Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết chỉ ra, tùy vào các tham số trong cấu trúc của taper - chiều dài, độ cong hai mặt bên, đường cong mặt trên hiệu suất truyền của nó sẽ thay đổi. Trong bài viết này, bài viết chỉ tập trung chủ yếu vào ảnh hưởng của độ cong hai mặt bên vào hệ số truyền dẫn của taper để đưa ra cấu trúc tối ưu.
Trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, Tập 49 - Số 2A/2020, tr 23-29 THIẾT KẾ CẤU TRÚC GHÉP NỐI QUANG DẠNG VUỐT THON TỪ POLYMER CHO MẠCH TÍCH HỢP QUANG Ngô Sỹ Dũng (1), Nguyễn Thanh Phương (1), Phạm Phương Nam (2), Tống Quang Công (2), Trần Quốc Tiến (2) Viện Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Ngày nhận 18/02/2020, ngày nhận đăng 29/4/2020 Tóm tắt: Để dẫn tín hiệu vào mạch tích hợp quang mà không suy hao đáng kể, phải sử dụng cấu trúc dẫn sóng có đường kính nhỏ khoảng vài μm, nhiên sợi quang thơng thường lại có kích thước lớn - cỡ 10 μm Vì để ghép nối hai loại cấu trúc dẫn sóng với hiệu suất ghép nối cao người ta dùng cấu trúc có dạng vuốt thon hay gọi taper Nghiên cứu ra, tùy vào tham số cấu trúc taper - chiều dài, độ cong hai mặt bên, đường cong mặt trên… hiệu suất truyền thay đổi Trong báo này, tập trung chủ yếu vào ảnh hưởng độ cong hai mặt bên vào hệ số truyền dẫn taper để đưa cấu trúc tối ưu Từ khóa: Tích hợp quang; cấu trúc dẫn sóng; cấu trúc vuốt thon Mở đầu Băng thông hệ thống truyền dẫn thông tin bị giới hạn độ trễ, tốc độ đáp ứng gây linh kiện mà hệ thống sử dụng Từ đầu năm 2000, việc tích hợp linh kiện quang học chip bán dẫn silicon để tạo mạch tích hợp quang học trọng đặc biệt nhằm nâng cao tốc độ hoạt động hệ thống [1 3] Các mạch tích hợp quang chế tạo từ linh kiện bao gồm cấu trúc dẫn sóng, cấu trúc vi cộng hưởng, lọc quang v.v Để đảm bảo tín hiệu truyền dẫn linh kiện suy hao khơng đáng kể trường tín hiệu quang dẫn hoạt động chế độ đơn mốt không gian, linh kiện yêu cầu chế tạo kích thước nhỏ khoảng vài μm Trong đó, hệ thống thường kết nối trực tiếp với sử dụng sợi quang đơn mốt có kích thước đường kính lõi dẫn sóng khoảng μm Để kết nối loại cấu trúc dẫn sóng có đường kính khác này, sử dụng cấu trúc quang học chế tạo vật liệu polymer có dạng vuốt thon gọi taper Những nghiên cứu gần [4 - 6] cho thấy việc sử dụng taper làm giảm tổn hao truyền dẫn sợi quang có đường kính chênh lệch Trong báo này, tiến hành mô thông số cấu trúc khác dẫn đến hệ số truyền taper thay đổi khảo sát thay đổi để tìm cấu trúc tối ưu Phương pháp mô 2.1 Cấu trúc hệ Hệ quang học thiết kế đế phẳng để dễ dàng ghép đặt mạch quang Cấu trúc taper bao gồm: cấu trúc dẫn sóng có dạng hình hộp Email: Phuong.nguyenthanh@hust.edu.vn (N T Phương) 23 N S Dũng cs / Thiết kế cấu trúc ghép nối quang dạng vuốt thon từ polymer cho mạch tích hợp quang chữ nhật phía để ghép nối với sợi quang đầu vào ra, thiết diện chúng hình vng có cạnh đường kính sợi quang truyền vào Ở chúng tơi sử dụng kích thước sợi quang μm 10 μm; phần cấu trúc taper, có dạng phễu vng, dài L = 30 μm, hai đầu gắn liền với hai phía dẫn sóng, mặt mặt phẳng nghiêng, hai mặt bên đối xứng mặt cong (Hình Hình 2) Biên dạng biểu diễn công thức: w(x)=α(L-x)m + w2 (1) w(x) chiều rộng (theo trục y) taper điểm cách đầu khoảng x w(0)=w1(=2),w(L)=w2(=10); α=(w1-w2)/Lm, m tham số Hình 1: Mặt cắt Oxy taper Hình 2: Mơ hình 3D taper 2.2 Phần mềm mô Các phần mềm mô dựa phương pháp Chia nhỏ phần tử theo miền thời gian (Finite Difference Time Domain - FDTD) Phương pháp FDTD thành lập công cụ kỹ thuật mạnh mẽ cho mơ thiết bị quang học tích hợp nhiễu xạ Điều kết hợp tính độc đáo nó, chẳng hạn khả mơ hình hóa lan truyền ánh sáng, tán xạ nhiễu xạ, hiệu ứng phản xạ phân cực Nó mơ hình hóa bất đẳng hướng phân tán vật chất mà khơng có giả định trước hành vi trường xấp xỉ biên độ dao động chậm Phương pháp cho phép mô phân tích hiệu mạnh mẽ linh kiện kích thước nhỏ Trong linh kiện vi quang học, giam giữ quang học mạnh thường yêu cầu kích thước cấu trúc thang micro mét chênh lệch chiết suất định môi trường xung quanh vật dẫn Các tham số cấu trúc mơ hình hóa cách hiệu sử dụng phương pháp FDTD [7] 2.2.1 FDTD solutions FDTD solutions phần mềm sử dụng phương pháp FDTD để mơ tính tốn lan truyền ánh sáng dạng cấu trúc dẫn sóng phát triển Lumerical - công ty phát triển phần mềm mô cho linh kiện quang - điện tử Phần mềm cho phép mơ hình hóa cấu trúc dạng 2D 3D Trong mô 2D, thiết bị quang tử đặt mặt phẳng XZ, sóng ánh sáng lan truyền theo trục X, hướng Y khơng tính đến Giả định loại bỏ tất phép tính d/dy khỏi phương trình Maxwell chia chúng thành hai phương trình độc lập (TE TM) Miền tính tốn 2D hiển thị Hình Các bước khơng gian theo hướng X Z Δx Δz Mỗi điểm lưới liên kết với loại vật liệu cụ thể chứa thơng tin tính chất số khúc xạ tham số tán sắc 24 Trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, Tập 49 - Số 2A/2020, tr 23-29 Hình 3: Miền tính tốn 2D Trong mơ 3D, miền mơ hộp hình khối, bước khơng gian Dx, Dy Dz theo hướng x, y z Mỗi thành phần trường trình bày mảng 3D - Ex (i, j, k), Ey (i, j, k), Ez (i, j, k), Hx (i, j, k), Hy (i, j, k), Hz (i, j, k) Vị trí thành phần trường Yee hiển thị Hình Hình 4: Sự dịch chuyển thành phần vectơ điện,từ trường ô đơn vị khối mạng không gian Yee Hạn chế phương pháp FDTD kích thước bước thời gian không gian Các bước khơng gian thời gian liên quan đến độ xác, độ phân tán số tính ổn định phương pháp FDTD Nhiều tài liệu tham khảo sách thảo luận vấn đề Nói chung, để giữ cho kết xác có thể, với độ phân tán số thấp, kích thước mắt lưới thường trích dẫn 10 bước sóng, nghĩa cạnh phải mức λ/10 tần số cao (bước sóng ngắn nhất) [7] 25 N S Dũng cs / Thiết kế cấu trúc ghép nối quang dạng vuốt thon từ polymer cho mạch tích hợp quang 2.2.2 Mode solutions - giải varFDTD 2.5D Bộ giải varFDTD 2.5D mơ tả xác lan truyền ánh sáng hệ quang học tích hợp phẳng, từ hệ thống dựa ống dẫn sóng đến dạng hình học phức tạp tinh thể quang tử Bộ truyền cho phép truyền phẳng (đa hướng) mà khơng có giả định trục quang, cho phép cấu trúc cộng hưởng vòng khoang tinh thể quang tử mơ hình hóa cách hiệu - thiết bị xử lý theo truyền thống với 3D FDTD Bộ giải varFDTD mơ hình hóa thiết bị quy mơ hàng trăm micron cách nhanh chóng Bộ giải varFDTD dựa việc thu gọn hình dạng 3D thành tập hợp số hiệu 2D giải 2D FDTD Điều hoạt động tốt với ống dẫn sóng làm từ cấu trúc phẳng giả định phương pháp có khớp nối chế độ mỏng hỗ trợ khác Đối với nhiều thiết bị, chẳng hạn cấu trúc ống dẫn sóng dựa SOI, hỗ trợ chế độ dọc với phân cực khác [8] 2.3 Q trình mơ Để khảo sát hệ số truyền dẫn taper, hệ mơ Hình gồm nguồn sáng (Source) có dạng phân bố Gaussian ống dẫn sóng có kích thước lớn thu đặt vị trí ống dẫn sóng kích thước nhỏ Hình 5: Mơ hình tính tốn hiệu suất dẫn sóng cấu trúc taper Vị trí nguồn sáng đặt cách đầu vào taper μm, sóng ánh sáng phát dạng Gaussian có bước sóng trung tâm 0,5 μm Tại phía đầu thu detector đặt cách đầu nhỏ cấu trúc taper khoảng μm, có nhiệm vụ đo ánh sáng truyền qua cấu trúc dẫn sóng nhỏ Hiệu suất truyền dẫn qua cấu trúc taper tính tỷ lệ tín hiệu quang thu vị trí detector tín hiệu nguồn Kết thảo luận Trong q trình khảo sát, chúng tơi thay đổi độ cong - m để mơ tính tốn hệ số truyền dẫn - T, từ vẽ đồ thị thay đổi hệ số truyền dẫn phụ thuộc vào độ cong mặt bên Ảnh hưởng tham số m đến biên dạng cấu trúc taper thể qua số ví dụ Hình Độ cong thay đổi từ m = 0,2 đến m = cho ta thấy hình dạng taper 26 Trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, Tập 49 - Số 2A/2020, tr 23-29 Hình 6: Biên dạng cấu trúc taper ứng với tham số m khác Trong mơ FDTD 2D (Hình 7), ta thấy bất ổn định vùng 0,4 ~ 0,6, việc hệ số truyền quang thay đổi bất thường với nhiều điểm cực đại khác Để giải thích tượng này, ta cần xem xét lại khác biệt mô FDTD 2D/3D Trong mô FDTD 2D, ta giả thiết trục, trục z, xem vô hạn Như vậy, trình giải phương trình Maxwell, thành phần d/dz bị loại bỏ, điều làm cho sóng ánh sáng bị thiếu thành phần Chính việc mơ 2D khơng đủ xác, nguyên nhân gây bất thường tính tốn hệ số truyền dẫn Hình 7: Sự thay đổi hệ số truyền dẫn theo độ cong m - mô FDTD solutions 2D Để khắc phục điều này, cần sử dụng mô FDTD 3D để tăng xác mơ Tuy nhiên, việc mô 3D đồng nghĩa với việc số lượng tính tốn nhiều nhiều lần Với việc mơ MODE solutions, ta thấy hệ số truyền dẫn taper thay đổi cách liên tục theo độ cong Ban đầu, m tăng, hệ số truyền dẫn tăng Bằng mô chi tiết vùng m = 0,9 đến 1, ta tìm điểm cực đại m = 0,94 27 N S Dũng cs / Thiết kế cấu trúc ghép nối quang dạng vuốt thon từ polymer cho mạch tích hợp quang Hình 8: Sự thay đổi hệ số truyền dẫn theo độ cong m - mơ MODE solutions Hình giản đồ phân bố trường điện từ cho ánh sáng truyền qua với m = 0,94 Ta thấy rằng, gần cổng vào cổng taper, lượng ánh sáng bị hao tổn ngồi nhiều Hình 9: Phân bố trường điện từ hệ taper (m=0,94) Kết luận Cấu trúc dẫn sóng taper có vai trò quan trọng cho ứng dụng truyền dẫn quang hiệu suất cao Thiết kế cấu trúc dẫn sóng yêu cầu kích thước nhỏ hiệu suất dẫn sóng cao Bằng việc sử dụng phương pháp FDTD, cấu trúc dẫn sóng dạng vuốt thon - taper mơ hình hóa Kết mơ đưa thay đổi hệ số truyền dẫn taper phụ thuộc vào biên dạng cấu trúc Tại giá trị tham số m = 0,94 hệ số truyền dẫn đạt giá trị lớn nhất, đạt xấp xỉ 66% Kết bước đầu có ý nghĩa định hướng cho việc chế tạo để đạt cấu trúc taper với hiệu suất dẫn sóng cao Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đề tài mã số T2018-PC-128 28 Trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, Tập 49 - Số 2A/2020, tr 23-29 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huanran Wang et al., “Three dimensional polymer waveguide using hybrid lithography”, Applied Optics 54.28: 8412-8416, 2015 [2] Jitesh J Shewale, and Kiran S Bhole, “3D polymer microneedle array: Fabrication and analysis”, Nascent Technologies in the Engineering Field (ICNTE), 2015 International Conference on, IEEE, 2015 [3] Muhammad Rodlin Billah et al., “Multi-chip integration of lasers and silicon photonics by photonic wire bonding”, CLEO: Science and Innovations, Optical Society of America, 2015 [4] Oscar A Jimenez Gordillo et al., “3D photonic structure for plug-and-play fiber to waveguide coupling”, CLEO: Science and Innovations, Optical Society of America, 2018 [5] Xu Xiao, Lin Ma and Zuyuan He, “3D polymer directional coupler for on-board optical interconnects at 1550 nm”, Optics Express 26.13: 16344-16351, 2018 [6] Kevin Kruse and Christopher T Middlebrook, “Polymer taper bridge for silicon waveguide to single mode waveguide coupling”, Optics Communications 362: 8795, 2016 [7] https://optiwave.com/optifdtd-manuals/fdtd-fdtd-basics/ [8] https://apps.lumerical.com/pic_passive_tapers_soi.html SUMMARY DESIGN A POLYMER-BASED TAPER FOR INTERGRATED OPTICAL CIRCUITS To guide an optical signal into an integrated optical circuit, small optical paths, which have a diameter about μm, must be used Conventional fibers are larger in size about 10μm Therefore we need a tapered structure to connect these types of optical paths We found that transmission efficiency of taper depending on the parameters as length, curvature on either side, upper curve, etc In this report, we focus only on the influence of the lateral curvature on the taper transmission coefficient Key words: Integrated optical; wave structure; tapered structure 29 ... cs / Thiết kế cấu trúc ghép nối quang dạng vuốt thon từ polymer cho mạch tích hợp quang chữ nhật phía để ghép nối với sợi quang đầu vào ra, thiết diện chúng hình vng có cạnh đường kính sợi quang. .. / Thiết kế cấu trúc ghép nối quang dạng vuốt thon từ polymer cho mạch tích hợp quang Hình 8: Sự thay đổi hệ số truyền dẫn theo độ cong m - mô MODE solutions Hình giản đồ phân bố trường điện từ. .. trúc ghép nối quang dạng vuốt thon từ polymer cho mạch tích hợp quang 2.2.2 Mode solutions - giải varFDTD 2.5D Bộ giải varFDTD 2.5D mô tả xác lan truyền ánh sáng hệ quang học tích hợp phẳng, từ
