Tải bản đầy đủ
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.

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.

Tải bản đầy đủ

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

Bằng cách này chúng ta tác động đến cơ chế giao thoa trong bộ ghép giao thoa đa
mode. Nửa chiều dài phách được giảm đi với tất cả các bước sóng. Chúng ta thay đổi tham
số f trong khoảng từ 0.75 đến 1 với bước nhảy bằng 0.005. Bằng cách sử dụng mô phỏng
BPM chúng ta thay đổi chiều dài LMMI trong một khoảng rộng từ 1 µm đến 1000 µm để tìm
ra chiều dài thích hợp mà phẩm chất hiệu năng của bộ ghép đa mode dạng cánh bướm này
là tốt cho cả ba bước sóng khi bộ ghép đa mode này hoạt động như là một bộ lọc bước
sóng. Kết quả, tại f=0.8 chúng ta nhận được chiều dài LMMI = 361.5 µm là giá trị phù hợp
nhất để đạt được hiệu năng truyền đạt tốt như được thấy trên Hình 4.. Tại chiều dài này,
bước sóng 1390 sẽ được tách biệt tới cổng đầu ra thẳng (bar port) và các bước sóng 1310
nm và 1550 nm sẽ được tách biệt đến cổng chéo của bộ ghép đa mode đầu tiên này.

Hình 4.. Mô phỏng 3D BPM cho sự thay đổi chiều dài của bộ ghép
giao thoa đa mode hình cánh bướm.

Hình 4.. Mô phỏng 3D-BPM cho vị trí tối ưu của ống dẫn sóngtruy nhập của bộ ghép đa mode.

101

Bên cạnh đó, chúng ta cũng thực hiện mô phỏng BPM để tìm ra vị trí tối ưu S: là
khoảng cách giữa các ống dẫn sóng truy nhập với trục đối xứng dọc trung tâm của vùng đa
mode giữa các ống dẫn sóng truy nhập trước khi kết nối với vùng ống dẫn sóng giao thoa
đa mode. Chúng ta mô phỏng bằng cách thay đổi giá trị S xung quanh giá trị ±We/4 trong
dải từ 0.5 đến 0.7 với bước nhảy 0.005. Hình 4. thể hiện mô phỏng BPM cho công suất đầu
ra của ba bước sóng. Chúng ta lựa chọn giá trị tối ưu S = 0.61µm (tại điểm đánh dấu trên
Hình 4.). Để giảm suy hao chèn của tín hiệu từ các ống dẫn sóng truy nhập nối với vùng đa
mode và tăng khả năng bắt giữ ánh sáng, chúng tôi sử dụng các ống dẫn sóng hình búp
măng (tapers) hình dạng tuyến tính để nối giữa vùng ống dẫn sóng đơn mode (các ống dẫn
sóng truy nhập) và ống dẫn sóng đa mode. Chiều dài ống dẫn sóng búp măng này được
chọn là la= 20 µm, bán kính nhỏ của các ống dẫn sóng hình búp măng là w= 360 nm. Bằng
cách sử dụng phương pháp mô phỏng BPM chúng ta nhận được giá trị tối ưu cho thiết kế
của bán kính lớn các ống dẫn sóng hình búp măng là 1.08 µm (xem Hình 4.).

Hình 4.. Mô phỏng 3D-BPM cho chiều rộng đáy lớn tối ưu của các ống dẫn sóng hình búp măng.

Sau đó, nghiên cứu còn lại phần này của luận án là thiết kế một bộ ghép nối để tách
riêng hai bước sóng 1310 nm và 1550 nm ra hai cổng đầu ra riêng lẻ. Ở đây, luận án đề
xuất sử dụng một bộ ghép định hướng để tách riêng các bước sóng này (như được nhìn
thấy ở Hình 4.a). Đầu tiên, cấu trúc của bộ ghép định hướng gồm hai ống dẫn sóng thẳng
song song với nhau với chiều dài Lc, độ rộng w và khoảng cách giữa chúng được chọn là
g=0.2 µm. Sau đó mỗi ống dẫn thẳng được nối với ống dẫn sóng hình sin mà có độ rộng là
w. Chiều dài của các ống dẫn sóng hình sin theo hướng truyền z là Ls và khoảng cách theo
hướng x được chọn là 0.6 µm. Bằng cách sử dụng mô phỏng 3D-BPM, chúng ta nhận được
hiệu năng của các ống ghép định hướng mà được xây dựng theo cấu trúc hình chữ Y từ hai
ống dẫn sóng hình sin là tốt hơn cả so với ống dẫn sóng hình sin và một ống dẫn sóng
thẳng. Mô phỏng 3D-BPM cũng cho thấy rằng chiều dài Ls=30 µm là tốt nhất cho hiệu
năng của hai bước sóng 1310 nm và 1550 nm về mặt suy hao khi truyền qua đoạn ống dẫn
102

sóng bị uốn cong. Theo lý thuyết ghép mode giữa hai ống dẫn sóng ghép định hướng khi
khoảng hở giữa chúng nhỏ thì phân bố công suất các cổng đầu ra thẳng (
chéo (

Pcross

Pbar

) và đầu ra

) tuân theo quan hệ sau đây:


π Lc 
Pbar ( Lc ,λ ) = sin 2  α +
÷

2Lc( λ ) ÷



\* MERGEFORMAT (.)


π Lc 
Pcross ( Lc ,λ ) = cos 2  α +
÷

÷
2L
c( λ ) 


\* MERGEFORMAT (.)

Ở đây: λ là bước sóng hoạt động của ống dẫn sóng, Lc là chiều dài của các ống dẫn sóng
song song mà được ghép định hướng với nhau, Lc(λ) biểu thị chiều dài ghép nối tại bước
sóng λ và α là pha ban đầu tại đầu vào của bộ ghép định hướng.

Hình 4.. Mô phỏng 3D-BPM cho chiều dài tối ưu Lc của bộ ghép định hướng.
(a) 1310 nm, (b) 1490 nm and (c) 1550 nm.

Với các tham số cấu trúc của ống dẫn sóng như được nói đến ở trên, bằng cách sử dụng mô
phỏng BPM, chúng ta nhận được kết quả: sin2(α1310nm) ≈ 0.734, Lc(1310) ≈ 29.6 µm cho bước
sóng 1310 nm và sin2(α1550nm) ≈ 0.5802, Lc(1550) ≈ 15.75 µm cho bước sóng 1550 nm tại cổng
ra thẳng, một cách tương ứng. Các chiều dài ghép nối này được đo lường qua dữ liệu mô
phỏng 3D-BPM. Về phương diện toán học, nhằm để tách hai bước sóng 1310 nm và 1550
nm ra hai cổng ra riêng biệt của cấu trúc ghép định hướng thì các điều kiện sau đây phải
được thỏa mãn: khi bước sóng 1310 nm được rẽ xuống cổng ra thẳng (bar port) và bước
sóng 1550 nm được rẽ xuống cổng ra chéo, công suất đầu ra lớn nhất tại cổng ra thẳng cho
bước sóng 1310 nm và công suất ra lớn nhất tại cổng chéo cho bước sóng 1550 nm. Do đó,
chúng ta nhận được quan hệ xấp xỉ như sau:

Lc ; 24.4 + a.29.6. ; 9.75 + b.15.75( µ m)

\* MERGEFORMAT (.)
Ở đây: (a,b) là cặp số nguyên chẵn lẻ khác nhau. Phương trình (5) có một cặp nghiệm
103

nguyên nhỏ nhất là (a,b)=(16,31). Vậy chiều dài ngắn nhất của bộ ghép định hướng có thể
nhận được là 498 µm. Kết quả phân tích số này là trùng hợp với mô phỏng BPM.
Chúng ta thực hiện mô phỏng BPM bằng cách thay đổi giá trị Lc trong một dải từ 0
đến 500 µm với bước nhảy là 1µm, chúng ta nhận được chiều dài là 498 µm cho hiệu năng
phù hợp nhất của bộ ghép định hướng (xem thêm trên Hình 4.) với hai bước sóng. Tại
chiều dài tối ưu này, bước sóng 1310 nm sẽ được tách ra cổng ra chéo và bước sóng 1550
nm sẽ được tách ra cổng ra thẳng.

Hình 4.. Mẫu điện trường (dạng đường bao) cho triplexer đề xuất tại ba bước sóng:
(a) 1310 nm, (b)1490 nm và (c) 1550 nm.

4.2.2

Kết quả mô phỏng và thảo luận

Bằng cách sử dụng mô phỏng 3D-BPM, chúng ta thực hiện mô phỏng số sự truyền tín
hiệu quang cho tất cả các cổng của bộ triplexer. Hình 4. thể hiện đường bao các mẫu điện
trường cho ba bước sóng. Với một triplexer, các tham số hiệu năng quan trọng nhất là suy
hao chèn (insertion loss - I.L), tỷ lệ phân biệt (extinction ratio - Ex.R) và xuyên nhiễu
(crosstalk - Cr.T), chúng được định nghĩa như sau:

P 
I .L = 10log  d ÷
 Pin 

\* MERGEFORMAT (.)

 P 
Ex.R=10log  d ÷
 Pu ( tot ) ÷



\* MERGEFORMAT (.)
104

 P 
Cr.T = 10log  d ÷
P
÷
 λ (tot ) 

\* MERGEFORMAT (.)

Trong đó: Pin là công suất ống dẫn sóng đầu vào; Pd và Pu(tot) tương ứng là công suất từ ống
dẫn sóng đầu ra mong muốn và tổng công suất từ các đầu ra không mong muốn; Pλ(tot) là
tổng công suất từ các bước sóng không mong muốn đưa đến cổng đầu ra mong muốn.

Hình 4.. Đáp ứng bước sóng của triplexer đề xuất tại ba cổng cho ba bước sóng.
Bảng 4.. Công suất (chuẩn hóa theo công suất đầu vào) ba cổng
đầu ra của triplexer đề xuất tại ba bước sóng

I.L

Cr.T

Ex.R

(dB)

(dB)

(dB)

1310 (Cổng 1)

-0.52

-25.87

-18.42

1490 (Cổng 2)

-0.21

-13.35

-24.42

1550 (Cổng 3)

-0.58

-23.39

-14.09

Bước sóng (nm)

Dữ liệu từ các kết quả mô phỏng được dùng để tính toán các tham số chất lượng sau
đó liệt kê như trên Bảng 4.. Kết quả này cho thấy rằng: triplexer được đề xuất có suy hao
chèn thấp, tỷ lệ phân biệt cao và xuyên nhiễu nhỏ. Các tham số được kể đến ở trên đóng
vai trò quan trọng về phương diện chế tạo của một bộ triplexer quang. Chúng ta mô phỏng
đáp ứng bước sóng tại ba đầu ra của bộ triplexer. Các kết quả mô phỏng cho đáp ứng bước
sóng bằng phương pháp mô phỏng 3D-BPM được trình bày như trên Hình 4..
Dữ liệu mô phỏng cho thấy rằng: 3 dB băng thông của ba băng bước sóng tương ứng
là 18 nm (từ 1300 nm đến 1318 nm) của băng 1310 nm (cổng 1), 44 nm (từ 1472 nm đến
1516 nm) của băng 1490 nm (cổng 2) và 14 nm (từ 1542 nm đến 1556 nm) của băng 1550
nm (cổng 3). Do vậy, băng thông của triplexer đã đề xuất là tương đối cao. Ngoài ra, hiệu
năng quang về mặt suy hao chèn và xuyên nhiễu là tốt hơn một số kết quả đã được công bố
105

gần đây mà được xây dựng trên các mạch quang phẳng (planar lightwave circuits – PLCs)
[23] [141]. Thêm vào đó, tổng chiều dài của cấu trúc đề xuất vào khoảng 1100 nm cũng là
khá ngắn so với kết quả gần đây [73]. Rõ ràng nó là thích hợp cho các mạch quang tích
hợp cao.

(a)

(b)
Hình 4.. Dung sai chế tạo cho triplexer đề xuất: (a) dung sai chiều rộng, (b) dung sai chiều dài.

Tiếp đó, chúng ta khảo sát dung sai chế tạo của cấu kiện theo chiều rộng và chiều dài
của bộ ghép đa mode hình cánh bướm như ở trên Hình 4.. Dữ liệu mô phỏng cho thấy rằng
với suy hao chèn dưới 2 dB, xuyên nhiễu và tỷ lệ phân biệt là dưới -10 dB thì các dung sai
theo chiều rộng và chiều dài tương ứng là ±8 nm và ±2 µm một cách tương ứng. Những
dung sai này là khá lớn nên cấu kiện dễ dàng được chế tạo, sản xuất với công nghệ quang
khắc hiện hành [49] [19].
106

Hình 4.. Sai khác hệ số chiết suất của triplexer.

Cuối cùng, mô phỏng về dung sai chế tạo của vật liệu cho lớp lõi ống dẫn sóng cũng
được khảo sát. Kết quả mô phỏng được trình bày trên Hình 4.. Chúng ta có thể thấy rằng
nếu sai lệch của các hệ số chiết suất giữa lớp lõi và lớp vỏ thay đổi với biên độ khoảng
0.0045 (vào khoảng 1.7%) thì suy hao chèn, tỷ lệ phân biệt và xuyên nhiễu sẽ tương ứng
nhỏ hơn -2 dB, -10 dB và -10 dB. Các giá trị này là khá tốt do vậy phù hợp cho công nghệ
chế tạo vật liệu ống dẫn sóng SOI trong thực tế hiện nay.

4.3
Thiết kế bộ triplexer dựa trên phân tầng hai bộ ghép đa
mode 2×2 hình cánh bướm sử dụng ống dẫn sóng silic
Trong thiết kế này, một cấu trúc mới cho một triplexer tích hợp cao bằng cách sử dụng
hai ống dẫn sóng đa mode với vật liệu silic dạng sườn. Hai bộ ghép đa mode được sử dụng
bằng cách phân tầng hai phần để tách riêng các bước song 1310 nm, 1490 nm và 1550 nm
ra ba cổng riêng biệt. Phương pháp mô phỏng số 3D-BPM và phương pháp hệ số chiết suất
hiệu dụng được sử dụng để thiết kế và tối ưu toàn bộ cấu kiện.
Sơ đồ hoạt động cơ bản của triplexer đề xuất được trình bày trên Hình 4.. Cấu trúc đề
xuất gồm có hai phần. Phần đầu tiên gồm một bộ ghép đa mode 2×2 hình cánh bướm được
sử dụng để phân kênh các bước sóng 1310 nm và 1550 nm tới một cổng ra trong khi bước
sóng 1490 nm được tách riêng ra một cổng ra khác. Bộ ghép đa mode 2×2 ở tầng thứ hai
cũng là một bộ ghép hình cánh bướm khác, được dùng để tách riêng ra hai bước sóng 1310
nm và 1550 nm đến hai cổng ra cuối một cách riêng biệt. Như vậy, nhiệm vụ thiết kế tách
riêng ra ba bước sóng sẽ được hoàn tất.

107

4.3.1

Phân tích thiết kế và tối ưu cấu trúc

(a)

(b)
Hình 4.. Sơ đồ đề xuất của bộ triplexer dựa trên phân tầng các bộ ghép đa mode sử dụng các ống
dẫn sóng silic: (a) Hình chiếu bằng; (b) Hình chiếu đứng và mode cơ sở của ống dẫn sóng
đầu vào tại bước sóng 1550 nm.

108