Tải bản đầy đủ
Chuyển mạch quang dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode

Chuyển mạch quang dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode

Tải bản đầy đủ

thiết cho hoạt động chuyển mạch. Sau đó, luận án đi vào thiết kế các bộ chuyển mạch toàn
quang cấu trúc 2×2 và 3×3 sử dụng hiệu ứng phi tuyến (hiệu ứng Kerr) và hiệu ứng quang điện (hiệu ứng electro-optic) để tạo ra các bộ dịch pha cho các cấu trúc chuyển mạch.
Phương pháp ma trận chuyển đổi được sử dụng để phân tích nguyên lý hoạt động và
phương pháp truyền chùm (BPM) được sử dụng cho thiết kế và tối ưu toàn bộ cấu trúc.

3.1 Phân tích tổng quát của chuyển mạch quang N×N
Xuất phát từ tính chất của các bộ giao thoa đa mode kích thước N×N (N là số nguyên
dương) có thể hoạt động như là một bộ phân chia (splitter) quang hoặc bộ kết hợp
(combiner) quang N đường nếu chọn chiều dài vùng giao thoa đa mode thích hợp theo cơ
chế giao thoa tổng quát. Nghĩa là ta có thể đưa vào tín hiệu quang vào bất kỳ cổng đầu vào
nào thì tín hiệu quang sẽ được phân chia ra thành N đường quang ở N cổng đầu ra với mức
công suất chia đều nhau (biên độ bằng nhau) và chỉ khác nhau về trạng thái pha của tín
hiệu. Ngược lại, nếu đưa vào N cổng đầu vào các tín hiệu quang với biên độ bằng nhau và
các tín hiệu này có sự sai pha một cách thích hợp (giống như sai lệch pha của một bộ chia
quang N đường) thì đầu ra thực hiện kết hợp các tín hiệu quang này lại thành một tín hiệu
ra ở một cổng ra nào đó. Từ đây, ý tưởng sử dụng hai bộ ghép đa mode giống hệt nhau với
kích thước N×N nối với nhau bằng các ống dẫn sóng truy nhập (thường là ống dẫn sóng
đơn mode) sau đó thực hiện cơ chế tác động bằng trường điều khiển ngoài đến các ống dẫn
sóng vùng giữa này (các cánh dẫn sóng) tạo ra các lượng dịch pha thích hợp thì có thể thực
hiện cơ chế chuyển mạch quang không chặn (tức là bất kỳ cổng đầu vào nào cũng có khả
năng chuyển mạch đến bất kỳ cổng đầu ra nào).

Hình 3.. Sơ đồ nguyên lý của bộ chuyển mạch quang N×N sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode.

Sơ đồ nguyên lý cấu hình của bộ chuyển mạch quang đề xuất được thể hiện như trên
Hình 3.. Ta sẽ phân tích hoạt động của bộ chuyển mạch bằng cách sử dụng phương pháp ma
trận chuyển đổi –TMM (transfer matrix method). Ta gọi các cổng đầu vào bộ chuyển mạch
cũng là các cổng đầu vào của bộ ghép đa mode thứ nhất lần lượt được đánh số và có biên
độ phức ký hiệu là ai các cổng đầu ra bộ ghép đa mode thứ nhất là Ai, các cổng đầu vào bộ
ghép đa mode thứ hai là Bi, các cổng đầu ra bộ ghép đa mode thứ hai cũng là các cổng đầu
ra của bộ chuyển mạch là bi (i=0,1,2...N). Giữa các cổng Ai và Bi là bộ dịch pha với góc
dịch pha là φi. Ta có quan hệ sau đây:
A i = Bi e jϕi

Equation Chapter (Next) Section 1\*
65

Nếu các cổng được biểu diễn dưới dạng ma trận như sau:

 A1 
 B1 
 a1 
 b1 
 ÷
 ÷
 ÷
 ÷
A2 ÷
B2 ÷
a2 ÷
b



A=
B=
a=
b= 2 ÷
 ... ÷
 ... ÷
 ... ÷
 ... ÷
 ÷
 ÷
 ÷
 ÷
 AN  ,
 BN  ,
 bN 
 aN  ,

\* MERGEFORMAT (.)

Ký hiệu ma trận dịch pha biểu diễn như sau:
 eϕ1 0 ...0

0 eϕ2 ...0
Φ = 
M

 0 0L eϕN



÷
÷
÷
÷
÷

\* MERGEFORMAT (.)

Khi đó, ta có các quan hệ ma trận như sau:
BΦ.A
=

, b = M .B và A = M .a

\* MERGEFORMAT (.)

Do vậy cuối cùng ta thu được quan hệ ma trận giữa biên độ phức vào và ra của bộ chuyển
mạch:
b = M .Φ.M .a

\* MERGEFORMAT (.)

Với M ký hiệu là ma trận truyền đạt của bộ ghép giao thoa đa mode. Để sử dụng bộ ghép
đa mode như là bộ phân chia hay kết hợp đường quang theo cơ chế giao thoa đa mode, ta

chọn chiều dài của bộ ghép đa mode thỏa mãn điều kiện tạo ảnh theo biểu thức là
. Lúc đó, ma trận M được viết như sau:

 eϕ11 eϕ21 ...eϕN 1

1  eϕ12 eϕ22 ... eϕN 2
M=
N M

 eϕ1 N eϕ2 N L eϕ NN


L=

3Lπ
N


÷
÷
÷
÷
÷

\*
MERGEFORMAT (.)

ϕ

Trong đó các góc pha rs , r,s=1,2,3,…,N được xác định từ các công thức tính và là những
góc pha hoàn toàn xác định khi biết được cấu trúc giao thoa cũng như chiều dài của bộ
ghép giao thoa đa mode.
Thay thế các biểu thức trên vào biểu thức , ta được kết quả:
66

 eϕ11 eϕ21 ...eϕ N 1
 b1 
 ϕ12 ϕ22
 ÷
b
e ... eϕ N 2
1
2
 ÷=  e
 ... ÷ N M

 ÷
 eϕ1 N eϕ 2 N L eϕNN
 bN 


  eϕ1 0 ...0
÷
ϕ
÷ 0 e 2 ...0
÷M
÷
÷ 0 0L eϕ N


  eϕ11 eϕ21 ...eϕ N 1
÷ ϕ12 ϕ22
e ... eϕ N 2
÷ e
÷M
÷
÷ eϕ1 N eϕ2 N L eϕ NN


  a1 
÷ ÷
÷ a2 ÷
÷ ... ÷
÷ ÷
÷ aN 


\* MERGEFORMAT (.)
Phương trình biểu diễn khi triển khai ra cho thấy rằng muốn chuyển mạch từ cổng đầu

( ϕ ,ϕ ,..., ϕ N ) từ hệ
vào ai nào đến cổng đầu ra bk nào thì chỉ cần giải được bộ biến số 1 2
phương trình N phương trình tuyến tính. Phép giải hệ phương trình tuyến tính gồm có N
phương trình N ẩn là hoàn toàn giải được về mặt toán học nhờ sử dụng công thức tính định
thức của Crammer.
Để ý rằng, trong số N biến số

( ϕ1 ,ϕ 2 ,..., ϕ N ) , một biến có thể được tự do. Do vậy ta có

ϕ = 0 . Khi đó, để
thể quy chiếu nó là một hằng số. Không giảm tổng quát, có thể giả sử N
thiết kế bộ chuyển mạch dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode theo cấu trúc MZI như trên,
chỉ cần thiết kế điều khiển N-1 bộ dịch pha là đủ để cho hoạt động chuyển mạch không
chặn của tất cả các trạng thái. Cũng cần chú ý thêm rằng khi N lớn ( N ≥ 4 ) thì cần phải tạo
ra nhiều bộ dịch pha, về mặt thiết kế và bố trí các bộ dịch pha ở các cánh giữa các vùng đa
mode như vậy với công nghệ sử dụng các cấu trúc ống dẫn sóng quang phẳng là rất khó
khăn và phức tạp. Do khuôn khổ có hạn của một luận án, tác giả chỉ tập trung thiết kế các
bộ chuyển mạch quang cấu hình sử dụng như trên cho trường hợp N=2 và N=3. Phần tiếp
theo của chương này sẽ trình bày chi tiết nội dung nghiên cứu sâu về khả năng áp dụng của
các cấu trúc giao thoa đa mode sử dụng các bộ ghép đa mode kích thước 2×2 và 3×3.

3.2
Bộ chuyển mạch toàn quang dựa trên các bộ ghép giao thoa
đa mode 3×3 sử dụng các bộ ghép phi tuyến
Gần đây, các ống dẫn sóng chalcogenide (As 2S3) đã được đề xuất như là một nền tảng
mới cho xử lý tín hiệu quang mang lại hiệu năng tốt ở tốc độ bit cao. Thêm vào đó, tính phi
tuyến cao có khả năng làm ra các phần tử mật độ cao với tiềm năng tích hợp nguyên khối
[143], do bởi hệ số phi tuyến n2 lớn và sự hấp thu hai photon thấp (đặc tính vật liệu tốt ),
khả năng thích hợp đặc tính vật liệu thông qua hóa học lượng pháp cũng như độ nhạy
quang. Những đặc tính này cho phép chế tạo các cách tử và ống dẫn sóng ghi quang, hơn
thế nữa ta có thể sử dụng tương tác phi tuyến bằng các hiệu ứng điều chế pha chéo XPM
(cross phase modulation) tác động đến hệ số phi tuyến gây dịch pha để điều khiển hoạt
động chuyển mạch.
Phần này đề xuất một cấu trúc mới cho chuyển mạch toàn quang dựa trên hai bộ ghép
giao thoa đa mode kiểu 3×3 sử dụng các ống dẫn sóng ghép định hướng với tác động của
67

hiệu ứng phi tuyến Kerr đóng vai trò của các bộ dịch pha. Thủy tinh chalcogenide trên nền
silica được sử dụng để thiết kế. Trong nghiên cứu này, nguyên lý của các bộ chuyển mạch
dựa trên phân tích lý thuyết được trình bày. Các bộ ghép định hướng tại hai cánh ngoài
cùng ở đoạn nối giữa hai bộ ghép đa mode 3×3 đóng vai trò của các bộ dịch pha. Để tạo ra
các bộ dịch pha sử dụng các bộ ghép định hướng, tín hiệu điều khiển dẫn ra một cánh của
bộ ghép trục tiếp và tín hiệu thông tin được ra một ống dẫn sóng khác cũng là cánh ngoài
cùng của cấu trúc giao thoa Mach-Zehnder. Tín hiệu điều khiển phải được tách biệt từ tín
hiệu đầu vào và các tín hiệu dẫn vào cấu trúc chuyển mạch từ ống dẫn sóng truy nhập khác
sau hoạt động chuyển mạch. Điều này để làm giảm công suất chuyển đổi lẫn giữa các ống
dẫn sóng thông tin và ống dẫn sóng điều khiển. Mô phỏng số được sử dụng để làm sáng tỏ
nguyên lý hoạt động của các bộ chuyển mạch toàn quang đã đề xuất.

3.2.1

Phân tích và thiết kế cấu kiện

Hoạt động của một bộ ghép giao thoa đa mode (MMI) được dựa trên nguyên lý tự tạo
ảnh [9]. Tự tạo ảnh là một đặc tính của một ống dẫn sóng bởi trường đầu vào được tái tạo
thành đơn ảnh hoặc đa ảnh tại các khoảng chu kỳ dọc theo hướng truyền sóng. Bộ ghép đa
mode có thể được đặc tả bởi lý thuyết ma trận chuyển đổi [9] [71]. Theo lý thuyết này,
quan hệ giữa các vector vào và ra có thể nhận được bởi quan hệ ma trận. Để đạt được yêu
cầu ma trận chuyển đổi thì vị trí của các đầu vào và các đầu ra của bộ ghép MMI phải được
thiết lập một cách chính xác.
Trong nghiên cứu này, ống dẫn sóng 3×3 MMI có chiều rộng là
sóng truy nhập có cùng độ rộng
trí tọa độ xi như sau:

wa

WMMI

, các ống dẫn

, Vị trí của ba đầu vào và ba đầu ra được định vị tại vị

 1 W
xi =  i + ÷ e
 2  3 , (i=0,1,2)

\* MERGEFORMAT (.)

Ở đây, We là độ rộng hiệu dụng của bộ ghép đa mode. Nó được xác định bởi biểu thức:

We = WMMI +

λ0 2 2
nr − nc
π

của lớp vỏ và

(

)

−0.5

, với

nr

là hệ số chiết suất của lớp lõi và

nc

là hệ số chiết xuất

λ0 là bước sóng công tác trong không gian tự do.

Chiều dài của bộ ghép MMI theo cơ chế giao thoa GI được thiết lập:

LMMI = Lπ

\* MERGEFORMAT (.)

Với Lπ được định nghĩa là nửa chiều dài phách giữa hai mode bậc thấp nhất truyền trong
ống dẫn sóng và được tính theo công thức sau đây theo cơ chế giao thoa tổng quát:

68

4n We2
π
L =
≈ r
π β0 -β1
3λ0

\* MERGEFORMAT (.)

Ma trận chuyển đổi của các bộ ghép đa mode 3×3 (giao thoa GI) được xác định bởi [9]:

 − j π3
e

1  j 23π
M=
e
3 π
 j3
e


e

j

e
e

j


3

j

π
3


3

e
e
e

j

j

π
3


3

−j

π
3


÷
÷
÷
÷
÷
÷


\* MERGEFORMAT (.)

Cấu hình của bộ chuyển mạch toàn quang được đề xuất được trình bày trên Hình 3.. Nó
gồm có hai bộ ghép nối giao thoa đa mode kiểu 3×3 giao thoa tổng quát có cùng kích
thước. Bộ ghép đa mode MMI đầu tiên hoạt động như là một bộ chia quang trong khi đó
bộ thứ hai hoạt động như là một bộ kết hợp. Ở đây, các bộ ghép định hướng ghép với hai
cánh ngoài cùng của đoạn nối giữa hai bộ giao thoa đa mode đóng vai trò là các bộ dịch
pha để tín hiệu đầu ai (i=1,2,3) vào được chuyển mạch tới cổng đầu ra bj (j=1,2,3).
Các biên độ phức và các bộ dịch pha tại cổng vào và cổng ra của cấu trúc được đề xuất
(xem Hình 3.) có thể được biểu diễn bởi các ma trận như sau:

Hình 3.. Một bộ chuyển mạch toàn quang dựa trên các bộ ghép giao thoa
đa mode tổng quát kiểu 3×3 và sử dụng các bộ ghép định hướng làm các bộ dịch pha.

 e jϕ1 0 0 
 b1 
 a1 

÷
 ÷
 ÷
M in =  a2 ÷ M out =  b2 ÷ Φ =  0 1 0 ÷
 0 0 e jϕ2 ÷
b ÷
a ÷
 3,


 3,

\*

MERGEFORMAT (.)
Ở đây: a1, a2, a3 và b1, b2, b3 lần lượt là ba cổng vào và ba cổng ra một cách tương ứng; φ1
và φ2 là các góc dịch pha giữa hai cảnh ngoài cùng liên kết giữa các vùng đa mode (trong
điều kiện khởi tạo pha tại các cổng A1, A2 và A3 là như nhau). Min, Mout lần lượt là ma trận
69

đầu vào và đầu ra, Φ là ma trận dịch pha.
Chúng ta có các quan hệ sau:

M out = MΦ
. .M .M in

\* MERGEFORMAT (.)

Phương trình có thể được viết một cách chi tiết là :

 j ϕ1 − π3 ÷
j


e 3
e
 b1 
  2π 
π
j
 ÷ 1  j ϕ1 + 3 ÷
e 3
 b2 ÷ = 3  e
b ÷

 j ϕ1 + π ÷
j
 3
3

e
e 3



  − jπ
÷ e 3
2π  ÷ 


j  ϕ2 +
j
÷
3 ÷

3
e
÷.  e
π
π

j
j  ϕ2 − ÷ ÷ 
3

e
÷ 3
e
÷

e

π

j  ϕ2 + ÷
3


e

j

e
e


3

j

j

π
3


3

e
e
e

j

j

π
3


3

−j

π
3


÷
÷  a1 
÷.  a2 ÷
÷  ÷
÷
÷  a3 
÷


\*

MERGEFORMAT (.)
Tiếp đến chúng ta tính toán các dịch pha để điều khiển tín hiệu đầu vào tới bất kỳ cổng
đầu ra nào. Giả sử rằng các đầu ra được chuyển mạch tới cổng b1 (điều đó có nghĩa b1=1,
b2=b3=0) từ cổng a1 (a1=1, a2=a3=0). Khai triển và giải các phương trình chúng ta dễ
dàng nhận được nghiệm φ1=0, φ2=2π/3. Bằng cách này, chúng ta cũng tìm thấy các góc
dịch pha phù hợp cho tất cả các trạng thái hoạt động chuyển mạch. Tóm lại, do điều kiện
dịch pha của bộ ghép đa mode thứ nhất, pha tích lũy tại các bộ dịch pha được yêu cầu để
điều khiển tín hiệu đầu vào tới bất kỳ cổng đầu ra có thể được trình bày như trên Bảng 3..

Bảng 3.. Các trạng thái dịch pha yêu cầu cho hoạt động chuyển mạch 3×3
Đầu vào

φ1

φ2

1

0

2π/3

1

2π/3

0

1

-2π/3 -2π/3

2

2π/3

2

-2π/3 -2π/3

a
a
a
a
a

2

a

3

a

0

0

2π/3

-2π/3 -2π/3

3

0

2π/3

3

2π/3

0

a
a

Đầu ra
1

b

2

b

3

b

1

b

2

b

3

b

1

b

2

b

3

b

Như đã nói ở trên, cấu trúc của một bộ chuyển mạch toàn quang yêu cầu hai bộ ghép
70

định hướng phi tuyến [33] đóng vai trò là các bộ dịch pha ở hai cánh ngoài cùng của cấu
kiện quang như được thể hiện trên hình Hình 3.. Đầu tiên, bộ ghép định hướng gồm hai ống
dẫn sóng mà khoảng cách giữa chúng là rất nhỏ và ghép nối đầy đủ xảy ra giữa chúng
trong một chiều dài ghép nối mà tương tác giữa chúng là phi tuyến tính. Tính phi tuyến này
có thể được cách ly với trường điều khiển cao làm thay đổi hệ số chiết suất phi tuyến. Khi
khoảng cách giữa hai bộ ghép định hướng phi tuyến là rất nhỏ và biên độ trường thay đổi
rất chậm theo hướng truyền z, tương tác giữa các điện trường trong các bộ ghép định
hướng tuân thủ theo hệ phương trình ghép mode sau đây [80]:

(

)

−i

dA
2
2
= κ B + γ1 A + 2 B A
dz

\* MERGEFORMAT (.)

−i

dB
2
2
=κ A+γ2 B + 2 A B
dz

(

\* MERGEFORMAT (.)

)

κ=

π
2 Lc

Ở đây: κ là hệ số ghép tuyến tính được xác định bằng
, Lc là chiều dài ghép nối, A
và B là các biên độ trường của ống dẫn sóng điều khiển và ống dẫn sóng tín hiệu của bộ
ghép định hướng và γ1, γ2 là các hệ số phi tuyến được mô tả bởi các hiệu ứng điều chế tự
dịch pha SPM (self phase modulation) và các hiệu ứng điều chế pha chéo XPM (cross
phase modulation). Các hệ số phi tuyến được xác định như sau [4]:

γ=

2π n2
λ0 Aeff

\* MERGEFORMAT (.)

Với: λ0 là bước sóng trong chân không, n2 là hệ số chiết suất phi tuyến của ống dẫn sóng
còn Aeff là diện tích phần chéo mode hiệu dụng. Dưới tác động của điều chế tự dịch pha
trong bộ ghép định hướng, pha trong bộ ghép định hướng có thể thay đổi tỷ lệ với cường
độ trường điện của đầu vào ống dẫn sóng.
Các dịch pha phi tuyến trong các ống dẫn sóng ghép định hướng gây ra bởi hiệu ứng điều
chế pha chéo (XPM) có thể được xác định bằng biểu thức [2]:

ϕ=

2π n2 Lc ( I 0 + 2 I c )

λ0

\* MERGEFORMAT (.)

I I
Ở đây: 0 , c tương ứng là các cường độ trường của các ống dẫn sóng tín hiệu và điều
khiển. Trong trường hợp pha phù hợp khi bước sóng vào và hệ số chiết suất của hai ống
dẫn sóng là đồng nhất, sự ghép mode xảy ra cực đại.
Vật liệu sử dụng trong lớp lõi của cấu trúc chuyển mạch quang đề xuất là thủy tinh
chalcogenide As2S3 với hệ số chiết suất nr=2.45 và vật liệu sử dụng cho lớp vỏ là thủy tinh
71

silica SiO2 (As2S3 có thể được lắng đọng trên SiO2 (hệ số chiết suất nc=1.46) đã được sản
xuất thương phẩm được thương mại hóa). Thủy tinh As 2S3 (còn gọi theo công thức hóa học
là arsenic trisulfit) là một vật liệu khoảng băng trực tiếp (direct band-gap) và là chất bán
dẫn vô định hình. Bằng cách thực hiện tiến trình lắng đọng điều khiển được, một màng cao
phân tử quang (photo-polimerizable film) của As 2S3 có thể được lắng đọng trên vật liệu nền
thủy tinh silica tiêu chuẩn. Chalcogenide được chọn vì nhiều ưu điểm. Cho ví dụ, vật liệu
này là rất thu hút cho các mạch tích hợp quang tốc độ cao [99] [122], đặc biệt cho các bộ
chuyển mạch toàn quang trong những năm gần đây bởi vì đáp ứng thời gian nhanh được
kết hợp với đặc tính phi tuyến bậc ba gần như tức thời cho phép xử lý tín hiệu cực nhanh
một cách dễ dàng và thuận tiện. Thêm vào đó, chalcogenide hỗ trợ dải bước sóng trong
vùng cửa sổ thông tin 1.55 µm và vật liệu As2S3 trên nền SiO2 có độ tương phản về hệ số
chiết suất khá cao cho phép bắt giữ ánh sáng tốt nên kích thước cực nhỏ [112]. Do đó, sự
hữu dụng của vật liệu này là quan trọng cho ứng dụng của mạch tích hợp cỡ lớn. Điểm
thuận tiện khác nữa của thủy tinh chalcogenide là hệ số phi tuyến n2 cao (hệ số phi tuyến
Kerr) vào khoảng 2.92×10-6 µm2/W. Từ phương trình , chúng ta có thể thấy rằng góc pha
trong bộ dịch pha của cấu trúc tăng tỷ lệ với hệ số phi tuyến Kerr và trường điều khiển, do
đó nếu như hệ số phi tuyến cao thì trường điều khiển thấp khi góc dịch pha là hằng số.
Điều kiện này sẽ tốt hơn cho hoạt động chuyển mạch bởi vì cường độ trường điều khiển
cao sẽ gây hại đến trường của tín hiệu. Hơn nữa, khi trường điều khiển lớn hơn quá nhiều
so với trường tín hiệu thì bộ ghép định hướng cần sự cách ly rất cao, do vậy sẽ rất khó cho
thiết kế, tối ưu và chế tạo. Silicon dioxide SiO 2 được sử dụng ở lớp vỏ vì sai khác hệ số
chiết suất lớn với lớp lõi và vỏ cho phép bắt giữ ánh sáng tốt hơn và hỗ trợ số mode lớn
trong miền giao thoa đa mode, hơn nữa sẽ làm tăng khả năng mật độ tích hợp của vật liệu
(high compactness). Thêm vào đó, các vật liệu As2S3 và SiO2 là rất sẵn có và rẻ, do vậy có
thể chế tạo không khó khăn trong thực tế. Gần đây, những vật liệu này là rất được ưa
chuộng cho các ứng dụng xử lý tín hiệu tốc độ bit cao [42] [87].
Trong thiết kế được đề xuất này của luận án chúng ta sử dụng phân cực điện trường
ngang (TE) và bước sóng hoạt động 1550 nm để phân tích và mô phỏng. Nếu tính đồng
nhất của hài thời gian của sóng phân cực TE giả sử dọc theo hướng x của Hình 3., sự mô
phỏng có thể được giả thiết như trong cấu trúc của không gian hai chiều [11] [131]. Để
giảm thời gian và tiết kiệm tài nguyên tính toán, cấu trúc cấu kiện theo không gian ba chiều
được chuyển đổi về cấu trúc hai chiều bằng cách đầu tiên sử dụng phương pháp hệ số chiết
suất hiệu dụng rồi sau đó phương pháp 2D-BPM được sử dụng cho mô phỏng.

72

Hình 3.. Mô phỏng 2D-BPM cho các giá trị tối ưu của khoảng hở g
giữa ống dẫn sóng điều khiển và ống dẫn sóng tín hiệu ngoài cùng.

Các tham số thiết kế của cấu trúc được đề xuất được chọn như sau: độ rộng của mỗi bộ
ghép nối 3×3 là WMMI = 24 µm, độ rộng của các ống dẫn sóng truy nhập wa = 4µm, chiều
dài của vùng giao thoa đa mode được thiết lập bằng nửa chiều dài phách Lπ cho kiểu cơ chế
giao thoa tổng quát và nó có thể được tính toán bằng cách sử dụng phương pháp phân tích
truyền mode (MPA) là 1259.8 µm. Các tham số thiết kế của ống dẫn sóng điều khiển được
thiết kế như sau: độ rộng được đặt là wa, tại điểm đầu tiên một ống dẫn sóng thẳng có chiều
dài 2059.15 µm được tính toán bằng cách sử dụng phương pháp BPM. Tiếp đó, nó được
nối với một ống dẫn sóng hình sin có chiều dài 1000 µm theo hướng truyền z và khoảng
cách 9 µm theo hướng x. Sau đo nó được nối tiếp với một ống dẫn sóng thẳng khác. Bằng
cách sử dụng phương pháp BPM, chiều dài của ống dẫn sóng thẳng của bộ ghép định
hướng phi tuyến Lc được chọn là Lc= 360 µm để thỏa mãn điều kiện loại trừ công suất
chuyển đổi chéo giữa ống dẫn sóng điều khiển và ống dẫn sóng tín hiệu thông tin. Khoảng
hở g giữa ống dẫn sóng điều khiển và ống dẫn sóng ngoài cùng của phần nối giữa hai vùng
ghép đa mode được thiết kế rất nhỏ để tạo ra hiệu ứng ghép mode. Cuối cùng, một ống dẫn
sóng hình sin và một ống dẫn sóng thẳng được nối liên tiếp lại với nhau. Chúng ta chọn
ống dẫn sóng hình sin cho hai mục đích: đầu tiên, các ống dẫn sóng hình sin sử dụng để
đưa gần và đưa ra xa các ống dẫn sóng thẳng để tạo ra cặp ống dẫn sóng ghép định hướng
để tạo dịch pha phi tuyến và thứ hai nhằm mục đích chùm tia ánh sáng có thể duy trì khi
truyền qua chúng. Cả chùm điều khiển lẫn chùm thông tin có cùng bước sóng, biên độ và
trạng thái phân cực ở tất cả các trạng thái chuyển mạch.
Bảng 3..Các giá trị cường độ trường điều khiển cần thiết
cho hoạt động của bộ chuyển mạch 3×3
Đầu vào

I

Đầu ra

1

(GW/cm2)

73

I

2

(GW/cm2)

279

1

332.62

330.12

2

450.75

274.2

3

277

450

b

448.5

3

3

b

327.8

3

327.8

b

2

3

448.5

b

279

2

1

b

332.62

2

330.12

b

3

2

450.75

b

274.2

1

2

b

277

1

450

b

1

1

a
a
a
a
a
a
a
a
a

Tiếp theo, chúng ta sẽ tối ưu toàn bộ cấu trúc thiết bị. Đầu tiên, chiều dài LMMI của bộ
ghép đa mode được tối ưu hóa bằng phương pháp 2D - BPM để tìm ra giá trị tối ưu bằng
cách thay đổi giá trị của chiều dài xung quanh giá trị Lπ (được tính theo phương pháp phân
tích truyền mode). Cuối cùng, chúng ta tìm ra giá trị tối ưu của chiều dài này là 1260 µm.
Khoảng cách hở g giữa hai ống dẫn sóng song song trong vùng ghép định hướng phi tuyến
sử dụng như là các bộ dịch pha có thể được tìm thấy bằng phương pháp BPM. Các kết quả
mô phỏng bằng BPM được vẽ ra như được thấy ở trên Hình 3.. Chúng ta cần tìm ra giá trị
tối ưu g để giảm thiểu hóa công suất chuyển chéo giữa các cánh ngoài cùng và ống dẫn
sóng điều khiển và để cho tổng công suất chia đến các cổng A1B1, A2B2, A3B3 cân bằng với
nhau một cách tương ứng. Điều này có thể thực hiện bằng cách: đưa công suất tín hiệu
quang vào trong các cổng a1, a2, a3 và sử dụng phương pháp 2D-BPM để tìm ra sự cân
bằng công suất đó. Do sự đối xứng của cấu trúc đề xuất, chúng ta chỉ cần xem xét công
suất đưa vào ống dẫn sóng điều khiển 1. Bằng cách thay đổi giá trị khoảng hở g dần dần từ
0.09 µm đến 0.11 µm và giám sát công suất chuẩn hóa PA1B1 như Pcontrol1, chúng ta chọn giá
trị tối ưu của g = 0.1 µm (theo lựa chọn được đánh dấu ở trên Hình 3.).
Để tối ưu hóa hoạt động của vùng đa mode trong vai trò của bộ phân chia và tổng hợp
công suất như tối thiểu hóa suy hao chèn và hiệu ứng xuyên nhiễu, các ống dẫn sóng hình
búp măng tuyến tính được sử dụng để nối giữa các vùng đa mode và các ống dẫn sóng truy
nhập (cấu trúc đơn mode). Trong thiết kế này của luận án, các ống dẫn sóng hình búp măng
(tapers) có chiều dài la=150 µm và độ rộng đáy từ 3 µm đến 5 µm được tính toán và tối ưu
hóa bằng phương pháp BPM.
Như đã nói ở từ trước trong kết quả được trình bày trên Bảng 3., khi trường đầu vào
được chuyển mạch từ đầu vào cổng a1, nếu dịch pha trong cánh nối đầu tiên là 0 (radian)
và cánh nối thứ hai là 2π/3 (radian) thì nó sẽ chuyển mạch đến đầu ra cổng b1. Để chuyển
mạch từ một đầu vào đến một đầu ra của cấu trúc thì: chúng ta thực hiện mô phỏng số bằng
74

phương pháp 2D-BPM để tìm ra giá trị tối ưu của các cường độ trường của các ống dẫn
sóng điều khiển. Mô phỏng phải thỏa mãn hai yêu cầu: thứ nhất, chúng ta tìm giá trị tối ưu
của ống dẫn sóng điều khiển để tạo ra dịch pha phù hợp một cách chính xác cho các hoạt
động chuyển mạch, sau đó những giá trị này phải được tối ưu cốt để công suất chuyển giữa
ống dẫn sóng tín hiệu thông tin và ống dẫn sóng điều khiển là cực tiểu.
Ta giả thiết rằng công suất đầu vào chuẩn hóa trong thiết bị chuyển mạch quang được
đặt là 1 đơn vị; cường độ trường đầu vào I0 bằng 1 GW/cm2. Giá trị này được chọn bởi vì
nó có thể tạo ra các dịch pha phi tuyến lớn. Để đạt được trạng thái chuyển mạch từ cổng a1
tới cổng b1 thì: đầu tiên, chúng ta tìm ra cường độ trường điều khiển I1 bằng cách thay đổi
cường độ trường một cách chậm chạp. Kết quả chính xác là I1 = 448 GW/cm2 tạo dịch pha
0 (radian) so với ống dẫn sóng trung tâm mà nối giữa hai vùng đa mode. Tiếp đến: chúng ta
cũng thay đổi cường độ trường I2 ở ống dẫn sóng điều khiển thứ hai. Kết quả chính xác là
I2 = 279.6 GW/cm2 để tạo dịch pha 2π/3 so với ống dẫn sóng truy nhập trung tâm nối hai
vùng đa mode.
Cuối cùng, chúng ta thực hiện lại các thủ tục trên một lần nữa bằng cách: thay đổi rất
chậm giá trị bước nhảy trong khoảng chứa các giá trị trường điểu khiển như trên. Kết quả
là chúng ta thu được các giá trị tối ưu nhất của cường độ trường là I1= 450 GW/cm2 và
I2=277 GW/cm2 một cách tương ứng. Điều này có nguyên nhân là do suy hao khi ánh sáng
truyền trong vùng MMI gây ra hoạt động như bộ chia hay bộ kết hợp không được tuyệt đối
chính xác. Bảng 3. liệt kê các cường độ trường tối ưu và các trạng thái của ống dẫn sóng
điều khiển được sử dụng trong hai ống dẫn sóng điều khiển.

3.2.2

Mô phỏng và thảo luận
Hình 3. trình bày các kết quả mô phỏng bởi 2D-BPM cho các trạng thái hoạt động

chuyển mạch trong các bộ chuyển mạch toàn quang 3×3. Về mặt trực quan hình học, các
kết quả là tốt cho các trạng thái hoạt động chuyển mạch. Do sự đối xứng tự nhiên của cấu
trúc đề xuất, vai trò của các cổng đầu vào a1 và a3 là tương đương nhau. Không làm mất
tính tổng quát, chúng ta chỉ cần xem xét các kết quả mô phỏng của các cổng a1 và a2 của
cấu kiện đề xuất. Các kết quả mô phỏng đưa cường độ trường đầu ra cao đảm bảo hiệu
năng cao của cấu trúc chuyển mạch. Thêm vào đó, chuyển mạch mức độ cao nên có một
suy hao chèn (insertion loss), tỷ lệ phân biệt (extinction ratio) và xuyên nhiễu (crosstalk)
cũng như là dung sai chế tạo tốt. Đó là những tham số quan trọng trong chế tạo một bộ
chuyển mạch quang.
Bảng 3.. Suy hao chèn, tỷ lệ phân biệt và xuyên nhiễu của bộ chuyển mạch
Đầu vào

Đầu ra

I.L (dB)

a1

b1

-0.19

31.94

28.65

a1

b2

-0.3

30.73

28.83

75

Ex.R (dB)

Cr.T (dB)