Tải bản đầy đủ
1 Giới thiệu và nguyên lý thiết kế

1 Giới thiệu và nguyên lý thiết kế

Tải bản đầy đủ

chiều dài phách tại bước sóng hoạt động λ ) thì ảnh đầu ra sẽ đối xứng gương với tạo ảnh
đầu vào.Tổng quát, ảnh đầu ra sẽ ở vị trí soi gương so với ảnh đầu vào nếu khoảng cách
truyền bằng số nguyên dương lẻ lần nửa chiều dài phách và ảnh đầu ra sẽ ở vị trí đồng vị
với ảnh đầu vào nếu khoảng cách truyền bằng số nguyên dương lẻ lần nửa chiều dài

λ

λ

phách. Sử dụng nguyên lý này, với hai bước sóng 1 và 2 được đưa vào đầu vào của một
bộ giao thoa đa mode 2×2, nếu khoảng cách truyền thỏa mãn đẳng thức:

L = 3mLπ (λ1 ) = 3nLπ (λ2 )

Equation Chapter (Next)

Section 1\* MERGEFORMAT (.)

Hình 4. Sơ đồ nguyên lý bộ ghép kênh hai bước sóng sử dụng bộ ghép đa mode 2×2.

Ở đây: m và n là các số nguyên dương. Nếu m, n cùng tính chẵn lẻ thì các bước sóng

λ1 và λ 2 sẽ được đưa ra cùng một cổng ở đầu ra còn ngược lại nếu m, n chẵn lẻ đôi một
λ

λ

khác nhau thì các bước sóng 1 và 2 sẽ được tách ra một cách riêng biệt ở hai đầu ra của
ống dẫn sóng đa mode. Nguyên lý này cũng có thể được mở rộng cho nhiều bước sóng
cùng đưa vào cùng một đầu vào. Khi đó chúng ta sử dụng phân tầng các bộ giao thoa đa
mode để tách riêng dần các bước sóng ở đầu ra cho đến khi ở các đầu ra cuối cùng các
bước sóng được tách hoàn toàn ra mỗi cổng riêng.
Như đã phân tích, các bước sóng khác nhau thì nửa chiều dài phách khác nhau. Từ
biểu thức xác định nửa chiều dài phách và đẳng thức ta thấy điều kiện để tách riêng hai
bước sóng khi đó là:
m λ1.We2 (λ2 )
=
n λ2 .We2 (λ1 )

\* MERGEFORMAT (.)

W ( λ)
Với: e
là chiều rộng hiệu dụng của ống dẫn sóng đa mode tại bước sóng λ .
Nếu các bước sóng gần nhau, chẳng hạn các bước sóng nằm trong vùng cửa sổ thông
tin 1550 nm sử dụng cho các ứng dụng WDM với khoảng cách kênh nhỏ (chỉ cỡ 0.4 nm
hoặc 0.8 nm) thì nửa chiều dài phách là gần nhau, do vậy phương trình sẽ xác định cặp số
(m,n) có giá trị tương đối lớn. Điều này dẫn đến chiều dài của bộ ghép đa mode là khá lớn.
Khi đó, phép phân tích toán học bằng phương pháp xấp xỉ theo phương pháp truyền mode
sẽ cho sai số lớn do đó chất lượng hình ảnh giao thoa không được “rõ nét”. Vậy nên cấu
97

trúc sử dụng làm bộ phân kênh bước sóng sẽ có chất lượng hiệu năng về mặt xuyên nhiễu
kênh là lớn do đó không phù hợp cho các ứng dụng tách/ghép kênh quang.

(a)

(b)
Hình 4.. Sơ đồ đề xuất của bộ triplexer dựa trên các ống dẫn sóng silic:
(a) Hình chiếu bằng. (b) Hình chiếu đứng và mode cơ sở của ống dẫn sóng đầu vào.

Tình huống khác đi khi khoảng cách các bước sóng tách ghép kênh lớn (cỡ vài chục
đến một vài trăm nm); khi đó cặp số (m,n) có giá trị nhỏ (là các số nguyên dương nhỏ) nên
chiều dài bộ ghép đa mode cho hoạt động là khá nhỏ và sai số do xấp xỉ nhỏ nên chất
lượng hình ảnh giao thoa “rõ nét” hơn, xuyên nhiễu sẽ đạt được kết quả tốt hơn. Do đó, với
những ứng dụng cho các bộ tách ghép kênh với các bước sóng cách xa nhau và số lượng
98

bước sóng sử dụng nhỏ như ứng dụng của các mạng truy nhập quang FTTH chẳng hạn là
rất thích hợp bằng cách sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode. Chúng ta cũng có thể ứng
dụng bộ ghép đa mode để thiết kế các bộ tách bước sóng trong các vùng cửa sổ thông tin
quang (từ dải bước sóng 850 nm đến 1600 nm).
Phần tiếp theo trong chương này của luận án sẽ tập trung nghiên cứu thiết kế ứng dụng
các triplexer sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode một cách hiệu quả và tối ưu.

4.2
Thiết kế bộ triplexer dựa trên một bộ ghép giao thoa đa
mode 2×2 hình cánh bướm và một bộ ghép định hướng sử dụng
các ống dẫn sóng silic.
Trong nghiên cứu này, luận án trình bày một cấu trúc mới cho triplexer kích thước
nhỏ, tích hợp cao bằng cách sử dụng một bộ ghép đa mode 2×2 hình cánh bướm [15] và
một bộ ghép định hướng dựa trên ống dẫn sóng silic. Bộ ghép đa mode sử dụng để tách
biệt bước sóng 1490 nm ra một cổng và tách cả hai bước sóng 1310 nm và 1550 nm ra
cổng còn lại ở phần thứ nhất. Bộ ghép định hướng sau đó được sử dụng ở tầng thứ hai để
tách riêng ra hai bước sóng 1310 nm và 1550 nm ra mỗi cổng đầu ra riêng rẽ. Phương pháp
mô phỏng số truyền chùm tia ba chiều (3D-BPM) [145] để thiết kế và tối ưu toàn bộ cấu
trúc đề xuất.

4.2.1 Thiết kế và tối ưu cấu trúc
Hình 4.(a) thể hiện cấu hình của bộ triplexer được dựa trên ống dẫn sóng silic sườn
kích thước micro mét. Ống dẫn sóng được chế tạo trên vật liệu: tinh thể silic (Si) trên nền
thủy tinh silic oxit (SiO2) với lớp vỏ trên (upper cladding) là không khí. Hệ số chiết suất
của lớp lõi silic là nr=3.45 và lớp vỏ thủy tinh Silic nc xấp xỉ bằng 1.46. Bằng cách sử dụng
mô hình Sellmeier [46], chúng ta xác định được sai khác hệ số chiết suất của silic giữa
bước sóng 1310 nm và 1550 nm là 0.02 (do hệ số chiết suất của vật liệu phụ thuộc vào
bước sóng hoạt động). Lượng sai khác này là nhỏ không đáng kể nên có thể được bỏ qua.
Vì vậy, trong tính toán ta coi hệ số chiết suất của silic là một hằng số (trong dải các bước
sóng được thiết kế). Bộ triplexer được thiết kế cho hoạt động ở mode phân cực TE. Độ
rộng w của các ống dẫn sóng đơn mode (các ống dẫn sóng truy nhập) được chọn trong
khoảng 150 nm đến 560 nm để thỏa mãn điều kiện đơn mode cho cả ba bước sóng [81].
Chúng ta chọn w=360 nm trong cấu kiện được đề xuất này. Bằng cách sử dụng phương
pháp BPM, chúng ta thấy rằng độ dày toàn phần của lớp dẫn sóng là H=0.4 µm và chiều
cao phần ống dẫn sóng hình phiến vuông (slab height) là h=32 nm thì trường quang cho
hiệu năng về tổn hao tốt khi truyền trong ống dẫn sóng (cho cả ba bước sóng). Hình ảnh
kết quả mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn FEM cho mode cơ sở của bước sóng
1550 nm được trình bày như trên Hình 4.(b).
Cấu kiện được xây dựng gồm có hai phần. Phần đầu tiên là gồm có một bộ ghép đa
mode hình cánh bướm mà được sử dụng để phân tách bước sóng 1310 nm và 1550 nm tới
99

cổng đầu ra chéo, trong khi đó bước sóng 1490 nm được tách ra ở cổng đầu ra thẳng của
vùng giao thoa đa mode (cổng đầu ra 2). Phần thứ hai gồm một bộ ghép định hướng dựa
trên cấu trúc tiếp giáp hình chữ Y. Điều này nhằm tách bước sóng 1310 nm và 1550 nm ra
cổng đầu ra 1 và cổng đầu ra 3 một cách tương ứng (xem Hình 4.(a)).
Đầu tiên, chúng ta xem xét một ống dẫn sóng giao thoa đa mode kiểu giao thoa tổng
quát 2×2 truyền thống [71] để tách riêng hai bước sóng 1310 nm và 1490 nm. Bộ ghép đa
mode được tạo dạng bởi hai ống dẫn sóng đơn mode mà đóng vai trò là các ống dẫn sóng
truy nhập cho vùng ống dẫn sóng đa mode (hai ống dẫn sóng này giống nhau về dạng hình
học). Độ rộng W của bộ ghép đa mode được chọn là W= 2.4 µm. Chúng ta thiết kế bộ ghép
đa mode để tách riêng hai bước sóng 1310 nm và 1490 nm ra hai cổng đầu ra riêng biệt của
bộ ghép đa mode trong khi bước sóng 1550 nm sẽ được đưa đến bất kỳ một trong hai cổng
ra của bộ ghép đa mode 2×2. Theo cơ chế giao thoa tổng quát [9], ảnh tự chụp sẽ được tạo
ra chiều dài bằng ba lần nửa chiều dài phách. Do đó, chiều dài bộ ghép đa mode MMI phải
thỏa mãn điều kiện sau đây:

LMMIπ(1310nm)
=m.3L

=n.3L

=p.3L

π(1490nm)

π(1550nm)

\* MERGEFORMAT (.)

Ở đây m, n, p là các số nguyên dương và m, n là chẵn lẻ đôi một; L(πλ) là nửa chiều dài
phách tại bước sóng λ và nó có thể được xác định bằng phương pháp MPA như sau [71]:
Lπ(λ)=

Với :
mode.

We = W +

4nrWe2


λ 2
nr − nc2
π

(

)

\* MERGEFORMAT (.)

−0.5

(cho TE mode) là chiều rộng hiệu dụng của bộ ghép đa

Nửa chiều dài phách của các bước sóng 1310 nm, 1490 nm và 1550 nm tính bằng
phương pháp truyền mode như sau: 3Lπ(1310 nm) = 67.67 µm, 3Lπ(1490 nm) = 60.36 µm và 3Lπ(1550
nm) = 58.3 µm. Với những nửa chiều dài phách này chúng ta có thể dễ dàng thấy rằng chiều
dài của bộ ghép đa mode mà thỏa mãn điều kiện là khá lớn. Do vậy, luận án đề xuất một
tiếp cận mới bằng cách thay đổi dạng hình học của bộ ghép đa mode từ dạng hình chữ nhật
sang dạng hình cánh bướm tuyến tính. Luận án này giới thiệu một bộ ghép đa mode 2×2
với dạng “cánh bướm” [134] thay thế cho dạng hình chữ nhật truyền thống. Giả sử rằng tại
nửa chiều dài phách của bộ ghép đa mode, độ rộng của vùng đa mode được xác định bằng
f.W, với f là một hệ số nhân dương (0bằng:

Lπ(λ)=

4nrWeW0e


\* MERGEFORMAT (.)

Trong đó: W0e là chiều rộng hiệu dụng tại nửa chiều dài phách.
100