THIẾT KẾ BỘ TÁCH GHÉP BA BƯỚC SÓNG 1310nm1490nm1550nm SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG SILIC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI THIẾT KẾ BỘ TÁCH GHÉP BA BƯỚC SÓNG 1310nm1490nm1550nm SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG SILIC ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập Tự do Hạnh phúc NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP I Thông tin chung 1 Họ và tên SV Trần Quốc Tuấn Số thẻ SV 106150151 Lớp 15DT2 Nguyễn Duy Khánh Số thẻ SV 106150108 Lớp 15DT2 2 Tên đề tài Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm1490n.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ TÁCH GHÉP BA BƯỚC SÓNG 1310nm/1490nm/1550nm SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG SILIC

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I Thông tin chung

1 Họ và tên SV: Trần Quốc Tuấn Số thẻ SV: 106150151 Lớp: 15DT2

II Nhận xét, đánh giá đồ án tốt nghiệp:

1 Về tính cấp thiết, tính mới, khả năng ứng dụng của đề tài: (điểm tối đa là 2đ)

4 Đề tài có giá trị khoa học/ có bài báo/ giải quyết vấn đề đặt ra của doanh nghiệp hoặc nhà trường: (điểm tối đa là 1đ)

1 Điểm đánh giá: ……… /10 ( lấy đến 1 số lẻ thập phân)

2 Đề nghị: ☐ Được bảo vệ đồ án ☐ Bổ sung để bảo vệ ☐ Không được bảo vệ

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2020

Người hướng dẫn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Tên đồ án :

“Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn

sóng Silic”

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

Sử dụng cấu trúc Rib/Ridge với lớp nền SiO2 có chiết suất là 1.44 và lớp dẫn sóng Si có chiết suất là 3.45 Bộ chia công suất bao gồm các thành phần:

- Bộ giao thoa đa mode MMI

- Bộ ghép định hướng

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

➢ Phần chung

1 Trần Quốc Tuấn - Tìm hiểu về cấu trúc, tính chất của vật liệu

làm nên ống dẫn sóng

- Tìm hiểu về lý thuyết truyền ánh sáng trong

sợi quang

➢ Phần riêng

1 Nguyễn Duy Khánh - Tìm hiểu về các định lý Maxwell liên quan

đến truyền ánh sáng Cấu trúc, tính chất và đặc tính của ống dẫn sóng quang

- Tìm hiểu về bộ giao thoa đa mode MMI, các

cơ chế giao thoa đa mode MMI

2 Trần Quốc Tuấn - Tìm hiểu về bộ ghép định hướng

- Tìm hiểu về tính toán suy hao

- Tìm hiểu về WDM, FTTH, ứng dụng và vai trò của bộ Triplexer

5 Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ)

➢ Phần chung

1 Nguyễn Duy Khánh - Chạy mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế

- Lấy kết quả và tính toán

2 Trần Quốc Tuấn

➢ Phần riêng

1 Trần Quốc Tuấn - Vẽ bộ Triplexer dựa trên bộ ghép giao thoa đa

mode 2x2 hình cánh bướm và một bộ ghép định hướng

2 Nguyễn Duy Khánh - Vẽ bộ Triplexer dựa trên bộ dựa trên phân tầng

hai bộ ghép giao thoa đa mode 2x2 hình cánh bướm bộ (MMI 2×2)

6 Họ và tên người hướng dẫn: PGS TS NGUYỄN TẤN HƯNG

đề tài “Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống

dẫn sóng Silic” Để thực hiện được những nội dung trên, đồ án sẽ được trình bày thành

1310nm/1490nm/1550nm SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG SILIC

LỜI NÓI ĐẦU

Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS TS Nguyễn Tấn Hưng, TS Võ Duy Phúc

và Th.S Hồ Đức Tâm Linh đã tận tình chỉ dạy, quan tâm, nhiệt tình hướng dẫn để em có thể hoàn thành tốt đồ án này

Ngoài ra, em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng cũng như các anh chị, các bạn đã cung cấp cho em những kiến thức, tài liệu tham khảo trong suốt thời gian làm đồ án này

Đà Nẵng, ngày … tháng… năm 2020

Sinh viên thực hiện

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan nội dung đồ án “Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng

1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng Silic” không phải là bản sao chép

hoàn toàn của bất kỳ đồ án nào đã có trước đó Nếu vi phạm, em xin chịu trách nhiệm trước hội đồng bảo vệ

Đà Nẵng, ngày … tháng… năm 2020

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÓM TẮT i

LỜI NÓI ĐẦU ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG VÀ HỆ THỐNG CÁP QUANG ĐẾN TẬN NHÀ 2

1.1 Giới thiệu chương 2

1.2 Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng 2

1.2.1 Mục đích 3

1.2.2 Ưu điểm của WDM 3

1.3 Giới thiệu về hệ thống cáp quang đến tận nhà FTTH 4

1.3.1 Sơ đồ hệ thống FTTH 4

1.3.2 Ưu điểm của hệ thống 5

1.4 Bộ ghép kênh ba bước sóng trong mạng FTTH 6

1.4.1 Khái niệm bộ ghép kênh ba bước sóng 6

1.4.2 Vai trò bộ ghép kênh ba bước sóng 6

1.5 Kết luận chương 7

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ỐNG DẪN SÓNG QUANG HỌC 8

2.1 Giới thiệu chương 8

2.2 Cơ sở truyền trong ống dẫn sóng 8

2.3 Các mode lan truyền trong ống dẫn sóng 10

2.3.1 Giới thiệu về ống dẫn sóng quang học điện môi 10

2.3.2 Ống dẫn sóng Silicon trên nền vật liệu cách điện 11

2.3.3Các mode lan truyền trong ống dẫn sóng 11

2.3.3.1 Chế độ dẫn 12

2.3.3.3 Chế độ bức xạ lớp phủ-nền 14

2.4 Các loại ống dẫn sóng dạng kênh dẫn đối xứng 14

2.5 Phương pháp mô phỏng truyền chùm tia 16

2.6 Kết luận chương 17

Chương 3: BỘ GIAO THOA ĐA MODE VÀ BỘ GHÉP 18

3.1 Giới thiệu chương 18

3.2 Tổng quan về bộ giao thoa đa mode MMI 18

3.3 Lý thuyết về bộ giao thoa đa mode MMI 18

3.4 Khái quát về giao thoa 20

3.4.1 Giao thoa đơn ảnh 20

3.4.2 Giao thoa đa ảnh 21

3.5 Công thức Bachmann giải thích pha của trường đầu vào và ra ở các cổng của bộ MMI 21

3.5.1 Sự biểu diễn các mode riêng lẻ 21

3.5.1.1 Phân tích các mode riêng lẻ 21

3.5.1.2 Phân bố trường đầu ra 22

3.5.2 Nguồn gốc của pha các cổng đầu vào hoặc ra với giá trị 𝑴 = 𝟏 23

3.6 Một số thông số khác của bộ MMI 24

3.6.1 Chất lượng ảnh 24

3.6.2 Suy hao trong bộ giao thoa đa mode MMI 24

3.6.2.1 Insertion Loss (dB) 25

3.6.2.2 Crosstalk (dB) 25

3.7 Bộ ghép định hướng 25

3.7.1 Giới thiệu về bộ ghép định hướng 25

3.7.2 Nguyên lý hoạt động 26

3.8 Kết luận chương 26

Chương 4: THIẾT BỘ TÁCH GHÉP BA BƯỚC SÓNG 1310nm/1490nm/1550nm SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG SILIC 27

4.1 Giới thiệu chương 27

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 29

4.2.1 Thiết kế và tối ưu cấu trúc 29

4.2.2 Kết quả mô phỏng 34

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 36

4.3.1Phân tích thiết kế và tối ưu cấu trúc 36

4.3.2 Kết quả và thỏa luận 39

4.4 Kết luận chương 41

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU:

𝐿𝑀𝑀𝐼 Chiều dài của bộ MMI

𝑃𝑐𝑟𝑜𝑠𝑠 Công suất cổng đầu ra chéo

Cr.T Crosstalk (Xuyên nhiễu)

chùm)

cập thụ động Gigabit)

thức ghép kênh theo bước sóng)

hiệu dụng)

kênh phân chia theo thời gian)

SHD/SONET

Synchronous Digital Hierarchy Synchronous Optical Network (Giao thức ghép kênh phan chia theo thời gian)

(Ghép kênh phân chia theo bước sóng dày đặc)

cáp)

IPTV Internet Protocol Tivi (Truyền hình Internet)

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống mạng FTTH tại Đà Nẵng 4

Hình 1.2 Sơ đồ FTTH truyền dẫn trên một sợi quang 5

Hình 1.3 Sơ đồ mạng FTTH truyền dẫn trên hai sợi quang khác nhau 5

Hình 2.1 Mô hình trường quang của một vài ống dẫn sóng thường sử dụng 10

Hình 2.2 (a) Ống dẫn sóng phẳng (b) Ống dẫn sóng không phẳng 11

Hình 2.3 (a) Ống dẫn chiết suất phân bậc (b) Ống dẫn sóng chiết suất biến đổi tần 11

Hình 2.4 Ống dẫn sóng Silicon trên nền vật liệu cách điện 11

Hình 2.5 Các bậc của mode 13

Hình 2.6 (a) Chế độ cơ bản (b) Chế độ bậc cao thứ nhất(c) Chế độ bức xạ bề mặt (d) Chế độ bức xạ lớp phủ-nền 13

Hình 2.7 Các ống dẫn sóng dạng kênh dẫn sóng tiêu biểu 15

Hình 3.1 Sơ đồ của một ống dẫn sóng đa mode N×M theo hình chiếu bằng 19

Hình 3.2 Ống dẫn sóng đa mode biểu diễn trường vào, ảnh đơn giao thoa soi gương 21

Hình 3.3 Bộ MMI với ống dẫn sóng truy nhập mô tả với trường hợp 𝑁 chẵn 24

Hình 3.4 Bộ MMI với ống dẫn sóng truy nhập mô tả với trường hợp N lẻ 24

Hình 3.5 Bộ tách quang 26

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý bộ ghép kênh hai bước sóng sử dụng bộ ghép đa mode 2×2 27

Hình 4.2 Mô hình thiết kế bộ Tripler dựa trên một bộ ghép giao thoa đa mode 2x2 hình cánh bướm và một bộ ghép định hướng: 29

Hình 4.3 Mô phỏng 3D BPM cho sự thay đổi chiều dài của bộ ghép giao thoa đa mode hình cánh bướm 31

Hình 4.4 Mô phỏng 3D-BPM cho vị trí tối ưu của ống dẫn sóng truy nhập của bộ ghép đa mode 32

Hình 4.5 Mô phỏng 3D-BPM cho chiều rộng đáy lớn tối ưu của các ống dẫn sóng hình búp măng……… 32 Hình 4.6 Mô phỏng 3D-BPM cho chiều dài tối ưu Lc của bộ ghép định hướng…… 33 Hình 4.7 Mẫu điện trường (dạng đường bao) cho triplexer đề xuất tại ba bước sóng:(a) 1310 nm, (b)1550 nm và (c) 1490 nm………34 Hình 4.8 Đáp ứng bước sóng của triplexer đề xuất tại ba cổng cho ba bước sóng 35 Hình 4.9 Dung sai chế tạo theo chiều dài cho triplexer đề xuất ……….36 Hình 4.10 Mô hình thiết kế bộ Tripler dựa trên phân tầng hai bộ ghép giao thoa

đa mode 2x2 hình cánh bướm: 37 Hình 4.11 Mô phỏng 3D-BPM cho chiều dài tối ưu của bộ ghép đa mode hình cánh bướm thứ hai 38 Hình 4.12 Đường bao phân bố điện trường cho triplexer đề xuất tại ba bước sóng: (a) 1310 nm, (b) 1550 nm và (c) 1490 nm 39 Hình 4.13 Đáp ứng theo bước sóng của triplexer đề xuất tại ba cổng 40 Hình 4.14 Dung sai chế tạo theo chiều dài cho triplexer được đề xuất…………41

Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic

LỜI MỞ ĐẦU

Gần đây, các thiết bị dựa trên ống dẫn sóng đa mode (Multimode Interference - MMI) là các thành phần hữu dụng trong các mạch tích hợp quang (Photonic Intergrated Circuits – PICs) bởi vì một số ưu điểm nổi bật về băng thông, kích thước nhỏ, suy hao thấp và dung sai chế tạo tương đối lớn Bên cạnh đó, ống dẫn sóng Silic là một giải pháp hứa hẹn cho các bộ ghép đa mode để xây dựng các vi mạch quang tích hợp như bộ triplexer bởi một số ưu điểm như: độ tương phản chiết suất cao (khi vật liệu chế tạo ống dẫn sóng phổ biến là Silic trên nền vật liệu - SOI) cho phép bắt giữ ánh sáng tốt và cấu trúc mật độ cao (compact structure) với độ cong cực nhọn Hơn nữa, nó rất tương thích với công nghệ chế tạo vi mạch CMOS nên giá thành rẻ hơn những vật liệu khác Tiếp tục nghiên cứu dựa trên những báo cáo và kết quả thực nghiệm trước đó nhóm đã nghiên

cứu và đề xuất cho ra một “Bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng Silic” sử dụng 2 bộ giao thoa đa mode MMI 2x2 hình cánh bướm

hoặc một bộ giao thoa đa mode 2x2 kết hợp với một bộ ghép định hướng trên nền vật liệu SOI (Silicon on insulator) Ưu điểm của cấu trúc đưa ra là thiết kế dễ hơn (dung sai chế tạo lớn), kích thước nhỏ gọn và đạt suy hao rất thấp Sử dụng phương pháp BPM (Beam Propagation Method) để phân tích và mô phỏng Để thực hiện những nội dung trên, đồ án được chia thành 4 chương như sau:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO

BƯỚC SÓNG VÀ HỆ THÔNG CÁP QUANG ĐẾN TẬN NHÀ

Chương 2: BỘ GIAO THOA ĐA MODE VÀ BỘ GHÉP ĐỊNH HƯỚNG

Chương 3: TỔNG QUAN VỀ ỐNG DẪN SÓNG QUANG HỌC SILICON Chương 4: THIẾT KẾ BỘ TÁCH GHÉP KÊNH BA BƯỚC SÓNG

1310nm/1490nm/1550nm SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG SILIC

Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic

Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO

BƯỚC SÓNG VÀ HỆ THỐNG CÁP QUANG ĐẾN TẬN NHÀ

1.1 Giới thiệu chương

Bước vào thiên niên kỷ mới, chúng ta chứng kiến nhiều sự thay đổi quan trọng trong nền công nghiệp viễn thông có ảnh hưởng to lớn đến cuộc sống của chúng ta Trước hết đó là sự gia tăng liên tục về dung lượng mạng Nhân tố chính cho sự gia tăng này là

sự phát triển nhanh chóng của Internet, giảm giá thành cho những người sử dụng và triển khai nhanh hơn những kỹ thuật và dịch vụ mới Những nhân tố này đã dẫn đến sự phát triển của mạng quang dung lượng cao Công nghệ để đáp ứng việc xây dựng các mạng quang dung lượng cao này là công nghệ ghép kênh theo bước sóng quang WDM Mạng cáp quang được đưa đến địa chỉ thuê bao FTTH giúp khách hàng sử dụng được đa dịch

vụ trên mạng viễn thông chất lượng cao, kể cả dịch vụ truyền hình giải trí

1.2 Giới thiệu nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng

Đặc điểm nổi bật của hệ thống ghép kênh theo bước sóng quang (WDM) là tận dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, nâng cao rõ rệt dung lượng truyền dẫn của hệ thống đồng thời hạ giá thành của kênh dịch vụ xuống mức thấp nhất Ở đây việc thực hiện ghép kênh sẽ không có quá trình biến đổi điện nào Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn Ngoài ý nghĩa đó việc ghép kênh quang còn tạo ra khả năng xây dựng các tuyến thông tin quang có tốc độ rất cao Khi tốc độ đường truyền đạt tới một mức độ nào đó người ta đã thấy được những hạn chế của các mạch điện trong việc nâng cao tốc

độ truyền dẫn Khi tốc độ đạt tới hàng trăm Gbit/s, bản thân các mạch điện tử sẽ không thể đảm bảo đáp ứng được xung tín hiệu cực kỳ hẹp, thêm vào đó chi phí cho các giải pháp trở nên tốn kém và cơ cấu hoạt động quá phức tạp đòi hỏi công nghệ rất cao Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng ra đời đã khắc phục được những hạn chế trên

Hệ thống WDM dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau Mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang Công nghệ WDM phát triển theo xu hướng mà sự riêng rẽ bước sóng của kênh có thể là một phần rất nhỏ của 1 nm hay 10-9 m, điều này dẫn đến các hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM) Các thành phần thiết bị trước kia chỉ có khả năng xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc

độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ (SDH/SONET) Các nhà

Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic

cung cấp DWDM đã sớm phát triển các thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn các kênh quang Các hệ thống với hàng trăm kênh giờ đây đã sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trên một sợi đơn

Hệ thống WDM được thiết kế phải giảm tối đa các hiệu ứng có thể gây ra suy hao truyền dẫn Ngoài việc đảm bảo suy hao xen của các thiết bị thấp, cần phải tối thiểu hoá thành phần công suất có thể gây ra phản xạ tại các phần tử ghép, hoặc tại các điểm ghép nối các module, các mối hàn , bởi chúng có thể làm gia tăng vấn đề xuyên kênh giữa các bước sóng Các hiệu ứng trên đặc biệt nghiêm trọng đối với hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi, do đó hệ thống này có khả năng ít được lựa chọn khi thiết kế tuyến [7]

Ở một mức độ nào đó, để đơn giản ta có thể xem xét bộ tách bước sóng như bộ ghép bước sóng chỉ bằng cách đổi chiều tín hiệu ánh sáng Như vậy hiểu đơn giản, từ

“bộ ghép - multiplexer” trong trường hợp này thường được sử dụng ở dạng chung để xét cho cả bộ ghép và bộ tách

1.2.1 Mục đích

Do băng thông quang rất lớn (khoảng 100Ghz-km) nên nếu chỉ sử dụng cho mục đích đơn lẻ sẽ rất hao phí Vì vậy sử dụng công nghệ WDM nhằm mục đích tận dụng băng tần truyền dẫn của sợi quang bằng cách truyền đồng thời nhiều kênh bước sóng trên cùng một sợi quang Qua nghiên cứu ITU-T đã đưa ra cụ thể các kênh bước sóng

và khoảng cách giữa các kênh này có thể chọn ở các cấp độ 200Ghz, 100Ghz, 50Ghz [7]

1.2.2 Ưu điểm của WDM

Trải qua quá trình nghiên cứu và triển khai, mạng thông tin quang cũng như mạng quang sử dụng công nghệ WDM đã cho thấy những ưu điểm nổi trội:

* Dung lượng truyền dẫn lớn:

Sử dụng công nghệ WDM có nghĩa là trong một sợi quang có thể ghép rất nhiều kênh quang (có bước sóng khác nhau) để truyền đi , mỗi kênh quang lại ứng với một tốc

độ bit nào đó (TDM) Hiện nay đã thử nghiệm thành công hệ thống WDM 80 bước sóng với mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM tốc độ 2,5Gbit/s, tổng dung lượng hệ thống sẽ

là 200Gbit/s Trong khi đó với hệ thống TDM, tốc độ bit mới chỉ đạt tới STM -256 (dung lượng 40 Gbit/s)

* Tính trong suốt của mạng WDM

Mạng trong suốt: Trong một dải băng thông xác định, mạng có thể truyền các dịch vụ với bất kì tốc độ nào và với bất kỳ giao thức nào Như vậy nhà cung cấp dịch vụ

có thể đáp ứng nhiều dịch vụ khác nhau bằng cách sử dụng một cơ sở hạ tầng duy nhất

Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic

Như vậy sẽ rất có lợi về mặt kinh tế và vẫn có thể triển khai các dich vụ mới một cách

hiệu quả, nhanh chóng mà không làm ảnh hưởng gì đến các dịch vụ trước đó

* Việc nâng cấp dung lượng hệ thống thực hiện dễ dàng, linh hoạt

Kỹ thuật WDM cho phép tăng dung lượng mạng hiện có lên đến hàng Tbps, có thể đáp ứng nhu cầu mở rộng ở nhiều cấp độ khác nhau Bên cạnh đó nó cũng mở ra một thị trường mới, đó là thuê kênh quang (hay bước sóng quang) ngoài việc sợi hay cáp quang việc nân cấp hệ thống đơn giản chỉ là cắm thêm các card mới trong khi hệ thống vẫn hoạt động (Plug and Play)

* Quản lý băng tần hiệu quả và cấu hình hệ thống mềm dẻo

Bằng cách thay đổi phương thức đinh tuyến và phân bổ bước sóng trong mạng WDM, ta có thể dễ dàng quản lý và cấu hình lại hệ thống một cách linh hoạt tuỳ theo yêu cầu thực tế Hiện nay WDM là công nghệ duy nhất cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN (Optical Transport Network) cho phép xây dựng mạng quang trong suốt

* Sử dụng công nghệ WDM có thể tận dụng cơ sở hạ tầng của các mạng quang trước

đó, giảm được chi phí đầu tư mới Do vậy tiết kiệm và kinh tế hơn [7]

1.3 Giới thiệu về hệ thống cáp quang đến tận nhà FTTH

1.3.1 Sơ đồ hệ thống FTTH

Internet cáp quang là cách gọi khác của FTTH, FTTH là cụm từ viết tắt của thuật ngữ Fiber-To-The-Home, hay còn gọi là cáp quang đến tận nhà Là dịch vụ truy cập Internet hiện đại nhất với đường truyền dẫn hoàn toàn bằng cáp quang đến địa chỉ thuê bao Mạng cáp quang được đưa đến địa chỉ thuê bao giúp khách hàng sử dụng được đa dịch vụ trên mạng viễn thông chất lượng cao, kể cả dịch vụ truyền hình giải trí

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống mạng FTTH tại Đà Nẵng

FTTH là một dịch vụ dựa trên công nghệ quang có tốc độ rất cao, và có thể sử dụng để cung cấp dịch vụ triple play chạy cả Internet tốc độ cao, Voip lẫn Iptv trên cùng đường truyền [6]

Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic

1.3.2 Ưu điểm của hệ thống

- Đường truyền có tốc độ ổn định; tốc độ truy cập Internet cao

- Không bị suy hao tín hiệu bởi nhiễu điện từ, thời tiết hay chiều dài cáp

- An toàn cho thiết bị, không sợ sét đánh lan truyền trên đường dây

- Nâng cấp băng thông dễ dàng mà không cần kéo cáp mới

Do chất lượng tín hiệu cao và tốc độ bit lớn, các mạng FTTH được chuẩn bị tốt

để cung cấp dịch vụ truyền hình Họ cũng cho phép một sự tự do lớn trong việc lựa chọn công nghệ phát sóng truyền hình Hai công nghệ cơ bản là cái gọi là CATV (truyền hình

“quang học”) và IPTV CATV [10] sử dụng kiểu truy cập quảng bá và IPTV thường là phát đa hướng hoặc ít thường xuyên hơn là đơn phát Công nghệ CATV đơn giản và nổi tiếng trong mạng HFC và có rất nhiều ưu điểm, chẳng hạn như:

- Không tiêu thụ tốc độ bit được sử dụng bởi Internet

- FTTH là cách dễ nhất và đảm bảo hầu hết hiệu quả chi phí để xây dựng

- Không cần thiết phải cung cấp cho thuê bao một bộ giải mã, có nghĩa là chi phí cho nhà khai thác sẽ nhỏ hơn nhiều

Hình 1.3 Sơ đồ mạng FTTH truyền dẫn trên hai sợi quang khác nhau

Hình 1.2 Sơ đồ FTTH truyền dẫn trên một sợi quang

Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic

- Chuyển kênh rất nhanh

1.4 Bộ ghép kênh ba bước sóng trong mạng FTTH

1.4.1 Khái niệm bộ ghép kênh ba bước sóng

Bộ ghép ba bước sóng quang hay còn được gọi với cái tên khác là bộ lọc song côn là một trong những các yếu tố quan trọng của mạng truy nhập quang băng thông rộng thế hệ tiếp theo, ví dụ như cáp quang hệ thống gia đình (FTTH), mạng quang thụ động (PON), v.v [5] Hệ thống truy cập FTTH là một giải pháp mang đến cơ hội khách hàng sử dụng các dịch vụ thoại truyền thống và băng thông rộng trong một nền tảng đồng nhất ITU xây dựng gói khuyến nghị G.983 sử dụng cho FTTH thụ động mạng mà

ba bước sóng được sử dụng phổ biến là 1310nm,1490nm và 1550nm, cho các kênh kỹ thuật số ngược dòng, kỹ thuật số xuôi dòng và kênh tương tự Có vài loại được phát triển gần đây cho bộ ghép ba Một là để phân tầng các bộ lọc như bộ lọc màng mỏng nhưng loại này gặp khó khăn trong việc tích hợp với thiết bị quang học khác Vì vậy, điều này làm cho chi phí của họ đắt hơn Hai là cách tử, ví dụ như cách tử ống dẫn sóng dạng mảng

1.4.2 Vai trò bộ ghép kênh ba bước sóng

Triplexer (bộ ghép kênh ba bước sóng) đóng một vai trò rất quan trọng trong các

hệ thống thông tin quang như: các hệ thống cáp quang đến tận nhà FTTH (fiber to the home), các mạng quang truy nhập thụ động, v.v… Có ba bước sóng nói chung thường được sử dụng là 1310 nm, 1490 nm và 1550 nm (theo khuyến nghị ITU-G.983) cho lưu lượng đường lên, lưu lượng đường xuống và các dịch vụ chồng lấn lựa chọn, chẳng hạn dịch vụ truyền video tương tự hay các dịch vụ số liệu khác trong các cửa sổ bước sóng thông tin quang Do đó, ta cần một thiết bị mà có thể ghép kênh hoặc phân kênh truy nhập những bước sóng này trong thực tế ứng dụng Hiện tại, có một số kiểu thiết kế cho các bộ triplexer Một là sử dụng cấu trúc phân tách các bộ lọc, chẳng hạn các bộ lọc màng mỏng (thin film filters) nhưng kiểu này có một hạn chế là khó tích hợp với các cấu kiện quang khác nên đắt tiền Hai là sử dụng các cách tử như cách tử ống dẫn sóng được sắp mảng (AWG) và cách tử phản xạ Bragg nhưng kích cỡ của những loại này vẫn còn khá lớn Loại khác nữa dùng các kỹ thuật mạch tích hợp quang phẳng (PLCs) như các tinh thể quang (photonic crystals) hoặc các ống dẫn sóng Silic ghép định hướng [5] Gần đây, các thiết bị dựa trên ống dẫn sóng MMI là các thành phần hữu dụng trong các mạch tích hợp quang (PICs) bởi vì một số ưu điểm nổi bật về băng thông, kích thước nhỏ, suy hao thấp và dung sai chế tạo tương đối lớn Bên cạnh đó, ống dẫn sóng Silic là một giải pháp hứa hẹn cho các bộ ghép đa mode để xây dựng các vi mạch quang tích hợp như bộ triplexer bởi một số ưu điểm như: độ tương phản chiết suất cao (khi vật

Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic

liệu chế tạo ống dẫn sóng phổ biến là Silic trên nền vật liệu- SOI) cho phép bắt giữ ánh sáng tốt và cấu trúc mật độ cao (compact structure) với độ cong cực nhọn Hơn nữa, nó rất tương thích với công nghệ chế tạo vi mạch CMOS nên giá thành rẻ hơn những vật liệu khác Chương này của đồ án sẽ đề xuất các thiết kế mới của cấu kiện triplexer dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode trên nền tảng vật liệu Silic và thủy tinh Silic

Bộ triplexer bởi một số ưu điểm như:

➢ Độ tương phản chiết suất cao suất cao (khi vật liệu chế tạo ống dẫn sóng phổ biến

là Silic trên nền vật liệu-SOI) cho phép bắt giữ ánh sáng tốt

➢ Cấu trúc mật độ cao (compact structure) với độ cong cực nhọn

➢ Hơn nữa, nó rất tương thích với công nghệ chế tạo vi mạch CMOS nên giá thành rẻ hơn những vật liệu khác

Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ỐNG DẪN SÓNG QUANG HỌC

2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này nhóm sẽ trình bày tổng quan về ống dẫn sóng quang học Nội dung chương bao gồm: cơ sở truyền sóng trong ống dẫn sóng, các mode lan truyền trong ống dẫn sóng, các loại ống dẫn sóng dạng kênh đối xứng và phương pháp truyền chùm tia bằng chỉ số hiệu dụng

2.2 Cơ sở truyền trong ống dẫn sóng

Chúng ta biết rằng về mặt quang, ánh sáng là một loại sóng điện từ, là sóng ngang,

do vậy truyền sóng trong môi trường sóng tuân theo hệ phương trình Maxwell [11][15]:

Trong môi trường quang học và vật liệu truyền sóng trong môi trường đẳng hướng, chúng ta có các giả thiết như sau:

- Không có điện tích tự do hoặc các nguồn dòng: 𝜌𝑒 = 0, 𝐽⃗⃗⃗ = 0 𝑒

- Vật liệu không có từ tính: hệ số từ thẩm tương đối μ𝑟= 1

- Cường độ trường là đủ nhỏ để quan hệ giữa cảm ứng điện D và cường độ điện

trường E là tuyến tính

Theo nguyên lý toán tử, chúng ta có đẳng thức:

Với vectơ 𝐴 là từ thế vectơ

Vectơ Poynting được định nghĩa là một tích có hướng sau:

Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic

Ở đây, ε𝑟 và μ𝑟 lần lượt là hằng số điện môi tương đối và hệ số từ thẩm tương đối,

ε0 và μ0 lần lượt là các hằng số độ điện thẩm tuyệt đối và độ từ thẩm tuyệt đối (trong chân không) có giá trị: ε0 = 8.854187817 × 10-12 𝐹/m và μ0 = 4𝜋× 10-7 H/m, 𝜎 là điện dẫn suất

Sử dụng các phép biến đổi toán học cho các toán tử vectơ, từ các phương trình Maxwell kết hợp với đẳng thức [11]:

𝛻 × 𝛻 × 𝐴 = 𝛻 (𝛻 𝐴 ) − 𝛻2𝐴 (2.10) Với: 𝐺𝑟𝑎𝑑⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝐴 = ∇𝐴, 𝐷𝑖𝑣𝐴 = ∇ 𝐴⃗⃗⃗⃗ , 𝑅𝑜𝑡𝐴 = ∇ × 𝐴 ⃗⃗⃗

Và không có điện trường ngoài và môi trường truyền sóng không dẫn điện cũng như không có từ tính, chúng ta có thể thu gọn được các phương trình của hệ Maxwell là:

λ0 √ε𝑟 = 2π

λ0𝑛 là biên độ vectơ sóng, 𝑛 =√ε𝑟 với n là hệ số chiết suất, ∇ và ∇2

lần lượt là các toán tử nabla (Hamilton) và toán tử Laplace [11], xác định như sau:

Chúng ta phân loại dựa trên các mode phân cực dựa trên đặc tính của các thành phần trường theo chiều dọc:

Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic

- Một trường theo mode phân cực TE hay gọi là mode TE có 𝐸𝑧= 0 và 𝐻𝑧 ≠ 0

- Một trường theo mode phân cực TM hay gọi là mode TM có 𝐸𝑧≠ 0 và 𝐻𝑧 = 0

- Một trường có phân cực điện từ ngang TEM hay gọi là mode TEM có 𝐸𝑧 = 0 và

𝐻𝑧 = 0 Ống dẫn sóng điện môi trong hỗ trợ mode TEM

- Mode lai (Hybrid mode) là mode mà có đồng thời ≠ 0 và ≠ 0 Hybrid mode không xuất hiện trong planar waveguide nhưng tồn tại trong ống dẫn sóng không phẳng channel waveguide (ví dụ như ống dẫn sóng ridge/rib…) hay sợi quang

-

Hình 2.1 Mô hình trường quang của một vài ống dẫn sóng thường sử dụng

2.3 Các mode lan truyền trong ống dẫn sóng

2.3.1 Giới thiệu về ống dẫn sóng quang học điện môi

Cấu trúc cơ bản của ống dẫn sóng quang học điện môi bao gồm một môi trường quang học với chiết suất cao được mở rộng theo chiều dọc, được gọi là lớp lõi (core), phủ xung quanh bởi môi trường có hệ số chiết suất thấp, được gọi là lớp bao phủ, lớp bao phủ trên (lớp phủ) và dưới (lớp nền) lần lượt được gọi là cover và substrate

Tính chất của ống dẫn sóng quang học được xác định bởi hằng số điện môi (hệ

số chiết suất) mà độc lập theo hướng truyền Có hai kiểu ống dẫn sóng quang học cơ bản là: ống dẫn sóng không phẳng (nonplanar waveguide) và ống dẫn sóng phẳng (planar waveguide) Ống dẫn sóng phẳng bắt giữ ánh sáng chỉ trong một hướng ngang

và hệ số chiết suất chỉ phụ thuộc một hướng, n(x) Ống dẫn sóng không phẳng bắt giữ ánh sáng theo hai hướng ngang với chiết suất n(x, y) và dẫn sóng ánh sáng theo phương

z Các ứng dụng chủ yếu của ống dẫn sóng là các ống dẫn sóng dạng kênh truyền (channel waveguide) và sợi quang (optical fiber) Một ống dẫn sóng có hệ số chiết suất thay đổi đột ngột tại giao diện giữa các lớp lõi và lớp bao phủ gọi là ống dẫn sóng chiết suất phân bậc Ngược lại, nếu hệ số chiết suất thay đổi từ lõi đến lớp bao phủ được gọi là ống dẫn sóng chiết suất biến đổi dần, được mô tả ở hình 2.3

Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic

Hình 2.3 (a) Ống dẫn chiết suất phân bậc (b) Ống dẫn sóng chiết suất biến đổi tần

2.3.2 Ống dẫn sóng Silicon trên nền vật liệu cách điện

Hình 2.4 Ống dẫn sóng Silicon trên nền vật liệu cách điện

Ống dẫn sóng mà lõi được chế tạo từ tinh thể Silic (Si) gọi là ống dẫn sóng Silic (Silicon waveguide) Lớp vỏ của ống dẫn sóng thường được chế tạo từ điện môi với lớp cách điện là thủy tinh Silic (Silic - SiO2) Ống dẫn sóng trên nền vật liệu Silicon và chất cách điện như vậy được gọi là ống dẫn sóng SOI (Silicon on insulator)

Trong ống dẫn sóng SOI, sự tương phản lớn giữa hệ số chiết suất giữa lớp lõi và lớp bao phủ cho phép bắt giữ ánh sáng tốt (phản xạ toàn phần) Ánh sáng được bắt giữ trong phần chéo là vài trăm nanometer với suy hao đường truyền hiện tại đã được khoảng xấp xỉ 1dB/cm

2.3.3 Các mode lan truyền trong ống dẫn sóng

Các mode lan truyền trong ống dẫn sóng (Waveguide mode) là đặc trưng riêng của cấu trúc ống dẫn sóng Các waveguide modes là các mẫu trường điện từ ngang

Hình 2.2 (a) Ống dẫn sóng phẳng (b) Ống dẫn sóng không phẳng

Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic

(Transverse field pattern) mà biên độ và trạng thái phân cực của nó được duy trì theo phương truyền z Vì vậy, điện trường và từ trường của một mode có thể được biểu diễn bởi phương trình:

𝐸𝑣

⃗⃗⃗⃗ (r, t) = ℰ⃗⃗⃗⃗ (𝑥, 𝑦)exp (𝑖𝛽𝑣 𝑣𝑧 − 𝑗ωt) (2.20)

𝐻𝑣

⃗⃗⃗⃗ (r, t) = ℋ⃗⃗⃗⃗⃗ (𝑥, 𝑦)exp (𝑖𝛽𝑣 𝑣𝑧 − 𝑗ωt) (2.21) với 𝑣 là chỉ số mode, 𝐸⃗⃗⃗⃗ (r, t) và 𝐻𝑣 ⃗⃗⃗⃗ (r, t) là chỉ số trường mode, 𝛽𝑣 𝑣 là hằng số truyền của mode

Ống dẫn sóng phẳng không phụ thuộc theo trục ngang nhưng bắt giữ ánh sáng theo hai chiều, hệ số mode 𝑣 là tham số đặc tính đặc trưng cho hai chiều, sự phụ thuộc của

hệ số mode theo hai trục x, y được biểu diễn bởi sự phụ thuộc vào các số nguyên rời rạc

υ = mn Đối với ống dẫn sóng phẳng, biểu thức (2.20) và (2.21) được viết lại như sau :

𝐸𝑣

⃗⃗⃗⃗ (r, t) = ℰ⃗⃗⃗⃗ (𝑥)exp (𝑖𝛽𝑣 𝑣𝑧 − 𝑗ωt) (2.22)

𝐻⃗⃗⃗⃗ (r, t) = ℋ𝑣 ⃗⃗⃗⃗⃗ (𝑥)exp (𝑖𝛽𝑣 𝑣𝑧 − 𝑗ωt) (2.23) Trong trường hợp này, 𝑣 chỉ chứa một tham số mô tả biến thể trường theo trục x Cho một ống dẫn sóng có tần số góc là 𝜔, bước sóng trong không gian tự do là 𝜆 và truyền thông qua ba môi trường khác nhau với các hằng số truyền dẫn lần lượt là 𝑘1 =

𝑛1𝜔

𝑐 , 𝑘2 = n2ω

𝑐 , 𝑘3 = n3ω

𝑐 với 𝑘1 > 𝑘2 > 𝑘3 Góc phản xạ tại giao diện phía dưới

và phía trên lần lượt là: 𝜃𝑐2= 𝑠𝑖𝑛−1 𝑛 2

𝑛 1 , 𝜃𝑐3 = 𝑠𝑖𝑛−1 𝑛 3

𝑛 1 Có thể thấy rằng, 𝜃𝑐2 > 𝜃𝑐3bởi vì 𝑛2 > 𝑛3 Các đặc tính của sự phản xạ và khúc xạ của tia tại các giao diện phụ thuộc vào góc nghiêng 𝜃 và sự phân cực của sóng

2.3.3.1 Chế độ dẫn

Nếu 𝜃 > 𝜃𝑐2 > 𝜃𝑐3 , sóng truyền trong lõi hoàn toàn được phản xạ tại giao diện và

bị bẫy bởi lõi, do đó dẫn đến chế độ dẫn (Guided modes), được mô tả ở hình 2.6(a) Chế

độ dẫn chỉ có thể tồn tại khi điều kiện cộng hưởng ngang được thỏa mãn sao cho sóng phản xạ liên tục có can thiệp xây dựng với chính nó, chính là sự giao thoa giữa tia tới

và tia phản xạ của nó Trong lớp lõi, thành phần x của vectơ sóng là 𝑘1 𝑐𝑜𝑠𝜃 đối với một tia có góc nghiêng 𝜃, trong khi thành phần z là 𝛽 =𝑘1 𝑠𝑖n𝜃 Sự dịch pha trong trường quang học gây ra bởi một dải ngang qua trong lõi có độ dày d là 2𝑘1 d𝑐𝑜𝑠𝜃 Thêm vào

đó, các pha dịch chuyển 𝜑2và 𝜑3 kết hợp lần lượt với các tia phản xạ tại giao diện dưới

và trên Bởi vì và là hàm của θ, điều kiện cộng hưởng ngang được xác định bằng biểu

thức :

Với m là một số nguyên Chế độ dẫn với m = 0 được gọi là chế độ cơ bản

Thiết kế bộ tách ghép ba bước sóng 1310nm/1490nm/1550nm sử dụng ống dẫn sóng silic

(Fundamental mode), là mode truyền thẳng theo tâm đối xứng của lõi theo trục truyền sóng z, và với m≠0 gọi là chế độ bậc cao (High-order modes), giá trị của m càng lớn thì bậc của mode càng cao, bậc của mode là số lần cắt của đường cong mode với trục ngang

Hình 2.5 Các bậc của mode

Mặc dù 𝜃𝑐2 và 𝜃𝑐3 không phụ thuộc vào sự phân cực của sóng và độ dịch pha,

𝜑2(𝜃) và 𝜑3(𝜃), gây ra bởi sự phản xạ tại tại góc 𝜃 phụ thuộc vào sự phân cực Do đó, sóng TE và TM có kết quả khác, biểu thức (2.24) dẫn đến 𝛽𝑚 khác nhau và đặc tính của mode cũng khác nhau đối với một mode m Đối với một phân cực nhất định, kết quả biểu thức (2.24) đưa đến một giá trị nhỏ hơn của 𝜃 tương ứng một giá trị nhỏ hơn

Với một giá trị lớn hơn của m, hằng số truyền của bậc càng cao thì càng nhỏ, tức

là 𝛽0 cho mode cơ bản có giá trị lớn nhất trong số các giá trị cho phép của 𝛽 và 𝛽0 > 𝛽1>

… > 𝛽𝑚 , được mô tả ở hình 2.6 (a) và (b)

2.3.3.2 Chế độ bức xạ lớp nền

Hình 2.6 (a) Chế độ cơ bản (b) Chế độ bậc cao thứ nhất (c) Chế độ

bức xạ bề mặt (d) Chế độ bức xạ lớp phủ-nền