Tiến Sĩ Nghiên cứu tính toán thiết kế các mạch tích hợp giao thoa đa mode dùng trong mạng toàn quang

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
Mở đầu . 1
Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu 3
Các kết quả đạt được . 4
Tổ chức luận án . 4
Chương1 6
Giao thoa đa mode và mô phỏng BPM 6
1.1 Giao thoa đa mode 6
1.1.1 Cơ sở truyền sóng trong ống dẫn sóng 7
1.1.2 Ống dẫn sóng đa mode và phân tích truyền mode . 9
1.1.3 Giao thoa tổng quát – GI . 12
1.1.4 Giao thoa hạn chế -RI 13
1.1.5 Ống dẫn sóng hình búp măng 15
1.2 Các phương pháp phân tích ống dẫn sóng 17
1.2.1 Phương pháp Marcatili 17
1.2.2 Phương pháp hệ số hiệu dụng 18
1.2.3 Phương pháp hệ số hiệu dụng hiệu chỉnh 19
1.3 Các phương pháp mô phỏng số học 20
1.3.1 Phương pháp truyền chùm BPM . 22
1.3.2 Lời giải mode thông qua BPM 26
1.4 Kết luận chương 28
Chương 2 . 29
Bộ chia công suất nhiều tỷ số và chia chùm phân cực sử dụng giao thoa đa mode 29
2.1 Bộ chia công suất nhiều tỷ số dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode . 29
2.1.1 Nguyên lý thiết kế 30 2.1.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận . 34
2.1.3 Tóm lược kết quả . 41
2.2 Bộ chia chùm phân cực dựa trên ống dẫn sóng đa mode hình cánh bướm được
khắc trên nền vật liệu SOI . 41
2.2.1 Phân tích và thiết kế . 43
2.2.2 Tối ưu cấu trúc . 45
2.2.3 Kết quả mô phỏng và thảo luận . 47
2.2.4 Tóm lược kết quả . 51
2.3 Kết luận chương 51
Chương 3 . 52
Chuyển mạch quang dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode 52
3.1 Phân tích tổng quát của chuyển mạch quang N×N . 52
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 55
3.2.1 Phân tích và thiết kế cấu kiện 55
3.2.2 Mô phỏng và thảo luận 62
3.3 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 . 67
3.3.1 Thiết kế và tối ưu cấu trúc . 68
3.3.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận . 71
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 . 75
3.4.1 Phân tích và thiết kế . 75
3.4.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận . 77
3.5 Kết luận chương 82
Chương 4 . 83
Bộ ghép kênh ba bước sóng sử dụng giao thoa đa mode 83
4.1 Giới thiệu và nguyên lý thiết kế 83
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 86
4.2.1 Thiết kế và tối ưu cấu trúc . 86 4.2.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận . 91
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 94
4.3.1 Phân tích thiết kế và tối ưu cấu trúc 95
4.3.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận . 97
4.4 Kết luận chương 100
Kết luận và hướng phát triển . 101
Đóng góp khoa học của luận án 101
Hướng phát triển tương lai của luận án . 102
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN . 104
Tài liệu tham khảo . 105 1
Mở đầu
Thông tin quang sợi [3] là một trong những thành tựu nổi bật nhất của con người trong
thế kỷ trước, cung cấp giải pháp hữu hiệu cho vấn đề truyền tải thông tin. Sự ra đời của
mạng Internet mang lại một lợi ích to lớn cho tri thức, nhu cầu trao đổi, lưu trữ và xử lý
thông tin của con người. Với sự bùng nổ của các dịch vụ số liệu trên nền Internet, nhu cầu
băng thông phát triển với tốc độ rất nhanh [2]. Để đáp ứng được nhu cầu này, công nghệ
truyền dẫn theo phương thức ghép kênh phân chia theo bước sóng quang –WDM
(wavelength division multiplexing) [115] có khả năng ghép nhiều bước sóng trên một sợi
quang đã đáp ứng nhu cầu phát triển nhanh của các dịch vụ tryền số liệu các dịch vụ video,
các dịch vụ cáp sợi quang đến hộ gia đình –FTTH (fiber to the home) [17] [140] hay các
mạng truy nhập quang thụ động PON (passive optical network) khác. Hơn nữa, với sự phát
triển của các bộ khuếch đại quang [50] đã tạo ra những hệ thống thông tin có cự ly truyền
dẫn rất xa cho các mạng quốc gia hay kết nối liên châu lục.
Trước đây, các thành phần đầu cuối nối với khách hàng và các nút truyền tải có sự
biến đổi tín hiệu giữa miền điện và miền quang hoặc lai ghép giữa miền điện và miền
quang làm chậm tốc độ xử lý bởi đặc điểm về trễ, quán tính và giới hạn lượng tử của điện
tử. Theo xu hướng hiện đại thì các thành phần quang xử lý tín hiệu toàn quang thay thế
hoàn toàn cho các thành phần xử lý có sự biến đổi qua miền điện. Phương pháp xử lý tín
hiệu toàn quang có ưu điểm nổi bật về: tốc độ xử lý, băng thông cao, dễ phối ghép, cho
phép tích hợp cỡ lớn và dễ đóng gói. Do đó các mạng thông tin xử lý tín hiệu toàn quang
AONs (all optical networks) là xu thế phát triển cho các hệ thống thông tin quang thế hệ
mới. Các thành phần vi mạch tích hợp chức năng như các bộ chia quang, kết hợp quang,
phát thu quang, điều chế quang, khuếch đại quang, chuyển mạch quang và ghép/tách quang
là những phần tử cần thiết để xử lý, truyền tải và xen rẽ tín hiệu quang.
Các mạch tích hợp quang tử –PICs (photonic integrated circuits) được chờ đợi là thế
hệ kế tiếp của các mạch tích hợp quang điện tử, trong đó chỉ các linh kiện quang thụ động
mới được tích hợp [138]. Các mạch quang phẳng – PLCs (planar lightwave circuits) là một
ứng cử viên tốt để xây dựng các mạch quang thích hợp trong thông tin quang. Theo truyền
thống, các mạch quang phẳng bị cản trở bởi một số vấn đề lớn, chẳng hạn: sự phụ thuộc
phân cực và độ nhạy nhiệt và chúng bị giới hạn trong không gian hai chiều và chịu ảnh
hưởng của suy hao quang. Những vấn đề này đã và đang được giải quyết mang lại cho
mạch tích hợp quang phẳng với bốn ưu điểm: (1) chức năng được nâng cao, (2) suy hao rất
thấp, (3) kích thước rất nhỏ gọn và (4) tiềm năng để chế tạo hàng loạt. Dựa trên những
thành tựu to lớn của công nghệ chế tạo bán dẫn và các công nghệ quang khắc, PLCs có thể
được chế tạo với nhiều chức năng phức tạp và linh động. Các thành phần này có thể tùy
theo yêu cầu mật độ tích hợp cao và giá thành rẻ. Chẳng hạn, nhiều PLCs được chế tạo trên
nền các vật liệu thủy tinh silic [36], [93], [124], thủy tinh chalcogenide [34], InP/GaAsInP
[6] [45], vật liệu polymer [5] [101] v.v để tạo ra nhiều thành phần chức năng, linh kiện, thiết bị quang.
So sánh với các thành phần rời rạc của mạch quang tích hợp chẳng hạn được xây dựng
dựa trên công nghệ màng mỏng hay tinh thể quang tử (photonic crystal) thì các linh kiện
dựa trên công nghệ PLCs hứa hẹn hơn bởi chất lượng hiệu năng (performances) tốt của
chúng như: kích thước nhỏ, suy hao thấp, độ tin cậy cao hơn, hiệu năng tốt, khả năng sản
xuất hàng loạt và thiết kế linh động, giá thành ngày một giảm.
Một ống dẫn sóng quang là một đơn vị cơ bản cho các thành phần quang tử, nó giống
như dây dẫn điện cho điện tử. Xét về phương diện mạch thì quang tử có thể được xem như
tương đương với tín hiệu điện được thay thế bởi tín hiệu quang. Một cách so sánh, ống dẫn
sóng dựa trên phản xạ toàn phần của tín hiệu quang để dẫn tín hiệu [64] cũng giống như
điện tử được dẫn trong các dây dẫn điện như kim loại hay sóng điện từ được truyền trong
môi trường không gian truyền sóng. Nguyên lý truyền ánh sáng trong ống dẫn sóng cũng
chính là nguyên lý của sóng ánh sáng được dẫn trong các sợi cáp quang. Ưu điểm của
truyền sóng dựa trên phản xạ toàn phần là suy hao truyền sóng thấp do hầu như không bị
tán xạ ra môi trường bên ngoài. Do đó, hiện nay các mạch tích hợp quang PLCs sử dụng
các ống dẫn sóng là chủ đạo để xây dựng các thành phần chức năng trong các hệ thống
thông tin cáp sợi quang.



Các ống dẫn sóng quang và các cấu kiện vi quang có thể được chế tạo với nhiều loại
vật liệu khác nhau. Mỗi loại vật liệu có một số ưu nhược điểm khác nhau tùy theo cấu trúc,
chức năng và mục đích ứng dụng các hiệu ứng vật lý. Chẳng hạn, với những thành phần
cấu kiện quang thụ động thì vật liệu SOI (silicon on insulator) là một ứng cử viên tốt để lựa
chọn bởi suy hao vật liệu tương đối thấp, giá thành rẻ, hệ số tương phản cao nhưng gặp khó
khăn để đạt được phát xạ ánh sáng bởi khoảng băng gián tiếp (indirect bandgap). Mặc khác
vật liệu SOI có hệ số điện quang (electro-optic coefficient) và hệ số chiết suất phi tuyến
(nonlinear refractive index) thấp nên không thích hợp với những ứng dụng của các hiệu
ứng điện quang hay hiệu ứng phi tuyến Kerr. Trong khi đó vật liệu như InP [6] chẳng hạn
lại là lựa chọn lý tưởng cho tích hợp nguyên khối (monolithic integration) bởi chúng có thể
hỗ trợ hiệu ứng điện quang [90] để tạo ra các cấu trúc điều chế, chuyển mạch tốc độ cao
nhưng nhược điểm của chúng là suy hao dẫn sóng lớn và sai khác hệ số chiết suất giữa lớp
lõi và lớp vỏ không cao nên kích thước còn khá lớn. Một loại vật liệu khác là thủy tinh
chalcogenide (As2S) với đáp ứng thời gian nhanh kết hợp với hệ số phi tuyến bậc ba cao
thích hợp cho các mạch quang xử lý tốc độ cao [121]. Hơn nữa vật liệu có hệ số phi tuyến
Kerr rất lớn do vậy rất phù hợp với những ứng dụng cần có tác động của hiệu ứng phi
tuyến.


Các bộ ghép giao thoa đa mode MMI (multimode interference) là những ống dẫn sóng
quang phẳng, chúng hoạt động dựa trên nguyên lý tự tạo ảnh và được phát triển rất nhanh
trong những năm gần đây kể từ khi được giới thiệu về ứng dụng trong quang tích hợp bởi
Ulrich và Ankele [135]. Các phương pháp phân tích truyền mode và mô phỏng số hiện đại
đặc biệt là các phương pháp truyền chùm –BPM (beam propagation method) [145] và
phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian – FDTD (finite difference time domain)
[61] với năng lực trợ giúp của máy tính điện toán (computer) ngày càng cao đã và đang tạo
ra những bước đột phá mới cho nghiên cứu ứng dụng của các bộ ghép đa mode. Bộ ghép
đa mode có những ưu điểm như: băng thông tương đối cao [142] [88], suy hao thấp [84],
dung sai chế tạo lớn và mật độ tích hợp cao [151], tính ổn định rất tốt và tương thích với
công nghệ chế tạo bán dẫn CMOS [20]. Nhờ đó mà các bộ phối ghép giao thoa đa mode
được nghiên cứu và chế tạo để sử dụng rộng rãi trong nhiều mạch quang phẳng tích hợp
gồm: laser diode [125], bộ ghép nối quang [51], chia công suất quang [24] [123], kết hợp
quang, điều chế quang [16], chuyển mạch quang [136] [59], ghép/tách bước sóng quang
[128], các bộ cảm biến y sinh (biosensors) [69], các mạch logic quang [57] [79], các bộ tạo
mã quang [107]. Bên cạnh đó, các bộ giao thoa đa mode có thể được tích hợp với các mạch
quang phẳng khác chẳng hạn như: bộ cộng hưởng vi vòng [18], tinh thể quang, ảnh giao
thoa ba chiều (hologram) [130], cách tử Bragg [154], cách tử ống dẫn sóng được xếp mảng
–AWG (arrayed waveguide grating) [32] để tạo ra các vi mạch quang phức hợp.
Tuy nhiên, cho đến nay khả năng áp dụng của các bộ ghép giao thoa đa mode để xây
dựng nên các mạch tích hợp quang là những linh kiện của mạng thông tin xử lý tín hiệu
toàn quang còn nhiều cơ hội và thách thức cho nghiên cứu khoa học. Khả năng áp dụng các
bộ ghép giao thoa đa mode để tạo ra các bộ chia công suất với các tỷ số chia đa dạng, các
bộ chia chùm phân cực, các bộ chuyển mạch quang không chặn nhiều cổng, các bộ ghép
kênh ba bước sóng, các bộ ghép kênh phân chia theo mode hay các bộ điều chế pha vi sai,
các bộ cộng hưởng Fano, các bộ suy hao quang biến đổi điều khiển được,v.v. Bên cạnh đó,
việc sử dụng các cấu trúc hình học cho các bộ ghép đa mode để tối ưu hóa chất lượng hiệu
năng hoạt động là vấn đề quan trọng cần giải quyết. Đó cũng chính là những tiềm năng và
động lực nghiên cứu cho luận án này.