cánh bƣớm đƣợc khắc trên nền vật liệu SOI
Một bộ chia chùm phân cực điện/từ là một trong những cấu kiện chức năng quan trọng của nhiều ứng dụng mà các trạng thái phân cực của ánh sáng là cấp thiết. Một số ứng dụng có thể thấy trong các bộ thu phân tập được sử dụng trong các bộ điều chế dịch pha vi sai DPSK (differential phase shift keying) [74] hoặc các hệ thống thông tin quang kết hợp [86] v.v…Hơn nữa, tính nhạy phân cực là một vấn đề lớn cho các hệ vi quang tử như quang sợi chẳng hạn bởi sự biến đổi các trạng thái phân cực một cách ngẫu nhiên trong lõi sợi quang [14]. Do đó, tách biệt các trạng thái phân cực trực giao là một giải pháp trực diện sử dụng các bộ chia trạng thái phân cực. Có nhiều nghiên cứu của các bộ chia phân cực dựa trên các cấu trúc ống dẫn sóng như bộ chia nhánh chữ Y [53], sử dụng các bộ ghép định hướng [31], các ống dẫn sóng khe [133] [82], giao thoa đa mode [25], [54], [105], [149]. Kiểu khác dựa trên các cấu trúc tinh thể quang tử (photonic crystal - PhC) [26] hoặc các cách tử quang [139]. Rất nhiều các bộ chia phân cực dựa trên ống dẫn sóng thường được thiết kế và chế tạo để tách riêng các chùm phân cực TE và TM nhưng đặc điểm chính của các bộ
42
chia dùng ống dẫn sóng đơn là có suy hao cấu kiện lớn hoặc là chiều dài cấu kiện còn khá lớn hoặc đòi hỏi chương trình gây ứng suất bên ngoài. Mặt khác, các bộ chia phân cực dựa trên các quang tử tinh thể nói chung không tương thích với công nghệ CMOS (complementary metal odixe semiconductor - CMOS) chế tạo vi mạch bán dẫn hiện hành cho các mạch tích hợp quang [63]. (a) h Air: nair=1 H Lớp vỏ trên w 500 nm Si: nr=3.45 Lớp đế Si: nr=3.45 Lớp lõi nm32 400 nm SiO2: nc=1.46 Lớp vỏ 3 µm (b)
Hình 2.10. Sơ đồ cấu hình của bộ chia chùm phân cực dựa trên bộ ghép đa mode hình được khắc hình cánh bướm trên nền tảng vật liệu SOI: a) Hình chiếu bằng. b) Hình chiếu cạnh.
Các cấu kiện dựa trên giao thoa đa mode (MMI) là một trong những ứng cử viên tốt cho các bộ chia phân cực bởi vì suy hao thấp,dung sai chế tạo lớn, băng thông tương đối lớn [134]. Các cấu kiện giao thoa đa mode dựa trên nền tảng vật liệu silic trên nền chất cách điện SOI (silicon on insulator); chẳng hạn silic trên nền thủy tinh silic (oxide silic) đang rất hấp dẫn cho các mạch quang tích hợp hiện nay bởi vì: vật liệu SOI có độ tương phản hệ số chiết suất lớn, cho phép bắt giữ ánh sáng trong ống dẫn sóng tốt do đó có độ tích hợp cao [112], đặc biệt là nó rất tương thích với công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn CMOS hiện nay [1].
Gần đây, một vài nghiên cứu có liên quan đã đề cập đến việc sử dụng các bộ ghép MMI cho các bộ chia chùm phân cực theo cấu trúc hoặc được phủ lớp khuôn mẫu bằng
43
kim loại trên nền vật liệu SOI [67] hoặc chỉ sử dụng lõi là vật liệu SOI [52], v.v... Nhưng những cấu kiện như vậy vẫn có chiều dài tương đối lớn bởi đặc tính lưỡng chiết là không cao nên khó làm giảm kích thước [95].
Từ những nhận định được nhắc đến ở trên, trong phần này luận án đề xuất một bộ chia phân cực dựa trên một cấu trúc giao thoa đa mode sử dụng vật liệu SOI. Vật liệu này nhằm tạo ra đặc tính lưỡng chiết theo các mode phân cực lớn. Hơn thế, vật liệu này là rất sẵn có và tương thích các công nghệ chế tạo phổ biến hiện nay nên giá thành rẻ. Nhằm mục đích làm giảm chiều dài của bộ chia phân cực, luận án đề xuất sử dụng một cấu trúc ống dẫn sóng đa mode có khắc dạng hình cánh bướm trong thiết kế và mô phỏng cấu trúc. Mô phỏng số sử dụng phương pháp BPM bán véc tơ trong không gian ba chiều để đánh giá chi tiết chất lượng hiệu năng của cấu kiện.