Tải bản đầy đủ
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

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

Tải bản đầy đủ

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

Phần đầu với nhiệm vụ tách ba bước sóng trong đó hai bước sóng 1310 nm và 1550
nm được đưa ra cùng một cổng của tầng giao thoa đa mode thứ nhất trong khi bước sóng
1490 nm được tách ra một cổng riêng ở tầng thứ nhất, chúng ta sử dụng cấu hình ống dẫn
sóng giao thoa đa mode như đã trình bày ở phần trước (trong cấu trúc sử dụng lai ghép
giữa ống dẫn sóng đa mode hình cánh bướm với một bộ ghép định hướng để thiết kế bộ
triplexer), chúng ta nhận được chiều dài ống dẫn sóng đa mode tầng thứ nhất này LMMI =
361.5 µm là giá trị phù hợp nhất để đạt được hiệu năng truyền đạt tốt như được thấy trên
Hình 4..

Hình 4.. Mô phỏng 3D-BPM cho chiều dài tối ưu của bộ ghép đa mode hình cánh bướm thứ hai.

Tiếp theo, công việc còn lại là thiết kế một bộ ghép đa mode tầng thứ hai. Bộ ghép này
có nhiệm vụ tách riêng hai bước sóng 1310 nm và 1550 nm ra hai cổng ra riêng rẽ. Bằng
cách sử dụng phương pháp tương tự như khi thiết kế tầng thứ nhất, chúng ta sẽ thiết kế
một bộ ghép 2×2 MMI để tách chúng. Bộ ghép hình cánh bướm này co độ rộng tại trung
tâm của cánh bướm là g.W, ở đây g là một hệ số tỷ lệ: 0g=0.8. Dựa trên phương pháp phân tích của điều kiện để tạo ảnh ở đầu ra của hai bước
sóng ra hai cổng khác nhau thì chiều dài lMMI của tầng giao thoa hình cánh bướm tầng thứ
hai này phải thỏa mãn biểu thức sau đây:

lMMI = u.3Lπ ( 1310nm ) = v.3Lπ ( 1550 nm )

\*
MERGEFORMAT (.)

Trong đó: u và v là các hệ số nguyên dương và chẵn lẻ khác nhau (u+v phải là số nguyên
dương lẻ). Dựa vào tính toán bằng phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng và sử dụng mô
phỏng số BPM chúng ta tìm ra được lMMI = 306.5 µm là chiều dài tối ưu để đạt được chất
109

lượng hiệu năng về suy hao chèn và tỷ lệ phân biệt tốt như được thể hiện trên Hình 4..
Các ống dẫn sóng hình búp măng tuyến tính được sử dụng để kết nối tới các ống dẫn
sóng truy nhập và ống dẫn sóng đa mode với mục đích cải thiện tổn thất công suất do ghép
nối. Trong trường hợp này, mô phỏng BPM cho kết quả kích thước tối ưu của các ống dẫn
sóng búp măng này là chiều dài lb = 4 µm, chiều rộng các đáy nhỏ và đáy lớn của nó tương
ứng là 0.36 µm và 1.116 µm. Mô phỏng BPM cũng chỉ ra vị trí thích hợp nhất để đạt được
chất lượng hiệu năng tốt hoạt động với hai bước sóng tại các cổng đầu ra mong muốn là: s
= 0.65 µm. Trong cấu trúc này, bước sóng 1310 nm và 1550 nm sẽ được rẽ tại các cổng ra
thẳng và cổng ra chéo một cách tương ứng. Chiều dài tổng cộng của bộ triplexer như đề
xuất theo thiết kế này vào khoảng 900 µm như được thấy trong Hình 4.(a).

(a)

(b)

(c)

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

4.3.2

Kết quả mô phỏng và thảo luận

Bằng cách sử dụng phương pháp mô phỏng 3D-BPM bán véc tơ, tiến trình truyền của
tín hiệu quang trong triplexer đã đề xuất được mô phỏng cho tất cả các cổng.
(a)

(b)

(c) biểu diễn các

đường bao phân bố điện trường cho ba bước sóng. Ta cũng xem xét các tham số phẩm chất
cho hiệu năng hoạt động của cấu kiện về mặt quang học, đó là suy hao chèn (I.L), tỷ lệ
phân biệt (Ex.R) và xuyên nhiễu (Cr.T). Các tham số này là quan trọng biểu thị cho hiệu
năng hoạt động của một cấu kiện quang học. Chúng được xác định bởi các biểu thức tính
toán giống như đã trình bày tại , , .
110

Các kết quả mô phỏng được trình bày như trên Bảng 4.. Chúng cho thấy rằng: triplexer
như thiết kế đề xuất có suy hao chèn thấp, xuyên nhiễu nhỏ và tỷ lệ phân biệt cao. Do vậy,
chất lượng hiệu năng về mặt quang học của triplexer là tốt.
Bảng 4.. Công suất ra (được chuẩn hóa theo công suất đầu vào) ba cổng của triplexer đề xuất
tại ba bước sóng

Bước sóng (nm)

I.L (dB)

Cr.T (dB)

Ex.R (dB)

1310 (Cổng1)
1490 (Cổng 2)
1550 (Cổng 3)

-0.77
-0.4
-0.63

-18.57
-13.18
-23.31

-16
-22
-15

Hình 4.. Đáp ứng theo bước sóng của triplexer đề xuất tại ba cổng.

Chúng ta mô phỏng đáp ứng bước sóng tại ba cổng của triplexer. Các kết quả mô
phỏng được trình bày trong Hình 4.. Dữ liệu mô phỏng cho thấy rằng: 3 dB băng thông của
suy hao chèn trong ba băng tương ứng với 24 nm (từ 1300 nm đến 1324 nm) của băng
1310 nm (port1), 40 nm ( từ 1470 nm đến 1510 nm) của băng 1490 nm (port2) và 34 nm
(từ 1531 nm đến 1565 nm) của băng 1550 nm (port 3). Do vậy, băng thông của triplexer là
lớn (lớn hơn so với tham khảo [112] với mode hoạt động TE ). Thêm nữa, chất lượng hiệu
năng quang về suy hao chèn và xuyên nhiễu được thấy là tốt hơn một số kết quả nghiên
cứu đã được công bố mà được thiết kế dựa trên kỹ thuật mạch quang phẳng (PLCs) gần
đây [23] [141]. Ngoài ra có thể thấy rằng, kích thước của triplexer đề xuất là nhỏ hơn một
số tham khảo kết quả công bố gần đây [73]. Rõ ràng là triplexer đề xuất thích hợp cho các
mạch tích hợp quang tử mật độ cao.
Kế đến, chúng ta khảo sát dung sai chế tạo của cấu kiện theo chiều rộng và chiều dài
của ống dẫn sóng đa mode hình cánh bướm. Để khảo sát, ta khảo sát trường hợp của ống
dẫn sóng hình cánh bướm thứ nhất (ống dẫn sóng thứ hai cũng khảo sát theo cách hoàn
toàn tương tự) như thấy trong Hình 4.. Dữ liệu mô phỏngBPM được xử lý và vẽ ra trên hệ
tọa độ cho thấy rằng với suy hao chèn nhỏ hơn 2 dB, xuyên nhiễu và tỷ lệ phân biệt nhỏ
111

hơn -12 dB thì dung sai theo chiều rộng và chiều dài tương ứng lần lượt là ±5 nm và ±1
µm.

(a)

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

Những khoảng dung sai này là khá lớn, do đó thích hợp với công nghệ chế tạo bằng
công nghệ quang khắc (photolithography) hiện hành [49].
Cuối cùng, mô phỏng dung sai chế tạo về mặt vật liệu cũng được khảo sát và nghiên
cứu. Ta khảo sát dung sai chế tạo về hệ số chiết suất của lớp lõi ống dẫn sóng (silic). Các
kết quả mô phỏng được trình bày trong Hình 4.. Chúng ta có thể thấy rằng nếu hệ số chiết
suất thay đổi xung quanh giá trị 3.45 (hệ số chiết suất của vật liệu tinh thể silic) với biên độ
112

là 0.017 (vào khoảng 5%), suy hao chèn, tỷ lệ phân biệt và xuyên nhiễu sẽ lần lượt nhỏ hơn
-2 dB, -12 dB và -12 dB. Do vậy, dung sai hệ số chiết suất của cấu kiện là khá lớn.

Hình 4.. Dung sai chế tạo vật liệu lớp lõi của triplexer đề xuất.

4.4

Kết luận chương

Chương này luận án đã giới thiệu hai kiểu thiết kế một bộ triplexer. Cách thứ nhất: bộ
triplexer kích thước nhỏ mới bằng cách sử dụng một bộ ghép đa mode 2×2 kiểu hình cánh
bướm và một bộ ghép định hướng dựa trên các ống dẫn sóng sườn silic. Bộ ghép đa mode
được sử dụng để phân kênh bước sóng 1490 nm ra một cổng, phân kênh hai bước sóng
1310 nm và 1550 nm ra một cổng. Trong khi đó, bộ ghép định hướng và các bộ ghép hình
sin sử dụng để phân kênh bước sóng 1310 nm và 1550 nm. Cách thứ hai: một triplexer tích
hợp rất cao bằng cách sử dụng cấu trúc ghép hai tầng ống dẫn sóng giao thoa đa mode hình
cánh bướm kích thước 2×2 mà được xây dựng trên nền tảng ống dẫn sóng silic dạng sườn.
Những bộ ghép đa mode được sử dụng để phân tách riêng rẽ ba bước sóng 1310 nm, 1490
nm và 1550 nm đến ba cổng ra riêng rẽ. Cấu kiện đề xuất có suy hao nhỏ và độ tích hợp
cao. Các kết quả mô phỏng số bằng phương pháp truyền chùm bán véc tơ trong không gian
ba chiều (3D-SV BPM) kết hợp với phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng (EIM) cho
thấy rằng cấu kiện được đề xuất có chất lượng hiệu năng tốt, băng thông cao và dung sai
chế tạo khá lớn. Do vậy chúng có thể được sử dụng hiệu quả trong ứng dụng của hệ thống
truy nhập FTTH và các mạng truy nhập quang khác.

113

Kết luận và hướng phát triển
Các bộ ghép đa mode đã được các nghiên cứu khoa học chứng tỏ là một trong những
ứng cử viên tốt cho việc thiết kế các vi mạch, cấu kiện quang tích hợp bởi các ưu điểm về:
tính ổn định, băng thông tương đối cao, suy hao ghép nối khá thấp đặc biệt là dung sai chế
tạo lớn và tương thích công nghệ chế tạo bán dẫn CMOS cho chi phí sản xuất thấp.
Nghiên cứu các phương pháp thiết kế dựa trên phương pháp phân tích truyền mode kết
hợp với phương pháp hệ số (chiết suất) hiệu dụng. Sau đó, tính toán và tối ưu bằng các
phương pháp mô phỏng số, đặc biệt là phương pháp mô phỏng BPM.
Luận án này đã trình bày các thiết kế của một số cấu kiện vi mạch tích hợp quang dựa
trên các bộ ghép giao thoa đa mode ứng dụng để xây dựng các thành phần chức năng xử lý
tín hiệu trong mạng thông tin toàn quang.
Phần tiếp theo sẽ trình bày tóm tắt những đóng góp khoa học chính và đề xuất các
hướng nghiên cứu phát triển tương lai của luận án.

Đóng góp khoa học của luận án
Các nội dung nghiên cứu được chỉ ra sau đây lần đầu tiên được đề xuất và thực hiện
trong luận án này. Đây cũng chính là các đóng góp khoa học của luận án:
1) Các bộ ghép giao thoa đa mode 2×2 dựa trên nền tảng vật liệu SOI để tạo ra các bộ
chia công suất bất đối xứng với nhiều tỷ số chia mới và bộ chia trạng thái phân cực được
trình bày đầu tiên ở luận án. Các bộ chia này có cấu trúc hình học không phức tạp với
nhiều ưu điểm về các đặc tính quang học tốt như: băng thông rộng, tổn hao ghép nối khá
thấp, xuyên nhiễu nhỏ và dung sai chế tạo khá lớn. Một số tỷ số chia với sự bất đối xứng
lớn đạt được chẳng hạn bộ chia với tỷ số chia 98:2 mới cũng đạt được lần đầu tiên trong đề
xuất ở phần đầu của luận án này. Kết quả này được công bố trong một bài báo quốc tế ISI:
Photonics Nanostructures - Fundam. Appl., vol. 11, no. 3, pp. 217–225, Aug. 2013 và một
bài báo hội nghị quốc tế: 2014 IEEE Fifth International Conference on Communications
and Electronics (ICCE), 2014.
2) Bằng cách sử dụng cấu hình ghép MMI-MZI với các ống dẫn sóng ở phần giữa nối
giữa hai vùng giao thoa đa mode được sử dụng làm các bộ dịch pha, bộ chuyển mạch toàn
quang với các trạng thái chuyển mạch không bị cản đã được đề xuất lần đầu tiên trong
phần tiếp theo của luận án. Các thiết kế cụ thể và mới của các bộ chuyển mạch toàn quang
2×2 hoặc 3×3 sử dụng các hiệu ứng phi tuyến Kerr dựa trên vật liệu thủy tinh chalcogenide
As2S3 hoặc hiệu ứng Pockel dựa trên vật liệu tinh thể AgGaSe2 tạo dịch pha được đề xuất
để tạo ra các bộ chuyển mạch toàn quang không bị cản 2×2 hoặc 3×3. Các bộ chuyển mạch
quang với chất lượng hiệu năng quang học tốt được chứng tỏ một cách chi tiết trong phần
trình bày này của luận án. Kết quả này được công bố trong ba bài báo quốc tế ISI:
Photonics Nanostructures - Fundam. Appl., vol. 11, no. 3, pp. 261–269, Aug. 2013,
Photonics Nanostructures - Fundam. Appl., vol. 11, no. 3, pp. 210–216, Aug. 2013, Opt.
114

Commun., vol. 292, pp. 78–83, Apr. 2013, một bài báo quốc tế: Appl. Phys. Res., vol. 5, no.
3, pp. 58–69, May 2013 và hai bài báo trong nước: J. Sci. Technol. ,Technical Univ., vol.
95, no. C, pp. 165–170, 2013 và J. Sci. Technol. ,Vietnam Acad. Sci. Technol., vol. 51, no.
1A, pp. 60–73, 2013.
3) Cuối cùng, luận án đề xuất các thiết kế mới để xây dựng nên các bộ ghép/phân kênh ba
bước sóng –triplexer của các bước sóng cơ bản 1310 nm, 1490 nm và 1550 nm cho các
ứng dụng của mạng truy nhập FTTH. Các bộ tripexer được xây dựng dựa trên nền tảng vật
liệu SOI bằng cách sử dụng bộ ghép đa mode 2×2 được ghép tầng hoặc kết hợp với một bộ
ghép định hướng. Các cấu trúc này đạt được chất lượng hiệu năng hệ thống tốt như: suy
hao thấp (không quá 0.8 dB), băng thông khá cao đáp ứng yêu cầu của tiêu chuẩn ITUG.983 với dung sai chế tạo phù hợp với công nghệ chế tạo CMOS cho sản xuất ống dẫn
sóng. Kết quả này được công bố trong hai bài báo quốc tế ISI: Opt. Commun., vol. 312, pp.
57–61, Feb. 2014, Opt. Quantum Electron., Apr. 2014 và một bài báo hội thảo trong nước:
2013 National Conference on Electronics and Communications (REV), pp. 134–139, 2013.

Hướng phát triển tương lai của luận án
Hướng phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo trong tương lai của luận án được tác giả
luận án đề xuất:
 Toàn bộ các nghiên cứu đề xuất hoàn toàn có khả năng ứng dụng thực tiễn để chế tạo
ra các cấu kiện thành phần mạng toàn quang, chẳng hạn các triplexer ứng dụng cho
mạng FTTH.
 Một đề xuất sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode để thiết kế các bộ điều chế pha lưỡng
cực DPSK để áp dụng cho các hệ thống thông tin quang tốc độ cao hoặc thiết kế các
phần tử 90o –hybrid [150] sử dụng trong những hệ thống thông tin quang kết hợp
(coherent).
 Một hướng phát triển nữa là sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode sử dụng các ống dẫn
sóng hình búp măng tạo ra các dịch pha cố định để chuyển đổi bậc của mode hoặc
chuyển đổi các mode phân cực để tạo ra các bộ ghép/phân kênh phân chia theo mode.
Để kết thúc, tác giả luận án xin được đề xuất một hướng phát triển được kỳ vọng sẽ
phát triển bùng nổ trong tương lai tới đây. Đó là: sử dụng cấu trúc đa mode để dẫn và xử lý
tín hiệu dao động bề mặt (surface plasmons hay plasmonics) hoặc các ống dẫn sóng đa
mode lai ghép plasmonic (hybrid plasmonic) [109] [96]. Bởi vì, hiện nay công nghệ chế
tạo vật liệu bán dẫn hiện tại phát triển đã gần tới “giới hạn nhiễu xạ” (diffraction limit)
[89]. Do đó, để nghiên cứu phát triển các mạch tích hợp kích thước nano (nanoscale optics
hoặc subwavelength optics) thì cần sử dụng hiệu ứng dao động, cộng hưởng và tán xạ bề
mặt. Hiệu ứng này xuất hiện các mode đặc biệt được gọi là các mode dao động bề mặt
(surface plasmon polaritons –SPP) tại bề mặt tiếp xúc giữa hai giao diện kim loại – điện
môi (metal – dielectric). Các mode đặc biệt này có thể được truyền và bắt giữ dọc theo bề
mặt tiếp xúc của hai giao diện với kích thước rất nhỏ cỡ vài chục đến vài trăm nanomét
115

(nanoscale) [13] [12]. Do vậy, nghiên cứu về việc dẫn truyền, xử lý các mode này hoặc các
mode lai trong các cấu trúc kích thước nano là một hướng nghiên cứu có tính chất đột phá
và sẽ sôi động trong tương lai [97] [8]. Nghiên cứu về quang tử plasmonics dựa trên lai
ghép vật liệu oxide bán dẫn và sử dụng hiệu ứng plasmons bề mặt ứng dụng với hiệu ứng
giao thoa đa mode (hiệu ứng Talbot) để thiết kế các vi mạch chức năng [25] [70] [7], [35],
[116], [129] tích hợp cỡ rất lớn với tốc độ cao đang là xu hướng nghiên cứu có tính đột phá
và rất hấp dẫn cho mạch tích hợp quang tử. Đó cũng là con đường chủ đạo dẫn đến “mạch
quang tích hợp kích thước dưới bước sóng” (sub wavelength integrated circuits).

116

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. C. D. Truong, D. H. Tran, T. A. Tran, and T. T. Le, “3×3 Multimode

interference optical switches using electro-optic effects as phase Shifters,”
Opt. Commun., vol. 292, pp. 78–83, Apr. 2013.
2. C. Dung Truong, T. Thanh Le, and D. Han Tran, “All-Optical Switches

Based on 3×3 Multimode Interference Couplers Using Nonlinear
Directional Couplers,” Appl. Phys. Res., vol. 5, no. 3, pp. 58–69, May
2013.
3. C.-D. Truong and T.-T. Le, “Power splitting ratio couplers based on MMI

structures with high bandwidth and large tolerance using silicon
waveguides,” Photonics Nanostructures - Fundam. Appl., vol. 11, no. 3,
pp. 217–225, Aug. 2013.
4. T. T. Le and C. D. Truong, “All-optical switches based on 3×3 generalized

multimode interference structure,” Photonics Nanostructures - Fundam.
Appl., vol. 11, no. 3, pp. 261–269, Aug. 2013.
5. C. D. Truong, D. H. Tran, and T. T. Le, “Design of an insensitive-

polarization all-optical switch based on multimode interference
structures,” Photonics Nanostructures - Fundam. Appl., vol. 11, no. 3, pp.
210–216, Aug. 2013.
6. C. D. Truong, T. A. Tran, D. H. Tran, Q. Tran, and T. T. Le, “A novel all-

optical switch based on 2×2 multimode interference structures using
chalcogenide glass,” J. Sci. Technol. ,Technical Univ., vol. 95, no. C, pp.
165–170, 2013.
7. C. D. Truong, T. A. Tran, T. T. Le, and D. H. Tran, “1×3 all optical

switches based on multimode interference couplers using nonlinear
directional couplers,” J. Sci. Technol. ,Vietnam Acad. Sci. Technol., vol.
51, no. 1A, pp. 60–73, 2013.
8. C. D. Truong, X. L. Bui, D. H. Tran, T. L. Nguyen, and T. T. Le, “A Novel

Demultiplexer Based on a 2×2 Butterfly MMI Coupler and a Directional
Coupler Using Silicon Waveguides,” in Electronics and Communications
(REV), 2013 National Conference on, 2013, pp. 134–139.
117

9. C. D. Truong, D. H. Tran, V. C. Hoang, and T. T. Le, “A Butterfly MMI

Waveguides Based Polarization Beam Splitter Etched on SOI platform,” in
Communications and Electronics (ICCE), 2014 IEEE Fifth International
Conference on, 2014, pp. 425–429.
10. C. Dung Truong, T. Anh Tran, and D. Han Tran, “A design of triplexer

based on a 2×2 butterfly MMI coupler and a directional coupler using
silicon waveguides,” Opt. Commun., vol. 312, pp. 57–61, Feb. 2014.
11. C. D. Truong and V. C. Hoang, “A triplexer based on cascaded 2×2

butterfly MMI couplers using silicon waveguides,” Opt. Quantum
Electron., Apr. 2014.

Tài liệu tham khảo
[1]

[2]
[3]
[4]
[5]

[6]

[7]

Aamer, M., A. M. Gutierrez, A. Brimont, D. Vermeulen, G. Roelkens, J. Fedeli, A.
Håkansson, and P. Sanchis, “CMOS Compatible Silicon-on-Insulator Polarization
Rotator Based on Symmetry Breaking of the Waveguide Cross Section,” IEEE
Photonics Technol. Lett., vol. 24, no. 22, pp. 2031–2034, 2012.
Agrawal, G. P., Lightwave Technology. John Wiley&Sons, 2005.
Agrawal, G. P., “Govind Agrawal - Fiber-Optic Communication Systems.” John
Wiley&Sons, 1997.
Agrawal, G. P., Nonlinear fiber optics, Third edit. Academic Press, 2001.
Al-Hetar, A. M., A. B. Mohammad, A. S. M. Supa’at, and Z. A. Shamsan, “MMIMZI Polymer Thermo-Optic Switch With a High Refractive Index Contrast,” J.
Light. Technol., vol. 29, no. 2, pp. 171–178, Jan. 2011.
Augustin, L. M., J. J. G. M. Van Der Tol, and R. Hanfoug, “Monolithically
integrated SOA-MZI array in InP / InGaAsP , suited for flip-chip packaging,” in
Proceedings Symposium IEEE/LEOS, 2007, pp. 75–78.
Babicheva, V. E., R. Malureanu, and A. V. Lavrinenko, “Plasmonic finite-thickness
metal–semiconductor–metal waveguide as ultra-compact modulator,” Photonics
Nanostructures - Fundam. Appl., vol. 11, no. 4, pp. 323–334, Nov. 2013.
118