Bộ lọc quang cộng hưởng bậc cao dựa trên sự liên kết sai hỏng trong tinh thể quang tử

91.b Sơ đồ khối của bộ lọc bộ lọc có thể điều chỉnh được bước sóng 3.a Cấu trúc cùa bộ lọc cộng hưởng ghép đôi thứ 3 trong PC, trong đó 1-D cộng hưởng khiếm khuyết được nhúng trong một 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

BÁO CÁO THÔNG TIN QUANG

Đề tài: Bộ lọc quang cộng hưởng bậc cao

dựa trên sự liên kết sai hỏng trong tinh thể quang tử

MỤC LỤC

Danh mục hình vẽ

1.(a) Sơ đồ khối của bộ lọc bộ lọc cố định bước sóng λk. 91.(b) Sơ đồ khối của bộ lọc bộ lọc có thể điều chỉnh được bước sóng

3.(a) Cấu trúc cùa bộ lọc cộng hưởng ghép đôi thứ 3 trong PC, trong

đó 1-D cộng hưởng khiếm khuyết được nhúng trong một 2-D

PC ống dẫn sóng

17

3.(b) Sơ đồ của cấu trúc ở (a), nơi các khớp nối giữa các bộ cộng

hưởng được đối xử như thể nóxảy ra thông qua một ống dẫnsóng

17

4.(a) Mạch tương đương của các cấu trúc trong hình 3 19

5 Sơ đồ của 2 bộ cộng hưởng ghép nối thông qua một ống dẫn

sóng, ở đây các bộ cộng hưởng được tách biệt với môi trườngbên ngoài, mặt phẳng quy chiếu được lựa chọn theo cách màgóc cực cùng pha với sóng tới ở mỗi bộ cộng hưởng

20

6 Cấu trúc của một bộ cộng hưởng PC và các thông số thiết kế 24

7 Sự truyền dẫn của bộ lọc với và được tính toán theo mô hình

lý thuyết (solid) , số lượng truyền dẫn được tính toán của bộlọc thiết kế dựa trên nền tinh thể quang tử và sự truyền dẫn của

bộ lọc với ϕ=π/4 (tốc độ suy hao là giống nhau) tính toán theo

mô hình lý thuyết (dashed)

27

8 Sự truyền dẫn được tính toán với và và (nét liền) ở đây ảnh

hưởng của sự sai lệch pha được bù lại, sự truyền dẫn được

tính toán với và và (nét chấm).

29

9 Sự truyền dẫn của bộ lọc Chebysev bậc 3 được thiết kế dựa

trên nền tinh thể quang tử được tính toán số lượng sử dụngphương pháp 2D FDTD và sự truyền dẫn của bộ lọc với cácthông số tương tự tính toán theo mô hình lý thuyết Đồ thịđược lồng vào biểu diễn các sự truyền dẫn trong một thang đologarit

30

10 Ảnh hưởng của lỗi trong tần số trung tâm của bộ cộng hưởng

trên truyền phổ, ở đây Δƒ là sự khác biệt tần số trung tâm giữatrung tâm cộng hưởng và trên một mặt

31

Lời mở đầu

Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹthuật viễn thông nói riêng, nhu cầu các dịch vụ liên quan đến viễn thông ngày càngtăng lên Quang tử tinh thể (PC) dựa trên các thiết bị quang học đã thu hút được sựquan tâm rất lớn do tính nén chặt và thích hợp của nó đối với mạch tích hợp quang tử(PIC) Trong số rất nhiều các thiết bị dựa trên PCs, bộ lọc cộng hưởng quang học làmột thiết bị nhận nhiều sự quan tâm nhất vì nó là yêu cầu thiết yếu cho một phươngpháp để lựa chọn bước sóng các kênh trong hệ thống thông tin quang ghép kênh phânchia theo bước sóng (WDM)Vì vậy, qua môn học Thông Tin Quang và được sự đồng ýcủa cô TS Hoàng Phương Chi, chúng em đã quyết định chọn đề tài cho bài tập lớn môn

là tìm hiểu chủ đề “bộ lọc cộng hưởng” thông qua bài báo “Higher Order OpticalResonant Filters Based on Coupled Defect Resonators in Photonic Crystals” củaDongsoo Park, Sangin Kim, Ikmo Park, and Hanjo Lim

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới cô TS Hoàng Phương Chi đã

ân cần chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian học và quá trình làm bài tập lớn mônThông Tin Quang Do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian tìm hiểu không nhiều, nênbài tập lớn của chúng em không tránh khỏi những sai sót Chúng em rất mong được sựgóp ý cảu cô để bài tập lớn của chúng em được hoàn thiện hơn

Giới thiệu thành viên nhóm và phân công công việc

Nguyễn Văn Thiêm 20122498 Thu thập tài liệu Dịch phần V,VI

Phạm Thị Thương Huyền 20121816 Dịch phần III Chỉnh sửa các bản dịchkhác.

Đỗ Thị Dung 20121388 Làm slide, thuyết trình Tìm hiểu chung

Photonic crystal ( PC) Tinh thể quang tử

Photonic integrated circuits (PICs) Mạch tích hợp quang tử

Wavelengthdivision- multiplexed (WDM) Ghép kênh theo bước sóng

PHẦN 1: Giới thiệu về bộ lọc quang

I.Tổng quan

Bộ lọc là thiết bị chỉ cho phép một kênh bước sóng đi qua, khóa đối với tất cảcác kênh bước sóng khác Nguyên lý cơ bản nhất của bộ lọc là sự giao thoa giữa các tínhiệu, bước sóng hoạt động của bộ lọc sẽ được cộng pha nhiều lần khi đi qua nó, cáckênh bước sóng khác, ngược lại, sẽ bị triệt tiêu về pha Tùy thuộc vào khả năng điềuchỉnh kênh bước sóng hoạt động, người ta chia bộ lọc ra làm hai loại : bộ lọc cố định(fixed filter) và bộ lọc điều chỉnh được (tunable filter) Hình 1 là sơ đồ khối bộ lọc cốđịnh và bộ lọc điều chỉnh được

Hình 1 Sơ đồ khố của bộ lọc (a) Bộ lọc cố định bước sóng λk.

(b) Bộ lọc có thể điều chỉnh được bước sóng trong khoảng Δλ

Yêu cầu đối với bộ lọc

Hiện nay, có rất nhiều công nghệ chế tạo bộ lọc Tuy nhiên, yêu cầu chung đốivới tất cả các công nghệ là:

• Bộ lọc tốt phải có giá trị suy hao xen IL thấp

• Bộ lọc phải không phụ thuộc nhiều vào trạng thái phân cực của tín hiệu đưa vào

• Dải thông hoạt động của bộ lọc phải không nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độcủa môi trường Bộ lọc phải đảm bảo trong khoảng nhiệt độ hoạt động (thường

là khoảng 100oC), độ dịch dải thông hoạt động phải không vượt quá khoảng cáchgiữa hai kênh bước sóng hoạt động gần nhất.

• Khi ứng dụng ghép nối tiếp nhiều bộ lọc trong hệ thống WDM, băng thông hoạtđộng sẽ thu hẹp lại Để hạn chế tối đa điều này, các bộ lọc phải có hàm truyềnđạt trong khoảng bước sóng hoạt động là bằng phẳng

• Hàm truyền đạt của bộ lọc phải có độ dốc lớn để tránh giao nhau ở phần vạt củahai bước sóng lân cận, gây xuyên nhiễu giữa các kênh

• Giảm chi phí sản xuất Vấn đề này lại phụ thuộc vào công nghệ chế tạo Tuynhiên, khi vấn đề này đặt lên hang đầu thì ta sẽ có hai lựa chọn Thứ nhất là dùngcông nghệ ống dẫn sóng, cho phép sản xuất trên những vi mạch tích hợp quang(bù lại hoạt động phụ thuộc vào trạng trái phân cực của sóng quang) Thứ hai làdùng công nghệ sản xuất các thiết bị thuần quang, tuy khó khan trong tích hợpmạch nhưng có nhiều ưu điểm là: không phụ thuộc vào trạng thái phân cực củasóng quang, ghép sóng từ sợi quang vào thiết bị dễ dàng

Hình 2 (a) Các thông số đặc trưng của bộ lọc

(b) Độ gợn sóng của bộ lọc

II Thông số cơ bản

Hình 2 minh họa các đặc tính đặc trưng cho một bộ lọc, các đặc tính đó đượcđịnh nghĩa như sau:

• Bước sóng trung tâm: phải là bước sóng tuân theo tiêu chuẩn ITU-T

• Độ rộng băng thông (Pass bandwidth): là độ rộng của hàm truyền đạt tại mứcsuy hao xen cách đỉnh 0,5 dB Trong một số trường hợp, người ta còn có thểxét băng thông đi qua 1 dB, 3 dB Đặc tính này rất quan trọng vì laser trongtrường hợp không lí tưởng chỉ phát tín hiệu có bước sóng dao động nhất định

so với bước sóng trung tâm được qui định theo chuẩn ITU-T

• Độ rộng băng chặn (Stop bandwidth): là độ rộng của mức suy hao xen cáchđỉnh 20 dB Dải chặn của bộ lọc phải càng nhỏ càng tốt để tránh hiện tượngxuyên nhiễu giữa các kênh

• Độ cách li (Isolation): để chỉ công suất của một kênh bước sóng xuyên nhiễusang các kênh bước sóng lân cận

• Độ gợn sóng (Ripple): là độ chênh lệch đỉnh-đỉnh trong phạm vi một kênhbước sóng

• Hệ số sử dụng băng thông BUF (Bandwidth-utilization Factor): là tỉ số của

độ rộng kênh truyền LW (Linewidth) của ánh sáng được truyền đi so với ánhsáng phản xạ tại một mức suy hao xác định Bộ lọc lí tưởng phải có BUF=1.Trên thực tế, khi IL= -25 dB thì BUF ≈ 0,4

Nếu bộ lọc thuộc loại có thể điều chỉnh bước sóng được, nó còn có thêm các đặctính như là:

• Khoảng điều chỉnh bước sóng động: là khoảng bước sóng mà trong phạm vi hoạtđộng của bộ lọc

• Số kênh bước sóng có thể xử lý: là tỉ lệ khoảng điều chỉnh bước sóng động trênkhoảng cách giữa các kênh bước sóng

• Thời gian điều chỉnh: Thời gian điều chỉnh giữa các kênh bước sóng hoạt độngkhác nhau

• Tỉ lệ nén SSR (Sidelobe Suppression Ratio): là khoảng cách giữa giá trị côngsuất đỉnh so với giá trị công suất lớn nhất ở biên

• Độ phân giải: là độ dịch bước sóng nhỏ nhất bộ lọc có thể nhận biết được

PHẦN 2 : Thiết kế bộ lọc quang cộng hưởng bậc cao dựa trên sự liên kết sai hỏng trong tinh thể quang tử

I Giới thiệu

Bài báo này giới thiệu một phương pháp chung cho việc thiết kế bộ lọc cộnghưởng ghép nối(liên kết) bậc cao trong các tinh thể quang tử (PC) Trong phương phápnày, việc ghép nối các bộ cộng hưởng được coi như xảy ra thông qua một ống dẫnsóng với một độ lệch pha tùy ý Liên kết thông qua ống dẫn sóng được phân tích vềmặt lý thuyết, dựa trên lý thuyết về phương thức ghép nối theo thời gian Các mô hình

lý thuyết căn bản đề xuất một cách để phát triển một phương pháp tiếp cận mạch tươngđương, trước đó đã chứng minh với một số giá trị (đã biết) của độ lệch pha, để thiết kế

bộ lọc bậc cao với một độ lệch pha tùy ý Hiệu quả của phương pháp đề xuất được xácnhận bởi việc thiết kế của một bộ lọc Chebyshev bậc ba có tần số trung tâm 193,55THz, băng thông (độ rộng dải tần) hẹp 50 GHz, và độ gợn sóng 0,3 dB trong dảithông Các đặc tính của bộ lọc được thiết kế rất phù hợp cho việc ghép kênh phân chiatheo bước sóng (WDM) trong hệ thống truyền thông tin quang với một độ rộng kênh

100 GHz Hiệu suất của bộ lọc thiết kế được đánh giá theo tính toán bằng cách sử dụngphương pháp 2 chiều (2-D) sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD)

Trong PCs, các lỗ trống rất nhỏ hoặc các bộ cộng hưởng với hệ số Q cao có thểđược được hình thành( cấu tạo) tương đối đơn giản bằng cách sử dụng các lỗ khuyếtthích hợp Bộ lọc cộng hưởng quang học với hệ số Q cao , sử dụng một kiểu(dạng) lỗkhuyết đơn trong PCs, đã được chứng minh bằng thực nghiệm, và phổ truyền của bộlọc đó có dạng Lorentzian [1], [2] Đối với các bộ lọc cộng hưởng quang học được sửdụng trong hệ thống thông tin quang WDM, các đặc tính truyền cần phải được cảithiện Điều này đòi hỏi các bộ lọc bậc cao Bộ lọc bậc cao có thể được tạo ra bằng cáchkết hợp(ghép nối) nhiều bộ cộng hưởng Một bộ lọc bậc ba đã được thiết kế sử dụng bộcộng hưởng Fabry-Pérot(F-P) dực trên PC, nơi một phần các gương phản chiếu đã

được thực hiện với các tinh thể quang tử 1 chiều (1D-PCs) đưa vào 1 ống dẫn sóngtinh thể quang tử 2 chiều (2D) [3] Trong các bộ lọc sử dụng PC dựa trên bộ cộnghưởng F-P, các hệ số phản xạ và độ sâu thâm nhập hiệu quả của các gương PC phảiđược thiết kế cẩn thận để tránh độ gợn sóng lớn ở dải thông, và các đáp ứng phổ củacác bộ lọc như vậy vốn đã tuần hoàn Ngoài ra, trong cấu trúc bộ lọc thiết kế trong [3],

vị trí tương đối của các bộ cộng hưởng F-P được chèn cùng với mạng tinh thể của nền2-D PC có thể ảnh hưởng đến hiệu suất bộ lọc, làm cho việc có một thiết kế hiệu quảtrở nên khó khăn hơn Hơn nữa, khả năng mở rộng của cấu trúc thiết kế có thể khôngđược đảm bảo đầy đủ

Bài báo này nói về 1 thiết kế dự kiến của bộ lọc cộng hưởng quang bậc cao mà

sử dụng các bộ cộng hưởng lỗ khuyết ghép nối đặt trong ống dẫn sóng 2D Trong cấutrúc của bộ lọc dự kiến này, các bộ cộng hưởng lỗ khuyết đã đưa vào được sử dụng phùhợp với chu kỳ của nền PC, vì vậy có thể đảm bảo mở rộng thiết kế Thêm nữa, cácthông số của bộ cộng hưởng lỗ khuyết là hệ số Q và tần số f có thể đc tính dễ dàngbằng các phương pháp số học, ví dụ: FDTD, [4], [5] (cái mà làm đơn giản hóa quátrình thiết kế) Trong bài này, một mô hình phân tích được đưa ra cho việc ghép nối các

bộ cộng hưởng thông qua 1 ống dẫn sóng bằng cách mở rộng các nghiên cứu trước đây[6],[7] Dựa trên mô hình đã có, 1 bộ lọc Chebyshev bậc 3 đã được thiết kế dựa trênphương pháp tiếp cận mạch tương tự [7] Trong nghiên cứu trước đây, ta chỉ xem xéttrường hợp có lệch pha giữa 2 bộ cộng hưởng là pi/2 và có thể áp dụng phương pháp

tiếp cận mạch tương đương môt cách đơn giản Tuy nhiên, lệch pha sẽ là tùy ý khi các

bộ lọc dựa trên các tinh thể quang tử được ghép nối và sự ảnh hưởng của độ lệch phađóng vai trò quan trọng trong thiết kế bộ lọc Trong bài này, một cách để khái quát hóaphương pháp tiếp cận mạch tương đương cho thiết kế các bộ lọc cộng hưởng ghép nối

dựa trên PCs đã đc đề xuất và chứng thực bằng thiết kế của 1 bộ lọc thông dải bậc 3

trong 1 2D PC (tinh thể quang tử 2 chiều)

Chương 2 của bài báo này mô tả cấu trúc 1 bộ lọc dự kiến dựa trên PC Chương

3 bàn luận phương pháp tiếp cận mạch tương đương cho thiết kế của những bộ lọccộng hưởng được liên kết(ghép nối), cũng như là hạn chế của cách tiếp cận này trongthiết kế dựa trên PC Chương 4 trình bày mô hình lý thuyết của sự ghép nối(liên kết)giữa các bộ cộng hưởng với lệch pha tùy ý Chương 5 mô tả thiết kế của bộ lọcChebyshev bậc 3 dựa trên mô hình lý thuyết Chương 6 là các kết luận tóm tắt

II Tinh thể quang tử dựa trên cặp lỗ khuyết cộng hưởng

Hình 3 trình bày cấu trúc của một bộ lọc cộng hưởng gồm 3 bộ cộng hưởng lỗkhuyết 1-D được đưa vào trong một ống dẫn sóng 2-D PC; đó là cấu trúc được thiết kếtrong bài báo Nếu mỗi bộ cộng hưởng có một hệ số Q đủ lớn, điều là giả thiết phù hợpcho những bộ lọc cho mục đích thực tiễn, sự kết nối giữa những bộ cộng hưởng có thểđược coi như là những bộ cộng hưởng tương tác lẫn nhau bên trong một ống dẫn sóng,mặc dù chiều dài(độ rộng) của ống dẫn sóng có thể ngắn hơn bước sóng cộng hưởngcủa các bộ lọc Dựa trên giả thiết này, bộ lọc được thiết kế có thể được trình bày kháiquát như trong hình 3(b) Như đã thấy trong hình 3(a), bộ cộng hưởng 1-D PC đượcđưa vào trong ống dẫn sóng có cùng hằng số điện môi và được đặt theo đúng mạnglưới của nền 2-D PC Do đó, độ lệch pha xảy ra trong ống dẫn sóng ngắn giữa các bộcộng hưởng (Ф) sẽ được xác định bởi cả tần số trung tâm của bộ lọc và các chỉ số ảnhhưởng của ống dẫn sóng Thêm vào đó, Ф cũng phụ thuộc vào sự lựa chọn mặt phẳngquy chiếu, sẽ được thảo luận chi tiết trong phần IV Điều này nói lên rằng Ф không dễdàng điều khiển cũng như là đo đạc được

Hình 3 (a) Cấu trúc cùa bộ lọc cộng hưởng ghép đôi thứ 3 trong PC, trong đó

1-D cộng hưởng khiếm khuyết được nhúng trong một 2-1-D PC ống dẫn sóng

(b) Sơ đồ của cấu trúc ở (a), nơi các khớp nối giữa các bộ cộng hưởng được đối xử nhưthể nóxảy ra thông qua một ống dẫn sóng

III Tiếp cận mạch tương đương

Để thiết kế một bộ lọc cộng hưởng ghép nối được mô tả trong hình 3b, tất cả các

bộ cộng hưởng nên có cùng một bước sóng cộng hưởng là (tần số ) và các hệ số củanhững bộ cộng hưởng cần được xác định một cách chính xác Trước đây, các hệ sốcộng hưởng thích hợp (hoặc tốc độ phân rã tương đương) có thể được xác định từnguyên lý mạch lọc L-C tiêu chuẩn, bằng cách coi các bộ cộng hưởng như các phần tửchung khi Hình 4(a) cho thấy mạch tương đương của bộ lọc cộng hưởng ghép nối(liênkết) được mô tả trong hình 3(b), trong đó đường dây truyền dẫn ở hình 4(a) biểu diễncho ống dẫn sóng trong hình 3(b) và chiều dài của nó thì tương ứng với Trong trườnghợp , với chẳng hạn, thì mạch tương đương được biểu diễn trong hình 4(a) có thể đượcbiến đổi thành mạch được mô tả trong hình 4(b) Mạch tương đương trong hình 4(b)cho phép chúng ta sử dụng sách tra cứu (sổ tay tóm tắt) các giá trị (trị số) cho nhiềukiểu bộ lọc như bộ lọc Gauss, Butterworth và Chebyshev để xác định các hệ số củacác bộ cộng hưởng trong hình 3(a) hoặc 3(b) Sách tra cứu cho chúng ta các giá trịthích hợp của các điện dung cho một loại bộ lọc nhất định nào đó, và các điện dung cómối liên hệ mật thiết với các thông số thiết kế của bộ lọc bằng hai biểu thức và , với làDẪN NẠP đặc trưng của đường dây truyền dẫn trong hình 4(a)

Hình 4 (a) mạch tương đương của các cấu trúc trong hình 3.

(b) mạch cải biên khi ()

Nếu được giả định cho bộ lọc được mô tả trong hình 1(b), thì các hệ số thíchhợp sẽ được xác định với và cho bộ lọc thông dải Chebyshev bậc 3 Các tham số của

bộ lọc như tần số trung tâm, mặt phẳng băng thông (dộ hẹp băng tần?) và độ gợn sóngtrong dải thông có giá trị lần lượt là 193.55 Thz (tương đương với bước sóng ), 50GHz

và 0,1dB [8] Các tham số đặc trưng của bộ lọc được xác định cho mục đích truyềnthông tin quang WDM với khoảng cách kênh là 100 GHz

Nhìn chung, dù sao đi chăng nữa thì giá trị của độ dịch pha trong hình 3 cũngđược cho tùy ý