Bộ lọc quang kích thước nano

Bộ lọc quang kích thước nano Bộ lọc quang kích thước nano Bộ lọc quang kích thước nano luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN THU HƯƠNG BỘ LỌC QUANG KÍCH THƯỚC NANO Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HOÀNG PHƯƠNG CHI Hà Nội - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực luận văn Trần Thu Hương MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC QUANG [3] 1.1 Tổng quan .3 1.2 Các thông số lọc .4 1.3 Yêu cầu lọc 1.4 Các loại lọc quang 1.4.1 Bộ lọc Fabry - Perot 1.4.2 Bộ lọc Mach - Zehnder .10 1.4.3 Bộ lọc cách tử 12 1.4.4 Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF) .16 1.4.5 Bộ lọc cách tử ống dẫn sóng sóng ma trận (AWG) 17 1.4.6 Bộ lọc quang – âm điều chỉnh (AOTF) 20 1.4.7 Xu hướng thiết kế lọc quang 23 1.5 Ứng dụng 24 CHƯƠNG 2: TINH THỂ QUANG TỬ - PHOTONIC CRYSTAL 25 2.1 Tổng quan 25 2.1.1 Khái niệm tinh thể quang tử 25 2.1.2 Các đặc tính thơng số tinh thể quang tử 26 2.2 Phân loại 27 2.2.1 Tinh thể quang tử chiều .28 2.2.2 Tinh thể quang tử hai chiều 37 2.2.3 Tinh thể quang tử ba chiều 41 2.3 Sợi tinh thể quang tử (PCFs) .44 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ LỌC TINH THỂ QUANG TỬ 50 3.1 Thiết kế lọc .50 3.2 Kết 52 3.2.1 Cấu trúc vật lý 52 3.2.2 Phân bố trường ánh sáng đáp ứng lọc 54 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt WDM DWDM PhC PBG UV DBR Laser Tiếng anh Tiếng Việt Dense Wavelength Division Multiplexing Photonic crystal Photonic bandgap Ultra-violet Ghép kênh phân chia theo bước sóng Ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ cao Tinh thể quang tử Vùng cấm quang Tia cực tím Distributed Bragg Reflector Laser Nguồn laser phân bố kiểu Bragg Wavelength Division Multiplexing EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier FSR FWHM TFF TFMF DEMUX MZI AWG Free Spectral Range Full Width at Half Maximum Thin-film Filter Thin-film Multicavity Filter Demultiplexer Mach-Zehnder Interferometer Arayed Waveguide Grating AOTF Acousto-Optic Tunable Filter SAW BUF IL SSR TIR Surface Acoustic Wave Bandwidth-utilization Factor Insertion Loss Sidelobe Suppression Ratio Total Internal Reflection Bộ khuếch đại quang sợi pha trộn Erbium Khoảng phổ tự Toàn độ rộng nửa cực đại Bộ lọc màng mỏng Bộ lọc đa khoang màng mỏng Bộ tách bước sóng Giao thoa kế Mach-Zehnder Cách tử ống dẫn sóng sóng ma trận Bộ lọc quang - âm điều chỉnh Sóng âm bề mặt Hệ số sử dụng băng thông Suy hao ghép xen Tỉ số nén biên Phản xạ tồn phần bên DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối lọc Hình 1.2 (a) Các thông số đặc trưng lọc (b) Độ gợn sóng lọc [3] Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động lọc Fabry – Perot Hình 1.4 Hàm truyền đạt công suất lọc Fabry-Perot [3] .8 Hình 1.5 Dùng điện cực để thay đổi bước sóng hoạt động lọc Fabry-Perot Hình 1.6 Các kiểu lọc Mach-Zehnder [3] 10 Hình 1.7 Một số ứng dụng lọc cách tử Bragg kiểu sợi quang .15 Hình 1.8 Bộ lọc đa khoang màng mỏng TFMF (Thin-film Multicavity Filter)[3] 16 Hình 1.9 Bộ lọc ghép/tách kênh tạo từ lọc màng mỏng điện mơi [3] 17 Hình 1.10 Cách tử ống dẫn sóng ma trận 17 Hình 1.11 Mẫu kết nối chéo tạo từ AWG 18 Hình 1.12 Vịng Rowland dùng để tạo coupler cho AWG [3] 19 Hình 1.13 Một AOTF đơn giản 20 Hình 1.14 Bộ lọc quang - âm điều chỉnh AOTF (Acousto-optic Tunable Filter) [3] 21 Hình 1.15 Hàm truyền đạt công suất lọc AOTF [3] .22 Hình 1.16 Bộ kết nối chéo bước sóng tạo từ lọc AOTF 23 Hình 2.1 Giản đồ minh họa cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D 3D [4] 26 Hình 2.2 Minh học cách xếp đơn tinh thể tạo nên cấu trúc tinh thể quang tử với đối xứng khác [4] a) lập phương đơn, b) lục giác đơn, c) lập phương tâm thể, d) lập phương tâm mặt, e) lục giác xếp chặt, f) mạng kim cương 27 Hình 2.3 Cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D 3D [4] 28 Hình 2.4 Màng tinh thể đa lớp, tinh thể quang tử 1-D [1] .28 Hình 2.5 Cấu trúc dải quang tử cho đường truyền trục, tính tốn cho ba màng đa lớp khác [1] 29 Hình 2.6 Mô tả phân bố lượng điện trường cấu trúc vùng cho vùng vùng theo lý thuyết biến phân [1] 31 Hình 2.7 Cấu trúc band màng đa lớp với số tinh thể a lớp có độ rộng khác [1] 33 Hình 2.8 Giản đồ mơ tả trạng thái khơng khí tinh thể [5] 34 Hình 2.9 Mơ tả cấu trúc vùng phức tinh thể photonic 1D [5] 35 Hình 2.10 (a) Truyền sóng theo trục tắt (b) Truyền sóng theo trục mở [5] .36 Hình 2.11 Tinh thể quang tử 2D [1] 37 Hình 2.12 Cấu trúc band tinh thể quang cho dãy vuông cột điện môi bán kính r = 0.2a, ɛ =8.9 xung quang mơi trường khơng khí ɛ = [1] 39 Hình 2.13 Trường thay bên TM dãy tinh thể vuông với cột ɛ = 8.9 khơng khí [1] 40 Hình 2.14 Trường từ điểm X trạng thái TE bên mạng tinh thể vng có cột điện mơi ɛ = 8.9 khơng khí [1] 41 Hình 2.15 Mạng tinh thể 3-D khối lập phương [1] 42 Hình 2.16 Mơ hình điện mơi tưởng tưởng cho mạng tinh thể 3-D [1] 42 Hình 2.17 Cấu trúc vùng cho tinh thể photonic 3D [5] 43 Hình 2.18 Mặt cắt sợi tinh thể quang tử (PCFs) [6] .44 Hình 2.19 Những tính chất PCF đơn mode liên tục làm từ thuỷ tinh đa thành phần Đối với bước sóng giá trị mode chiết suất mode, lớn giá trị tiêu chuẩn thấp chiết suất lớp bọc [6] 46 Hình 2.20 Tần số chuẩn hoá PCF mạng lục giác, hệ số lấp đầy 0.20 PCF dẫn mode tiêu chuẩn vùng khả kiến gần hồng ngoại [6] 46 Hình 2.21 So sánh độ tán sắc SIF PCF [6] .48 Hình 2.22 Một khái niệm PCF sau Hansen Phần tâm lõi có chiết suất cao ba bao quanh có chiết suất thấp Lõi bao quanh lớp bọc quang tử lục giác Những thơng số khác tính chất tán sắc khác đưa vào [6] .49 Hình 3.1 Cấu trúc lọc PhC với hai vùng dịch pha [2] 51 Hình 3.2 Đáp ứng lọc tương ứng k1 (c) [2] 51 Hình 3.3 Cấu trúc lọc vùng dịch pha với thiết kế số hàng lỗ .52 Hình 3.4 Cấu trúc lọc tinh thể quang tử .53 Hình 3.5 Phân bố trường lọc vùng dịch pha 54 Hình 3.6 Hàm truyền đạt S11 phản xạ S21 lọc tinh thể quang tử vùng dịch pha .54 Hình 3.7 Phân bố trường lọc hai vùng dịch pha 55 Hình 3.8 Hàm truyền đạt S11 phản xạ S21 lọc tinh thể quang tử hai vùng dịch pha .55 Hình 3.9 Phân bố trường lọc hai vùng dịch pha với đường kính lỗ giảm 23% 56 Hình 3.10 Hàm truyền đạt S11 phản xạ S21 lọc tinh thể quang tử hai vùng dịch pha với đường kính lỗ giảm 23% 57 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với bùng nổ công nghệ điện tử truyền thông, nhu cầu băng thông ngày cao Mạng truyền dẫn quang đời đáp ứng nhu cầu người sử dụng dịch vụ viễn thông băng thơng lớn, chất lượng tín hiệu đảm bảo Điều dẫn đến phát triển tất yếu mạng truyền dẫn quang Nó nhanh chóng phát triển trở thành mạng đường trục tốc độ lớn với nhiều công nghệ đời phục vụ cho mạng mạng ghép kênh mật độ cao phân chia theo bước sóng (DWDM) hay khuyếch đại quang sợi pha tạp Erbium (EDFA) … Cùng với phát triển mạng truyền dẫn quang cơng nghệ chế tạo thiết bị quang ngày phát triển Các thiết bị đời nhằm tăng tốc độ chất lượng truyền dẫn cho mạng khắc phục nhược điểm cố hữu mạng quang tán sắc, suy hao, khuyếch đại công suất, lọc… Bộ lọc phần quan trọng truyền dẫn quang Tinh thể quang tử (photonic crystal) loại vật liệu có nhiều nét tương đồng tinh thể bán dẫn, vật liệu làm nên cách mạng phát triển cơng nghiệp vi điện tử (IC) Chính nhờ phát triển ngành công nghiệp chế tạo máy tính cá nhân gọn, nhẹ với tốc độ cao, hệ thống thông viễn thông siêu tốc băng thông rộng Tinh thể quang tử cấu trúc khơng gian tuần hồn vật liệu có số điện mơi khác Sự biến đổi tuần hồn số điện mơi làm xuất vùng cấm quang (photonic bandgap - PBG) cấu trúc dải tinh thể quang tử Vùng cấm quang tinh thể quang tử có vai trị giống vùng cấm lượng bán dẫn Chúng ta sử dụng tinh thể quang tử để điều khiển, giam giữ kiểm sốt ánh sáng khơng gian ba chiều Trên thực tế, tinh thể quang tử xem linh kiện then chốt cho mạch tích hợp quang thơng tin quang hệ thống máy tính lượng tử tương lai Với khả kiểm soát lan truyền xạ tự phát ánh sáng, tinh thể quang tử có ảnh hưởng to lớn đến phát triển công nghệ chế tạo lọc quang, chuyển mạch quang tốc độ cao, hốc quang, điốt quang, laser, ống dẫn sóng với hướng rẽ ánh sáng đột ngột ứng dụng thông tin quang sensor… Bản thân công tác lĩnh vực viễn thơng, với mong muốn tìm hiểu sâu thiết bị quang, chọn đề tài “Bộ lọc quang kích thước nano” để tiến hành nghiên cứu Dưới hướng dẫn tận tình TS Hồng Phương Chi - giảng viên mơn hệ thống viễn thông, viết luận văn nhằm nghiên cứu, thiết kế lọc quang sử dụng tinh thể quang tử, sử dụng phần mềm Comsol để mô đặc tính lọc Do hiểu biết cịn hạn chế, luận văn khó tránh khỏi sai sót, tơi mong nhận ý kiến đóng góp thầy cô quan tâm việc lựa chọn vật liệu (ví dụ: Về tính chất nhiệt lõi thuỷ tinh lớp vỏ phải giống nhau) Việc thiết kế sợi tinh thể quang tử linh động, có vài thơng số cho việc thết kế như: bước nhảy mạng (chu kỳ mạng), hình dạng lỗ hổng khơng khí đường kính nó, chiết suất thuỷ tinh loại mạng Linh hoạt việc thiết kế cho phép tạo sợi đơn mode có dải bước sóng liên tục tồn giải bước sóng quang học, khơng tồn giải bước sóng giới hạn Ngồi có hai kỹ thuật truyền dẫn sợi tinh thể quang tử: kỹ thuật truyền dẫn index (tương tự sợi quang truyền thống), hai kỹ thuật truyền dẫn dùng vùng cấm quang tử Bằng cách xếp khéo léo cấu trúc ta có thể thiết kế sợi có tính chất truyền dẫn theo ý muốn Sợi tinh thể quang tử thiết kế chế tạo không tán sắc, tán sắc thấp tán sắc bất thường (khơng theo quy tắc) giải bước sóng nhìn thấy Sự tán sắc trải rộng dải rộng Việc kết hợp tán sắc bất thường với vùng trường mode nhỏ ý sợi khơng tuyến tính Mặt khác sợi đơn mode có lõi khơng khí, lớn chất rắn tạo Tính chất sợi tinh thể quang tử đơn mode Sợi đơn mode liên tục PCF thiết kế cho chúng đơn mode giải phổ nhìn thấy hồng ngoại rộng Những sợi có thay đổi chiết suất (step index fibers (SIFs)) trước ln ln có tần số giới hạn khiến cho ln xuất phát từ đa mode Để xác định số mode dẫn SIF ta sử dụng tần số phi tuyến V V định xác định là: 𝑉= 2𝜋𝜌 2 − 𝑛𝑐𝑙𝑎𝑑𝑑𝑖𝑛𝑔 √𝑛𝑐𝑜𝑟𝑒 𝜆 (2.11) Trong  bán kính lõi, ncore ncladding chiết suất lõi lớn bọc Trong trường hợp sợi chuẩn, chiết suất lớp bọc khơng phụ thuộc vào sóng dài V tăng sóng dài giảm Kết hoạt động đa mode giới hạn tần số chuẩn hố lớn 2.405 45 Hình 2.19 Những tính chất PCF đơn mode liên tục làm từ thuỷ tinh đa thành phần Đối với bước sóng giá trị mode chiết suất mode, lớn giá trị tiêu chuẩn thấp chiết suất lớp bọc [6] Hình 2.20 Tần số chuẩn hố PCF mạng lục giác, hệ số lấp đầy 0.20 PCF dẫn mode tiêu chuẩn vùng khả kiến gần hồng ngoại [6] Đối với PCF giá trị chiết suất lớp bọc quang tử phụ thuộc lớn vào bước sóng, đó, sợi truyền thống chiết suất số khơng đổi (hình 2.18) Tần số chuẩn hố tới giá trị (cho) bước sóng ngắn Do dẫn tới giá trị tần số chuẩn hoá định nghĩa cấu trúc lớp bọc, hệ 46 số lấp đầy (tỷ lệ đường kính d lỗ trống chu kỳ mạng Λ) Để thiết kế xác phải giữ V thấp giá trị tần số chuẩn hố ngưỡng cho dải bước sóng (hình 2.19) PCF với đầy đủ điều kiện gọi đơn mode liên tục Một tần số chuẩn hố ngưỡng cho PCF ước tính 2.5 Vùng mode rộng Thường sợi có giới hạn kích thước lõi số lượng lỗ hổng (numerical aperture (NA)) chế độ đơn mode Đối với bước sóng đường kính lõi điều có số lượng lỗ hổng cực đại làm cho chế độ đơn mode hoạt động Giá trị NA điều khiển chiết suất khác lõi lớp bọc Chế tạo SIF chuẩn với vùng mode rộng đòi hỏi điều chỉnh chiết suất lắng đọng pha hoá học CVD với độ xác cao (10-6 ), điều làm giới hạn đường kính trường mode (mode field diameter (MDF)) Thông thường MDF SIF định nghĩa 1/e độ rộng cường độ khoảng µm cho bước sóng 1.55 µm Trong trường hợp PCF, MFD thay đổi chế độ đơn mode tuỳ thuộc yêu cầu Vùng mode rộng thiết kế cách tăng bước nhảy mạng (hằng số mạng) lớp bọc quang tử (gỡ bỏ hay nhiều tâm lỗ khí) điều thực Bagget cộng Lõi SIF PCF lớn có MDF tương tự bước sóng đặc biệt trường hợp PCF có đơn ống nhỏ khuyết tật Tuy nhiên PCF giữ lại đơn mode giải rộng tần số, SIF thu đa mode gần bước sóng thiết kế Một loại PCF mode lớn có MFD từ 9-26 µm đơn mode cho tất bước sóng MFD µm có SIFs 1.55, bước sóng 400nm PCF tương tự có lõi lớn 10 lần so với sợi tiêu chuẩn PCFs với MFD lớn có cấu trúc mà lõi bao gồm vài thay lỗ khí Trên thực tế giải giới hạn suy giảm sử dụng lõi đơn mode rộng sợi thông thường PCF với vùng mode tương tự Tính tán sắc Trong SIFs tán sắc tổng vật liệu ống dẫn sóng Khơng giống sợi thơng thường tinh thể quang tử dẫn sóng tán sắc lớn Hơn “vật liệu tán sắc” 47 thay đổi lớp bọc quang tử nhân tạo với lỗ khí Lớp bọc tinh thể quang tử thay đổi lớn dải bước sóng hẹp Một thơng số quan trọng mơ tả tính chất sợi tán xạ vận tốc nhóm (group velocity dispersion (GVD)) Nó định nghĩa sau: 𝐺𝑉𝐷 = 𝜆 𝑑 𝑛𝑒𝑓𝑓 𝑐 𝑑𝜆2 (2.12) Trong neff chiết suất hiệu dụng Những đặc trưng tán sắc PCFs dễ dàng rõ tính linh hoạt kích thước lỗ khí vị trí lớp bọc quang tử Nó khơng tương tự tính chất SIF, có giới hạn cố định cho thay đổi thông số chế độ đơn mode hoạt động Hình 2.21 So sánh độ tán sắc SIF PCF [6] Khi thay đổi bước nhảy mạng (hằng số mạng) kích thước lỗ khí PCFs Bước sóng tán sắc điểm khơng (zero-dispersion wavelength) dịch chuyển phía dải bước sóng nhìn thấy (hình 2.21) Trong trường hợp sợi thơng thường bước sóng tán sắc điểm khơng bị giới hạn phía sóng ngắn khoảng 1.3 µm dịch phía bước sóng dài Sợi với dịch chuyển tán sắc chiết suất vòng quanh lõi thấp Nếu tán sắc điểm khơng vung khả kiến, tự động đưa 48 vị trí (dị thường) tán sắc miềm khả kiến PCF với vị trí tán sắc sử dụng cho tán sắc bù dây thơng tin liên lạc Ngồi PCF với tán sắc phẳng tạo PCF với mạng lục giác số mạng Λ=2.62 µm đường kính lỗ khí a = 0.36 µm có độ phẳng ps/(km*nm) báo cáo giải 1.3 - 1.9 µm Ferrando cộng sự, có suy giảm cao Trong trường hợp SIFs thường bổ sung tán sắc phẳng với dải băng thông cực đại 300 nm tạo Để khắc phục nhược điểm thiết kế PCF với lõi tam giác đề xuất Hansen Một phần lõi có chiết suất cao chút pha tạp Ge bao quanh ba vùng pha tạp loại F với chiết suất thấp (hình 2.22) Một lõi bao quanh với lớp bọc quang tử cách thay đổi thông số cấu trúc, tính chất tán sắc khác Một thiết kế khác đưa Saitoh cộng Độ phẳng ± 0.5 ps/(km*nm) dự đoán giải 1.19-1.69 mm với độ suy giảm tương đối thấp [6] Hình 2.22 Một khái niệm PCF sau Hansen Phần tâm lõi có chiết suất cao ba bao quanh có chiết suất thấp Lõi bao quanh lớp bọc quang tử lục giác Những thơng số khác tính chất tán sắc khác đưa vào [6] 49 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ LỌC TINH THỂ QUANG TỬ Tinh thể quang tử (PCs) vật liệu có cấu trúc tuần hồn cột điện mơi Các cấu trúc tuần hồn ngăn cản sóng điện từ truyền phạm vi tần số, gọi vùng cấm quang tử (Photonic Bandgap PBG) Nhờ tính chất đặc biệt trên, năm gần thiết bị quang học dựa tinh thể quang tử thu hút ý lớn Tinh thể quang tử với cấu trúc nhỏ gọn (PhC) đóng vai trị quan trọng ứng dụng ghép kênh quang phân chia theo bước sóng chúng bước đệm hướng tới việc thực mạch tích hợp quang tử đa chức Nhiều loại tinh thể quang tử (PC) khác nghiên cứu từ lâu chúng có kích thước nhỏ gọn khả ứng dụng rộng rãi mạch quang học mạng lưới truyền thông, đặc biệt ứng dụng lọc quang Vì vậy, luận văn này, khả thiết kế điều chỉnh đáp ứng lọc lọc tinh thể quang tử nghiên cứu 3.1 Thiết kế lọc Đã có nhiều nghiên cứu cấu trúc lọc người ta tạo vùng dịch pha cách loại bỏ một vài lỗ cấu trúc tuần hoàn Trong hệ thống truyền dẫn quang, băng tần tối thiểu cần thiết cho tín hiệu điều chế phải phẳng phạm vi từ dB trở xuống để tạo đặc tính truyền gần xung vng Bằng cách thay đổi pha kích thước, vị trí độ lớn thích hợp lỗ, ta đạt đáp ứng lọc mong muốn Nguyên lý: Chúng ta tạo cấu trúc lọc cách đưa vào số vùng dịch pha, lựa chọn vị trí độ lớn cột điện mơi Như thể hình 3.1, loạt lỗ nhúng ống dẫn sóng, với hai đoạn dịch chuyển vùng đệm coi cấu trúc pha trộn Bragg với thay đổi pha Chiều dài phần lưới có ảnh hưởng mạnh đến đặc tính truyền dẫn Với giá trị cố định vùng dịch pha khoảng cách khoang cộng hưởng, để điều chỉnh dạng 50 hàm truyền đạt lọc, ta sử dụng k, k định nghĩa tỷ lệ gấp đôi chiều dài phần lưới với lưới bên trong, k = 2Lout / Lin Hình 3.1 Cấu trúc lọc PhC với hai vùng dịch pha [2] Cần lưu ý tham số k áp dụng cho cấu trúc có nhiều vùng dịch pha Đáp ứng lọc phụ thuộc nhiều vào giá trị k Về nguyên tắc, giá trị k < 1, đỉnh nhọn xuất phản xạ phần xảy hệ số truyền dẫn chuẩn hóa nhỏ Đối với k = 1, q trình truyền hồn tồn xảy ra, xuất đầu tròn Và k > 1, đường võng xuất trung tâm băng thông truyền dẫn Tăng giá trị k nữa, hai đỉnh tách biệt rõ ràng xuất hiện, với đặc tính truyền dẫn tương đương với lọc PhC khoang đơn [2] Đáp ứng lọc tương ứng với tham số k biểu diễn hình 3.2 Hình 3.2 Đáp ứng lọc tương ứng k1 (c) [2] 51 Ngoài cách thiết kế hàng lỗ hình 3.1 lọc PhC khác thiết kế với số hàng lỗ nhúng ống dẫn sóng Bộ lọc hai vùng dịch pha cho đáp ứng lọc có độ dốc hơn, ngồi việc giảm kích thước lỗ PhC hàng cuối khu vực đầu vào đầu làm cho chất lượng đáp ứng lọc tốt Hình 3.3 Cấu trúc lọc vùng dịch pha với thiết kế số hàng lỗ 3.2 Kết 3.2.1 Cấu trúc vật lý 52 Sơ đồ nguyên lý lọc quang sau: a a l (a) r r a Ánh sáng vào a a l (b) Ánh sáng vào (c) Hình 3.4 Cấu trúc lọc tinh thể quang tử (a) Bộ lọc vùng dịch pha, (b) Bộ lọc hai vùng dịch pha, (c) Bộ lọc hai vùng dịch pha với đường kình lỗ giảm 23% Bộ lọc thiết kế với số hàng lỗ cấu hình mạng vng (chu kỳ cách tử = a = 386 nm, đường kính lỗ r = 304 nm chiều dài khoang đệm l = 490 nm) nhúng µm ống dẫn sóng rộng Các lọc thiết kế để hoạt động vùng bước sóng 1,5 µm Tất lọc sử dụng bán dẫn AlGaAs, lỗ khơng khí có chiết suất n=1 53 3.2.2 Phân bố trường ánh sáng đáp ứng lọc Hình 3.4a minh họa lọc vùng dịch pha - có vùng dịch pha giữa, số hàng lỗ trống hai phía nhau, ánh sáng vào phía phía Hình ảnh mơ Comsol sau: Hình 3.5 Phân bố trường lọc vùng dịch pha Hình 3.6 Hàm truyền đạt S21 phản xạ S11 lọc tinh thể quang tử vùng dịch pha 54 Từ hình 3.6, ta thấy, tần số trung tâm f0 = 200 THz, bước sóng trung tâm λ0= 1500nm, đáp ứng truyền lọc chưa tốt, đỉnh nhọn, sườn cịn dốc lớn Hình 3.4b, lọc PhC có vùng dịch pha giữa, số hàng lỗ trống hai bên vùng dịch pha nhau, ánh sáng vào phía phía Hình ảnh mơ Comsol sau: Hình 3.7 Phân bố trường lọc hai vùng dịch pha Hình 3.8 Hàm truyền đạt S21 phản xạ S11 lọc tinh thể quang tử hai vùng dịch pha 55 Hình 3.8 cho ta thấy tần số trung tâm f0 = 200 THz, bước sóng trung tâm λ0= 1500nm Tham số k = 2Lout/Lin >1, hàm truyền lọc có phổ truyền rộng song chưa tốt, đỉnh nhọn, sườn dốc Hình 3.4c, lọc PhC có vùng dịch pha giữa, số hàng lỗ trống hai bên vùng dịch pha nhau, nhiên đường kính lỗ giảm 23% hàng hàng cuối cùng, ánh sáng vào phía phía Hình ảnh mơ Comsol sau: Hình 3.9 Phân bố trường lọc hai vùng dịch pha với đường kính lỗ giảm 23% 56 Hình 3.10 Hàm truyền đạt S21 phản xạ S11 lọc tinh thể quang tử hai vùng dịch pha với đường kính lỗ giảm 23% Hàm truyền lọc thể hình 3.9 cải thiện so với hai trường hợp trên, sườn dốc hơn, đỉnh không cịn nhọn, nhiên cịn có độ gợn Tần số trung tâm f0 = 200 THz, bước sóng trung tâm λ0= 1500nm 57 KẾT LUẬN Bộ lọc thành phần quan trọng hệ thống thông tin quang Bộ lọc ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thơng tin quang, việc thiết kế lọc cho có hàm truyền đạt mong muốn vô quan trọng truyền dẫn hệ thống thơng tin quang Luận văn trình bày kiến thức mạng tinh thể quang tử Các ví dụ cụ thể trường hợp lọc PhC đưa Luận văn giới thiệu phân bố trường hàm truyền đạt lọc thông qua việc đưa kết mơ Từ đó, giúp cho việc nghiên cứu, thiết kế lọc để có hàm truyền đạt mong muốn Tuy nhiên lọc có kích thước nano nên việc sản xuất thực tế thiết bị cịn khó khăn, phạm vi phịng thí nghiệm Tuy luận văn đưa kết mô hàm truyền đạt trường hợp cụ thể song kết hàm truyền đạt nhiều hạn chế Vì vậy, việc tối ưu đặc tuyến truyền đạt để nâng cao chất lượng lọc hướng phát triển Phương pháp tối ưu tác động đến kích thước lỗ khơng khí hàng hàng cuối tăng vùng dịch pha Do tính chất phức tạp cơng nghệ, thời gian tìm hiểu ngắn, hạn chế tài liệu kiến thức nên trình bày luận văn cịn có phần chưa hồn chỉnh Một lần cảm ơn TS Hoàng Phương Chi giúp tơi hồn thành luận văn Rất mong nhận nhận xét đánh giá từ giảng viên hướng dẫn, thầy cô hội đồng phản biện quan tâm! 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO John D.Joannopoulos, Steven G.Johnson, Joshua N Winn, Robert D.Meade, (2008), Photonic Crystals Molding the Flow of Light, Second Editor, Princeton University Press, UK A.S Jugessur, P.Pottier and R.M De La Rue, (2004), Engineering the filter response of photonic crystal microcavity filters, tr 1-5 Đỗ Văn Việt Em, Kỹ thuật Thơng Tin Quang II, HV Cơng nghệ bưu viễn thơng Hồng Thu Trang, “Luận văn: Cộng hưởng dẫn sóng linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử chiều”, Học viện Bưu viễn thơng, 2004 5.https://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Sach/Mot_so_van_ de_ve_luong_tu_hoc_dien_tu/Nanophotonic/Dien_giai_tinh_the_photonic.pdf 6.https://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%2 lop/Quang_hoc_ung_dung/New_1/Soi_tinh_the_quang_tu.pdf 59 ... VỀ BỘ LỌC QUANG [3] 1.1 Tổng quan .3 1.2 Các thông số lọc .4 1.3 Yêu cầu lọc 1.4 Các loại lọc quang 1.4.1 Bộ lọc Fabry - Perot 1.4.2 Bộ lọc. .. kênh bước sóng hoạt động, người ta chia lọc quang làm hai loại: lọc quang cố định (fixed filter) lọc quang điều chỉnh (tunable filter) - Bộ lọc quang cố định lọc nguyên lý loại bỏ tất bước sóng,... TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC QUANG [3] 1.1 Tổng quan Thuật ngữ "bộ lọc quang" thuật ngữ rộng lớn, bao gồm cấu trúc phân biệt thành phần tần số khác tín hiệu đến xử lý chúng theo cách khác Bộ lọc quang định