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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƢƠNG CAO DŨNG

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC MẠCH TÍCH HỢP

GIAO THOA ĐA MODE DÙNG TRONG MẠNG TOÀN QUANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƢƠNG CAO DŨNG

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC MẠCH TÍCH HỢP

GIAO THOA ĐA MODE DÙNG TRONG MẠNG TOÀN QUANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 62520208

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. GS. TS. Trần Đức Hân

2. PGS.TS. Lê Trung Thành

HÀ NỘI - 2015

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả

nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất

hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực.

Tác giả luận án

Trương Cao Dũng

ii

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên và trên hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến tập thể hướng dẫn khoa học:

GS. TS. Trần Đức Hân và PGS.TS. Lê Trung Thành, những người không chỉ hướng dẫn

trực tiếp về mặt khoa học mà còn hỗ trợ về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án

này sau hơn ba năm làm nghiên cứu sinh.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến TS. Hoàng Vũ Chung –Viện Hàn lâm khoa học Việt

Nam, người đưa đến cho tôi sự tư vấn hiệu quả về các vấn đề công nghệ chế tạo ống dẫn

sóng cùng với sự hỗ trợ chuyên môn trong suốt thời gian nghiên cứu vừa qua. Tôi cũng xin

gửi lời cảm ơn sâu sắc đến em Trần Tuấn Anh – Sinh viên K54, Đại học Bách Khoa Hà

Nội – người đã có những đóng góp đắc lực, hỗ trợ tính toán cho các nghiên cứu khoa học

của tôi.

Qua đây, tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến Viện Điện tử-Viễn thông và Viện Đào tạo

Sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi

trong quá trình học tập nghiên cứu.

Cuối cùng, tôi dành những lời yêu thương nhất đến gia đình tôi: bố mẹ, các anh chị và

đặc biệt là vợ tôi Vũ Vân Anh và con gái tôi Trương Khánh Chi. Sự động viên, giúp đỡ và

sự hi sinh, nhẫn nại của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn

thành luận án này.

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả luận án

Trương Cao Dũng

iii

Mục lục

Mục lục .................................................................................................................................iii

Danh mục các thuật ngữ viết tắt ........................................................................................... vi

Danh mục các ký hiệu ........................................................................................................viii

Danh mục các hình vẽ .......................................................................................................... ix

Danh mục các bảng biểu...................................................................................................... xii

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

iv

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

v

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

vi

Danh mục các thuật ngữ viết tắt

AON All Optical Network Mạng toàn quang

AWG Arrayed Waveguide Grating Cách tử ống dẫn sóng được xếp mảng

BPM Beam Propagation Method Phương pháp truyền chùm

CMOS

Complementary Metal Oxide

Semiconductor

Bán dẫn ô xít kim loại bù

COM Complementary Operator Method Phương pháp toán tử bù

Cr.T Crosstalk Xuyên nhiễu

DC Directional Coupler Bộ ghép định hướng

DWDM

Dense Wavelength Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia bước sóng mật

độ cao

E.L Excess Loss Suy hao vượt qua

EBL Electron beam lithography Quang khắc bằng chùm tia điện tử

EIM Effective Index Method

Phương pháp hệ số chiết suất hiệu

dụng

EMS Eigenvalue mode solver Lời giải mode giá trị riêng

Ex.R Extinction Ratio Tỷ lệ phân biệt

FD-BPM

Finite Difference Beam

Propagation Method

Phương pháp truyền chùm sai phân

hữu hạn

FDM Finite Difference Method Phương pháp sai phân hữu hạn

FDTD Finite difference –Time domain Sai phân hữu hạn miền thời gian

FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn

FFT-BPM

Fast Fourier Transform Beam

Propagation Method

Phương pháp truyền chùm biến đổi

Fourier nhanh

FTTH Fiber to the home Cáp quang đến tận nhà

FV-BPM

Full vectorial Beam Propagation

Method

Phương pháp truyền chùm véc tơ đầy

đủ

GI General Interference Giao thoa tổng quát

I.L Insertion Loss Suy hao chèn

MDM Mode Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mode

vii

MEIM Modified Effective Index Method Phương pháp hệ số chiết suất hiệu

dụng được hiệu chỉnh

MEMS Mechanic-electronic micro switch Chuyển mạch vi cơ điện tử

MMI Multimode Interference Giao thoa đa mode

MOC Mode Order Conversion Chuyển đổi thứ tự mode

MPA Mode Propagation Analysis Phân tích truyền mode

MRR Microring Resonator Bộ vi cộng hưởng vòng

MZI Mach-Zehnder Interferometer Giao thoa kế Mach-Zehnder

OEICs Opto-electronic Integrated Circuits Vi mạch tích hợp quang-điện tử

PhC Photonic Crystal Tinh thể quang tử

PICs Photonic Integrated Circuits Mạch tích hợp quang tử

PLCs Planar Lightwave Circuits Mạch quang phẳng

PML Perfectly Match Layer Lớp thích hợp hoàn hảo

PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động

RI Restrict Interference Giao thoa hạn chế

RIE Reactive ion etching Phương pháp khắc bằng chùm ion

SI Symetric Interference Giao thoa đối xứng

SOI Silicon on Insulator Silic trên nền chất cách điện

SV BPM

Semi-vectorial Beam Propagation

Method

Phương pháp truyền chùm bán véc tơ

TBC Transparent Boundary Condition Điều kiện biên trong suốt

TE Transverse Electric Sóng điện ngang

TEM Transverse Electromangnetic Sóng điện từ ngang

TM Transverse Magnetic Sóng từ ngang

TMM Transfer Matrix Method Phương pháp ma trận truyền đạt

WA-BPM

Wide angle – Beam Propagation

Method

Phương pháp truyền chùm góc rộng

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia bước sóng

viii

Danh mục các ký hiệu

c

n

Chiết suất lớp vỏ ống dẫn sóng

s

n

Chiết suất lớp đế (hay lớp nền) ống dẫn sóng

We

Chiều rộng hiệu dụng bộ ghép đa mode

LMMI

Chiều dài bộ ghép giao thoa đa mode

L

Nửa chiều dài phách của bộ ghép đa mode

Pin

Công suất đầu vào ống dẫn sóng

Pout

Công suất đầu ra ống dẫn sóng

Pd

Công suất ống dẫn sóng đầu ra mong muốn

Pu tot ( )

Tổng công suất từ các ống dẫn sóng đầu ra không mong

muốn

P( ) tot

Tổng công suất từ các bước sóng đầu vào không mong

muốn đưa đến cổng đầu ra mong muốn



Hệ số mũ chỉ trạng thái phân cực.



=0 với mode TE và



=1 với mode TM

c

Hệ số biên độ mode thứ





Thứ tự mode trong cơ chế giao thoa đa mode



Góc dịch pha (rad)

F

t





Phép lấy vi phân hàm F theo biến riêng t

NA.

Khẩu độ số: góc tới lớn nhất có thể truyền được trong

ống dẫn sóng (để phản xạ toàn phần trong ống dẫn sóng)



Bước sóng hoạt động trong ống dẫn sóng

r

n

(hoặc

f n

) Chiết suất lớp lõi ống dẫn sóng

WMMI

Chiều rộng bộ ghép giao thoa đa mode

ix

Danh mục các hình vẽ

Hình 1.1 Sơ đồ của một ống dẫn sóng đa mode N×M theo hình chiếu bằng........................ 9

Hình 1.2. Biểu diễn hai chiều của một ống dẫn sóng hệ số chiết suất bậc hai chiều .......... 10

Hình 1.3. Sơ đồ của một bộ chia hoặc kết hợp quang 1:N dựa trên cấu trúc giao thoa đối

xứng. .................................................................................................................................... 15

Hình 1.4. Các ống dẫn sóng có chiều rộng biến đổi tuyến tính: (a) ống dẫn sóng hình búp

măng và (b) ống dẫn sóng hình cánh bướm ........................................................................ 16

Hình 1.5. Mô tả sơ đồ phân tích bằng phương pháp hệ số hiệu dụng. ................................ 19

Hình 2.1. Cấu trúc của một bộ ghép giao toa đa mode cơ bản 2×2 MMI: .......................... 30

Hình 2.2 Sơ đồ khối của một bộ ghép đa mode 2×2 MMI dựa trên việc nối liền các phần

2×2 MMI cơ sở: (a) Ba bộ ghép 2×2 MMI và (b) Bốn bộ ghép 2×2 MMI......................... 31

Hình 2.3. Kết quả mô phỏng của các bộ ghép đa mode cơ sở: (a) Tại các chiều dài tối ưu và

(b) Mô phỏng BPM cho sự truyền các trường quang qua bộ ghép cơ sở............................ 35

Hình 2.4. Các kết quả mô phỏng BPM về đường bao điện trường cho vài bộ ghép đa mode

được nối phân tầng để đạt được các tỷ số chia công suất mới ............................................ 36

Hình 2.5. Kết quả mô phỏng bằng phương pháp BPM sự phụ thuộc vào bước sóng: ........ 37

Hình 2.6. Sự phụ thuộc vào chiều dài của bộ ghép kiểu D trong kiểu ghép ba tầng AAD và

kiểu ghép bốn tầng CDAD. ................................................................................................. 37

Hình 2.7. Sự phụ thuộc vào chiều rộng của bộ ghép kiểu D trong kiểu ghép ba tầng AAD

và bốn tầng CDAD .............................................................................................................. 38

Hình 2.8. Sự phụ thuộc vào vị trí của bộ ghép kiểu D trong kiểu ghép ba tầng AAD và

bốn tầng CDAD................................................................................................................... 38

Hình 2.9. Pha của tín hiệu đầu ra tại các (a) chiều dài, (b) chiều rộng và (c) vị trí khác

nhau của MMD-D trong cấu hình ghép ba tầng kiểu AAD và bốn tầng kiểu CDAD......... 40

Hình 2.10. Sơ đồ cấu hình của bộ chia chùm phân cực dựa trên bộ ghép đa mode hình được

khắc hình cánh bướm trên nền tảng vật liệu SOI: a) Hình chiếu bằng. b) Hình chiếu cạnh.

............................................................................................................................................. 42

Hình 2.11. Nửa chiều dài phách của các mode phân cực TE và TM là hàm số đối với các

biến độ sâu khắc d và chiều rộng của vùng đa mode. (a) Độ sâu khắc. (b) Độ rộng vùng đa

mode. ................................................................................................................................... 45

Hình 2.12. Công suất đầu ra được chuẩn hóa là hàm số với biến là chiều dài của vùng đa

mode. ................................................................................................................................... 46

Hình 2.13. Công suất ra chuẩn hóa là hàm số của chiều rộng đáy lớn của ống dẫn sóng

hình búp măng. .................................................................................................................... 47

Hình 2.14. Sự truyền của đường bao cường độ trường quang với các mode phân cực từ vị

trí z=0+

µm đến điểm cuối z=218 µm: (a) và (b) đối với mode TE, (c) và (d) đối với mode

TM. ...................................................................................................................................... 48

x

Hình 2.15. Đáp ứng bước sóng của suy hao vượt qua và tỷ lệ phân biệt cho hai mode phân

cực. ...................................................................................................................................... 49

Hình 2.16. Suy hao vượt qua và tỷ lệ phân biệt là các hàm số của của chiều sâu khắc d

cho hai mode phân cực. ....................................................................................................... 49

Hình 2.17. Suy hao vượt qua và tỷ lệ phân biệt là các hàm số của sai khác hệ số chiết suất

giữa lớp lõi và lớp vỏ ∆n cho hai mode phân cực. .............................................................. 50

Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý của bộ chuyển mạch quang N×N sử dụng cấu trúc giao thoa đa

mode .................................................................................................................................... 53

Hình 3.2. Một bộ chuyển mạch toàn quang dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode tổng

quát kiểu 3×3 và sử dụng các bộ ghép định hướng làm các bộ dịch pha ............................ 57

Hình 3.3. Mô phỏng 2D-BPM cho các giá trị tối ưu của khoảng hở g giữa ống dẫn sóng

điều khiển và ống dẫn sóng tín hiệu ngoài cùng.................................................................. 60

Hình 3.4. Các kết quả mô phỏng được thực hiện bằng phương pháp BPM cho các trạng

thái chuyển mạch của bộ chuyển mạch toàn quang 3×3. .................................................... 63

Hình 3.5. Công suất đầu ra chuẩn hóa theo sự biến đổi của chiều rộng và chiều dài của bộ

ghép đa mode cho tất cả các trạng thái bộ chuyển mạch đề xuất: (a) theo sự biến đổi của

chiều rộng và (b) theo sự biến đổi của chiều dài. ................................................................ 64

Hình 3.6. Sự phụ thuộc theo bước sóng của suy hao chèn trong các trạng thái hoạt động

chuyển mạch của cấu trúc đề xuất. ...................................................................................... 65

Hình 3.7. Các kết quả mô phỏng bằng 2D BPM cho sự phụ thuộc vào bước sóng cho: (a)

Xuyên nhiễu (b) Tỷ lệ phân biệt.......................................................................................... 66

Hình 3.8. Một bộ chuyển mạch toàn quang 2×2 không nhạy phân cực dựa trên cấu trúc

giao thoa đa mode................................................................................................................ 69

Hình 3.9. Giá trị tối ưu được chọn của chiều dài của các vùng ghép đa mode được tìm

thấy bằng mô phỏng 3D-BPM............................................................................................. 70

Hình 3.10. Mô phỏng 3D BPM của các mẫu trường điện của bộ chuyển mạch: (a) mode

TE; (b) mode TM................................................................................................................ 72

Hình 3.11. 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................................................... 73

Hình 3.12. 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...................................................................................................................................... 74

Hình 3.13. Sơ đồ cấu trúc bộ chuyển mạch quang dựa trên các bộ ghép đa mode 3×3..... 75

Hình 3.14. Mode cơ sở tại cổng đầu vào thứ hai của bộ chuyển mạch 3×3........................ 78

Hình 3.15. Kết quả mô phỏng thực hiện bằng phương pháp BPM cho tất cả các trạng thái

chuyển mạch của bộ chuyển mạch quang 3×3 .................................................................... 79

Hình 3.16. Sự phụ thuộc vào bước sóng của suy hao chèn trong trường hợp đầu vào 1 và

2 của bộ chuyển mạch. ........................................................................................................ 80