Bằng cách sử dụng phương pháp mô phỏng 3D-BPM bán vectơ, tiến trình truyền của tín hiệu quang trong triplexer đã đề xuất được mô phỏng cho tất cả các cổng (a), (b), (c) Hình 4.12. 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) 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). 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. Do vậy, chất lượng hiệu năng về mặt quang học của triplexer là tốt.
Bước sóng (nm) I.L (dB) Cr.T (dB)
1310 (Cổng 2) -0.89 -19.07
1490 (Cổng 3) -0.45 -14
1550 (Cổng 1) -0.7 -24.01
Bảng 4.2. Công suất ra (được chuẩn hóa theo công suất đầu vào) ba cổng của triplexer đề xuất tại ba bước sóng.
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
Nhận xét: ta thấy được suy hao chèn và xuyên nhiễu ở bảng 4.1 của bộ Triplexer dựa trên một bộ ghép giao thoa đa mode hình cánh bướm kết hợp bộ ghép định hướng là cao hơn sao với bộ Triplexer dựa trên phân tầng hai bộ giao thoa đa mode hình cánh bướm ở bảng 4.2. Chênh lệch ở đây là không đáng kể nằm trong khoảng sai số cho phép. Từ đó ta thấy được với cùng khoảng chiều dài bộ ghép tương đương giữ hai cấu trúc thiết kế cho kết quả phù hợp để làm cấu kiện sử dụng trong mạng FTTH như đã nêu ở chương 1.
Hình 4.13 Đáp ứng theo bước sóng của triplexer đề xuất tại ba cổng.
Tiến hành mô phỏng đáp ứng bước sóng tại ba cổng của triplexer, thu được kết quả mô phỏng được trình bày trong Hình 4.13. Dữ liệu mô phỏng cho thấy rằng: 3 dB băng thông của suy hao chèn trong ba băng tương ứng với 28 nm (từ 1300 nm đến 1328 nm) của băng 1310 nm (port1), 60 nm ( từ 1450 nm đến 1510 nm) của băng 1490 nm (port2) và 35 nm (từ 1532 nm đến 1567 nm) của băng 1550 nm (port 3). Do vậy, băng thông của triplexer là lớn (lớn hơn so với tham khảo với mode hoạt động TE ). Chất lượng hiệu năng quang về suy hao chèn và xuyên nhiễu được thấy là tốt hơn. Ngoài ra, có thể thấy rằng, kích thước của triplexer đề xuất là nhỏ hơn. Rõ ràng, triplexer đề xuất thích hợp cho các mạch tích hợp quang tử mật độ cao.
Tiếp theo, chúng ta khảo sát dung sai chế tạo của cấu kiện theo 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 4.14. Dữ liệu mô phỏng BPM được xử lý và vẽ ra trên hệ
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
tọa độ cho thấy rằng suy hao chèn nhỏ hơn 3dB, xuyên nhiễu nhỏ hơn -20dB thì dung sai chiều dài tương ứng là ±1 (giá trị trục x tại hình 4.14).
4.4 Kết luận chương
Trong chương này, đồ án đã thiết kế và mô phỏng hai bộ triplexer, trong đó:
➢Bộ triplexer thứ nhất: có kích thước nhỏ (1100m) 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.
Trong bộ triplexer thứ nhất cấu trúc bộ ghép định hướng đòi hỏi độ chính xác cao và quá trình chế tạo phức khó thực hiện hơn so với bộ Triplexer thứ hai. Ngược lại, bộ Triplexer dựa trên cấu trúc bộ ghép định hướng kết hợp với một bộ giao thoa đa mode hình cánh bướm có cấu trúc gọn gàng hơn tiết kiệm diện tích Triplexer.
➢Bộ triplexer thứ hai: có kích thước (1100m), 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 vectơ 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.
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
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.
Ở đây, tuy bộ Triplexer thứ hai có các thông số như công suất đầu ra cao hơn, xuyên nhiễu và suy hao chèn thấp hơn bộ Triplexer thứ nhất nhưng cấu trúc còn khá lớn về mặt diện tích và bề rộng bộ ghép.
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
A. Kết luận
Trong đồ án, nhóm đã giới thiệu phương thức ghép kênh theo bước sóng (WDM), mạng cáp quang đến tận nhà FTTH được sử dụng phổ biến hiện nay. Tiếp theo, nhóm đã đưa ra cấu trúc bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng Silic, sử dụng các đoạn nối cải tiến so với việc sử dụng các đoạn nối truyền thống. Nhóm đã giải thích được vai trò của bộ Triplexer sử dụng trong mạng FTTH hiện nay, cũng như những ưu điểm vượt bậc của nó mạng lại trong thực tế.
Đồ án dựa trên những lý thuyết truyền sóng, lý thuyết giao thoa đa mode và các hệ phương trình Maxwell được nêu trong ba công trình nghiên cứu lớn là “ L.B.Soldano and E.C.M Pennings, “Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self- Imaging: Principles and Applications,” J. Light. Technol., vol. 13, no pp.615–627, 1995.” , “Lax, M., “From Maxwell to paraxial optics,” Phys. Rev. A, vol. 11, no. 4, pp. 1365– 1370, 1975.” và “M. Bachmann, P. A. Besse, and H. Melchior, “General self- imaging properties in N×N multimode interference couplers including phase relations”,
Applied optics, Vol.33, No. 18, 20 June 1994.” .
Các bộ Triplexer dùng ống dẫn sóng đa mode là một đề cử tốt trong việc thiết kế vi mạch, cấu kiện quang tích hợp bởi các ưu điểm về: tính ổn định, băng thông tương đối cao, suy hao ghép nối thấp khá thấp, thích hợp cho công nghệ bán dẫn CMOS có chi phí sản xuất thấp.
Mục tiêu ban đầu của đồ án đặt ra là thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng cấu trúc MMI – hình chữ nhật và cấu trúc MMI – hình cánh bướm. Trong quá trình tính toán và thiết kế đối với bộ MMI truyền thống (hình chữ nhật) cho thấy mặt hạn chế rất lớn ở cấu trúc này là chiều dài bộ ghép rất dẫn đến suy hao trong quá trình truyền sẽ rất cao, phản xạ tại mặt cuối của cấu trúc giao thoa đa mode cao, khả năng bắt giữ ánh sáng kém. Từ đó, nhóm cho thấy cấu trúc MMI truyền thống không phù hợp để dùng làm bộ Triplexer. Vì vậy, nhóm đưa ra hai bộ Triplexer sử dụng cấu trúc MMI cải tiến (hình cánh bướm). Kết quả tính toán, mô phỏng và tối ưu cho thấy được hai bộ Triplexer có thông số phù hợp sử dụng trong hệ thống FTTH.
Đồ án sử dụng các phương pháp thiết kế dựa trên phương pháp phân tích truyền mode kết hợp với phương thức hệ số (chiết suất) chỉ số hiệu dụng sau đó tính toán và tối ưu bằng các phương pháp mô phỏng số. Đồ án cũng đã trình bày về phương pháp mô phỏng trường điện từ Beam Propagation. Đặc biệt là phương pháp mô phỏng 3D-
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
BPM trên phần mềm Rsoft được hướng dẫn từ “Rsoft, BeamPROP. Synopsys, Inc., Optical Solutions Group, 2015.06.”
Nhóm đã thiết kế hai cấu trúc Triplexer, cấu trúc thứ nhất dựa trên cấu trúc bộ ghép định hướng kết hợp một bộ ghép giao thoa đa mode hình cánh bướm sử dụng ống dẫn sóng Silic. Cấu trúc thứ hai dựa trên phân tầng hai bộ ghép giao thoa đa mode sử dụng ống dẫn sóng Silic. Cả hai thiết kế đều mang lại kết quả đáng mong đợi về các thông số tiêu chuẩn cho bộ nối được sử dụng trong mạng FTTH. Công suất đầu ra tại cổng đầu ra mong muốn tại các bước sóng mong muốn là hợp lý. Nhưng bên cạnh đó vẫn còn một số hạn chế về mặt sai số trong quá trình tối ưu nên kết quả chưa phải là tốt nhất.
B. Hướng phát triển đề tài
Do thời gian hạn hẹp, điều kiện chưa cho phép nên đề tài chỉ mới dừng lại ở thiết kế và mô phỏng và quan sát trên phần mềm Rsoft và chưa triển khai đo đạt thực tế. Từ những kết quả đồ án đạt được, nhóm xin đưa ra một số hướng phát triển như sau:
- Tiếp tục khảo sát để tối ưu các thông số thiết kế đạt hiệu suất cao hơn. - Sử dụng để chế tạo cấu kiện triplexer ứng dụng vào FTTH.
- Tiếp tục tối ưu hai cấu trúc Triplexer để đạt được kết quả tốt hơn.
- Do cấu trúc đặc thù của bộ Triplexer sử dụng ống dẫn sóng đa mode hình cánh bướm kết hợp với bộ ghép định hướng tối ưu được tiết diện cũng như diện tích tiếp xúc sóng thấp hơn so với bộ Triplexer sử dụng phân tầng hai bộ ghép giao thoa đa mode hình cánh bướm. Vì vậy, trong tương lai thì bộ Triplexer sử dụng ống dẫn sóng đa mode hình cánh bướm kết hợp với bộ ghép định hướng sẽ được sử dụng phổ biến bằng cách phát triển và tối ưu tuyệt đối hơn.
- Hai thiết kế của đồ án có khả năng ứng dụng trong thực tiễn để chế tạo cấu kiện thành phần mạng toàn quang. Triplexer ứng dụng cho mạng FTTH.
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] M. Bachmann, P. A. Besse, and H. Melchior, “General self-imaging properties in N×N multimode interference couplers including phase relations”, Applied optics, Vol.33, No. 18, 20 June 1994.
[2] Rsoft, BeamPROP. Synopsys, Inc., Optical Solutions Group, 2015.06.
[3] L.B.Soldano and E.C.M Pennings, “Optical Multi-Mode Interference Devices Based on Self-Imaging: Principles and Applications,” J. Light. Technol., vol. 13, no pp.615–627, 1995.
[4] Truong Cao Dung, Vu Chung Hoang “A triplexer based on cascaded 2 × 2 butterfly MMI couplers using silicon waveguides”, Received: 24 December 2013 / Accepted: 28 March 2014.
[5] TS. Trương Cao Dũng “Chuyên đề: Nghiên cứu tính toán thiết kế các mạch tích hợp giao thoa đa mode dùng trong mạng toàn quang”, Biên soạn, 2015.
[6] Tài liệu nội bộ CMC-Telecom Đà Nẵng 2019.
[7] Tài liệu kỹ thuật thông tin quang 2, “Học viên bưu chính viễn thông” 2007, Biên soạn Ths. Đỗ Văn Việt Em.
[8] Cao Dung Truong, Tuan Anh Tran, Duc Han Tran “A design of triplexer based on a 2x2 butterfly MMI coupler and a directional coupler using silicon waveguides”, 2014/2/1
[9] C. D. Truong, T. A. Tran, T. T. Le, and D. H. Tran, “1×3 all optical switches based on multimode interference couplers using nonlinear directional couplers,” J. Sci. Technol. ,Vietnam Acad. Sci. Technol., vol. 51, no. 1A, pp. 60–73, 2013.
[10] CATV in FTTH networks, https://fibrain.com/catv-in-ftth-networks,58.html
[11] Lax, M., “From Maxwell to paraxial optics,” Phys. Rev. A, vol. 11, no. 4, pp. 1365– 1370, 1975.
[12] Katsunari Okamoto, Fundamentals of Optical Waveguides, Second Edi. Elsevier Academic Press, 2006.
[13] R.Ulrich, “Light-propagation and imaging in planar optical waveguides,” Nouv. Rev. d’Optique, vol. 6, no. 5, pp. 253–262, 1975.
[14] Bùi Ngọc Huy, Nguyễn Văn Lanh, “ Thiết kế bộ chuyển đổi bậc mode toàn quang sử dụng các ống dẫn sóng Silicon”, 2018.
[15] Laperle, C., B. Villeneuve, Z. Zhang, D. McGhan, H. Sun, and M. O’Sullivan, “WDM performance and PMD tolerance of a coherent 40-Gbit/s dual-polarization QPSK transceiver,” J. Light. Technol., vol. 26, no. 1, pp. 168–175, 2008.