Ánh sỏng khi lan truyền được trong phần dẫn súng thẳng W0 và đến dẫn súng uốn cong S1, tại đõy cú hai trường hợp xảy ra [13,16,17,30,39,42,47,54]:
Ánh sỏng ―chệch‖ khỏi kờnh dẫn súng và lọt vào mụi trường xung quanh, dẫn đến sự tổn hao do uốn cong. Điều này thường do kờnh dẫn súng uốn cong cú bỏn kớnh cong nhỏ hoặc do gúc chia kờnh (α) lớn nờn làm cho phương truyền súng bị uốn ―mạnh‖, dẫn đến gúc phản xạ toàn phần trong kờnh dẫn thay đổi mạnh và nhỏ hơn gúc tới hạn.
Khi bỏn kớnh cong đủ nhỏ hoặc gúc chia đủ nhỏ thỡ ỏnh sỏng đến phần rẽ nhỏnh sẽ chia rẽ trờn hai kờnh dẫn súng.
Giả sử ỏnh sỏng được chia ra trờn hai nhỏnh và khụng tớnh sự tổn hao do uốn cong của dẫn súng, cụng suất trờn cỏc nhỏnh này được tớnh như sau [1-8].
MCF MCF in e e P P 1 1 (3.1) MCF in e P P 1 1 2 (3.2)
Trong đú MCF (Mode Conversion Factor) là hệ số chuyển đổi mode, được tớnh:
2 2 2 2 2 1 3
)
tan( n n
n
n
MCF
(3.3)Trong đú n1, n2 lần lượt là chiết suất trờn hai nhỏnh S1, S2, nlà chiết suất trung bỡnh hai nhỏnh (n = (n1+n2)/2), α gúc giữa hai nhỏnh, n3 là chiết suất mụi trường bao quanh chip chia cụng suất.
Khi MCF >> 0.47 thỡ chờnh lệch chiết suất giữa hai nhỏnh đủ lớn và khi đú xảy ra hiện tượng chuyển đổi Mode dẫn súng tức ỏnh sỏng cú xu hướng lan truyền sang kờnh dẫn súng cú chiết suất lớn hơn. Lỳc này linh kiện chia quang 1x2 đúng vai trũ như một linh kiện khoỏ quang.
Khi MCF < 0.47 thỡ cụng suất ỏnh sỏng chia đều trờn hai nhỏnh dẫn súng. Lỳc này chip chia 1x2 đúng vai trũ như một linh kiện chia cụng suất quang. Vậy MCF < 0.47 là điều kiện quan trọng trong linh kiện chia cụng suất quang.
3.1.3. Tổn hao trong dẫn súng chia cụng suất quang 1x2 (PS1x2)
Tổn hao quang trong dẫn súng PS 1x2 bao gồm tổn hao lan truyền và tổn hao do bức xạ tại kờnh dẫn súng uốn cong. Tổn hao lan truyền như đó được trỡnh bày trong chương 2 bao gồm 3 dạng: tổn hao do hấp thụ, do tõm tỏn xạ, do tỏn xạ bề mặt. Tổn hao do bức xạ tại phần uốn cong trờn kờnh dẫn súng sinh ra do sự uốn cong kờnh dẫn súng nờn gúc giữa phương lan truyền ỏnh sỏng và trục của
dẫn súng thay đổi. Sự thay đổi gúc như đó chứng minh trong chương 1 sẽ làm thay đổi cấu trỳc mode của dẫn súng, cỏc mode bậc cao sẽ bị khỳc xạ và đi vào mụi trường xung quanh của kờnh dẫn súng sinh ra sự tổn hao do bức xạ.
3.2. Thiết kế linh kiện chia quang 1x2 và chế tạo mặt nạ (Mask)
Thiết kế linh kiện quang cú vai trũ quan trọng quyết định đến chất lượng hoạt động của linh kiện. Trong thiết kế phải tớnh đến ảnh hưởng đồng thời của cỏc thụng số lờn hiệu suất hoạt động của linh kiện. Đặc biệt, trong hệ quang tớch hợp thỡ số thụng số hoạt động rất lớn, do đú sự tớnh toỏn trong thiết kế là một cụng đoạn cụng nghệ thiết yếu. Trong thực tế cỏc hóng sản xuất thường giữ bản thiết kế rất bớ mật, bản thiết kế thường được thiết kế bằng phần mềm chuyờn dụng. Bản thiết kế được sử dụng tuỳ theo cụng nghệ chế tạo linh kiện hoặc được sử dụng để chế tạo mặt nạ (mask) hoặc được sử dụng điều khiển di chuyển đầu vẽ trực tiếp linh kiện trong cụng nghệ chế tạo khụng dựng mặt nạ. Do đú, trọng mọi cụng nghệ chế tạo linh kiện quang thỡ khõu thiết kế phải được thực hiện.
Trong quy trỡnh xõy dựng phần mềm thiết kế, đầu tiờn người ta thiết lập mụ hỡnh vật lớ cho linh kiện, mụ hỡnh này tốt là khi nú mụ tả gần đỳng với thực tế. Bước thứ hai là xõy dựng được thuật toỏn tớnh phự hợp sao cho kết quả tớnh tốt, tốc độ tớnh nhanh. Bước thứ ba lựa chọn ngụn ngữ lập trỡnh phự hợp để viết chương trỡnh mụ phỏng theo kết cấu của thuật toỏn. Bước thứ tư là chạy chương trỡnh và phõn tớch kết quả tớnh toỏn xem đó phự hợp cơ bản cho yờu cầu bài toàn chưa. Bước thứ năm là từ bản thiết kế thu được người ta xõy dựng thực nghiệm đỳng theo bản thiết kế nhằm thu được kết quả thực nghiệm. Bước thứ sỏu là người ta so sỏnh kết quả mụ phỏng với kết quả thực nghiệm, thụng thường sẽ cú sai số giữa kết quả theo thiết kế và thực nghiệm và khi đú người ta sẽ điều chỉnh lại toàn bộ từng bước trờn. Trong quy trỡnh làm phần mềm thiết kế để thu được kết quả tốt cần cú thiết bị thực nghiệm rất hiện đại và số lần kiểm tra đỏnh giỏ phần mềm thiết kế rất nghiờm ngặt, do vậy nú thường được phỏt triển theo một dự ỏn lớn - nghiờn cứu phần mềm ứng dụng độc lập.
Trong nghiờn cứu luận văn chọn phương ỏn khai thỏc phần mềm thương mại cho việc thiết kế. Luận văn sử dụng phần mềm OptiWave 7.0 để thiết kế linh kiện chia cụng suất quang 1x2 [43]. Phần mềm này mụ phỏng lan truyền ỏnh sỏng trong dẫn súng quang dựa trờn phương phỏp tớnh FFTBPM (phương phỏp này đó được trỡnh bày trong Chương 1), và cho phộp khảo sỏt ảnh hưởng cỏc thụng số của linh kiện lờn hiệu suất truyền ỏnh sỏng trong linh kiện. Cỏc thụng số đú như chiết suất kờnh dẫn, chiết suất mụi trường xung quang kờnh dẫn, bỏn kớnh cong, kớch thước kờnh dẫn vv.
Thiết kế trờn phần mềm OptiWave 7.0 với thụng số đầu vào của vật liệu lai hữu cơ - vụ cơ ASZ:
Lớp đệm: đế SiO2, cú chiết suất tại bước súng 1538 nm bằng 1.4442
Kờnh dẫn súng: vật liệu nano ASZ được chiếu sỏng UV, cú chiết suất bằng 1.4850
Mụi trường xung quanh kờnh dẫn là vật liệu ASZ khụng được chiếu sỏng, cú chiết suất bằng 1.4820.
Khảo sỏt thay đổi bỏn kớnh cong R khỏc nhau để thu được hiệu suất ỏnh sỏng lan truyền từ đầu vào (dẫn súng thẳng W0) đến hai đầu ra (trờn hai dẫn súng thẳng W1, W2) lớn nhất, chọn được bỏn kớnh cong phự hợp nhất R = 5cm. Hỡnh 3.2 là ảnh thiết kế cấu trỳc 2D linh kiện chia quang 1x2, hỡnh 3.3.a là ảnh thiết kế phõn bố chiết suất của linh kiện chia quang 1x2, hỡnh 3.3.b là ảnh thiết kế phõn bố chiết suất với mặt thiết diện tại đầu vào của linh kiện chia quang 1x2.
Hỡnh 3.2. Ảnh thiết kế cấu trỳc linh kiện chia quang 1x2
Cỏc thụng số cấu trỳc hỡnh học của linh kiện chia quang 1x2 trờn hỡnh 3.2 như sau:
Kớch thước linh kiện: rộng 350 m, dài 2000 m.
Kờnh dẫn thẳng: chiều dài 7000 m, chiều rộng kờnh dẫn bằng 50
m, chiều dày là 5m,
Kờnh dẫn uốn cong cú bỏn kớnh cong R = 5 cm, khoảng cỏch giữa hai kờnh song song tại đầu ra bằng 250 m.
Phõn bố chiết suất trong linh kiện chia cụng suất quang 1x2 biểu diễn trờn hỡnh 3.3. Màu xanh biểu thị chiết suất khụng khớ, màu gạch chiết suất đế bằng 1.4442 (đúng vai trũ lớp đệm), p vỏ (mụi trường xung quanh kờnh dẫn), màu đỏ biểu thị chiết suất kờnh dẫn.
a) Phõn bố chiết suất dọc theo phương Z b) Mặt cắt phõn bố chiết suất Hỡnh 3.3. Hỡnh ảnh phõn bố chiết suất của chip chia cụng suất 1x2
R = 5 cm
cm
h = 250 m
m
W = 50 m
Hai bờn
Đế
Dẫn súng Khụng khớ
Thụng số ỏnh sỏng lan truyền trong chip và điều kiện biờn
Ánh sỏng lan truyền trong linh kiện đơn sắc cú bước súng 1.55 m, phõn cực TE và cú cường phõn bố dạng Gauss (hỡnh 3.4.a)
Điều kiện biờn trong suốt TBC (như đó nờu trong Chương 1)
Bước tớnh số 0.5 m
Trong mụ phỏng, giả sử chiết suất trờn hai nhỏnh bằng nhau (n1 = n2 = 1.4850) nờn hệ số MCF = 0. Do vậy, trong thiết kế này giả sử chip hoạt động là chia cụng suất quang, thiết kế cần chọn ra bỏn kớnh cong thớch hợp với giỏ trị chiết suất của vật liệu nano ASZ, nhằm giảm sự tổn hao do sự uốn cong tại vựng phõn chia cường độ ỏnh sỏng.
Kết quả mụ phỏng chỉ ra hỡnh 3.4.a là phõn bố cường độ ỏnh sỏng tại đầu vào và hỡnh 3.4.b là phõn bố cường độ ỏnh sỏng tại hai đầu ra của chip. Hiệu suất năng lượng ỏnh sỏng tại hai đầu ra so với đầu vào bằng 90%.
a) Cường độ ỏnh sỏng tại đầu vào phõn bố dạng Gauss
b) Cường độ ỏnh sỏng tại đầu ra Hỡnh 3.4. Cường độ ỏnh sỏng tại cỏc đầu vào ra của chip
Hỡnh 3.5 mụ phỏng ỏnh sỏng lan truyền trong chip chia cụng suất 1x2, màu đỏ ứng với cường độ ỏnh sỏng mạnh nhất (chuẩn hoỏ bằng 1). Trờn hỡnh 3.5 cho thấy ỏnh sỏng phõn bố đều trờn hai nhỏnh của chip, chứng tỏ với cấu trỳc thiết kế này chip hoạt động tốt chức năng chia cụng suất ỏnh sỏng.
Hỡnh 3.5. Trường ỏnh sỏng 3D lan truyền trong chip chia cụng suất 1x2
Cấu trỳc chớp sau khi thiết kế được xuất ra dạng file Autocad như trờn hỡnh 3.6. Lưu ý, trờn hỡnh 3.6 bờn cạnh kờnh dẫn súng chia cụng suất cũn cú một kờnh dẫn súng thẳng, và bốn đoạn ngắn làm định vị, hai đường vàng lớn làm biờn của chip. Hệ làm Mask sử dụng file Autocad chế tạo được Mask trờn hỡnh 3.7.
Hỡnh 3.6. Mặt nạ của chip chia cụng suất quang 1x2 trờn file Autocad
Hỡnh 3.7. Mặt nạ của chip chia cụng suất quang 1x2, 1x4, 1x8
3.3. Chế tạo chip chia quang 1x2
Quy trỡnh chế tạo chip chia cụng suất quang được phõn làm ba giai đoạn như mụ tả trờn hỡnh 3.8 bao gồm:
Giai đoạn I: trải màng theo phương phỏp nhỳng kộo (Dip-Coating) trờn đế Silica bằng hệ thiết bị được mụ tả trờn hỡnh 2.8 (chương 2).
Giai đoạn II: tạo cấu trỳc chip chia cụng suất quang bằng cỏch chiếu chựm tia tử ngoại song song (UV) qua mặt nạ (MASK).
Giai đoạn III: ủ chip chia cụng suất quang trong lũ nung nhiệt Venticell 111 được mụ tả trong hỡnh 2.9 (chương 2) nhằm ổn định cấu trỳc chip.
Trong giai đoạn I: Trải màng mỏng trờn đế Silica cú kớch thước 2.5x7.5 cm, sử dụng vật liệu lai hữu cơ - vụ cơ nano ASZ. Cỏc thụng số vật liệu nano ASZF và hệ trải màng là:
- Độ nhớt dung dịch nano ASZ bằng 25 cSt - Tốc độ nhỳng kộo mẫu: 1 mm/s
- Tiến hành trong điều kiện phũng sạch, nhiệt độ phũng 250C
Trong giai đoạn II: Tạo cấu trỳc chip chia cụng suất quang lờn màng vật liệu ASZ bằng hệ chiếu chựm tử ngoại (UV), sơ đồ hệ chiếu UV trờn hỡnh 3.9 và hỡnh 3.10 là ảnh hệ chiếu tạo cấu trỳc chip chia quang.
Hỡnh 3.8. Qui trỡnh chế tạo chip chia cụng suất quang 1x2
1. Mỏy đo cụng suất quang (model 1835-C, Newport)
2. Digital Real-time Oscilloscope TDS 340A, Tektronix
3. Giữ mẫu, cú thể quan sỏt chựm UV
4. Hệ quang điều chỉnh chựm UV 5. Đốn thuỷ ngõn 500 W phỏt UV 6. Bộ thoỏt khớ
7. Bộ đo cụng suất quang
Hỡnh 3.9. Sơ đồ hệ chiếu UV tạo cấu trỳc dẫn súng
Đế SiO2 Màng ASZ Đế SiO2 Màng ASZ Đế SiO2 Đế SiO2 Dip-Coating UV Tạo cấu trỳc chip Xử lớ nhiệt MASK
I
I
I
II
I
Hỡnh 3.10. Hệ tạo cấu trỳc chip chia quang
Nguồn phỏt UV là đốn thuỷ ngõn xenon cú phổ phỏt xạ như trờn hỡnh 3.11. Phổ đốn thuỷ ngõn xenon cú cỏc đỉnh phổ cực đại 313 nm, 365 nm nằm trong vựng hấp thụ mạnh của vật liệu ASZ pha chất cảm quang DPA.
Hỡnh 3.11. Phổ quang của đốn thuỷ ngõn Xenon
Mask được đặt gần màng, cụng suất chựm UV được duy trỡ ổn định 30 mW/cm2 trong thời gian chiếu 30 phỳt.
Trong giai đoạn III: Bước tiếp theo mẫu được xử lý nhiệt nhằm ổn định và làm bền cấu trỳc dẫn súng trong lũ sấy (hỡnh 2.9), chu trỡnh ủ nhiệt được khảo sỏt và lựa chọn tối ưu trờn hỡnh 3.12.
Chu trỡnh ủ nhiệt 0 30 60 90 120 150 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Thời gian ủ N h iệ t đ ộ ( 0C )
Hỡnh 3.12. Chu trỡnh xử lớ nhiệt cho chip sau khi tạo cấu trỳc
1
2
Hỡnh 3.13. Mẫu chip chia cụng suất 1x2
3.4. Đo cỏc thụng số chip chia quang 1x2 3.4.1. Hỡnh thỏi bề mặt chip PS1x2 3.4.1. Hỡnh thỏi bề mặt chip PS1x2
Sử dụng mỏy đo Alpha-Step IQ– Surface Profiler (hỡnh 2.12) ta thu được ảnh cấu trỳc chip trờn hỡnh 3.14. Đường 1 là kờnh dẫn súng thẳng, đường 2 là chip chia cụng suất, ảnh phúng đại là 100 lần và cho thấy cỏc đường dẫn súng rất rừ nột.
Hỡnh 3.14. Cấu trỳc chip phõn chia cụng suất 1x2
Hỡnh 3.15. Tăng chiều dày kờnh dẫn súng
Hỡnh 3.15 là hỡnh thỏi bề mặt của cỏc kờnh dẫn súng , cú một số nhận xột sau:
Đối xứng hỡnh học, độ bỏn rộng kờnh 50 m, hai kờnh cỏch đều nhau 250m.
Đồng đều chiều dày, phần nổi kờnh dẫn thay đổi trong khoảng 0.47-0.5 m
Bề mặt đồng đều và gúc chia kờnh dẫn rừ ràng 1 2 1- 1 2- 1 2- 2
1-1 2-1 2-2
Từ cỏc kết quả đo này cho thấy, chip PS1x2 cú cấu trỳc hỡnh học đạt được tốt theo thiết kế ban đầu. Sự nổi lờn của cỏc kờnh là do vật liệu ASZ nhạy quang do chiếu UV chứng tỏ xảy ra quỏ trỡnh phản ứng quang trựng hợp, làm chiết suất kờnh dẫn súng tăng lờn và lớn hơn chiết suất vựng xung quang. Vậy cú thể khẳng định chip chia cụng suất quang 1x2 đó hỡnh thành.
3.4.2. Hiệu suất truyền dẫn ỏnh sỏng
Sơ đồ nguyờn lớ đo: hỡnh 3.16 là sơ đồ nguyờn lớ đo hiệu suất truyền dẫn ỏnh sỏng trong chip PS1x2, bao gồm một sợi quang đơn mode (đường kớnh lừi sợi 9 m) ghộp với đầu vào của chip, tại đầu ra chip ghộp với sợi quang đa mode (đường kớnh lừi sợi 50 m). Việc ghộp này sử dụng hệ ghộp quang chuyờn dụng Kohzu, cú khả năng dịch chuyển sỏu chiều (bước dịch 1 m, gúc dịch 30). Ánh sỏng ra từ sợi quang đa mode được chuyển qua tớn hiệu điện và đo tớn hiệu điện này trờn Osciloscope.
Thực nghiệm và kết quả: hỡnh 3.17 là ảnh hệ thực nghiệm đo hiệu suất hoạt động của chip PS1x2. Ánh sỏng phỏt ra từ laser DFB độ đơn sắc cao (0.5 nm), bước súng 1550 nm, được ghộp tại đầu vào sợi quang đơn mode. Tại đầu ra sợi đơn mode được ghộp nối với đầu vào chip trờn hệ vi chỉnh Kohzu. Cụng suất quang tại đầu ra sợi quang đơn mode khụng đổi cú giỏ trị 0.25 mW tương ứng với tớn hiệu điện 0.3V đo trờn Osciloscope (đường 1, hỡnh 3.18.a). Khi đầu ra sợi đơn mode ghộp vào kờnh dẫn súng thẳng tại đầu vào 1 (hỡnh 3.14) thỡ tại đầu ra 1-1 tương ứng thu được tớn hiệu điện 15 mV (đường 1-1, hỡnh 3.18 b) tương ứng cụng suất quang 0.015 mW, vậy hiệu suất dẫn súng kờnh thẳng là 6%. Khi đầu ra sợi đơn mode ghộp vào đầu vào chip chia quang PS1x2 kờnh 2 (hỡnh 3.14) thỡ tại đầu ra 2-1 thu được tớn hiệu điện 7.5 mV (đường 2-1, hỡnh 3.18.c) tương ứng cụng suất quang 0.0075 mW, tại đầu ra 2-2 thu được tớn hiệu điện 7.0 mV (đường 2-1, hỡnh 3.18.d) tương ứng cụng suất quang 0.007 mW, vậy hiệu suất dẫn súng trờn Chip 5.5%.
Error!
Hỡnh 3.16. Sơ đồ nguyờn lớ đo thụng số hoạt động của chip PS1x2
SP1x2 Photodetector Osciloscope Laser Sợi quang Kohzu Sợi quang
Hỡnh 3.17. Hệ đo cụng suất ỏnh sỏng đầu vào/ra
Hỡnh 3.18 a) Tớn hiệu điện tương ứng với cụng suất quang tại đầu ra của sợi đơn mode
Hỡnh 3.18 b) Tớn hiệu điện tương ứng với cụng suất quang tại đầu ra của kờnh dẫn súng thẳng
Hỡnh 3.18 c) 2-1 Tớn hiệu điện tương ứng với cụng suất ra tại kờnh 2-1 của chip
Hỡnh 3.18 d) Tớn hiệu điện tương ứng
với cụng suất ra tại kờnh 2-2 của chip
3.4.3. Thảo luận kết quả
Hiệu suất truyền dẫn năng lượng ỏnh sỏng laser tại bước súng 150 nm của chip PS1x2 bằng 5.5%. Giỏtrị hiệu suất này đang cũn thấp hơn nhiều so với yờu
1 1-1
2-1 2-2
a a
cầu thực tế ứng dụng. Nguyờn nhõn cơ bản dẫn đến hiệu suất truyền dẫn cụng suất của chip PS1x2 thấp là:
