nguyen Van Tufrn TS Luong Vinh Quoc Danh TS Nguyen Hoang Thuan TS Nguyen Tfrn Hung U D L T Da Nang, 07 thdng ndm 2019 Thu ky H9i d6ng TS Nguyen Duy Nh?t Vi@n D~I HQC DA NANG CONG HOA xA HOI cnu NGHiA VIET NAM TRUONG D~I HQC BAcH KHOA DQc l~p - T1}'do - H~nh phuc " ? BIEN BAN HOP HOI DONG DANH GIA LuAN VAN THAC SY Ngay 07 thang nam 2019, HQi d6ng diroc l~p thea Quyet dinh s6 cua Hieu tnrong Tnrong Dai hQCBach khoa, g6rn cac vien: HQ vA TEN TT CUONG VI TRONG H(H DONG PGS.TS Tang Tc1nChien Chu tich HOi d6ng TS Nguyen Duy Nh~t Vi~n Thu ky HOi d6ng PGS.TS Nguyen Van TUc1n Uy vien Phan bien TS Luang Vinh Quoc Danh Uy vien Phan bien TS Nguyen Hoang Thuan C C R Uy vien da:hop (co rn~t:~, vang mat: ~thanh vien) dS danh gia luan van thac sy: L T - Ten dS tai: Nghien cuu a(lc tinh quang cua b9 tach ghep tin hieu sit dung U D 6ng ddn song silicon - Chuyen nganh: Ky thuat di~n tir (K36.KDT CT) Cua hoc vien cao hoc: Nguy~n Van Hoang NQi dung buBi hQp danh gia gAm cac phfin chinh sau day: a Thu ky HQi d6ng bao cao qua trinh hoc t~p, nghien ciru va dQCly lich khoa h9C cua hQc vien (co van ban kern theo); b H9C vien trinh bay lu~n van; c Cac phfm bi~n dQc nh~n xet va neu diu hoi (co van ban kern theo); d H9C vien tra lai cac diu hoi cua vien HQi d6ng; e HQi d6ng thao lu~n kin va danh gia; f KiSrn phiSu va cong b6 kSt qua (co bien ban kiSrn phiSu va phiSu kern theo) g Tac gia lu~n van ph" Da Nang, 07 thong ndm 2019 HO TEN & COO KY cAc THANH VIEN THAM GIA KIEM PHIEU: ... kế tách ghép tín hiệu quang hai mode sử dụng ống dẫn sóng silicon Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 16 Đề tài giúp nghiên cứu khảo sát đặc tính quang học tách ghép tín hiệu ống dẫn sóng silicon. .. phân kênh WDM MDM kênh truyền DU sợi quang lúc n × m kênh, tăng đáng kể số lượng kênh truyền hệ thống truyền dẫn Vậy em chọn đề tài NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH QUANG CỦA BỘ TÁCH GHÉP TÍN HIỆU SỬ DỤNG ỐNG. .. chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu đặc tính quang tách kênh ghép tín hiệu sử dụng ống dẫn sóng silicon? ?? C C R L T DU Từ khóa: Bộ chuyển đổi toàn quang MOC; Ghép kênh phân chia mode MDM; Thiết bị quang tử;