2×2 hình cánh bƣớm sử dụng ống dẫn sóng silic
Trong thiết kế này, một cấu trúc mới cho một triplexer tích hợp cao bằng cách sử dụng hai ống dẫn sóng đa mode với vật liệu silic dạng sườn. Hai bộ ghép đa mode được sử dụng bằng cách phân tầng hai phần để tách riêng các bước song 1310 nm, 1490 nm và 1550 nm ra ba cổng riêng biệt. Phương pháp mô phỏng số 3D-BPM và phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng được sử dụng để thiết kế và tối ưu toàn bộ cấu kiện.
Sơ đồ hoạt động cơ bản của triplexer đề xuất được trình bày trên Hình 4.11. Cấu trúc đề xuất gồm có hai phần. Phần đầu tiên gồm một bộ ghép đa mode 2×2 hình cánh bướm được sử dụng để phân kênh các bước sóng 1310 nm và 1550 nm tới một cổng ra trong khi bước sóng 1490 nm được tách riêng ra một cổng ra khác. Bộ ghép đa mode 2×2 ở tầng thứ hai cũng là một bộ ghép hình cánh bướm khác, được dùng để tách riêng ra hai bước sóng 1310 nm và 1550 nm đến hai cổng ra cuối một cách riêng biệt. Như vậy, nhiệm vụ thiết kế tách riêng ra ba bước sóng sẽ được hoàn tất.
95
4.3.1Phân tích thiết kế và tối ƣu cấu trúc
LMMI=361.5 µm LMMI=306.5 µm W=2.4 µm w=360 nm la=20 µm lb=4 µm S=0.61 µm s=0.65 µm 1310 nm 1490 nm 1550 nm Input L=900 µm
Port 3 Port 1 Port 2
2×2 GI-MMI 2×2 GI-MMI g=0.8 f=0.8 g.W f.W (Đầu vào) (Cổng 2) (Cổng 1) (Cổng 3) Ống dẫn sóng búp măng (a) h Không khí: nair=1 H Lớp vỏ trên w 360 nm Si: nr=3.45 Lớp đế Si: nr=3.45 Lớp lõi 32 nm 400 nm SiO2: nc=1.46 Lớp vỏ 3 µm (b)
Hình 4.11. Sơ đồ đề xuất của bộ triplexer dựa trên phân tầng các bộ ghép đa mode sử dụng các ống dẫn sóng silic: (a) Hình chiếu bằng; (b) Hình chiếu đứng và mode cơ sở của ống dẫn
96
Phần đầu với nhiệm vụ tách ba bước sóng trong đó hai bước sóng 1310 nm và 1550 nm được đưa ra cùng một cổng của tầng giao thoa đa mode thứ nhất trong khi bước sóng 1490 nm được tách ra một cổng riêng ở tầng thứ nhất, chúng ta sử dụng cấu hình ống dẫn sóng giao thoa đa mode như đã trình bày ở phần trước (trong cấu trúc sử dụng lai ghép giữa ống dẫn sóng đa mode hình cánh bướm với một bộ ghép định hướng để thiết kế bộ triplexer), chúng ta nhận được chiều dài ống dẫn sóng đa mode tầng thứ nhất này LMMI = 361.5 µm là giá trị phù hợp nhất để đạt được hiệu năng truyền đạt tốt như được thấy trên Hình 4.3.
cổng thẳng cổng chéo cổng thẳng cổng chéo
Chiều dài của MMI thứ hai: lMMI (µm)
H ệ s ố t ru yề n đ ạ t (a .u )
Hình 4.12. Mô phỏng 3D-BPM cho chiều dài tối ưu của bộ ghép đa mode hình cánh bướm thứ hai.
Tiếp theo, công việc còn lại là thiết kế một bộ ghép đa mode tầng thứ hai. Bộ ghép này có nhiệm vụ tách riêng hai bước sóng 1310 nm và 1550 nm ra hai cổng ra riêng rẽ. Bằng cách sử dụng phương pháp tương tự như khi thiết kế tầng thứ nhất, chúng ta sẽ thiết kế một bộ ghép 2×2 MMI để tách chúng. Bộ ghép hình cánh bướm này co độ rộng tại trung tâm của cánh bướm là g.W, ở đây g là một hệ số tỷ lệ: 0<g<1. Chúng ta đặt tham số này
g=0.8. Dựa trên phương pháp phân tích của điều kiện để tạo ảnh ở đầu ra của hai bước sóng ra hai cổng khác nhau thì chiều dài lMMIcủa tầng giao thoa hình cánh bướm tầng thứ hai này phải thỏa mãn biểu thức sau đây:
lMMI u.3L( 1310nm ) v.3L( 1550nm )
(4.12) Trong đó: u và v là các hệ số nguyên dương và chẵn lẻ khác nhau (u+v phải là số nguyên dương lẻ). Dựa vào tính toán bằng phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng và sử dụng mô phỏng số BPM chúng ta tìm ra được lMMI = 306.5 µm là chiều dài tối ưu để đạt được chất lượng hiệu năng về suy hao chèn và tỷ lệ phân biệt tốt như được thể hiện trên Hình 4.12.
97
sóng truy nhập và ống dẫn sóng đa mode với mục đích cải thiện tổn thất công suất do ghép nối. Trong trường hợp này, mô phỏng BPM cho kết quả kích thước tối ưu của các ống dẫn sóng búp măng này là chiều dài lb = 4 µm, chiều rộng các đáy nhỏ và đáy lớn của nó tương ứng là 0.36 µm và 1.116 µm. Mô phỏng BPM cũng chỉ ra vị trí thích hợp nhất để đạt được chất lượng hiệu năng tốt hoạt động với hai bước sóng tại các cổng đầu ra mong muốn là: s
= 0.65 µm. Trong cấu trúc này, bước sóng 1310 nm và 1550 nm sẽ được rẽ tại các cổng ra thẳng và cổng ra chéo một cách tương ứng. Chiều dài tổng cộng của bộ triplexer như đề xuất theo thiết kế này vào khoảng 900 µm như được thấy trong Hình4.11(a).
a) b) c)
(a) (b) (c)
Hình 4.13. Đường bao phân bố điện trường cho triplexer đề xuất tại ba bước sóng: (a) 1310 nm, (b) 1490 nm và (c) 1550 nm
4.3.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận
Bằng cách sử dụng phương pháp mô phỏng 3D-BPM bán véc tơ, tiến trình truyền của
tín hiệu quang trong triplexer đã đề xuất được mô phỏng cho tất cả các cổng.
(a) (b) (c)
Hình 4.13 biểu diễn các đường bao phân bố điện trường cho ba bước sóng. Ta cũng xem xét các tham số phẩm chất cho hiệu năng hoạt động của cấu kiện về mặt quang học, đó là suy hao chèn (I.L), tỷ lệ phân biệt (Ex.R) và xuyên nhiễu (Cr.T). Các tham số này là quan trọng biểu thị cho hiệu năng hoạt động của một cấu kiện quang học. Chúng được xác định bởi các biểu thức tính toán giống như đã trình bày tại (4.9), (4.10), (4.11).
Các kết quả mô phỏng được trình bày như trên Bảng 4.2. Chúng cho thấy rằng: triplexer như thiết kế đề xuất có suy hao chèn thấp, xuyên nhiễu nhỏ và tỷ lệ phân biệt cao. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
98
Do vậy, chất lượng hiệu năng về mặt quang học của triplexer là tốt.
Bảng 4.2. Công suất ra (được chuẩn hóa theo công suất đầu vào) ba cổng của triplexer đề xuất tại ba bước sóng
Bước sóng (nm) I.L (dB) Cr.T (dB) Ex.R (dB)
1310 (Cổng1) -0.77 -18.57 -16
1490 (Cổng 2) -0.4 -13.18 -22
1550 (Cổng 3) -0.63 -23.31 -15
Hình 4.14. Đáp ứng theo bước sóng của triplexer đề xuất tại ba cổng.
Chúng ta mô phỏng đáp ứng bước sóng tại ba cổng của triplexer. Các kết quả mô phỏng được trình bày trong Hình 4.14. Dữ liệu mô phỏng cho thấy rằng: 3 dB băng thông của suy hao chèn trong ba băng tương ứng với 24 nm (từ 1300 nm đến 1324 nm) của băng 1310 nm (port1), 40 nm ( từ 1470 nm đến 1510 nm) của băng 1490 nm (port2) và 34 nm (từ 1531 nm đến 1565 nm) của băng 1550 nm (port 3). Do vậy, băng thông của triplexer là lớn (lớn hơn so với tham khảo [112] với mode hoạt động TE ). Thêm nữa, chất lượng hiệu năng quang về suy hao chèn và xuyên nhiễu được thấy là tốt hơn một số kết quả nghiên cứu đã được công bố mà được thiết kế dựa trên kỹ thuật mạch quang phẳng (PLCs) gần đây [23] [141]. Ngoài ra có thể thấy rằng, kích thước của triplexer đề xuất là nhỏ hơn một số tham khảo kết quả công bố gần đây [73]. Rõ ràng là triplexer đề xuất thích hợp cho các mạch tích hợp quang tử mật độ cao.
Kế đến, chúng ta khảo sát dung sai chế tạo của cấu kiện theo chiều rộng và chiều dài của ống dẫn sóng đa mode hình cánh bướm. Để khảo sát, ta khảo sát trường hợp của ống dẫn sóng hình cánh bướm thứ nhất (ống dẫn sóng thứ hai cũng khảo sát theo cách hoàn toàn tương tự) như thấy trong Hình 4.15. Dữ liệu mô phỏngBPM được xử lý và vẽ ra trên hệ tọa độ cho thấy rằng với suy hao chèn nhỏ hơn 2 dB, xuyên nhiễu và tỷ lệ phân biệt nhỏ hơn -12 dB thì dung sai theo chiều rộng và chiều dài tương ứng lần lượt là ±5 nm và ±1
99 µm.
Dung sai chiều rộng (nm)
H ệ s ố t ru yề n đ ạ t (d B ) I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T (a)
Dung sai chiều dài (µm)
H ệ số tr uy ền đ ạt ( d B ) I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T (b)
Hình 4.15. Dung sai chế tạo cho triplexer được đề xuất: (a) dung sai theo chiều rộng, (b) dung sai theo chiều dài.
Những khoảng dung sai này là khá lớn, do đó thích hợp với công nghệ chế tạo bằng công nghệ quang khắc (photolithography) hiện hành [49].
Cuối cùng, mô phỏng dung sai chế tạo về mặt vật liệu cũng được khảo sát và nghiên cứu. Ta khảo sát dung sai chế tạo về hệ số chiết suất của lớp lõi ống dẫn sóng (silic). Các kết quả mô phỏng được trình bày trong Hình 4.16. Chúng ta có thể thấy rằng nếu hệ số chiết suất thay đổi xung quanh giá trị 3.45 (hệ số chiết suất của vật liệu tinh thể silic) với biên độ là 0.017 (vào khoảng 5%), suy hao chèn, tỷ lệ phân biệt và xuyên nhiễu sẽ lần lượt
100
nhỏ hơn -2 dB, -12 dB và -12 dB. Do vậy, dung sai hệ số chiết suất của cấu kiện là khá lớn.
I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T H ệ số tr uy ền đ ạt ( d B )
Sai khác hệ số chiết suất của lớp lõi
Hình 4.16. Dung sai chế tạo vật liệu lớp lõi của triplexer đề xuất.
4.4 Kết luận chƣơng
Chương này luận án đã giới thiệu hai kiểu thiết kế một bộ triplexer. Cách thứ nhất: bộ triplexer kích thước nhỏ mới bằng cách sử dụng một bộ ghép đa mode 2×2 kiểu hình cánh bướm và một bộ ghép định hướng dựa trên các ống dẫn sóng sườn silic. Bộ ghép đa mode được sử dụng để phân kênh bước sóng 1490 nm ra một cổng, phân kênh hai bước sóng 1310 nm và 1550 nm ra một cổng. Trong khi đó, bộ ghép định hướng và các bộ ghép hình sin sử dụng để phân kênh bước sóng 1310 nm và 1550 nm. Cách thứ hai: một triplexer tích hợp rất cao bằng cách sử dụng cấu trúc ghép hai tầng ống dẫn sóng giao thoa đa mode hình cánh bướm kích thước 2×2 mà được xây dựng trên nền tảng ống dẫn sóng silic dạng sườn. Những bộ ghép đa mode được sử dụng để phân tách riêng rẽ ba bước sóng 1310 nm, 1490 nm và 1550 nm đến ba cổng ra riêng rẽ. Cấu kiện đề xuất có suy hao nhỏ và độ tích hợp cao. Các kết quả mô phỏng số bằng phương pháp truyền chùm bán véc tơ trong không gian ba chiều (3D-SV BPM) kết hợp với phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng (EIM) cho thấy rằng cấu kiện được đề xuất có chất lượng hiệu năng tốt, băng thông cao và dung sai chế tạo khá lớn. Do vậy chúng có thể được sử dụng hiệu quả trong ứng dụng của hệ thống truy nhập FTTH và các mạng truy nhập quang khác.
101
Kết luận và hƣớng phát triển
Các bộ ghép đa mode đã được các nghiên cứu khoa học chứng tỏ là một trong những ứng cử viên tốt cho việc thiết kế các vi mạch, cấu kiện quang tích hợp bởi các ưu điểm về: tính ổn định, băng thông tương đối cao, suy hao ghép nối khá thấp đặc biệt là dung sai chế tạo lớn và tương thích công nghệ chế tạo bán dẫn CMOS cho chi phí sản xuất thấp.
Nghiên cứu các phương pháp thiết kế dựa trên phương pháp phân tích truyền mode kết hợp với phương pháp hệ số (chiết suất) hiệu dụng. Sau đó, tính toán và tối ưu bằng các phương pháp mô phỏng số, đặc biệt là phương pháp mô phỏng BPM.
Luận án này đã trình bày các thiết kế của một số cấu kiện vi mạch tích hợp quang dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode ứng dụng để xây dựng các thành phần chức năng xử lý tín hiệu trong mạng thông tin toàn quang. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Phần tiếp theo sẽ trình bày tóm tắt những đóng góp khoa học chính và đề xuất các hướng nghiên cứu phát triển tương lai của luận án.
Đóng góp khoa học của luận án
Các nội dung nghiên cứu được chỉ ra sau đây lần đầu tiên được đề xuất và thực hiện trong luận án này. Đây cũng chính là các đóng góp khoa học của luận án:
1) Các bộ ghép giao thoa đa mode 2×2 dựa trên nền tảng vật liệu SOI để tạo ra các bộ chia công suất bất đối xứng với nhiều tỷ số chia mới và bộ chia trạng thái phân cực được trình bày đầu tiên ở luận án. Các bộ chia này có cấu trúc hình học không phức tạp với nhiều ưu điểm về các đặc tính quang học tốt như: băng thông rộng, tổn hao ghép nối khá thấp, xuyên nhiễu nhỏ và dung sai chế tạo khá lớn. Một số tỷ số chia với sự bất đối xứng lớn đạt được chẳng hạn bộ chia với tỷ số chia 98:2 mới cũng đạt được lần đầu tiên trong đề xuất ở phần đầu của luận án này. Kết quả này được công bố trong một bài báo quốc tế ISI:
Photonics Nanostructures - Fundam. Appl., vol. 11, no. 3, pp. 217–225, Aug. 2013 và một bài báo hội nghị quốc tế: 2014 IEEE Fifth International Conference on Communications and Electronics (ICCE), 2014.
2) Bằng cách sử dụng cấu hình ghép MMI-MZI với các ống dẫn sóng ở phần giữa nối giữa hai vùng giao thoa đa mode được sử dụng làm các bộ dịch pha, bộ chuyển mạch toàn quang với các trạng thái chuyển mạch không bị cản đã được đề xuất lần đầu tiên trong phần tiếp theo của luận án. Các thiết kế cụ thể và mới của các bộ chuyển mạch toàn quang 2×2 hoặc 3×3 sử dụng các hiệu ứng phi tuyến Kerr dựa trên vật liệu thủy tinh chalcogenide As2S3 hoặc hiệu ứng Pockel dựa trên vật liệu tinh thể AgGaSe2 tạo dịch pha được đề xuất để tạo ra các bộ chuyển mạch toàn quang không bị cản 2×2 hoặc 3×3. Các bộ chuyển mạch quang với chất lượng hiệu năng quang học tốt được chứng tỏ một cách chi tiết trong phần trình bày này của luận án. Kết quả này được công bố trong ba bài báo quốc tế ISI:
Photonics Nanostructures - Fundam. Appl., vol. 11, no. 3, pp. 261–269, Aug. 2013,
102
Commun., vol. 292, pp. 78–83, Apr. 2013, một bài báo quốc tế: Appl. Phys. Res., vol. 5, no. 3, pp. 58–69, May 2013 và hai bài báo trong nước: J. Sci. Technol. ,Technical Univ., vol. 95, no. C, pp. 165–170, 2013 và J. Sci. Technol. ,Vietnam Acad. Sci. Technol., vol. 51, no. 1A, pp. 60–73, 2013.
3) Cuối cùng, luận án đề xuất các thiết kế mới để xây dựng nên các bộ ghép/phân kênh ba bước sóng –triplexer của các bước sóng cơ bản 1310 nm, 1490 nm và 1550 nm cho các ứng dụng của mạng truy nhập FTTH. Các bộ tripexer được xây dựng dựa trên nền tảng vật liệu SOI bằng cách sử dụng bộ ghép đa mode 2×2 được ghép tầng hoặc kết hợp với một bộ ghép định hướng. Các cấu trúc này đạt được chất lượng hiệu năng hệ thống tốt như: suy hao thấp (không quá 0.8 dB), băng thông khá cao đáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn ITU- G.983 với dung sai chế tạo phù hợp với công nghệ chế tạo CMOS cho sản xuất ống dẫn sóng. Kết quả này được công bố trong hai bài báo quốc tế ISI: Opt. Commun., vol. 312, pp. 57–61, Feb. 2014, Opt. Quantum Electron., Apr. 2014 và một bài báo hội thảo trong nước:
2013 National Conference on Electronics and Communications (REV), pp. 134–139, 2013.
Hƣớng phát triển tƣơng lai của luận án
Hướng phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo trong tương lai của luận án được tác giả luận án đề xuất:
Toàn bộ các nghiên cứu đề xuất hoàn toàn có khả năng ứng dụng thực tiễn để chế tạo ra các cấu kiện thành phần mạng toàn quang, chẳng hạn các triplexer ứng dụng cho mạng FTTH.
Một đề xuất sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode để thiết kế các bộ điều chế pha lưỡng cực DPSK để áp dụng cho các hệ thống thông tin quang tốc độ cao hoặc thiết kế các phần tử 90o
–hybrid [150] sử dụng trong những hệ thống thông tin quang kết hợp (coherent).
Một hướng phát triển nữa là sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode sử dụng các ống dẫn sóng hình búp măng tạo ra các dịch pha cố định để chuyển đổi bậc của mode hoặc chuyển đổi các mode phân cực để tạo ra các bộ ghép/phân kênh phân chia theo mode. Để kết thúc, tác giả luận án xin được đề xuất một hướng phát triển được kỳ vọng sẽ