Đang tải... (xem toàn văn)
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 (As 2 S ) 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. 3 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 2 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.
B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI TRNG CAO DNG NGHIấN CU TNH TON THIT K CC MCH TCH HP GIAO THOA A MODE DNG TRONG MNG TON QUANG LUN N TIN S K THUT VIN THễNG H NI - 2015 B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI TRNG CAO DNG NGHIấN CU TNH TON THIT K CC MCH TCH HP GIAO THOA A MODE DNG TRONG MNG TON QUANG Chuyờn ngnh: K thut vin thụng Mó s: 62520208 LUN N TIN S K THUT VIN THễNG TP TH HNG DN KHOA HC: 1. GS. TS. Trn c Hõn 2. PGS.TS. Lờ Trung Thnh H NI - 2015 LI CAM OAN Tụi xin cam oan rng cỏc kt qu khoa hc c trỡnh by lun ỏn ny l thnh qu nghiờn cu ca bn thõn tụi sut thi gian lm nghiờn cu sinh v cha tng xut hin cụng b ca cỏc tỏc gi khỏc. Cỏc kt qu t c l chớnh xỏc v trung thc. Tỏc gi lun ỏn Trng Cao Dng i LI CM N u tiờn v trờn ht, tụi xin by t li cm n sõu sc n th hng dn khoa hc: GS. TS. Trn c Hõn v PGS.TS. Lờ Trung Thnh, nhng ngi khụng ch hng dn trc tip v mt khoa hc m cũn h tr v mi mt tụi cú th hon thnh bn lun ỏn ny sau hn ba nm lm nghiờn cu sinh. Tụi cng xin gi li cm n n TS. Hong V Chung Vin Hn lõm khoa hc Vit Nam, ngi a n cho tụi s t hiu qu v cỏc cụng ngh ch to ng dn súng cựng vi s h tr chuyờn mụn sut thi gian nghiờn cu va qua. Tụi cng xin gi li cm n sõu sc n em Trn Tun Anh Sinh viờn K54, i hc Bỏch Khoa H Ni ngi ó cú nhng úng gúp c lc, h tr tớnh toỏn cho cỏc nghiờn cu khoa hc ca tụi. Qua õy, tụi cng by t lũng bit n n Vin in t-Vin thụng v Vin o to Sau i hc, Trng i hc Bỏch Khoa H Ni ó to mi iu kin thun li cho tụi quỏ trỡnh hc nghiờn cu. Cui cựng, tụi dnh nhng li yờu thng nht n gia ỡnh tụi: b m, cỏc anh ch v c bit l v tụi V Võn Anh v gỏi tụi Trng Khỏnh Chi. S ng viờn, giỳp v s hi sinh, nhn ni ca h l ng lc mnh m giỳp tụi vt qua mi khú khn hon thnh lun ỏn ny. Xin chõn thnh cm n! H Ni, ngy thỏng nm 2015 Tỏc gi lun ỏn Trng Cao Dng ii Mc lc Mc lc . iii Danh mc cỏc thut ng vit tt . vi Danh mc cỏc ký hiu viii Danh mc cỏc hỡnh v ix Danh mc cỏc bng biu xii M u . i tng v mc tiờu nghiờn cu Cỏc kt qu t c . T chc lun ỏn . Chng1 Giao thoa a mode v mụ phng BPM 1.1 Giao thoa a mode 1.1.1 C s truyn súng ng dn súng 1.1.2 ng dn súng a mode v phõn tớch truyn mode . 1.1.3 Giao thoa tng quỏt GI . 12 1.1.4 Giao thoa hn ch -RI 13 1.1.5 ng dn súng hỡnh bỳp mng 15 1.2 Cỏc phng phỏp phõn tớch ng dn súng 17 1.2.1 Phng phỏp Marcatili 17 1.2.2 Phng phỏp h s hiu dng 18 1.2.3 Phng phỏp h s hiu dng hiu chnh 19 1.3 Cỏc phng phỏp mụ phng s hc 20 1.3.1 Phng phỏp truyn chựm BPM . 22 1.3.2 Li gii mode thụng qua BPM 26 1.4 Kt lun chng 28 Chng . 29 B chia cụng sut nhiu t s v chia chựm phõn cc s dng giao thoa a mode 29 2.1 B chia cụng sut nhiu t s da trờn cu trỳc giao thoa a mode . 29 2.1.1 Nguyờn lý thit k 30 iii 2.1.2 Kt qu mụ phng v tho lun . 34 2.1.3 Túm lc kt qu . 41 2.2 B chia chựm phõn cc da trờn ng dn súng a mode hỡnh cỏnh bm c khc trờn nn vt liu SOI . 41 2.2.1 Phõn tớch v thit k . 43 2.2.2 Ti u cu trỳc . 45 2.2.3 Kt qu mụ phng v tho lun . 47 2.2.4 Túm lc kt qu . 51 2.3 Kt lun chng 51 Chng . 52 Chuyn mch quang da trờn cu trỳc giao thoa a mode 52 3.1 Phõn tớch tng quỏt ca chuyn mch quang NìN . 52 3.2 B chuyn mch ton quang da trờn cỏc b ghộp giao thoa a mode 3ì3 s dng cỏc b ghộp phi tuyn 55 3.2.1 Phõn tớch v thit k cu kin 55 3.2.2 Mụ phng v tho lun 62 3.3 B chuyn mch ton quang 2ì2 khụng nhy phõn cc da trờn cu trỳc giao thoa a mode s dng cỏc b ghộp phi tuyn . 67 3.3.1 Thit k v ti u cu trỳc . 68 3.3.2 Kt qu mụ phng v tho lun . 71 3.4 B chuyn mch quang 3ì3 da trờn cỏc b ghộp giao thoa a mode s dng hiu ng in- quang l cỏc b dch pha . 75 3.4.1 Phõn tớch v thit k . 75 3.4.2 Kt qu mụ phng v tho lun . 77 3.5 Kt lun chng 82 Chng . 83 B ghộp kờnh ba bc súng s dng giao thoa a mode 83 4.1 Gii thiu v nguyờn lý thit k 83 4.2 Thit k b triplexer da trờn mt b ghộp giao thoa a mode 2ì2 hỡnh cỏnh bm v mt b ghộp nh hng s dng cỏc ng dn súng silic. . 86 4.2.1 Thit k v ti u cu trỳc . 86 iv 4.2.2 Kt qu mụ phng v tho lun . 91 4.3 Thit k b triplexer da trờn phõn tng hai b ghộp a mode 2ì2 hỡnh cỏnh bm s dng ng dn súng silic 94 4.3.1 Phõn tớch thit k v ti u cu trỳc 95 4.3.2 Kt qu mụ phng v tho lun . 97 4.4 Kt lun chng 100 Kt lun v hng phỏt trin . 101 úng gúp khoa hc ca lun ỏn 101 Hng phỏt trin tng lai ca lun ỏn . 102 DANH MC CC CễNG TRèNH CễNG B CA LUN N . 104 Ti liu tham kho . 105 v Danh mc cỏc thut ng vit tt AON All Optical Network Mng ton quang AWG Arrayed Waveguide Grating Cỏch t ng dn súng c xp mng BPM Beam Propagation Method Phng phỏp truyn chựm CMOS Complementary Semiconductor COM Complementary Operator Method Phng phỏp toỏn t bự Cr.T Crosstalk Xuyờn nhiu DC Directional Coupler B ghộp nh hng DWDM Dense Wavelength Multiplexing E.L Excess Loss Suy hao vt qua EBL Electron beam lithography Quang khc bng chựm tia in t EIM Effective Index Method Phng phỏp h s chit sut hiu dng EMS Eigenvalue mode solver Li gii mode giỏ tr riờng Ex.R Extinction Ratio T l phõn bit FD-BPM Finite Difference Propagation Method FDM Finite Difference Method Phng phỏp sai phõn hu hn FDTD Finite difference Time domain Sai phõn hu hn thi gian FEM Finite Element Method Phng phỏp phn t hu hn FFT-BPM Fast Fourier Transform Propagation Method FTTH Fiber to the home FV-BPM Full vectorial Beam Propagation Phng phỏp truyn chựm vộc t y Method GI General Interference Giao thoa tng quỏt I.L Insertion Loss Suy hao chốn MDM Mode Division Multiplexing Ghộp kờnh phõn chia theo mode Metal Oxide Bỏn dn ụ xớt kim loi bự Division Ghộp kờnh phõn chia bc súng mt cao Beam Phng phỏp truyn chựm sai phõn hu hn Beam Phng phỏp truyn chựm bin i Fourier nhanh Cỏp quang n tn nh vi MEIM Modified Effective Index Method MEMS Mechanic-electronic micro switch Phng phỏp h s chit sut hiu dng c hiu chnh Chuyn mch vi c in t MMI Multimode Interference Giao thoa a mode MOC Mode Order Conversion Chuyn i th t mode MPA Mode Propagation Analysis Phõn tớch truyn mode MRR Microring Resonator B vi cng hng vũng MZI Mach-Zehnder Interferometer Giao thoa k Mach-Zehnder OEICs Opto-electronic Integrated Circuits Vi mch tớch hp quang-in t PhC Photonic Crystal Tinh th quang t PICs Photonic Integrated Circuits Mch tớch hp quang t PLCs Planar Lightwave Circuits Mch quang phng PML Perfectly Match Layer Lp thớch hp hon ho PON Passive Optical Network Mng quang th ng RI Restrict Interference Giao thoa hn ch RIE Reactive ion etching Phng phỏp khc bng chựm ion SI Symetric Interference Giao thoa i xng SOI Silicon on Insulator Silic trờn nn cht cỏch in SV BPM Semi-vectorial Beam Propagation Phng phỏp truyn chựm bỏn vộc t Method TBC Transparent Boundary Condition iu kin biờn sut TE Transverse Electric Súng in ngang TEM Transverse Electromangnetic Súng in t ngang TM Transverse Magnetic Súng t ngang TMM Transfer Matrix Method Phng phỏp ma trn truyn t WA-BPM Wide angle Beam Propagation Phng phỏp truyn chựm gúc rng Method WDM Wavelength Division Multiplexing vii Ghộp kờnh phõn chia bc súng Danh mc cỏc ký hiu nc Chit sut lp v ng dn súng ns Chit sut lp (hay lp nn) ng dn súng We Chiu rng hiu dng b ghộp a mode LMMI Chiu di b ghộp giao thoa a mode L Na chiu di phỏch ca b ghộp a mode Pin Cụng sut u vo ng dn súng Pout Cụng sut u ng dn súng Pd Cụng sut ng dn súng u mong mun Pu (tot ) Tng cụng sut t cỏc ng dn súng u khụng mong mun P (tot ) Tng cụng sut t cỏc bc súng u vo khụng mong mun a n cng u mong mun H s m ch trng thỏi phõn cc. =0 vi mode TE v =1 vi mode TM c H s biờn mode th Th t mode c ch giao thoa a mode Gúc dch pha (rad) F t Phộp ly vi phõn hm F theo bin riờng t N.A Khu s: gúc ti ln nht cú th truyn c ng dn súng ( phn x ton phn ng dn súng) Bc súng hot ng ng dn súng nr (hoc n f ) Chit sut lp lừi ng dn súng WMMI Chiu rng b ghộp giao thoa a mode viii nh hn -2 dB, -12 dB v -12 dB. Do vy, dung sai h s chit sut ca cu kin l khỏ ln. H s truyn t (dB) I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T I.L Ex.R Cr.T Sai khỏc h s chit sut ca lp lừi Hỡnh 4.16. Dung sai ch to vt liu lp lừi ca triplexer xut. 4.4 Kt lun chng Chng ny lun ỏn ó gii thiu hai kiu thit k mt b triplexer. Cỏch th nht: b triplexer kớch thc nh mi bng cỏch s dng mt b ghộp a mode 2ì2 kiu hỡnh cỏnh bm v mt b ghộp nh hng da trờn cỏc ng dn súng sn silic. B ghộp a mode c s dng phõn kờnh bc súng 1490 nm mt cng, phõn kờnh hai bc súng 1310 nm v 1550 nm mt cng. Trong ú, b ghộp nh hng v cỏc b ghộp hỡnh sin s dng phõn kờnh bc súng 1310 nm v 1550 nm. Cỏch th hai: mt triplexer tớch hp rt cao bng cỏch s dng cu trỳc ghộp hai tng ng dn súng giao thoa a mode hỡnh cỏnh bm kớch thc 2ì2 m c xõy dng trờn nn tng ng dn súng silic dng sn. Nhng b ghộp a mode c s dng phõn tỏch riờng r ba bc súng 1310 nm, 1490 nm v 1550 nm n ba cng riờng r. Cu kin xut cú suy hao nh v tớch hp cao. Cỏc kt qu mụ phng s bng phng phỏp truyn chựm bỏn vộc t khụng gian ba chiu (3D-SV BPM) kt hp vi phng phỏp h s chit sut hiu dng (EIM) cho thy rng cu kin c xut cú cht lng hiu nng tt, bng thụng cao v dung sai ch to khỏ ln. Do vy chỳng cú th c s dng hiu qu ng dng ca h thng truy nhp FTTH v cỏc mng truy nhp quang khỏc. 100 Kt lun v hng phỏt trin Cỏc b ghộp a mode ó c cỏc nghiờn cu khoa hc chng t l mt nhng ng c viờn tt cho vic thit k cỏc vi mch, cu kin quang tớch hp bi cỏc u im v: tớnh n nh, bng thụng tng i cao, suy hao ghộp ni khỏ thp c bit l dung sai ch to ln v tng thớch cụng ngh ch to bỏn dn CMOS cho chi phớ sn xut thp. Nghiờn cu cỏc phng phỏp thit k da trờn phng phỏp phõn tớch truyn mode kt hp vi phng phỏp h s (chit sut) hiu dng. Sau ú, tớnh toỏn v ti u bng cỏc phng phỏp mụ phng s, c bit l phng phỏp mụ phng BPM. Lun ỏn ny ó trỡnh by cỏc thit k ca mt s cu kin vi mch tớch hp quang da trờn cỏc b ghộp giao thoa a mode ng dng xõy dng cỏc thnh phn chc nng x lý tớn hiu mng thụng tin ton quang. Phn tip theo s trỡnh by túm tt nhng úng gúp khoa hc chớnh v xut cỏc hng nghiờn cu phỏt trin tng lai ca lun ỏn. úng gúp khoa hc ca lun ỏn Cỏc ni dung nghiờn cu c ch sau õy ln u tiờn c xut v thc hin lun ỏn ny. õy cng chớnh l cỏc úng gúp khoa hc ca lun ỏn: 1) Cỏc b ghộp giao thoa a mode 2ì2 da trờn nn tng vt liu SOI to cỏc b chia cụng sut bt i xng vi nhiu t s chia mi v b chia trng thỏi phõn cc c trỡnh by u tiờn lun ỏn. Cỏc b chia ny cú cu trỳc hỡnh hc khụng phc vi nhiu u im v cỏc c tớnh quang hc tt nh: bng thụng rng, tn hao ghộp ni khỏ thp, xuyờn nhiu nh v dung sai ch to khỏ ln. Mt s t s chia vi s bt i xng ln t c chng hn b chia vi t s chia 98:2 mi cng t c ln u tiờn xut phn u ca lun ỏn ny. Kt qu ny c cụng b mt bi bỏo quc t ISI: Photonics Nanostructures - Fundam. Appl., vol. 11, no. 3, pp. 217225, Aug. 2013 v mt bi bỏo hi ngh quc t: 2014 IEEE Fifth International Conference on Communications and Electronics (ICCE), 2014. 2) Bng cỏch s dng cu hỡnh ghộp MMI-MZI vi cỏc ng dn súng phn gia ni gia hai vựng giao thoa a mode c s dng lm cỏc b dch pha, b chuyn mch ton quang vi cỏc trng thỏi chuyn mch khụng b cn ó c xut ln u tiờn phn tip theo ca lun ỏn. Cỏc thit k c th v mi ca cỏc b chuyn mch ton quang 2ì2 hoc 3ì3 s dng cỏc hiu ng phi tuyn Kerr da trờn vt liu thy tinh chalcogenide As2S3 hoc hiu ng Pockel da trờn vt liu tinh th AgGaSe2 to dch pha c xut to cỏc b chuyn mch ton quang khụng b cn 2ì2 hoc 3ì3. Cỏc b chuyn mch quang vi cht lng hiu nng quang hc tt c chng t mt cỏch chi tit phn trỡnh by ny ca lun ỏn. Kt qu ny c cụng b ba bi bỏo quc t ISI: Photonics Nanostructures - Fundam. Appl., vol. 11, no. 3, pp. 261269, Aug. 2013, Photonics Nanostructures - Fundam. Appl., vol. 11, no. 3, pp. 210216, Aug. 2013, Opt. 101 Commun., vol. 292, pp. 7883, Apr. 2013, mt bi bỏo quc t: Appl. Phys. Res., vol. 5, no. 3, pp. 5869, May 2013 v hai bi bỏo nc: J. Sci. Technol. ,Technical Univ., vol. 95, no. C, pp. 165170, 2013 v J. Sci. Technol. ,Vietnam Acad. Sci. Technol., vol. 51, no. 1A, pp. 6073, 2013. 3) Cui cựng, lun ỏn xut cỏc thit k mi xõy dng nờn cỏc b ghộp/phõn kờnh ba bc súng triplexer ca cỏc bc súng c bn 1310 nm, 1490 nm v 1550 nm cho cỏc ng dng ca mng truy nhp FTTH. Cỏc b tripexer c xõy dng da trờn nn tng vt liu SOI bng cỏch s dng b ghộp a mode 2ì2 c ghộp tng hoc kt hp vi mt b ghộp nh hng. Cỏc cu trỳc ny t c cht lng hiu nng h thng tt nh: suy hao thp (khụng quỏ 0.8 dB), bng thụng khỏ cao ỏp ng yờu cu ca tiờu chun ITUG.983 vi dung sai ch to phự hp vi cụng ngh ch to CMOS cho sn xut ng dn súng. Kt qu ny c cụng b hai bi bỏo quc t ISI: Opt. Commun., vol. 312, pp. 5761, Feb. 2014, Opt. Quantum Electron., Apr. 2014 v mt bi bỏo hi tho nc: 2013 National Conference on Electronics and Communications (REV), pp. 134139, 2013. Hng phỏt trin tng lai ca lun ỏn Hng phỏt trin cho cỏc nghiờn cu tip theo tng lai ca lun ỏn c tỏc gi lun ỏn xut: Ton b cỏc nghiờn cu xut hon ton cú kh nng ng dng thc tin ch to cỏc cu kin thnh phn mng ton quang, chng hn cỏc triplexer ng dng cho mng FTTH. Mt xut s dng cu trỳc giao thoa a mode thit k cỏc b iu ch pha lng cc DPSK ỏp dng cho cỏc h thng thụng tin quang tc cao hoc thit k cỏc phn t 90o hybrid [150] s dng nhng h thng thụng tin quang kt hp (coherent). Mt hng phỏt trin na l s dng cu trỳc giao thoa a mode s dng cỏc ng dn súng hỡnh bỳp mng to cỏc dch pha c nh chuyn i bc ca mode hoc chuyn i cỏc mode phõn cc to cỏc b ghộp/phõn kờnh phõn chia theo mode. kt thỳc, tỏc gi lun ỏn xin c xut mt hng phỏt trin c k vng s phỏt trin bựng n tng lai ti õy. ú l: s dng cu trỳc a mode dn v x lý tớn hiu dao ng b mt (surface plasmons hay plasmonics) hoc cỏc ng dn súng a mode lai ghộp plasmonic (hybrid plasmonic) [109] [96]. Bi vỡ, hin cụng ngh ch to vt liu bỏn dn hin ti phỏt trin ó gn ti gii hn nhiu x (diffraction limit) [89]. Do ú, nghiờn cu phỏt trin cỏc mch tớch hp kớch thc nano (nanoscale optics hoc subwavelength optics) thỡ cn s dng hiu ng dao ng, cng hng v tỏn x b mt. Hiu ng ny xut hin cỏc mode c bit c gi l cỏc mode dao ng b mt (surface plasmon polaritons SPP) ti b mt tip xỳc gia hai giao din kim loi in mụi (metal dielectric). Cỏc mode c bit ny cú th c truyn v bt gi dc theo b mt tip xỳc ca hai giao din vi kớch thc rt nh c vi chc n vi trm nanomột 102 (nanoscale) [13] [12]. Do vy, nghiờn cu v vic dn truyn, x lý cỏc mode ny hoc cỏc mode lai cỏc cu trỳc kớch thc nano l mt hng nghiờn cu cú tớnh cht t phỏ v s sụi ng tng lai [97] [8]. Nghiờn cu v quang t plasmonics da trờn lai ghộp vt liu oxide bỏn dn v s dng hiu ng plasmons b mt ng dng vi hiu ng giao thoa a mode (hiu ng Talbot) thit k cỏc vi mch chc nng [25] [70] [7], [35], [116], [129] tớch hp c rt ln vi tc cao ang l xu hng nghiờn cu cú tớnh t phỏ v rt hp dn cho mch tớch hp quang t. ú cng l ng ch o dn n mch quang tớch hp kớch thc di bc súng (sub wavelength integrated circuits). 103 DANH MC CC CễNG TRèNH CễNG B CA LUN N 1. C. D. Truong, D. H. Tran, T. A. Tran, and T. T. Le, 3ì3 Multimode interference optical switches using electro-optic effects as phase Shifters, Opt. Commun., vol. 292, pp. 7883, Apr. 2013. 2. C. Dung Truong, T. Thanh Le, and D. Han Tran, All-Optical Switches Based on 3ì3 Multimode Interference Couplers Using Nonlinear Directional Couplers, Appl. Phys. Res., vol. 5, no. 3, pp. 5869, 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. 217225, Aug. 2013. 4. T. T. Le and C. D. Truong, All-optical switches based on 3ì3 generalized multimode interference structure, Photonics Nanostructures - Fundam. Appl., vol. 11, no. 3, pp. 261269, Aug. 2013. 5. C. D. Truong, D. H. Tran, and T. T. Le, Design of an insensitive-polarization alloptical switch based on multimode interference structures, Photonics Nanostructures Fundam. Appl., vol. 11, no. 3, pp. 210216, 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 2ì2 multimode interference structures using chalcogenide glass, J. Sci. Technol. ,Technical Univ., vol. 95, no. C, pp. 165170, 2013. 7. C. D. Truong, T. A. Tran, T. T. Le, and D. H. Tran, 1ì3 all optical switches based on multimode interference couplers using nonlinear directional couplers, J. Sci. Technol. ,Vietnam Acad. Sci. Technol., vol. 51, no. 1A, pp. 6073, 2013. 8. C. D. Truong, X. L. Bui, D. H. Tran, T. L. Nguyen, and T. T. Le, A Novel Demultiplexer Based on a 2ì2 Butterfly MMI Coupler and a Directional Coupler Using Silicon Waveguides, in Electronics and Communications (REV), 2013 National Conference on, 2013, pp. 134139. 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. 425429. 10. C. Dung Truong, T. Anh Tran, and D. Han Tran, A design of triplexer based on a 2ì2 butterfly MMI coupler and a directional coupler using silicon waveguides, Opt. Commun., vol. 312, pp. 5761, Feb. 2014. 11. C. D. Truong and V. C. Hoang, A triplexer based on cascaded 2ì2 butterfly MMI couplers using silicon waveguides, Opt. Quantum Electron., Apr. 2014. 104 Ti liu tham kho [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] Aamer, M., A. M. Gutierrez, A. Brimont, D. Vermeulen, G. Roelkens, J. Fedeli, A. Hồkansson, 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. 20312034, 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. Supaat, and Z. A. Shamsan, MMIMZI Polymer Thermo-Optic Switch With a High Refractive Index Contrast, J. Light. Technol., vol. 29, no. 2, pp. 171178, 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. 7578. Babicheva, V. E., R. Malureanu, and A. V. Lavrinenko, Plasmonic finite-thickness metalsemiconductormetal waveguide as ultra-compact modulator, Photonics Nanostructures - Fundam. Appl., vol. 11, no. 4, pp. 323334, Nov. 2013. Babicheva, V. E., Ultra-compact plasmonic waveguide modulators, no. October, 2013. Bachmann, M., P. A. Besse, and H. Melchior, General self-imaging properties in N ì N multimode interference couplers including phase relations., Appl. Opt., vol. 33, no. 18, pp. 39053911, 1994. Bachmann, M., P. a Besse, and H. Melchior, Overlapping-image multimode interference couplers with a reduced number of self-images for uniform and nonuniform power splitting., Appl. Opt., vol. 34, no. 30, pp. 6898910, Oct. 1995. Bahrami, A., S. Mohammadnejad, and A. Rostami, All-Optical Multi-Mode Interference Switch Using Non-Linear Directional Coupler as a Passive Phase Shifter, Fiber Integr. Opt., vol. 30, no. 3, pp. 139150, Jun. 2011. Barnes, W. L., Surface plasmonpolariton length scales: a route to sub-wavelength optics, J. Opt. A Pure Appl. Opt., vol. 8, no. 4, pp. S87S93, Apr. 2006. Barnes, W. L., A. Dereux, and T. W. Ebbesen, Surface plasmon subwavelength optics, Nature, vol. 424, no. August, pp. 824830, 2003. Barwicz, T., M. R. Watts, M. A. Popovi, P. T. Rakich, L. Socci, F. X. Kọrtner, E. P. Ippen, and H. I. Smith, Polarization-transparent microphotonic devices in the strong confinement limit, Nat. Photonics, vol. 1, no. 1, pp. 5760, Jan. 2007. Besse, P. A., E. Gini, M. Bachmann, and H. Melchior, New x and 1x3 ultimode Interfere with Free Selection of Power Splitting Ratios, J. Light. Technol., vol. 14, no. 10, pp. 22862293, 1996. Bickel, N. and P. LiKamWa, 2ì2 Quantum Dot Based Switching Device Employing Multimode Interference Effects, Proc. SPIE, vol. 7339, p. 73390A, 2009. 105 [17] Bidnyk, S., D. Feng, A. Balakrishnan, M. Pearson, M. Gao, H. Liang, W. Qian, C.C. Kung, J. Fong, J. Yin, and M. Asghari, SOI waveguide based planar reflective grating demultiplexer for FTTH, Proc. SPIE, vol. 6477, p. 64770F64770F6, 2007. [18] Bock, P. J., P. Cheben, D.-X. Xu, S. Janz, and T. J. Hall, Mirror cavity MMI coupled photonic wire resonator in SOI., Opt. Express, vol. 15, no. 21, pp. 13907 12, Oct. 2007. [19] Bogaerts, W., P. Dumon, D. Van Thourhout, and R. Baets, Low-loss, low-crosstalk crossings for silicon-on-insulator nanophotonic waveguides, Opt. Lett., vol. 32, no. 19, pp. 28013, Oct. 2007. [20] Bogaerts, W., S. K. Selvaraja, P. Dumon, J. Brouckaert, K. De Vos, D. Van Thourhout, and R. Baets, Silicon-on-Insulator Spectral Filters Fabricated With CMOS Technology, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 16, no. 1, pp. 33 44, 2010. [21] Bryngdahl, O., Image formation using self-imaging techniques*, J. Opt. Soc. Am., vol. 63, no. 4, pp. 416419, 1973. [22] Cahill, L., Optical Switching Using Cascaded Generalised Mach-Zehnder Switches, TENCON 2005 - 2005 IEEE Reg. 10 Conf., pp. 15, Nov. 2005. [23] Chang, H.-H., Y. Kuo, R. Jones, A. Barkai, and J. E. Bowers, Integrated hybrid silicon triplexer, Opt. Express, vol. 18, no. 23, pp. 238919, Nov. 2010. [24] Chen, H., Y. Xu, J. He, and Z. Hong, A polarization splitter based on self-imaging phenomena in an anisotropic photonic crystal with an absolute photonic band gap, Opt. Commun., vol. 282, no. 17, pp. 36263629, Sep. 2009. [25] Chheang, V., T. Lee, G. Oh, H. Kim, B. Lee, D. G. Kim, and Y. Choi, Compact polarizing beam splitter based on a metal-insulator-metal inserted into multimode interference coupler, Opt. Express, vol. 21, no. 18, pp. 23842386, 2013. [26] Chiang, J., N. Sun, S. Member, and S. Lin, Analysis of an Ultrashort PCF-Based Polarization Splitter, J. Light. Technol., vol. 28, no. 5, pp. 707713, 2010. [27] Chiang, K. S., Performance of the effective-index method for the analysis of dielectric waveguides, Opt. Lett., vol. 16, no. 10, p. 714, 1991. [28] Correia, D., S. Member, J. P. Silva, and S. Member, Genetic Algorithm and FiniteElement Design of Short Single-Section Passive Polarization Converter, IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 15, no. 7, pp. 915917, 2003. [29] Crank, J. and P. Nicolson, A practical method for numerical evaluation of solutions of partial differential equations of the heat-conduction type, Math. Proc. Cambridge Philos. Soc., vol. 43, no. 01, pp. 5067, 1947. [30] Culverhouse, D. O., T. A. Birks, S. G. Farwell, and P. S. J. Russell, 3x3 All-Fiber Routing Switch, IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 9, no. 3, pp. 333335, Mar. 1997. [31] Dai, D. and J. E. Bowers, Novel ultra-short and ultra-broadband polarization beam splitter based on a bent directional coupler., Opt. Express, vol. 19, no. 19, pp. 1861420, Sep. 2011. 106 [32] Dai, D., S. Liu, S. He, S. Member, and Q. Zhou, Optimal Design of an MMI Coupler for Broadening the Spectral Response of an AWG Demultiplexer, J. Light. Technol., vol. 20, no. 11, pp. 19571961, 2002. [33] Danaie, M. and H. Kaatuzian, Improvement of power coupling in a nonlinear photonic crystal directional coupler switch, Photonics Nanostructures Fundam. Appl., vol. 9, no. 1, pp. 7081, 2011. [34] Decorby, R., H. Nguyen, P. Dwivedi, and T. Clement, Planar omnidirectional reflectors in chalcogenide glass and polymer., Opt. Express, vol. 13, no. 16, pp. 622833, Aug. 2005. [35] Dennis, M. R., N. I. Zheludev, and F. J. Garcớa de Abajo, The plasmon Talbot effect, Opt. Express, vol. 15, no. 15, pp. 9692700, Jul. 2007. [36] Doerr, C. R., M. Cappuzzo, L. Gomez, E. Chen, A. Wong-Foy, C. Ho, J. Lam, and K. McGreer, Planar lightwave circuit eight-channel CWDM multiplexer with [...]... rộng rãi trong các nghiên cứu ống dẫn sóng quang phẳng cho toàn bộ các đề xuất của luận án Các kết quả đạt đƣợc Xuất phát từ những phân tích ở trên về tiềm năng ứng dụng của các bộ giao thoa đa mode đối với nhu cầu thiết kế các mạch tích hợp quang tử, các thành phần để ứng dụng trong các mạng thông tin toàn quang, luận án tập trung nghiên cứu đề xuất các thiết kế sử dụng các bộ ghép đa mode để tạo ra một... cơ sở lý thuyết về các ống dẫn sóng giao thoa đa mode, các cơ chế giao thoa và các phương pháp phân tích ống dẫn sóng, nhất là phương pháp truyền chùm BPM – một phương pháp mô phỏng rất thích hợp và được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về ống dẫn sóng quang giao thoa đa mode 1.1 Giao thoa đa mode Giao thoa đa mode là hiện tượng ảnh tự chụp, một đặc tính của các ống dẫn sóng đa mode Theo đó một... 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. .. 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... về các phương pháp mô phỏng số sử dụng hiệu quả cho nghiên cứu, phân tích và thiết kế ống dẫn sóng giao thoa đa mode Chương 2 Bộ chia công suất nhiều tỷ số và chia chùm phân cực dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode: Chương này đề xuất thiết kế bộ chia công suất nhiều tỷ số và chia chùm phân cực sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode Phần đầu chương đề xuất ghép tầng nối tiếp các bộ ghép 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... quang dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode: Trong chương này đề xuất sử dụng các bộ ghép giao thoa đa mode để tạo ra các bộ chuyển mạch quang không bị chặn (nghĩa là: bất kỳ cổng đầu vào nào cũng có thể chuyển mạch được đến bất kỳ cổng đầu ra nào) Trong đó đi sâu vào nghiên cứu đề xuất sử dụng 2 bộ ghép đa mode 2×2 để tạo ra bộ chuyển mạch quang 2×2 hoặc sử dụng hai bộ ghép đa mode kích thước 3×3 ghép... 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. .. pha cần thiết cho hoạt động chuyển mạch Đề xuất sử dụng bộ ghép đa mode trên nền vật liệu silic và thủy tinh silic để thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310 nm, 1490 nm, 1550 nm (được gọi là các bộ triplexer) dùng trong các mạng quang truy nhập FTTH Tổ chức luận án Nền tảng lý thuyết được trình bày trong chương 1 Các nội dung được đề xuất và thiết kế các cấu kiện vi quang sử dụng giao thoa đa mode. .. sau: Nghiên cứu những tính chất, đặc điểm vật lý nổi bật của các bộ ghép giao thoa đa mode với những cấu trúc hình học truyền thống và cải tiến - Kết hợp những ưu thế của cấu trúc giao thoa đa mode với các cấu hình, cấu trúc hình học, vật liệu khác nhau để đề xuất xây dựng một số thành phần (hoặc phần tử) là những vi - mạch tích hợp chức năng mới của các mạng xử lý tín hiệu toàn quang - Các cấu kiện . nhu cầu thiết kế các mạch tích hợp quang tử, các thành phần để ứng dụng trong các mạng thông tin toàn quang, luận án tập trung nghiên cứu đề xuất các thiết kế sử dụng các bộ ghép đa mode để. dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về ống dẫn sóng quang giao thoa đa mode. 1.1 Giao thoa đa mode Giao thoa đa mode là hiện tượng ảnh tự chụp, một đặc tính của các ống dẫn sóng đa mode. Theo. 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