Một trong những đặc tính quan trọng của ống dẫn sóng giao thoa đa mode là: nửa chiều dài phách. Đại lượng này phụ thuộc vào những tham số vật lý như: chiều rộng của vùng kích thích đa mode, chiết suất của các lớp vỏ, lõi của ống dẫn sóng, bước sóng hoạt động và phụ thuộc độ vào trạng thái phân cực. Sử dụng tính chất này, các bộ ghép đa mode kiểu 2×2 có thể ứng dụng làm các mạch tích hợp chia quang hoặc chia các chùm phân cực của các tín hiệu quang cùng bước sóng tùy theo kích thước của vùng kích thích đa mode được lựa chọn một cách thích hợp. Trong phần đầu của chương này, luận án sử dụng các bộ ghép đa mode 2×2 ghép tầng để tạo ra một bộ chia công suất thụ động. Tùy thuộc vào cách ghép từ 3 đến 4 tầng của các bộ ghép cơ bản với hình dạng khác nhau, chúng ta có thể tạo ra nhiều tỷ số chia công suất khác nhau. Phần tiếp theo của chương sẽ đề xuất sử dụng bộ ghép giao thoa đa mode để tạo ra bộ chia tín hiệu chùm phân cực của hai mode phân cực TE và TM dựa trên ống dẫn sóng hình cánh bướm để làm ngắn chiều dài của cấu kiện. Phương pháp ma trận truyền đạt kết hợp với các phương pháp phân tích truyền mode và mô phỏng số BPM được sử dụng để thiết kế, đánh giá chất lượng hiệu năng hoạt động của toàn bộ cấu kiện.
2.1 Bộ chia công suất nhiều tỷ số dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode mode
Các bộ ghép nối giao thoa đa mode (MMI coupler) được sử dụng để chia công suất không cân bằng là rất hữu dụng cho các mạch tích hợp quang (photonic integration circuits – PICs) như: bộ chỉnh công suất (power tap), bộ cộng hưởng vòng chất lượng cao (high-Q ring resonator) [119], các bộ lọc quang cấu trúc hình thang [92] và các bộ phản xạ từng phần đối xứng gương vòng. Một bộ ghép nối với tỷ số phân chia công suất được chọn lựa một cách tự do đặc biệt có giá trị trong các bộ giao thoa kế cấu trúc Mach-Zehnder (MZI), khi suy hao và tăng ích được phân bố bất đối xứng giữa các cánh chiều dài khác nhau [15]. Trong nghiên cứu đó, chúng ta có thể thấy rằng bộ ghép nối giao thoa đa mode cải tiến với dạng hình chữ nhật có thể cung cấp 7 tỷ số chia cố định khác nhau. Do đó, việc tìm kiếm một cách thức mới để tạo ra nhiều tỷ lệ chia công suất khác nhau đóng vai trò quan trọng để tạo ra các mạch tích hợp xử lý tín hiệu toàn quang mà dựa trên các bộ ghép nối giao thoa đa mode [78].
Theo nguyên lý này, cách thức để đạt được cách chọn lựa tự do của các tỷ lệ phân chia công suất được giới thiệu bằng cách đưa vào các bộ dịch pha tại điểm đặc biệt giữa các thiết bị giao thoa đa mode hoặc giữa hai bộ ghép nối trong cấu trúc MZI. Đưa vào các bộ dịch pha như vậy sẽ dẫn đến các quan hệ pha mới giữa các ảnh tự tạo tại các mặt phẳng
30
đầu ra. Phụ thuộc vào hệ thống vật liệu được sử dụng cho chế tạo các bộ ghép nối giao thoa đa mode cốt để có thể tạo ra nhiều hiệu ứng vật lý phụ thuộc vật liệu sử dụng, có một số cách tiếp cận đã đề xuất để nhận được các bộ chia công suất với tỷ số chia được chọn một cách tự do. Một trong những cách chung nhất để “dò” hệ số ghép nối của một bộ ghép nối là sử dụng một cấu trúc giao thoa kế Mach-Zehnder [72]. Sự dò tìm của hệ số chiết suất của một bộ ghép nối sử dụng sóng mang có liên hệ với hiệu ứng plasma [94] đã được thực hiện trực tiếp giữa các vùng giao thoa đa mode. Các cách tương tự có thể được áp dụng để thiết kế thiết bị chia công suất với các vật liệu khác nhau sử dụng các hiệu ứng quang-nhiệt (thermo-optic) [45], hiệu ứng quang-điện tử (electro-optic) [127]. Để thay đổi hệ số chiết suất tại các dạng đặc biệt, chẳng hạn kiểu giao thoa như hình cánh bướm (butterfly shape), các bộ ghép nối đa mode kiểu búp măng (taper) hệ số mũ hay là bộ ghép đa mode được cắt góc để tạo ra các hệ số ghép nối lựa chọn tự do. Bốn kiểu theo cách tiếp cận này được sử dụng bởi một cấu trúc ghép nối đa mode 2×2 khắc sâu cải tiến được điểu khiển.
Trong phần này, luận án giới thiệu một cách tiếp cận mới để đạt được các bộ ghép phân chia công suất với các tỷ số mới bằng cách ghép nối liên tiếp với nhau ba hoặc bốn phần MMI loại 2×2 được cải tiến. Các cấu kiện được đề xuất có thể cung cấp lên đến 19 tỷ số phân chia công suất mới. Trong nghiên cứu này, các ống dẫn sóng được xây dựng trên nền tảng vật liệu SOI với lớp cách điện sử dụng vật liệu thủy tinh silic ôxít được sử dụng để thiết kế cấu kiện. Phân tích bằng giải tích kết hợp sử dụng phương pháp ma trận truyền đạt được dùng để thiết kế. Sau đó, phương pháp mô phỏng 3D – BPM với sự trợ giúp của phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng được sử dụng để tối ưu hoạt động của các cấu kiện này.
Bộ ghép đa mode (MMI)
LMMI
WMMI
Đầu vào Đầu ra
a1 a2 b1 b2 wa s s (a) x z Lớp đế Si (substrate) Lõi Si WMMI Lớp vỏ SiO2 nc nr hco y x z (b) nr nc SiO2 SiO2
Hình 2.1. Cấu trúc của một bộ ghép giao toa đa mode cơ bản 2×2 MMI: (a) Mặt đứng và (b) mặt chiếu cạnh.