Bộ chia quang dựa trên ghép định hướng

Trước đây, trong một thời gian dài tấmsilic cách điện đã đơn giản hóa cấu tạo của các thiết bị có chứa tấm tinh thể quangtử 2 chiều với độ chính xác cao hơn.. Tinh thể quang tử được cấu

M C L C Ụ Ụ

DANH MỤC HÌNH ẢNH

3.5 Đồ thị hiển thị mất mất tại mỗi chỗ uốn

theo tính toán và lý thuyết

19 3.6 Phổ đo của ánh sáng TE-polarized (trắng

và được kì vọng đóng một vai trò quan trọng trong mạch quang tương lai Các thànhphần được sử dụng trong mạch quang 2 chiều bao gồm các bộ ghép, bộ chia quang,

vv… và chúng được thực hiện trên tấm tinh thể quang tử 2 chiều Các thiết bị trêntấm tinh thể quang tử có nhiều ưu điểm như dễ dàng thay thế cấu tạo và tích hợpnhanh chóng vào các thiết bị thông thường Trước đây, trong một thời gian dài tấmsilic cách điện đã đơn giản hóa cấu tạo của các thiết bị có chứa tấm tinh thể quang

tử 2 chiều với độ chính xác cao hơn

Trước những ứng dụng to lớn như vậy, một thiết kế bộ chia quang mới đã rađời Đây là bộ chia quang dựa trên việc ghép định hướng các ống dẫn sóng Chính

vì vậy, nhóm chúng em xin chọn đề tài “Bộ chia quang dựa trên ghép định hướng”nhằm mục đích nghiên cứu và hiểu rõ hơn cấu trúc bộ chia quang để áp dụng thựctế

1.2 Đặc điểm

Tinh thể quang tử được cấu tạo từ cấu trúc nano điện môi hoặc kim loại-điệnmôi được thiết kế để tác động lên sự lan truyền của sóng điện từ tương tự như cáchcác hố năng lượng tuần hoàn trong các tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển độngcủa electron; tức là tạo ra các cấu trúc năng lượng của trạng thái photon trong tinhthể Một vùng trống trong cấu trúc năng lượng photon là những kiểu lan truyền màsóng điện từ không được phép, hay những dải bước sóng không lan truyền được.Điều này dẫn đến các hiện tượng như ngăn cản phát xạ tự phát, gương định hướng

có độ phản xạ cao hay ống dẫn sóng có độ tổn hao thấp

1.3 Phân loại

− Tinh thể quang tử được chia thành 3 loai:

• Tinh thể quang tử 1 chiều (1D): cấu trúc gồm các lớp xen kẽ có chỉ số khúc xạkhác nhau được xếp chồng lên nhau

• Tinh thể quang tử 2 chiều (2D): tạo ra bằng cách chồng các khối trụ có chỉ sốkhúc xạ cho trước

• Tinh thể quang tử 3 chiều (3D): là các mặt cầu được sắp xếp theo cả mặt và khối

Hình 1.1 Các loại tinh thể quang tử

1.4 Ứng dụng

− Tinh thể quang tử 1 chiều được sử dụng rộng rãi trong quang học màngmỏng, như là tạo ra các lớp phủ lên bề mặt thấu kính hay gương để tạo ra độphản chiếu thấp hay cao tùy ý; hay trong sơn đổi màu và in ấn bảo mật

− Các tinh thể quang tử hai chiều và ba chiều được dùng trong nghiên cứukhoa học Ứng dụng thương mại đầu tiên của tinh thể hai chiều là sợi tinh thểquang tử, thay thế cho sợi quang học truyền thống trong các thiết bị quanghọc phi tuyến và dùng với bước sóng đặc biệt

− Các tinh thể quang được ứng dụng điều khiển sự lan truyền của ánh sáng

2 Phương pháp vector sóng phẳng mở rộng (PWE – Plane Wave Expansion)

Phương pháp vector sóng phẳng mở rộng (PWE) cho ta một cách tiếp cận rấthiệu quả và gần với mô hình sợi tinh thể quang tử (PCF – photonic crystal fiber)

Phương pháp này cho phép giải phương trình vector sóng đầy đủ cho từ trường.Trong mô hình này trường của hàm tuần hoàn cũng như vị trí phụ thuộc vào hằng sốđiện môi sử dụng khai triển Fourier của hàm tuần hoàn được xác định bởi vector

mạng tương hỗ Từ phương trình vector sóng đầy đủ đối với trường H k :

Trong đó k là vector sóng và ε(r) là hằng số điện môi trong cấu trúc

Một mô hình cầu trúc sợi tinh thể quang tử được mô tả như một mạng tuần hoàn,

chứa cấu trúc tinh thể và những lỗ hổng Do tính tuần hoàn nên có thể biểu diễn H k

là tổng của những sóng phẳng cơ bản theo lý thuyết Bloch:

Trong đó G là vector mạng trong không gian đối xứng Hằng số điện môi ε(r) đượckhai triển Fourier:

Trong đó:

với Au là diện tích một ô đơn vị

(Nguồn: 123 doc.vn)Hình 1.2 Phương pháp vector sóng phẳng mở rộng

3 Phương pháp FDTD (Finite Difference Time Domain)

Phương pháp FDTD là phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian,được đưa ra bởi Kane Yee người Nhật năm 1966 Phương pháp FDTD đòi hỏi tốc

độ xử lý của máy tính cao và cần nhiều dung lượng bộ nhớ Phương pháp FDTDgiải hệ phương trình Maxwell trực tiếp trong miền thời gian

• Nguyên lý của phương pháp FDTD:

Hệ phương trình dạng vi phân của Maxwell:

Xét hệ phương trình dạng vi phân của Maxwell ta thấy rằng đạo hàm theo

thời gian của trường phụ thuộc vào rota của trường (rot()) , có nghĩa là thay

đổi trong trường (đạo hàm theo thời gian) phụ thuộc vào thay đổi trongtrường qua không gian Trong phương pháp FDTD, giá trị mới của điệntrường phụ thuộc vào giá trị cũ của điện trường và sai khác giá trị của từtrường ở xung quanh điểm tính điện trường trong không gian

Từ trường cũng được tính tương tự Giá trị mới của từ trường phụ thuộc vàogiá trị cũ của nó và cũng phụ thuộc vào sai khác điện trường ở xung quanhđiểm tính từ trường

sẻ từ nhánh ( feeder) đến người dùng (drop), cho phép một sợi quang đơn phục vụnhiều nhánh cơ sở, thường là từ 16-128 PON bao gồm một thiết bị đầu cuối dâyquang (OLT - Optical Line Terminal) tại văn phòng trung tâm của nhà cung cấpdịch vụ và các thiết bị mạng quang học (ONUs - Optical Network Units) nơi gầnngười dùng cuối Công nghệ PON làm giảm yêu cầu số lượng dây dẫn và thiết bị tạivăn phòng trung tâm so với các kiến trúc điểm - điểm

Hiện tại bộ chia quang đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực viễn thông,khi mạng cáp quang phát triển ngày càng mạnh thì nhu cầu sử dụng bộ chia quangngày càng lớn.Bộ chia quang có hai loại chính đó là Bộ chia quang trong nhà và bộchia quang ngoài trời.Để phân biệt hai loại bộ chia này thì về mặt vật lý có thể nhậnran gay Bộ chia quang ngoài trời được chứa trong các tủ ,hộp bằng sắt hoặc bằngnhựa ( hộp thuê bao quang, hộp phối quang ngoài trời, hộp odf ngoài trời ….) đểđảm bảo các vấn đề về thời tiết và đạt chuẩn IP 65 trở lên.Bộ chia quang dùng trongnhà thì có cấu trúc vật lý đơn giản hơn , gọn nhẹ và tiện sử dụng.

Hình 1.3: Bộ chia quang

4.2 Phân loại

− Bộ khuếch đại quang

− Bộ điều phối quang

II Giới thiệu chung của bài báo

Một bộ chia ống dẫn sóng tinh thể quang trình diễn chia Ultralow-loss 3-dB đối vớiánh sáng TE phân cực được chế tạo trong chất liệu silicon-on-insulator bằng cách sửdụng kĩ thuật quang khắc UV sâu

Hiệu suất sẽ cao hơn khi ta sử dụng một mối nối Y Mối nối này đã được thiết kế đểhoạt động tốt tại chế độ đơn mode, và low-loss 60˚ bends Tín hiệu đầu ra Zero-loss-3dB thu được bằng thực nghiệm trong khoảng từ 1560-1585 nm Kết quả của

sự chênh lệch từ mô hình time-domain không có tham số có thể điều chỉnh được tìmthấy là kết quả tuyệt vời với các kết quả thí nghiệm

III Cơ sở lý thuyết và thực hiện

Các thiết bị quang học dựa trên cấu trúc tinh thể quang phẳng (PhC) có thểthay thế cho thiết bị sử dụng phản xạ toàn phần (TIR) bằng cách sử dụng các tínhchất độc đáo của hiệu ứng PBG (Tinh thể PBG là một cấu trúc có thể điều khiểnchùm ánh sáng tương tự như điều khiển dòng điện trong các chất bán dẫn)

Hình 3.1 : Photonic bandgap

Hiệu ứng PBG cho phép sự tương tác giữa ánh sáng và cấu trúc tinh thể quangphẳng (PhC) diễn ra trên một vài bước sóng Điều này có thể giảm thiểu kích thướccủa các thành phần đặc biệt và do đó làm tăng đáng kể mật độ device-packing (lêntới 10⁶ lần so với các thiết bị TIR thông thường) Những tiến bộ gần đây trongquang khắc UV sâu ở bước sóng 248nm và sau đó đã chế tạo hang loạt các thiết bịquang phẳng siêu nhỏ gọn dựa trên hiệu ứng PBG có thể bằng cách sử dụng côngnghệ chế tạo hiện tại được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp bán dẫn.

Các hiệu ứng PBG xuất hiện trong chất liệu điện môi thiết kế đặc biệt bởicách điều chế tuần hoàn của chỉ số khúc xạ Ống dẫn sóng tinh thể quang phẳng(PhCWs) có thể hình thành bằng việc đưa các dòng hụt vào một tinh thể quang hoànhảo khác Qua đó ánh sáng bị hạn chế theo chiều ngang bằng một tinh thể PBG in-plane và theo chiều dọc bởi TIR Do ảnh hưởng của hiệu ứng PBG trong mộtPhCW, ánh sáng có thể được định tuyến theo góc nhọn với bán kính uốn theo thứ tựcác bước sóng Tuy nhiên hoạt động đơn mode ít gián đoạn trong Planar PhCW cóthể phản xạ rộng tại bề mặt giữa các phần khác nhau của PhCW Tính gián đoạncũng có thể kích thích các chế độ trật tự cao mà không nhất thiết theo sự điều hướngtrong PhCW Bởi vì các chức năng của các thành phần PhC thường được phát sinh

từ sự gián đoạn, trở ngại này là điều cần thiết khi thiết kế các thành phần PhC đểtránh được tổn thất

Hình 3.2: Planar PhCMột thành phần quang quan trọng là bộ chia quang, được sử dụng rộng rãi tronggiao thoa và (tách) ghép kênh Cho đến nay, chỉ có một vài công trình với bộ chiaquang trên nền tảng PhC đã được công bố, chúng tôi đã chế tạo mô hình bộ chiaống dẫn sóng tinh thể quang phẳng Y mà nó gián đoạn trong bộ chia và vùng uốncong được đặt vào vị trí một cách cẩn thận, do đó đảm bảo sự chia rẻ Ultralow-loss3-dB đối với ánh sáng TE-polarized Thực nghiệm việc truyền quang phổ thu đượccho các thành phần chế tạo trong chất liệu silicon-on-insulator được so sánh với tínhtoán FDTD 3D Sự trùng khớp giữa các dữ liệu thực nghiệm và lý thuyết là điềuđược dự đoán từ trước

Cấu trúc tinh thể quang phẳng được xác định bởi airholes đó là xâm nhậpvào một lớp silicon dày 220nm đặt trên một lớp Silica 1µm Các lỗ đều được đặttrong một mạng tam giác và có đường kính d = 0.57∆ (∆ có giá trị 435nm).PhCW được miêu tả bởi các dòng lỗ trễ khiếm khuyết theo hướng

GK của mạng lưới tam giác.

Cấu hình này đem lại một PBG tương đối lớn lớn bên dưới dòng Silica vàcho phép truyền đơn mode TE-like trong PhCWs Chóp ống dẫn sóng, chiều rộngtừng bước sóng giảm dần từ 4µm ở mẫu đến 1µm ở gần bề mặt của PhC, được sửdụng để định tuyến các ánh sáng đến và đi từ các PhCWs Các cấu trúc này đượcphổ với quang khắc sâu UV 248nm và chuyển lên đầu lớp Silicon bằng cách sửdụng quá trình khắc Reactive-ion.

Các thành phần chế tạo được quang học đặc trưng cho sự truyền của ánh sáng phân cực bằng cách sử dụng băng thông rộng của diode phát sáng, thiết bị điềukhiển phân cực và một máy phân tích quang phổ học Trong tính toán FDTD một hệthống 3D đã được sử dụng để bao gồm tổn thất out-of-plane bằng cách áp dụng cácđiều kiện biên out-of-plane của mã Onyx-2 Các tính toán được thực hiện mà không

TE-có tham số điều chỉnh về thành phần giống như việc chế tạo Tất cả các phổ truyềnqua việc đo và tính toán đã được chuẩn hóa với phổ cho PhCWs có độ dài tươngđương

Các bộ chia PhCW đã được thiết kế như một mối nối Y hình thành bởi sựgiao nhau của 3 PhCW hợp thành một góc 120˚ Để có các kênh đầu ra của bộ chia

Y song song với kênh đầu vào, 2 kênh đầu ra có một chỗ uốn cong 60˚ cách đềunhau 15∆ từ mối nối Y Cả mối nối Y và chỗ uốn cong 60˚ biểu diễn sự gián đoạnnghiêm trọng trong PhCWs và các miền thông dụng trong sự hoạt động đơn mode

có thể thiết kế bị tổn thất một cách chấp nhận được Chỗ uốn cong đã được sửa đổibằng cách thay một lỗ và loại bỏ 2 lỗ tại chỗ uốn cong Hơn thế nữa 4 lỗ ở viền đãđược thay thế bằng các lỗ lớn hơn với đường kính D = 0.77∆ Xem tại hình 3.3

Hình 3.3: Ảnh chụp hiển vi của cơ cấu lắp ghép của 60˚ bend

Các mối nối Y bị thay đổi một cách tương tự bằng cách loại bỏ 3 lỗ trên cả 2 bêncủa mối nối và thay thế bằng 5 lỗ đường viền với kích thước lớn hơn Tuy nhiên,điều này có thể chuyển đổi mối nối Y thành một buồng cộng hưởng quang với nhiềuchế độ, có thể làm giảm hiệu suất bộ chia quang vì chế độ cộng hưởng không được

hỗ trợ bởi các PhCW Do đó một lỗ bổ sung được them vào bộ chia quang , nhờ đókích thước của mối nối tại buồng cộng hưởng giảm đi

Các thiết kế kế của mối nối Y được thể hiện trong hình 3.4

Hình 3.4: Ảnh hiển vi cấu tạo của mối nối Y

Để khảo sát việc thực hiện biến đổi của chỗ uốn cong 60˚ , một PhCW chứa haikhúc uốn cong liên tiếp cách nhau 15∆ đã được chế tạo (như hình 3.3) Một điểmđáng chú ý là sự giống nhau tương đối giữa việc đo đạc và tính toán như trong hình3.5 dưới đây:

Hình 3.5: Đồ thị hiển thị mất mất tại mỗi chỗ uốn theo tính toán và lý thuyếtĐường màu đen thể hiện kết quả tính toán được theo FDTD còn đường màu xámcho kết quả của các phép đo thực nghiệm.

Điều này cho ta biết đã có thể chế tạo được các thiết bị theo hướng dẫn thiết kế từtrước Độ lệch nhỏ giữa thí nghiệm và mô phỏng có thể xuất phát từ sự không biếtchính xác về đường kính lỗ và độ dày lớp Silicon

Hai dãy băng thông phân biệt với nhau: Trong dãy từ 1555-1585nm thì mất mát tạichỗ uốn cong căn cứ vào thực nghiệm là 0.25 ± 0.58dB Hiệu ứng cộng hưởng đượccho là gây ra các tổn thất below-zero đạt được trong miền này Vì thế The Lends cóthể truyền tải ánh sáng tốt hơn so với một chiều dài tương đương của PhCW thẳng.Trong phạm vi bước sóng 1370-1410nm mất mát được tìm thấy là 0.7 ± 0.35dB tạimỗi chỗ uốn cong Vì vậy chỗ uốn 60˚ cho chúng ta thấy mất mát tại chỗ uốn cong

là rất thấp trong 2 cửa sổ 30nm

Việc chế tạo bộ chia PhCW Y được chỉ ra trong hình 1.7 như trên Tổng kíchthước của bộ chia chỉ từ 15µm*20µm Quang phổ qua thực nghiệm và truyền sốcho bộ chia Y được thể hiện qua hình 3.6

Hình 3.6: Phổ đo của ánh sáng TE-polarized (trắng và xám) của bộ chia PhC và

FDTD 3D (đen)Một lần nữa sự tính toán phổ (đường màu đen) lặp lại một cách chính xác tất cả cáctính năng chính, và mức độ lan truyền của quang phổ đo (trắng và xám) Hơn nữaphổ đo của hai kênh đầu ra hầu như phù hợp hoàn hảo với các tính đối xứng của cấutrúc này Trong khoảng 1560-1585nm, đầu ra zero-loss 3-dB có được từ mỗi bộ chia

Y Trong phạm vi bước sóng 1370-1480nm số dư mất mát được tìm thấy trongkhoảng 1-2dB Ở đây sự mất mát do uốn cong chiếm tới hơn nửa so với mất mátquan sát được, do đó tối ưu hóa các đoạn uốn cong có thể cải thiện hiệu suất của bộchi trong miền này

Kết luận, chúng tôi đã chứng minh được rằng bộ chia Y hiển thị tín hiệu razero-loss-dB khi so sánh với một PhCW thẳng trong một băng thông 25nm từ 1560-1585nm Băng thông low-loss có thể được kéo dài ra bằng cách tối ưu hóa các mốinối Y và đoạn uốn cong trong bộ chia Các bộ chia đã được thiết kế với sai số vừa

đủ cho việc chế tạo với tiêu chuẩn quang khắc sâu UV Do đó nó có thể dễ dàng ứngdụng trong các thành phần PhC tương lai

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu đề tài, do hạn chế về thời gian, kiến thức và kinh nghiệm thực tế nên nhóm chúng em vẫn còn những thiếu sót Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của cô và các bạn.

Chúng em xin chân thành cảm ơn cô TS Hoàng Phương Chi đã giúp đỡ nhóm em hoàn thành đề tài này!

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Thomas F Krauss, “Planar photonic crystal waveguide devices for integrated optics,” phys stat sol (a) 197,688-702 (2003)

2 Sharee J McNab, Nikolaj Moll, and Yurii A Vlasov, “Ultra-low loss photonic integrated circuit with membrane-type photonic crystal waveguides,” Opt Express

11, 2927-2939 (2003),

http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-11-22-2927

3 Mehmet Bayindir, B Temelkuran, and E Ozbay, “Photonic-crystal-based beam splitters,” Appl Phys Lett 77, 3902-3904 (2000)

4 S Boscolo, M Midrio, and T F Krauss, “Y junctions in photonic crystal

channel waveguides: high transmission and impedance matching,” Opt Lett 27, 1001-1003 (2002)

5 Fan SH, Johnson SG, Joannopoulos JD, Manolatou C, Haus HA, “Waveguide branches in photonic crystals,” JOSA B, 18 162-165 (2001)

6 David M Pustai, Ahmed S Sharkawy, Shouyuan Shi, Ge Jin, Janusz A

Murakowski, Dennis W Prather,

“Characterization and Analysis of Photonic Crystal Coupled Waveguides,” JM3, 2, 292-299, (2003)

7 F S - Chien, Y - Hsu, W - Hsieh, and S - Cheng, "Dual wavelength

demultiplexing by coupling and decoupling of photonic crystal waveguides," Opt Express 12, 1119-1125 (2004),

http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-12-6-1119

8 Koshiba M, “Wavelength division multiplexing and demultiplexing with

photonic crystal waveguide couplers,” J Lightwave Technol 19, 1970-1975 (2001)