CHƯƠNG 3. NHẬN DẠNG NHÃN BPSK, QPSK TRONG HỆ THỐNG THÔNG
3.2 Thiết kế bộ nhận dạng nhãn quang BPSK
3.2.3 Kết quả mô phỏng và thảo luận
Đơn vị biến đổi Haar đƣợc thực hiện thông qua việc sử dụng một bộ 2x2 MMI hỗ trợ bởi bộ điều chế pha, với trọng tâm chính là tối ƣu hóa các thành phần này trên nền tảng SOI. Cấu trúc dẫn sóng, nhƣ mô tả trong Hình 3.5 (b), bao gồm Silic làm lớp phủ trên cùng, với chiều rộng dẫn sóng là 500nm và độ dày là 220nm. Giai đoạn tối ƣu hóa ban đầu liên quan đến việc điều chỉnh tinh chỉnh các phần MMI. Đảm bảo các độ rộng MMI đủ rộng là quan trọng để đạt đƣợc hiệu năng tối ƣu, và khoảng cách phù hợp đƣợc duy trì để giảm thiểu hiện tƣợng giao cắt giữa các dẫn sóng truy cập kề nhau.
Quá trình tối ƣu hóa bắt đầu với mô phỏng 3D-BPM cho bộ ghép GI- MMI 2x2, sử dụng một chiều dài cụ thể. Mục tiêu ở giai đoạn này là xác định
95
vị trí xấp xỉ dẫn đến chia đôi công suất 50/50, tương đương với một bộ ghép 3dB. Tiếp theo, mô phỏng 3D-BPM chi tiết hơn đƣợc tiến hành xung quanh các vị trí được xác định ban đầu. Bước điều chỉnh được thực hiện để xác định chính xác chiều dài tốt nhất cho các thành phần khác nhau, đảm bảo hiệu năng tối ƣu của bộ ghép GI-MMI 2x2.
Để đạt đƣợc một linh kiện vừa gọn vừa có hiệu năng cao, các nỗ lực được hướng vào việc giảm thiểu khoảng cách giữa các dẫn sóng truy cập song song trong khi đảm bảo vẫn đủ lớn để kiểm soát sự truyền công suất giữa các dẫn sóng đầu vào và đầu ra kề nhau. Thông qua mô phỏng BPM, chiều rộng MMI đƣợc tối ƣu húa ở 6 àm cho một linh kiện vừa gọn vừa cú hiệu năng cao. Khám phá tác động của chiều dài MMI đối với hiệu năng linh kiện, đánh giá đƣợc thực hiện cho tổn thất thừa và sự mất cân đối trong bộ ghép 4x4 MMI. Hình 3.5 (a) trình bày kết quả mô phỏng 3D-BPM, bao gồm công suất đầu ra chuẩn hóa, tổn thất thừa và sự mất cân đối. Chiều dài tối ƣu hóa của bộ ghép MMI đƣợc xác định. Ở chiều dài cụ thể này suy hao cân đối đƣợc tính là 0.58 dB và 0.01 dB, tương ứng.
Kết quả mô phỏng trong Hình 3.5 (b) trình bày sự truyền dẫn trường trong bộ ghép MMI ở chiều dài tối ƣu cho tín hiệu tại các cổng đầu vào 1 và 2. Đáng chú ý, mô phỏng cho thấy một sự dung sai sản xuất đáng kể cho bộ ghép MMI. Cụ thể, dung sai sản xuất cho chiều dài MMI là ±100 nm cho biến đổi công suất đầu ra chuẩn hóa là 0.01 đạt được thông qua các phương pháp nhƣ e-beam hoặc chiếu sáng UV sâu 193 nm.
96
(a) (b)
(c)
Hình 3.5 Kết quả mô phỏng BPM của công suất đầu ra chuẩn hóa, tổn thất thừa và sự mất cân đối của bộ ghép MMI 4x4 theo hàm số của (a) chiều rộng
MMI và (b) bước sóng quang và (c) tín hiệu truyền trong 4x4 MMI Tiếp theo, kiểm tra để đánh giá dung sai chiều rộng và độ nhạy với bước sóng, hoặc băng thông của linh kiện. Các mô phỏng cho thấy sự chệch khỏi bước sóng hoạt động ở 1550nm dẫn đến giảm công suất đầu ra chuẩn hóa của bộ ghép MMI. Sự suy giảm này đƣợc quy cho tỉ lệ nghịch của chiều dài bộ ghép MMI với bước sóng [14]. Băng thông, được định nghĩa tại 85%
tổng lưu lượng (-1dB so với tối đa), được xác định là xấp xỉ nghịch đảo với chiều dài MMI. Trong băng thông -1dB, biến đổi công suất đầu ra chuẩn hóa đƣợc xác định là nhỏ hơn 0.01. Kết quả mô phỏng 3D BPM cho băng thông -
Công suất đầu ra chuẩn hóa Tổn thất thừa và sự mất cân đối (dB)
Mất cân đối Tổn thất thừa
Chiều dài bước sóng (m) Bề rộng MMI m)
Công suất đầu ra chuẩn hóa Tổn thất thừa và sự mất cân đối (dB)
Mất cân đối Tổn thất thừa Đầu ra 1 Đàu ra 4
Đầu ra 1 Đàu ra 4
97
1dB của bộ ghép MMI trải dài 35nm trong khoảng từ 1532nm đến 1567nm.
Trong một dải bước sóng 15nm xung quanh bước sóng hoạt động là 1550nm, các mô phỏng cho thấy công suất đầu ra chuẩn hóa tại các cổng đầu ra 1 và 4 của bộ ghép MMI gần nhƣ trùng khớp với mục tiêu 50:50 (tức chia đôi công suất, 3dB). Phân tích này cung cấp những hiểu biết về hiệu năng của linh kiện dưới các điều kiện bước sóng biến đổi, đồng thời làm nổi bật khả năng duy trì các đặc tính đầu ra mong muốn trong một dải bước sóng nhất định.
Công suất đầu ra chuẩn hóa tại các chiều dài khác nhau bộ ghép 1x2 MMI đƣợc thể hiện trong Hình 3.6. Chiều dài tối ƣu bộ ghép 4.9m.
Hình 3.6 Kết quả mô phỏng BPM của công suất đầu ra chuẩn hóa của bộ ghép 1x2 MMI và tín hiệu truyền trong 1x2 MMI được tối ưu
Các bộ điều chế pha có thể đƣợc thiết kế bằng cách sử dụng bộ ghép MMI 1x1. Sử dụng phương pháp MPA, trường tại khoảng cách z dọc theo phần multimode có thể đƣợc viết là:
𝜙 *
+
Công suất chuẩn hóa
Chiều dài 1X2 MMI(m)
98
Do đó, sự khác biệt về pha tương đối giữa hai nhánh của MZI là
0M 0 M
( )L
trong đó 0và 0Mlà các hằng số truyền sóng của các đa mode cơ bản của các phần đơn và multimode.
Các mô phỏng BPM cho thấy khi nhãn BPSK hai bit quang đƣợc giới thiệu, công suất chuẩn hóa phát ra đƣợc quan sát từ bốn cổng đầu ra đƣợc thể hiện trong Hình 3.7.
Hình 3.7 Kết quả mô phỏng BPM tại các cổng đầu ra 1, 2, 3 và 4 cho các địa chỉ (b) 00, (c) 0-pi, (d) pi-0 và (e) pi-pi
Bằng cách sử dụng mô phỏng BPM, các trường được truyền dẫn thông qua toàn bộ linh kiện cho các địa chỉ 00, 0, 0, đƣợc trình bày trong Hình 3.8. Kết quả mô phỏng cho thấy phân tích có sự tương đồng tốt với mô phỏng số.
Công suất chuẩn hóa Công suất chuẩn hóa Công suất chuẩn hóa
Công suất chuẩn hóa
Chuỗi thời gian Chuỗi thời gian
Cổng 1 Cổng 2 Cổng 3 Cổng 4 Cổng 1
Cổng 2 Cổng 3 Cổng 4
Cổng 1 Cổng 2 Cổng 3 Cổng 4
Cổng 1 Cổng 2 Cổng 3 Cổng 4
Chuỗi thời gian Chuỗi thời gian
99
(a) Tín hiệu đầu vào tại cổng 1
(b) Địa chỉ 00 (c) Địa chỉ 0-pi (d) Địa chỉ pi-0 (e) Địa chỉ pi-pi Hình 3.8 Kết quả mô phỏng BPM cho (a) tín hiệu đầu vào tại cổng 1
và cho các trường hợp địa chỉ (b) 00, (c) 0-pi, (d) pi-0 và (e) pi-pi
Nhận xét: Luận án trình bày một mạch quang mới dựa trên cấu trúc MMI để nhận dạng nhãn BPSK. Các mạch sử dụng các cấu trúc 1x2, 4x4 và 2x2 MMIs. Thiết kế này dựa trên nền tảng SOI, phù hợp với công nghệ CMOS hiện tại. Do đó, thiết kế mới của Luận án có ƣu điểm về suy hao thấp, kích thước nhỏ, băng thông cao và dung sai chế tạo lớn so sánh với các nghiên cứu gần đây đƣợc công bố dựa trên bộ ghép hình chữ X. Dung sai chế tạo cho phép cho chiều dài MMI là ±100 nm và băng thông khoảng 15nm.
Cấu trúc cảm biến đề xuất có thể tích hợp vào tất cả các mạng chuyển mạch nhãn quang.
100