CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NHÃN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN TOÀN QUANG
1.1 Hệ thống thông tin toàn quang
1.1.4 Bộ ghép giao thoa đa mode MMI
Một linh kiện ghép sóng nhiều mode MMI đƣợc thực hiện thông qua dẫn sóng đa mode có chỉ số khúc xạ hay chiết suất bậc (đƣợc biểu diễn trong Hình 1.6 (a)). Cấu trúc có chiều dài L, chiều rộng W và chỉ số khúc xạ n, không hiển thị cổng sóng vào/ra.
Về nguyên tắc, cấu trúc 3D có thể đƣợc giảm xuống thành dẫn sóng tấm 2D thông qua phương pháp chỉ số chiết suất hiệu dụng, vì vậy thành phần trường chỉ còn phụ thuộc vào trường theo trục y.
MMI dựa trên hiện tƣợng giao thoa của các đa mode trong dẫn sóng.
Khi ánh sáng truyền qua dẫn sóng MMI, các đa mode tương tác và giao thoa
(a) (b) (c)
29
với nhau, tạo ra một mẫu phân phối cường độ ánh sáng dọc theo dẫn sóng.
Bằng cách kiểm soát kích thước và hình dạng của dẫn sóng MMI, có thể thiết kế một mẫu giao thoa cụ thể để thực hiện các chức năng nhƣ chia hoặc ghép sóng ánh sáng. Trường trong ống dẫn sóng MMI tại vị trí z được tính theo công thức:
[ ] (1.3) là trường trong ống dẫn sóng MMI tại vị trí z, Β: Hằng số truyền lan.
Dùng phương pháp chỉ số chiết suất hiệu dụng, cấu trúc MMI được đặc trƣng bởi chỉ số chiết suất và các modes đƣợc đặc trƣng bởi hằng số truyền lan và hằng số sóng bởi phương trình tán sắc , với và
. Trong đó là độ rộng hiệu dụng của MMI cú tớnh đến dịch chuyển Goos-Họnchen. Với ống dẫn súng cú độ tương phản chiết suất cao nhƣ ống dẫn sóng silic đƣợc sử dụng trong Luận án (để phù hợp với công nghệ vi mạch quang tử và vi mạch hiện thời), thì MMI do dịch chuyển Goos-Họnchen khụng đỏng kể. Từ đú ta cú xấp xỉ
. Vì vậy, hiệu số hằng số truyền lan đƣợc viết lại nhƣ sau:
trong đó là chiều dài phách thể hiện sự khác nhau giữa 2 mode bậc thấp nhất trong ống dẫn sóng đa mode.
Dựa vào vị trí ống dẫn sóng đầu vào, ra, chiều dài mà MMI có 3 cơ chế cơ bản là giao thoa đa mode giới hạn (restricted interference-RI), tổng quát (general interference-GI) và đối xứng (symmetric interference-SI). Một điểm mới của Luận án là tìm ra cấu trúc MMI để có thể thực hiện đƣợc chức năng xử lý tín hiệu quang trong mạng chuyển mạch nhãn và gói quang.
30
Dựa vào cấu trúc giao thoa đa mode MMI, có rất nhiều cấu trúc linh kiện chức năng đƣợc thiết kế và chế tạo nhƣ [111]: bộ ghép quang, bộ giám sát kênh quang, bộ chuyển mạch và điều chế quang sử dụng MZI, bộ điều chế/giải điều chế, cổng logic quang, các bộ phân chia cực quang, bộ định tuyến quang, bộ giải mã quang, cảm biến quang và laser. Bộ cộng hưởng MMI có thể đƣợc kết hợp với các thành phần khác để tạo ra các linh kiện chức năng đặc biệt như kết hợp với tinh thể quang, bộ cộng hưởng quang, v.v.
Gần đây cấu trúc 4x4 MMI đƣợc thiết kế để thực hiện học máy và mạng nơ- ron quang, là một hướng nghiên cứu mới trong tương lai [112].
(a) (b) Hình 1.6 Cấu trúc MMI và các profile mode
Đặc tính của bộ ghép MMI có thể đƣợc đặc trƣng bằng một ma trận, gọi là ma trận truyền dẫn M [113, 114]. Phương pháp phân tích MMI dựa vào ma trận truyền dẫn gọi là phương pháp ma trận truyền dẫn, TMM (Transmission Matrix Method). Việc phân tích MMI dùng phương pháp TMM đơn giản, tính toán nhanh và cho kết quả chính xác. Do vậy, phương pháp TMM đƣợc sử dụng. Trong nghiên cứu này, sau khi mô tả MMI bằng ma trận, Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng số FDTD, BPM và EME để tối ƣu hóa cấu trúc ở xung quanh giá trị mà TMM tìm ra.
Giả sử MMI đƣợc đặc trƣng bằng ma trận M. Tín hiệu vào và ra của bộ ghép MMI [ ] và [ ] quan hệ với nhau qua phương trình: b=Ma trong đó [ ] biên độ phức tín hiệu vào cổng i và là biên độ phức tín hiệu ra cổng j.
Chỉ số chiết suất hiệu dụng n
MMI ảo Chiều dài L
Độ rộng W Cổng vào
Cổng ra
MMI thực
31