Tải bản đầy đủ
3 Bộ chuyển mạch toàn quang 2×2 không nhạy phân cực dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode sử dụng các bộ ghép phi tuyến

3 Bộ chuyển mạch toàn quang 2×2 không nhạy phân cực dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode sử dụng các bộ ghép phi tuyến

Tải bản đầy đủ

giữa hai vùng đa mode nối với nhau bằng các cánh ống dẫn sóng truy nhập. Trong đó, một
cánh được ghép định hướng bởi một ống dẫn sóng để tạo ra dịch pha cho hoạt động chuyển
mạch. Phần này, ta sẽ thiết kế một bộ chuyển mạch toàn quang 2×2 có thể hoạt động cả ở
hai mode phân cực TE và TM với chất lượng hiệu năng khá tốt có thể được ứng dụng trong
nhiều thành phần mạng toàn quang không cần xử lý tín hiệu phân cực. Sơ đồ cấu trúc của
hệ thống được thể hiện trên ở trên Hình 3.. Nếu giả thiết rằng các dao động của các sóng
phân cực TE, TM quy ước theo các hướng x, y một cách tương ứng trong không gian ba
chiều như trên Hình 3.. Phương pháp mô phỏng FD-BPM được sử dụng để thiết kế và mô
phỏng số cho thiết bị vì phương pháp 3D-BPM là phương pháp mô phỏng chính xác cho
các cấu trúc ống dẫn sóng vật liệu điện môi và cấu trúc không có hồi tiếp hay cộng hưởng
vòng của tín hiệu. Do vậy, trong thiết kế đề xuất này chúng ta sử dụng phương pháp 3DBPM và phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng để mô phỏng.
Các ống dẫn sóng sử dụng là các ống dẫn sóng dạng sườn (rib waveguides) và bước
sóng hoạt động là 1550 nm. Độ rộng của mỗi bộ ghép 2×2 MMI là WMMI = 18μm, chiều
cao h của các ống dẫn sóng là 0.3μm, chiều cao sườn là H = 1.8 μm, chiều rộng wa của các
ống dẫn sóng truy nhập là 3μm. Chiều dài LMMI của vùng MMI được chọn một cách tối ưu
để vùng đa mode có thể hoạt động như là một bộ phân chia 2×2 hoặc bộ kết hợp 2×2 với
chất lượng hiệu năng tốt. Do vậy, đầu tiên chúng ta thiết lập và tính toán chiều dài của
2

vùng đa mode bằng biểu thức: LMMI = (3 / 2) Lπ ≈ 2nrWe / λ 0 cho hai mode phân cực bằng
phương pháp truyền mode với giá trị hiệu dụng của chiết suất lõi được tìm ra bằng công cụ
giải mode của phần mềm mô phỏng thương mại Rsoft. Kết quả nhận được là LMMI,TE = 1053
μm và LMMI,TM = 1034.4 μm. Thứ hai, chúng ta sử dụng mô phỏng 3D-BPM bằng cách thay
đổi chiều dài của vùng MMI trong một dải giá trị xác định bằng phương pháp MPA từ
LMMI,TM đến LMMI,TE để tìm ra một giá trị tối ưu mà vùng MMI không chỉ hoạt động như là
một bộ phân chia 2×2 (hay bộ kết hợp) mà còn có suy hao chèn (tổn hao công suất) là tối
thiểu cho cả hai trường hợp mode phân cực TE và TM . Giá trị tối ưu được chọn đó là 1046
μm như được thấy trên Hình 3..
Để tối ưu hoạt động của các vùng MMI trong vai trò của một bộ phân chia hoặc kết
hợp để tối thiểu hóa các đặc điểm hiệu năng về suy hao chèn và xuyên nhiễu, các ống dẫn
sóng hình búp măng tuyến tính được sử dụng để kết nối giữa các vùng MMI và các ống
dẫn sóng truy nhập. Trong thiết kế được đề xuất này, các ống dẫn sóng búp măng tuyến
tính có chiều dài là la = 100 μm và các chiều rộng đáy nhỏ và lớn lần lượt là 3μm và 5.4μm.
Chúng được tính toán và tối ưu bằng cách sử dụng phương pháp mô phỏng BPM.

81

Hình 3.. Một bộ chuyển mạch toàn quang 2×2 không nhạy phân cực
dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode.

Cấu tạo của một ống dẫn sóng điều khiển dịch pha gồm một ống dẫn có độ rộng bằng
ống dẫn sóng truy nhập ghép định hướng với một ống dẫn sóng truy nhập ở một cánh nối
giữa hai vùng đa mode. Cả chùm điều khiển và chùm tín hiệu có cùng bước sóng và trạng
thái phân cực trong tất cả các hoạt động chuyển mạch. Tại vị trí đầu vào của ống dẫn sóng
điều khiển chúng có khoảng cách 14.06 μm với cổng a2 (xem trên Hình 3.) và chiều dài
1766 μm. Sau đó, ống dẫn sóng này được nối với một ống dẫn sóng hình sin mà có chiều
dài 8238.5 μm và khoảng cách 3 μm theo hướng x trước khi nối với một ống dẫn sóng
thẳng đóng vai trò của một bộ ghép định hướng. Bộ ghép định hướng này có chiều dài
Lc=1483 μm và khoảng hở giữa ống nó và cánh dịch pha là g = 0.41 μm. Giá trị này được
chọn bằng cách thực hiện mô phỏng BPM để tìm ra một giá trị tối ưu để giảm thiểu công
suất xuyên chéo lẫn nhau giữa chùm điều khiển và chùm tín hiệu được gây ra bởi hiệu ứng
ghép mode. Chúng ta lựa chọn ống dẫn sóng hình sin cho hai mục đích: đầu tiên là ống dẫn
sóng hình sin dùng để kéo ống dẫn sóng điều khiển lại gần ống dẫn sóng truy nhập ở cánh
ngoài cùng vào một vùng tương tác đầy đủ để tạo hiệu ứng gây dịch pha, thứ hai là nhằm
duy trì chùm công suất điều khiển khi truyền qua các chặng của các loại ống dẫn sóng.
Do nguyên lý giao thoa, tự tạo ảnh được chụp lại và đối xứng gương trên một chu kỳ
là một số nguyên chẵn hoặc lẻ lần của ba lần nửa chiều dài phách (3Lπ ). Tại khoảng cách
của một bộ ghép đa mode là L= 3Lπ/2 , ma trận truyền đạt theo cơ chế giao thoa tổng quát
được xác định là:
M=

1 1 j

÷
2  j 1

\* MERGEFORMAT (.)

Bằng cách phân tích lý thuyết của công thức ma trận truyền đạt của bộ ghép đa mode
2×2 trong cơ chế giao thoa tổng quát, chúng ta có thể dễ thấy rằng khi tín hiệu quang được
đưa vào cổng a1, nếu góc dịch pha φ = π/2 cổng đầu ra sẽ là cổng b1, trái lại khi φ = - π/2
cổng đầu ra sẽ được chuyển mạch đến cổng b2.
Bảng 3.. Các trạng thái dịch pha và cường độ trường điều khiển tối ưu

82

cho hoạt động chuyển mạch của bộ chuyển mạch được đề xuất.
Mode
phân cực

Cổng vào

Cổng ra

TE
1

TM

a

1

TM

a2

b1

TE
TM

a2

π/2

0.85

π/2

2.6

-π/2

46.2

-π/2

16.8

π/2

47.4

π/2

17.5

-π/2

0.1

-π/2

3.8

2

b

TE
TM

Cường độ trường
điều khiển I
(GW/cm2)

1

b

TE
a

Góc dịch
pha (φ)

b2

Hình 3.. Giá trị tối ưu được chọn của chiều dài của các vùng ghép
đa mode được tìm thấy bằng mô phỏng 3D-BPM.

Trong thiết kế này, sử dụng mô phỏng 3D-BPM để xác định và tối ưu sự hoạt động của
cấu kiện. Với bước sóng hoạt động 1550nm ở mode phân cực TE, để chuyển mạch tới cổng
ra b1 từ cổng vào a1, đầu tiên ở thủ tục mô phỏng tối ưu chúng ta tìm cường độ trường điều
khiển I mà được đưa vào ống dẫn sóng điều khiển bằng cách thay đổi cường độ một cách
chầm chậm với khoảng nhảy khá lớn để tìm ra giá trị thích hợp vào khoảng 0.9 GW/cm 2
làm dịch pha một góc π/2 trong sự so sánh với ống dẫn sóng truy nhập còn lại. Sau đó,
chúng ta thực hiện lại thủ tục này lần nữa trong phạm vị hẹp với giá trị thay đổi rất nhỏ
quanh giá trị 0.9GW/cm2 chúng ta tìm được giá trị tối ưu I = 0.85 GW/cm2. Khi đó dịch pha
gần xấp xỉ với góc π/2. Điều này được lý giải vì phép phân tích toán học bằng phương
pháp MPA và ma trận là phép xấp xỉ và không thể đạt được tuyệt đối hoàn hảo khi bộ ghép
đa mode hoạt động như một bộ phân chia hay kết hợp bởi sự sai lệch bất cân bằng của hai
đường tín hiệu chia ra qua bộ ghép đa mode. Bằng phương pháp hoàn toàn tương tự chúng
83

ta áp dụng thủ tục này cho các trạng thái hoạt động chuyển mạch còn lại cho mode TE
cũng như tất cả các trạng thái hoạt động chuyển mạch của mode TM. Tóm lược lại, các
dịch pha và các giá trị cường độ trường điều khiển tối ưu cho tất cả các trạng thái hoạt
động chuyển mạch của cả hai mode phân cực được thể hiện trên Bảng 3..
Trong luận án này, các phương pháp chế tạo được đề xuất là ống dẫn sóng với lớp As 2S3
dạng sườn nhỏ (small-rib) được chế tạo bằng cách sử dụng công nghệ khắc plasma ghép
cảm ứng ICP (inductively coupled plasma etching). Màng As 2S3 với độ dày 1.8 μm được
lắng đọng bằng laser xung cực nhanh PLD (pulsed laser deposition) trên một phiến silic đã
oxi hóa [108]. Mode cơ bản được tính toán bằng cách sử dụng công cụ giải mode của phần
mềm mô phỏng đã được thương mại hóa Rsoft của hãng Synopsys. Mode cơ bản có dạng
hình elip do đó diện tích mode hiệu dụng của nó Aeff có thể được xấp xỉ bởi công thức Aeff ≈
πwH/4 ≈ 4.2 μm2. Chùm điều khiển được phát từ một laser diode được khóa mode thụ
động cộng hưởng dọc Nd:YVO4 với độ rộng xung 13ps tại bước sóng 1550 nm. Trong khi
đó, chùm tín hiệu sử dụng xung dạng Gaussian với chu kỳ xung 7 ps và công suất đỉnh
được xác định bởi Psignal = I0.Aeff ≈ 42W, tương xứng với công suất trung bình xấp xỉ bằng
1.2 mW tại đỉnh cực đại.
Bảng 3.. Suy hao chèn, xuyên nhiễu và tỷ lệ phân biệt của bộ chuyển mạch được đề xuất
Mode phân cực

Đầu vào

Đầu ra

TE
1

TM

a

1

b

a

2

b

a

2

3.3.2

(dB)

-0.13

20.87

39.61

-0.19

21.65

37

-0.1

26.67

35.17

-0.04

27.22

34.36

-0.02

31.64

35.69

-0.09

22.21

33.95

-0.21

31.98

36.53

-0.44

38.43

34.82

1

b

TE
TM

(dB)

a

(dB)

2

TE
TM

Tỷ lệ phân biệt

1

TE
TM

Xuyên nhiễu

Suy hao chèn

b

2

Kết quả mô phỏng và thảo luận

Bằng sử dụng mô phỏng 3D-BPM, chúng ta mô phỏng sự truyền của đường bao điện
trường trong toàn bộ chuyển mạch và các kết quả mô phỏng được trình bày trong Hình
3..Từ hình này, có thể thấy cả các trạng thái cho mode TE và TM được chuyển mạch một
cách thành công đến các cổng chuyển mạch mong muốn. Các công suất ra được chuẩn hóa
theo công suất đầu vào và ta cũng thực hiện mô phỏng các tham số chất lượng hiệu năng
84

quan trọng nhất về mặt quang học là suy hao chèn, tỷ lệ phân biệt và xuyên nhiễu. Các
công thức để tính toán các đại lượng này tương tự như các biểu thức , và . Các kết quả tính
toán từ dữ liệu mô phỏng được thể hiện trên Bảng 3. chứng tỏ rằng: tất cả các tham số chất
lượng quan trọng của bộ chuyển mạch được đề xuất là phù hợp cho ứng dụng của bộ
chuyển mạch toàn quang không nhạy phân cực.
Tiếp theo, để đánh giá hiệu năng hoạt động, chúng ta tính toán đáp ứng bước sóng của
bộ chuyển mạch đã trình bày cho hai trạng thái phân cực TE và TM. Hình 3. chỉ ra rằng
10nm băng thông của các đáp ứng phổ đầu ra từ các cổng đầu vào của suy hao chèn là
khoảng 0.3 dB cho mode TE và 0.7 dB cho mode TM ( Hình 3.a). Tỷ lệ phân biệt trong các
trường hợp này là từ 33.5 dB đến 39.5 dB (Hình 3..b), trong khi xuyên nhiễu trong các
trường hợp này là từ 19dB đến 43 dB (Hình 3.c), một cách tương ứng.

(a)

(b)
Hình 3.. Mô phỏng 3D BPM của các mẫu trường điện của bộ chuyển mạch:
(a) mode TE; (b) mode TM.

85

(a)

(b)

(c)
Hình 3.. Sự phụ thuộc của suy hao chèn, tỷ lệ phân biệt và xuyên nhiễu vào bước sóng:
(a) Suy hao chèn, (b )Tỷ lệ phân biệt và (c) Xuyên nhiễu.

86

`
(a)

(b)
Hình 3.. Mô phỏng bằng 3D-BPM cho các dung sai chế tạo của các bộ ghép đa mode của bộ
chuyển mạch được đề xuất: (a) dung sai theo chiều dài, (b) dung sai theo chiều rộng.

Các kết quả mô phỏng thể hiện trên hình Hình 3. chứng minh rằng: tất cả các tham số
chất lượng hiệu năng quan trọng của cấu kiện đã đề xuất có đáp ứng phổ lớn. Do vậy, cấu
kiện đề xuất đáp ứng đầy đủ cho các ứng dụng chuyển mạch toàn quang tốc độ cao.
Hình 3. khảo sát sự biến đổi của công suất đầu ra theo sự biến đổi của chiều dài và

chiều rộng của các bộ ghép đa mode. Các dữ liệu mô phỏng bằng 3D BPM cho thấy rằng
công suất các đầu rat thay đổi vào khoảng 1 dB khi chiều dài và chiều rộng thay đổi tương
ứng với 30 µm và 0.4 µm. Điều đó có nghĩa dung sai chế tạo là rất lớn. Với những dung sai
như vậy, công nghệ chế tạo ống dẫn sóng hiện hành phổ biến như CMOS hoàn toàn chế
đáp ứng một cách dễ dàng.
87

3.4
Bộ chuyển mạch quang 3×3 dựa trên các bộ ghép giao thoa
đa mode sử dụng hiệu ứng điện- quang là các bộ dịch pha
Trong phần này của chương, luận án đề xuất một thiết kế của bộ chuyển mạch toàn
quang 3×3 dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode 3×3 ghép theo kiểu MZI-MMI với hai
cánh ống dẫn sóng ngoài cùng nối giữa hai phần giao thoa đa mode được đặt dưới các điện
cực (electrodes). Vật liệu sử dụng để thiết kế các ống dẫn sóng là vật liệu điện-quang
(electro-optic) và cấu kiện sử dụng hiệu ứng điện-quang để tạo dịch pha cho hoạt động
chuyển mạch. Các trạng thái chuyển mạch của cấu kiện có thể được điều khiển bằng cách
điều chỉnh điện áp của các bản cực tại hai cánh ngoài cùng của các bộ dịch pha. Phương
pháp ma trận chuyển đổi và phương pháp mô phỏng số BPM được sử dụng để thiết kế và
tối ưu cấu trúc của cấu kiện chuyển mạch.

3.4.1

Phân tích và thiết kế

Cấu hình của bộ chuyển mạch quang 3×3 sử dụng hiệu ứng dịch pha điện - quang đề
xuất được trình bày như trong Hình 3.. Nó gồm có hai bộ giao thoa 3×3 theo cơ chế giao
thoa tổng quát có cùng kích thước. Về sơ đồ cấu hình, bộ chuyển mạch này cũng tương tự
như bộ chuyển mạch sử dụng hiệu ứng phi tuyến Kerr để điều khiển dịch pha như đã
nghiên cứu ở phần trước. Điểm khác chính là ở bộ chuyển mạch này hai cánh ngoài cùng
sử dụng hiệu ứng điện-quang đóng vai trò các bộ dịch pha thông qua việc thiết lập mỗi
cánh đặt một điện trường ngoài bằng cách đưa một nguồn điện áp một chiều vào giữa hai
bản cực.

Hình 3.. Sơ đồ cấu trúc bộ chuyển mạch quang dựa trên các bộ ghép đa mode 3×3
sử dụng hiệu ứng điện-quang làm các bộ dịch pha.

Giống như nguyên lý gây dịch pha sử dụng hiệu ứng phi tuyến Kerr cho các ống dẫn
sóng sử dụng vật liệu phi tuyến mà sự dịch pha được tạo ra bởi sự tương tác phi tuyến ghép
định hướng đã được giới thiệu ở phần trước, cấu trúc dịch pha bằng hiệu ứng điện-quang
(còn gọi là hiệu ứng Pockel) cũng có cấu hình tương tự. Trong phần này chúng ta giả sử
rằng các cổng đầu vào bộ ghép đa mode 3×3 tầng thứ nhất lần lượt được ký hiệu là
A1,A2,A3 và các cổng đầu ra bộ giao thoa đa mode thứ nhất được ký hiệu lần lượt là a1, a2,
88

a3. Các cổng đầu vào bộ giao thoa đa mode thứ hai được ký hiệu lần lượt là B1, B2, B3 và
các đầu ra của bộ giao thoa đa mode thứ hai được ký hiệu lần lượt là b1, b2, b3 như được thể
hiện trên Hình 3.. Như vậy, với cấu trúc chuyển mạch, ba cổng đầu vào lần lượt là A1, A2,
A3, trong khi ba cổng đầu ra lần lượt là b1, b2, b3. Quan hệ giữa các cổng đầu vào và ra của
bộ chuyển mạch được biểu diễn bởi phương trình ma trận như sau:

M b = MΦ
. M
. M
.

A

\* MERGEFORMAT (.)

Trong đó: M A và M b là các ma trận đầu vào và đầu ra của bộ chuyển mạch. Φ là ma trận
dịch pha. Các ma trận này được xác định như sau:

1

 A1 
 b1 
 ÷
 ÷
M A =  A2 ÷ M b =  b2 ÷
A ÷
b ÷
 3,
 3

\* MERGEFORMAT (.)

 e jϕ1

Φ = 0

 0

\* MERGEFORMAT (.)

0 
÷
1
0 ÷
÷
0 e jϕ2 
0

2

Với φ , φ biểu thị góc dịch pha ở hai cánh ngoài cùng của bộ chuyển mạch.
Bảng 3.. Các trạng thái dịch pha cho hoạt động của bộ
chuyển mạch 3×3 dựa vào hiệu ứng điện-quang
Đầu vào
1

A

1

A

1

A

2

A

2

A

φ1

φ2

Đầu ra

0


3

b

0

b


3

b

0

b


3


3

3


3

2

0

3


3

3

0

3


3

A
A
A
A


3

3


3

3


0

1

2

3

1

2

b

3

b

1

b

2

b

3

b

M là ma trận truyền dẫn đặc tính của bộ ghép đa mode 3×3 theo cơ chế giao thoa tổng quát:

89