3.6.1 Chất lượng ảnh
Một trong những thông số đáng quan tâm để đánh giá chất lượng của một bộ giao thoa đa mode MMI là hệ số chất lượng ảnh p. Hệ số p này cho ta biết độ chính xác của trường được tái tạo ở đầu ra so với đầu vào. Sử dụng công thức xấp xỉ, giá trị của p có thể được tính theo công thức :
𝑝 =𝑊𝑒
𝑚 (3.26)
Trong đó m là số mode mà bộ MMI có thể kích thích.
Giá trị của hệ số ảnh p trong thực tế thường dao động từ 0.89𝑊𝑒
𝑚 đến 1.5𝑊𝑒
𝑚 .
3.6.2 Suy hao trong bộ giao thoa đa mode MMI
Suy hao qua bộ MMI nhìn chung là rất nhỏ do giá trị chiều dài của bộ MMI thường nằm ở khoảng vài chục µm. Suy hao này hầu như là không đáng kể. Ngoài vấn đề suy hao bên trong bộ MMI còn có thêm các loại suy hao khác như là suy hao do uốn cong. Loại suy hao này có thể hạn chế bằng cách sử dụng các ống dẫn sóng cong có dạng S- band để đưa tín hiệu vào ngõ vào và ra ở ngõ ra. Việc sử dụng ống dẫn sóng cong dạng S-band còn giúp hạn chế được hiện tượng xảy ra khi hai ống dẫn sóng được đặt ở khoảng cách gần nhau. Các chỉ số hiệu năng hệ thống quan trọng nhất để đánh giá chất lượng của bộ chia phân cực là: suy hao vượt qua (I.L_ Insertion Loss) và xuyên nhiễu
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
(Cr.T_Crosstask).
3.6.2.1 Insertion Loss (dB)
Insertion Loss xác định nghĩa là tỷ lệ của tổng công suất đầu vào so với tổng công suất đầu ra, đơn vị là (dB) và được tính bằng công thức sau:
Insertion Loss = 10𝑙𝑜𝑔10∑ 𝑷𝒅(𝒎𝑾)
∑ 𝑷𝒊𝒏(𝒎𝑾) (3.27)
Trong đó:
Insertinon Loss: Suy hao chèn.
∑ P𝑖𝑛: Tổng giá trị công suất đầu vào ống dẫn sóng đang khảo sát
∑ P𝑑: Tổng giá trị công suất ống dẫn sóng đầu ra mong muốn
Tính bằng (dBm) : P(dBm) = 10logP(mW) (3.28)
3.6.2.2 Crosstalk (dB)
Xuyên nhiễu được định nghĩa là tỷ lệ của công suất đầu ra ở cổng mong muốn so với tổng công suất đầu ra từ các bước sóng không mong muốn đưa đến cổng đầu ra mong muốn, đơn vị là (dB). Nó thường được định nghĩa bằng cách sử dụng phương trình dưới đây:
Cr.T = − 10𝑙𝑜𝑔 𝑷𝒅(𝒎𝑾)
𝑷𝝀𝒕𝒐𝒕(𝒎𝑾) (3.29) Trong đó 𝑃𝑑 và 𝑃𝜆𝑡𝑜𝑡tương ứng là công suất từ ống dẫn sóng đầu ra mong muốn và tổng công suất từ các bước sóng không mong muốn đưa đến đầu ra mong muốn, (được tính bằng mW).
Để xác định suy hao chèn cho một đầu ra cụ thể với các bộ ghép nhiều đầu ra thì khi xác định suy hao ta sử dụng định nghĩa 𝐼𝑛𝑠𝑒𝑟𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐿𝑜𝑠𝑠.
3.7 Bộ ghép định hướng
3.7.1 Giới thiệu về bộ ghép định hướng
Bộ tách ghép tín hiệu (Coupler) là thiết bị quang dùng để kết hợp các tín hiệu truyền đến từ các sợi quang khác nhau. Nếu coupler chỉ cho ánh sáng truyền qua nó theo một chiều, ta gọi là coupler có hướng ( Directional Coupler ). Nếu cho ánh sáng đi theo hai chiều, ta gọi nó là coupler song hướng ( Bidirectional Coupler) [7].
Coupler thông dụng nhất là coupler FBT ( Fused Binconical Taper ). Coupler này được chế tạo bằng hai sợi quang đặt cạnh nhau, sau đó vừa nung chảy để nó kết hợp với nhau, vừa kéo dãn để tạo ra thành một vùng ghép ( coupling region). Một coupler 2x2 được đặc rưng bởi tỷ số ghép (0 < < 1). là tỷ lệ công suất ánh sáng ngõ vào 1 đến ngõ ra 1 so với tổng công suất ánh sáng vào ngõ vào 1.
Coupler có thể là chọn lựa bước sóng ( wavelength selective ) hay không phục thuộc vào bước sóng, tương ứng với phụ thuộc hay không phụ thuộc vào bước sóng.
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
Trường hợp =1
2 , coupler được dùng để chia công suất tín hiệu ngõ vào thành hai phần bằng nhau ở ngõ ra, gọi là coupler 3dB.
Ở đồ án này ta sử dụng bộ tách quang để tách các bước sóng 1310nm, 1490nm, 1550nm ra các cổng khác nhau nhằm phục vụ cho thực tiễn.
Hình 3.5 Bộ tách quang.
3.7.2 Nguyên lý hoạt động
Khi hai sợi quang được đặt cạnh nhau, ánh sáng được ghép từ sợi quang này sang sợi quang kia và ngược lại. Đó là do quá trình truyền mode ánh sáng trên sợi quang qua vùng ghép sẽ khác so với truyền trên sợi quang đơn. Khi đó, toán bộ ánh sáng thuộc một sợi quang sẽ được ghép hoàn toàn sang sợi quang ghép với nó, phần ánh sáng này sẽ tiếp tục được ghép ngược lại sợi quang ban đầu theo một chu kỳ tuần hoàn khép kín.
3.8 Kết luận chương
Trong chương này, nhóm đã trình bày vềcác nguyên lí giao thoa của MMI cũng như hình dạng các ống dẫn sóng truy nhập. Ngoài ống dẫn sóng thẳng thường dùng, nhóm đã giới thiệu về hình dạng, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của ống dẫn sóng của bộ ghép định hướng. Bộ ghép định hướng đóng vai trò là bộ tách hai bước sóng ra hai cổng riêng biệt sẽ được giới thiệu trong cấu trúc tách sóng ở chương 4. Việc sử dụng bộ giao thoa đa mode có thể giải quyết các vấn đề cơ bản của truyền dẫn với lợi thế nhờ cấu trúc nhỏ gọn, tổn hao thấp cùng với giá thành sản xuất rẻ, dễ chế tạo, hoạt động băng rộng . Tuy nhiên, do bị ảnh hưởng bởi các yếu tố truyền dẫn nên việc thiết kế bộ giao thoa đa mode đòi hỏi độ chính xác cao. Dựa vào những kiến thức trên là ta có thể tiến hành thiết kế các bộ giao thoa đa mode MMI tạo nên bộ Triplexer tách bước sóng sẽ được tiến hành ở chương 4. Hơn nữa, trong chương này cũng đã đề cập đến công thức Bachmann giải thích trường đầu vào và ra ở các cổng của bộ giao thoa đa mode, kèm theo đó là khái quát giao thoa cũng như là công thức cơ sở nguyên lí tạo ảnh trong ống dẫn sóng chính để xác định được chiều dài của nó. Nhóm đã trình bày được các loại suy hao, tổn hao trong ống dẫn giao thoa đa mode như là suy hao chèn (Insertion Loss), xuyên nhiễu (Crosstalk). Các thông số trên sẽ được dùng để tính toán và cơ sở lý thuyết cho các bộ giao thoa đa mode ở chương 4.
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
Chương 4: THIẾT BỘ TÁCH GHÉP BA BƯỚC SÓNG 1310nm/1490nm/1550nm SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG SILIC 4.1. Giới thiệu chương
Trong chương này, nhóm sẽ đề cập tổng quan về bộ tách ghép quang và qua đó tiến hành thiết kế một bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng Silic. Thiết bị được cấu thành từ một bộ giao thoa đa mode 2x2 hình cánh bướm kết hợp với một bộ ghép định hướng và 2 bộ giao thoa đa mode 2x2 hình cánh bướm. Theo đó, nhóm đã khảo sát và đưa ra mô phỏng hiệu suất đầu ra đạt từ 80%-95%.
4.2 Nguyên lý thiết kế
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý bộ ghép kênh hai bước sóng sử dụng bộ ghép đa mode 2×2.
Trong công trình [5], của TS. Trương Cao Dũng đã đề xuất nguyên lý thiết kế của bộ tách/ghép bước sóng dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode dựa trên tính chất là với cùng cấu trúc hình học thì các bước sóng khác nhau có nửa chiều dài phách khác nhau. Cũng do nửa chiều dài phách tỷ lệ nghịch với bước sóng hoạt động nên bước sóng ngắn có nửa chiều dài phách lớn hơn so với các bước sóng dài. Mặt khác, ta đã biết là hiện tượng giao thoa tạo ảnh có tính chu kỳ tức là tạo ảnh được lặp đi lặp lại tại những khoảng cách xác định bằng nhau. Sử dụng các đặc tính này, ta xét một ống dẫn sóng giao thoa đa mode kích thước 2×2 với cổng đầu vào không ở vị trí trùng với trục đối xứng như được trình bày trên Hình 4.1. Theo nguyên lý giao thoa tổng quát thì sau một khoảng cách truyền theo phương truyền sóng với chiều dài L=3 ( )L (với L( ) ký hiệu là nửa chiều dài phách tại bước sóng hoạt động) thì ảnh đầu ra sẽ đối xứng gương với tạo ảnh đầu vào.Tổng quát, khi phát nguồn sáng vào ống dẫn sóng đầu vào thì sẽ tạo ra hiện tượng tạo ảnh trong ống dẫn giao thoa đa mode, ảnh đầu ra sẽ ở vị trí soi gương so với ảnh đầu vào nếu khoảng cách truyền bằng số nguyên dương lẻ lần nửa chiều dài phách và ảnh đầu ra sẽ ở vị trí đồng vị với ảnh đầu vào nếu khoảng cách truyền bằng số nguyên dương lẻ lần nửa chiều dài phách. Sử dụng nguyên lý này, với hai bước sóng
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
1
và 2 được đưa vào đầu vào của một bộ giao thoa đa mode 2×2, nếu khoảng cách truyền thỏa mãn đẳng thức:
1 2
3 ( ) 3 ( )
L= mL = nL (4.1)
Ở đây: m và n là các số nguyên dương. Nếu m, n cùng tính chẵn lẻ thì các bước sóng 1và 2sẽ được đưa ra cùng một cổng ở đầu ra còn ngược lại nếu m, n chẵn lẻ đôi một khác nhau thì các bước sóng 1và 2sẽ được tách ra một cách riêng biệt ở hai đầu ra của ống dẫn sóng đa mode. Nguyên lý này cũng có thể được mở rộng cho nhiều bước sóng cùng đưa vào cùng một đầu vào. Khi đó chúng ta sử dụng phân tầng các bộ giao thoa đa mode để tách riêng dần các bước sóng ở đầu ra cho đến khi ở các đầu ra cuối cùng các bước sóng được tách hoàn toàn ra mỗi cổng riêng.
Như đã phân tích, các bước sóng khác nhau thì nửa chiều dài phách khác nhau. Từ biểu thức xác định nửa chiều dài phách và đẳng thức (4.1) ta thấy điều kiện để tách riêng hai bước sóng khi đó là:
2 1 2 2 2 1 . ( ) . ( ) e e W m n W = (4.2) Với: We( ) là chiều rộng hiệu dụng của ống dẫn sóng đa mode tại bước sóng
Nếu các bước sóng gần nhau, chẳng hạn các bước sóng nằm trong vùng cửa sổ thông tin 1550 nm sử dụng cho các ứng dụng WDM với khoảng cách kênh nhỏ (chỉ cỡ 0.4 nm hoặc 0.8 nm) thì nửa chiều dài phách là gần nhau, do vậy phương trình (4.2) sẽ xác định cặp số (m,n) có giá trị tương đối lớn. Điều này dẫn đến chiều dài của bộ ghép đa mode là khá lớn. Khi đó, phép phân tích toán học bằng phương pháp xấp xỉ theo phương pháp truyền mode sẽ cho sai số lớn do đó chất lượng hình ảnh giao thoa không được “rõ nét”. Vậy nên cấu trúc sử dụng làm bộ phân kênh bước sóng sẽ có chất lượng hiệu năng về mặt xuyên nhiễu kênh là lớn do đó không phù hợp cho các ứng dụng tách/ghép kênh quang.
Tình huống khác đi khi khoảng cách các bước sóng tách ghép kênh lớn (cỡ vài chục đến một vài trăm nm); khi đó cặp số (m,n) có giá trị nhỏ (là các số nguyên dương nhỏ) nên chiều dài bộ ghép đa mode cho hoạt động là khá nhỏ và sai số do xấp xỉ nhỏ nên chất lượng hình ảnh giao thoa “rõ nét” hơn, xuyên nhiễu sẽ đạt được kết quả tốt hơn. Do đó, với những ứng dụng cho các bộ tách ghép kênh với các bước sóng cách xa nhau và số lượng bước sóng sử dụng nhỏ như ứng dụng của các mạng truy nhập quang FTTH chẳng hạn là rất thích hợp bằng cách sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode. Chúng ta cũng có thể ứng dụng bộ ghép đa mode để thiết kế các bộ tách bước sóng trong các vùng cửa sổ thông tin quang (từ dải bước sóng 850 nm đến 1600 nm). Phần tiếp theo trong chương
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
này nhóm sẽ tập trung nghiên cứu thiết kế ứng dụng các triplexer sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode một cách hiệu quả và tối ưu.
. (a) (b)
4.2 Thiết kế bộ triplexer dựa trên một bộ ghép giao thoa đa mode 2×2 hình cánh bướm và một bộ ghép định hướng sử dụng các ống dẫn sóng Silic. bướm và một bộ ghép định hướng sử dụng các ống dẫn sóng Silic.
Trong chương này, nhóm trình bày một cấu trúc mới cho triplexer kích thước nhỏ, tích hợp cao bằng cách sử dụng một bộ ghép đa mode 2×2 hình cánh bướm và một bộ ghép định hướng dựa trên ống dẫn sóng Silic. Bộ ghép đa mode sử dụng để tách biệt bước sóng 1490 nm ra một cổng và tách cả hai bước sóng 1310 nm và 1550 nm ra cổng còn lại ở phần thứ nhất. Bộ ghép định hướng sau đó được sử dụng ở tầng thứ hai để tách riêng ra hai bước sóng 1310 nm và 1550 nm ra mỗi cổng đầu ra riêng rẽ. Phương pháp mô phỏng số truyền chùm tia ba chiều (3D-BPM) để thiết kế và tối ưu toàn bộ cấu trúc thiết kế.
4.2.1 Thiết kế và tối ưu cấu trúc
Hình 4. 2 Mô hình thiết kế bộ Tripler dựa trên một bộ ghép giao thoa đa mode 2x2 hình cánh bướm và một bộ ghép định hướng:
(a) cấu trúc của thiết kế. (b) mặt cắt ống dẫn sóng và mode cơ sở của ống dẫn sóng đầu vào.
Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic
Hình 4.2(a) thể hiện cấu hình của bộ triplexer được dựa trên ống dẫn sóng Silic sườn kích thước micro mét. Ống dẫn sóng được chế tạo trên vật liệu: tinh thể Silic (Si) trên nền thủy tinh Silic oxit (SiO2) với lớp vỏ trên (upper cladding) là không khí. Hệ số chiết suất của lớp lõi Silic là nr=3.45 và lớp vỏ thủy tinh Silic nc xấp xỉ bằng 1.46. Bằng cách sử dụng mô hình Sellmeier, chúng ta xác định được sai khác hệ số chiết suất của Silic giữa bước sóng 1310 nm và 1550 nm là 0.02 (do hệ số chiết suất của vật liệu phụ thuộc vào bước sóng hoạt động). Lượng sai khác này là nhỏ không đáng kể nên có thể được bỏ qua. Vì vậy, trong tính toán ta coi hệ số chiết suất của Silic là một hằng số (trong dải các bước sóng được thiết kế). Bộ triplexer được thiết kế cho hoạt động ở mode phân cực TE. Độ rộng w của các ống dẫn sóng đơn mode (các ống dẫn sóng truy nhập) được chọn trong khoảng 150 nm đến 560 nm để thỏa mãn điều kiện đơn mode cho cả ba bước sóng. Theo kinh nghiệm từ các bài báo khoa học [8] [4], chúng ta chọn w=360 nm trong cấu kiện được đề xuất này. Bằng cách sử dụng phương pháp BPM, chúng ta thấy rằng độ dày toàn phần của lớp dẫn sóng là H=0.4 µm và chiều cao phần ống dẫn sóng hình phiến vuông (slab height) là h=32 nm thì trường quang cho hiệu năng về tổn hao tốt khi truyền trong ống dẫn sóng (cho cả ba bước sóng). Hình ảnh kết quả mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn FEM cho mode cơ sở của bước sóng 1550 nm được trình bày như trên Hình 4.2(b) [8].
Cấu kiện được xây dựng gồm có hai phần. Phần đầu tiên là gồm có một bộ ghép đa mode hình cánh bướm mà được sử dụng để phân tách bước sóng 1310 nm và 1550 nm tới cổng đầu ra chéo, trong khi đó bước sóng 1490 nm được tách ra ở cổng đầu ra thẳng của vùng giao thoa đa mode (cổng đầu ra 2). Phần thứ hai gồm một bộ ghép định hướng dựa trên cấu trúc tiếp giáp hình chữ Y. Điều này nhằm tách bước sóng 1310 nm và 1550 nm ra cổng đầu ra 1 và cổng đầu ra 3 một cách tương ứng (Hình 4.2(a)).
Đầu tiên, chúng ta xem xét một ống dẫn sóng giao thoa đa mode kiểu giao thoa tổng quát 2×2 truyền thống để tách riêng hai bước sóng 1310 nm và 1490 nm. Bộ ghép đa mode được tạo dạng bởi hai ống dẫn sóng đơn mode mà đóng vai trò là các ống dẫn sóng truy nhập cho vùng ống dẫn sóng đa mode (hai ống dẫn sóng này giống nhau về dạng hình học). Độ rộng W của bộ ghép đa mode được chọn là W= 2.4 µm. Chúng ta thiết kế bộ ghép đa mode để tách riêng hai bước sóng 1310 nm và 1490 nm ra hai cổng đầu ra riêng biệt của bộ ghép đa mode trong khi bước sóng 1550 nm sẽ được đưa đến