Mô phỏng và thiết kế bộ chia quang hình chữ t

Vì vậy, tắc nghẽn và sựgiới hạn của thiết kế IC cổ điển làm các ảnh hưởng này càng trở nên nghiêm trọng.Mặt khác, sự phát triển trong công nghệ chất bán dẫn đã mở ra nhiều khả năng củath

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Viện Điện Tử Viễn Thông

======o0o======

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THÔNG TIN QUANG

Đề tài: Mô phỏng và thiết kế bộ chia quang hình chữ T

Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Phương Chi

Mục lục

Danh mục hình vẽ

Phân chia công việc

Thành viên Nhiệm vụ

Nghiêm Xuân Chính Đọc, hiểu và dịch báo

Trương Minh Thông Đọc, hiểu, tìm tài liệu

Nguyễn Văn Yên Đọc, hiểu, thuyết

trìnhNguyễn Văn Thắng Đọc, hiểu, tìm tài liệu

1 Giới thiệu

1.1 Tổng quan

Trong suốt 2 thập kỉ gần đây, nhiều nhà khoa học đã cố gắng để thay thế dần mạchđiện tích hợp (IC) điện tử bằng IC quang học Việc tối thiểu hóa kích thước của thiết bịđiện gây ra nhiều ảnh hưởng không mong muốn như nhiễu tín hiệu điện, tạp âm, cross-talk (hiện tượng tín hiệu truyền trên một mạch hay một kênh của hệ thống truyền tạo ratác động không mong muốn lên kênh khác hoặc mạch khác) Vì vậy, tắc nghẽn và sựgiới hạn của thiết kế IC cổ điển làm các ảnh hưởng này càng trở nên nghiêm trọng.Mặt khác, sự phát triển trong công nghệ chất bán dẫn đã mở ra nhiều khả năng củathiết bị quang học có công dụng tương tự như các thiết bị điện tử trong cuộc sống.Trong thiết bị quang học, việc chọn môi trường truyền dẫn ánh sáng một cách thíchhợp sẽ giúp tối thiểu mất mát năng lượng Tinh thể quang tử có cấu trúc quang mới, nógiúp cung cấp nền tảng phù hợp cho sự truyền ánh sáng Những cấu trúc này đã thuhút nhiều sự quan tâm cả trong lĩnh vực học thuật và công nghiệp, và họ đã mang đếnnhững ý tưởng về sự phát triển của IC quang trong tương lai gần

1.2 Mục tiêu và phạm vi

Mục đích chính của bài báo cáo này là nêu lên sự hiệu quả của bộ chia chùm tinhthể quang tử hai chiều hình chữ T Nó bao gồm một mạng vuông các thanh GaAs(n=3.4) được nhúng trong chân không Cấu trúc của tinh thể quang tử có thể được sửdụng với bước sóng 1550 nm - là bước sóng quan trọng trong truyền dữ liệu thông tinquang Kết quả mô phỏng FDTD (miền thời gian giới hạn phân biệt) chứng minh rằngghép nối-T thông thường chỉ có thể cung cấp hệ số truyền dẫn là 78% (39% cho mỗinhánh) đối với ánh sáng tới, trong khi bộ chia chữ T truyền hơn 90% năng lượng củachùm sóng tới (trên 45% mỗi nhánh) trong vùng đơn mode của ống dẫn sóng Đặcbiệt, nó truyền gần 98% (49% từ mỗi nhánh) của tín hiệu quang đầu vào trên bướcsóng 1550nm Nói cách khác, bộ chia được đề xuất chia quang hiệu quả hơn và phổnăng lượng truyền phẳng hơn so với các bộ chia trước đó

2 Các khái niệm cơ bản

2.1 Tinh thể quang tử

Các tinh thể quang tử (Photonic Crystals - PCs) gồm có 2 chất điện môi khác nhauđược sắp xếp một cách tuần hoàn (cùng nhau) Mặt khác, chiết suất thay đổi một cáchluân phiên trong điện môi này Tùy thuộc vào số lượng của các chiều có tồn tại sự thayđổi chiết suất, PCs được chia ra thành 3 loại: 1, 2, 3 theo chiều tuần hoàn (1-D, 2-D, 3-D)

2.2 Tinh thể quang tử 1-D

Các tinh thể quang tử 1-D có hình dạng đơn giản nhất Chúng gồm có các tầng củahai lớp điện môi khác nhau và vì vậy chúng cũng được gọi là các màng nhiều lớp [1]

Hình 1: Tinh thể quang tử một chiều [1]

Ngoài ra, các tinh thể quang tử này còn có thể xác định các mode ánh sáng Thuộctính duy nhất này của tinh thể quang tử một chiều làm cho chúng có ích trong chế tạocủa gương điện môi hoặc phân bố bộ lọc quang học phản hồi (DFB) [2]

2.3 Tinh thể quang tử 2-D

Tinh thể quang tử 2-D: Là tinh thể mà cấu trúc của nó là sự sắp xếp tuần hoàn cuảvật liệu điện môi theo 2 trục (x,y) và đồng nhất theo trục thứ 3 (z) Tinh thể quang tử2-D có ba mô hình thiết kế rất đặc trưng, mỗi mô hình có tính chất riêng

Hình 2: Mạng vuông của các Rod điện môi tinh thể photonic 2-D, được cắm trên đế

bán dẫn [3]

Sự phản xạ đối xứng gương trong tinh thể khiến các mode được phân cấp vào haiphân cực riêng biệt, một là phân cực điện ngang (TE) mà tại đó vector điện trườngnằm trên mặt phẳng tuần hoàn, và vector từ trường là trực giao với mặt phẳng trên;một phân cực khác nữa là phân cực từ ngang (TM), trong đó chiều của điện trường và

từ trường là đối ngược với của TE

2.4 Tinh thể quang tử 3-D

Tinh thể quang tử 3-D: Là tinh thể mà cấu trúc của nó là sự sắp xếp tuần hoàn củavật liệu điện môi theo 3 chiều trong không gian

Hình 3: Cấu trúc dạng tổ hợp loại mạng đó là loại mạng hole và Rod [4]

Những thuộc tính thực sự của tinh thể quang chỉ tồn tại ở dạng 3-D Do sự chế tạo

và phân tích của những cấu trúc này là rất khó, vì vậy tinh thể quang tử 2-D thườngđược sử dụng Thật ra, tinh thể quang tử 2-D có hầu hết thuộc tính của PC 3-D hơnnữa chúng lại có thể dễ dàng chế tạo Do vậy, ta tập trung vào dạng 2-D của tinh thểquang tử

2.5 Vùng cấm quang (photonic band gap)

Thuộc tính quan trọng nhất của tinh thể quang tử đó là vùng cấm quang tử, nghĩa

là ánh sáng với dải tần số đã biết không được phép lan truyền trong tinh thể Nhiềuứng dụng của tinh thể quang tử, đặc biệt là loại 2-D và 3-D, phụ thuộc vào vị trí và bềrộng của vùng cấm của chúng Ví dụ, một tinh thể có vùng cấm có thể hoạt động nhưmột bộ lọc băng hẹp, bỏ qua tất cả các tần số trong vùng cấm hoặc nó có thể được sửdụng như là một bức tường phản chiếu, hình thành một khoang cộng hưởng cho cácchế độ bên trong vùng cấm Có thể nói rằng trong tinh thể quang tử, hằng số điện môicàng khác nhau nhiều thì vùng cấm càng rộng [5]

Hình 4: Vùng cấm quang tử [5]

Vùng cấm quang tử có thể loại bỏ bức xạ điện từ trong một khoảng tần số Tần sốtrung tâm của khoảng cách loại trừ có thể xác định bởi các thí nghiệm ở bất cứ đâu từquang cho đến sóng cực ngắn Chiều rộng của khoảng cách sẽ là rất lớn, ít nhất 20%của tần số trung tâm, sự bức xạ ngoài khoảng cách đó sẽ được truyền qua vật liệu,trong khi bức xạ trong khoảng cách sẽ được phản xạ Trong khoảng cách bức xạ đượctạo ra bên trong vật liệu sẽ bị mắc kẹt Ứng dụng cho một loại vật liệu như vậy sẽ rất

đa dạng: từ lọc và tiếng ồn ức chế để sửa đổi của chân không điện và ngăn chặn của xạ

tự phát

Một tinh thể quang tử tinh khiết có tần số trong vùng cấm không cho ánh sángtruyền qua mạng tinh thể Tuy nhiên, bằng việc tìm các chỗ sai hỏng trong mạng tinhthể rất nhiều các thiết bị quang tử có thể được tạo ra Ví dụ, bằng cách tìm một điểmsai hỏng trong tinh thể, chẳng hạn như loại trừ một số lỗ hổng hoặc thanh đơn, mộtmode với tần số trong vùng cấm có thể được xác định và kết quả là một khoang vớicác nhân tố chất lượng cao sẽ được thiết lập [1] Loại bỏ một hàng của các thanh hoặc

lỗ trống trong kết quả của tinh thể quang tử trong sự hình thành của một sai hỏngtuyến tính được sử dụng để tạo ra các ống dẫn sóng Ưu điểm quan trọng nhất của ốngdẫn sóng PC so với các ống dẫn sóng thường là mode có thể truyền xuyên qua đườngcong 90 độ [6] [7] Thuộc tính có ích khác của ống dẫn sóng này là chúng có thể chiếmđược các nhánh của ánh sáng tới thành hai đầu ra ống dẫn sóng và tạo thành bộ chiaquang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như giao thoa kế Mach-Zehneder [8].Những

ý chính nổi bật trong bài báo cáo này là bộ chia năng lượng tinh thể ánh sáng (bộ chiaquang) và cấu tạo có thể cải thiện sự hiệu quả của thiết bị đó.

3 Bộ chia quang

3.1 Giới thiệu về bộ chia quang

Trong thông tin quang, bộ chia quang là bộ chia hay ghép quang được sử dụng đểphân tách hoặc kết hợp các tín hiệu quang trong hệ thống mạng quang khác nhau Làthiết bị thụ động không cần nguồn nuôi, cho phép chia một đầu vào quang học thànhnhiều đầu ra quang đồng nhất với hiệu suất quang học cao, tính ổn định và độ tin cậycao đáp ứng các yêu cầu ứng dụng khác nhau

Việc sử dụng bộ chia quang là việc cần thiết Với giá thành rẻ hơn so với cáp đồng,

có thể lắp đặt ở bất kỳ đâu, mọi vị trí, không phụ thuộc vào điều kiện môi trường,không cần phải cung cấp năng lượng cho các thiết bị giữa phòng máy trung tâm vàphía người dùng Ngoài ra, ưu điểm này còn giúp các nhà khai thác giảm được chi phíbảo dưỡng, vận hành

Hiện tại bộ chia quang đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực viễn thông, khimạng cáp quang phát triển ngày càng mạnh thì nhu cầu sử dụng bộ chia quang ngàycàng lớn

3.2 Phân loại bộ chia quang

Bộ chia quang có thể được chia làm 2 loại theo nguyên tắc quang phổ

- Fused Biconical Taper (FBT)

- Planar Lightwave Circuit (PLC): mạch chia sóng quang phẳng

FBT là thiết bị gồm 2 hoặc nhiều sợi quang kết hợp với nhau Trong khi PLC là 1 thiết

bị vi quang thích hợp với in thạch bản, tạo thành 1 ống dẫn sóng quang học trong môitrường hoặc trên một nền bán dẫn Về cơ bản cả 2 loại đều thiết kế dựa trên nguyên tắcquang phổ Cả 2 được chế tạo bằng cách thay đổi các sợi quang học (mức độ ghép nối,chiều dài ghép nối) cũng như thay đổi bán kính sợi quang để đạt được kích thước phânnhánh khác nhau

3.2.2 Bộ chia PLC

PLC splitter là một thiết bị vi quang sử dụng kĩ thuật khắc thạch bản để tạo thànhống dẫn sóng hoặc chất nền bán dẫn để thực hiện chức năng chia thành các nhánhquang Cấu tạo bên trong module bộ chia PLC áp dụng quá trình sản xuất bán dẫn như

in thạch bản, tạo bản khắc axit, công nghệ phát triển hơn nữa, đã tạo ra loạt ống dẫnsóng nằm ở bề mặt trên của chip, chức năng chuyển hướng được tích hợp trên chip, sựphân nhánh trên một con chip được thực hiện theo tỉ lệ 1:1 Sau đó, các mảng sợi đakênh quang học trong thiết bị đầu cuối đầu vào và đầu ra của chip được ghép tươngứng, và cuối cùng là đóng gói

Đặc điểm:

- Suy hao tiếp xúc thấp (Low insertion loss)

- Suy hao phản xạ cao (Return loss)

- Độ đồng nhất suy hao xen giữa các cổng cao (Uniformity)

- Định hướng (Directivity) cao

- Chênh lệch suy hao tối đa thấp (Low PDL - Polarization Dependent Loss)

- Độ tin cậy và độ bền cao

- Kích thước nhỏ gọn, lắp đặt dễ dàng

3.3 Ứng dụng

Bộ chia quang được sử dụng để kiểm tra định lượng hệ thống, đường cáp quangđược chia nhỏ cho người sử dụng, tạo sẵn các đường quang để thay thế trong trườnghợp xấu, phân tách tia laser

Ngoài ra, bộ chia PLC còn có các ứng dụng:

- Sử dụng cho mạng PON

- Sử dụng cho CATV

4 Đề xuất bộ chia quang chữ T

Bộ chia quang với các cấu trúc khác nhau được trình bày trong tài liệu Trong [9],

bộ lọc chữ T được đề xuất chỉ truyền 45% năng lượng của ánh sáng tới ở bước sóng1550nm Thiết kế bộ chia quang hình chữ T cũng được nói ở [10] Việc truyền tảitrong dải quang phổ được đề cập không phải là phẳng cho các cấu trúc trong [10].Bài báo cáo này dự định đề xuất một topology với việc tách chùm sáng một cáchhiệu quả hơn và mở rộng dải phẳng cho truyền phổ năng lượng Do bộ chia này gồm

có nhiều thanh điện môi được đặt trong không khí, nó phù hợp cho ánh sáng phân cực

từ ngang TM Bộ chia cho ánh sáng phân cực điện ngang TE được đề cập trong tài liệutrước đó [11] Trong [11] nhánh chữ Y dự kiến phân chia hiệu quả truyền sóng phâncực ngang TE thành hai đầu ra Nó cho thấy rằng, bằng cách đưa thêm vào 3 lỗ trống

và tăng bán kính của các lỗ trống khác, băng thông truyền tải có thể được cải thiện mộtcách đáng kể So với topology trước đó thì topology này rất đơn giản, nó cung cấpbăng thông truyền tải lên tới 92%

Trong chương 5, chúng ta sẽ xem xét lại các phương thức số cho việc phân tíchquang Đặc biệt, chúng ta đã mô tả việc mở rộng sóng phẳng PWE và phương pháp saiphân miền thời gian hữu hạn FDTD trong vài chi tiết Chúng ta chủ yếu sử dụng 2phương thức trên trong các phân tích của chúng ta Thiết kế hình chữ T được đề xuất

để bộ chia chùm ánh sáng hiệu quả hơn sẽ được giải thích trong chương 6 và cấu trúcdải tần được gọi là mạng sẽ được tính toán

5 Phân tích số liệu

Có nhiều phương thức khác nhau cho việc phân tích và thiết kế PC, bao gồmphương thức mở rộng sóng phẳng PWE, phương thức biểu đồ tán xạ ma trận, phươngthức miền thời gian hữu hạn phân biệt (FDTD) và phương thức phần tử hữu hạn Cácphương pháp PWE cung cấp một bản đồ đồng mức của các tần số được gọi là bề mặtphân tán và được sử dụng để tính toán dải năng lượng Phương pháp FDTD phù hợpcho việc phân tích và thiết kế của các tinh thể quang tử thực tế Hơn thế nữa, ta có thểphân tích sự phụ thuộc thời gian của xung quang học truyền qua ống dẫn sóng Nhưkênh quang tử có thể tính toán với điều kiện biên giới hạn tuần hoàn, phương thứcFDTD được xem xét là phương thức chính cho việc phân tích tính toán tinh thể quang

tử cùng với phương thức PWE [12] Trong bài báo cáo này ta sử dụng phương thứcPWE để tính toán cấu trúc băng tần của tinh thể và sau đó chúng ta sử dụng phươngthức FDTD để phân tích phổ truyền dẫn của bộ chia chữ T Ở đây ta mô tả ngắn gọnphương thức PWE

5.1 Phương thức PWE

Sự truyền dẫn ánh sáng trong một tinh thể quang tử bị chi phối bởi bốn phương

trình Maxwell Xem xét môi trường đẳng hướng không có nguồn quang, vì vậy ρ và J

là tương đương với 0 trong phương trình Maxwell Cũng giả sử rằng hằng số điện môi

không phụ thuộc vào tần số Cuối cùng thì xem xét vật liệu là trong suốt là vì vậy ε(r)

là số dương và thuần thực Với các điều kiện trên, 4 định luật MaxWell sẽ được chodưới dạng sau đây:

Giả sử H(r,t)và E(r,t) có giá trị phức như phương trình (2) và thay vào phương trình (1) Chúng ta sẽ được (3) Vì vậy H(r) và tần số đáp ứng của nó có thể được tìm ra như

Theo như định lý Bloch, các mode trong cấu trúc định kỳ có thể được viết dướidạng:

G G

Theo phương trình (7), H được tính bằng tổng của các sóng phẳng tại λ= 1, 2, …; k

là hướng vector của sóng phẳng, G là vector mạng nghịch đảo, hλđại diện cho 2 trục

trực giao với hướng truyền (k+G); ( , ,ε ε1 2 k G+ )là trực giao tới với nhau,h G,λ là hệ số

Đây là ma trận cho thấy mối quan hệ giữa ω và k Phương trình này là một trị số

đặc trưng cở bản và có thể giải bằng phương thức số học Số lượng sóng phẳng cầnthiết để đạt được độ chính xác phụ thuộc vào cấu trúc chi tiết của tế bào đơn vị Khicần độ chính xác cao cho dải tần cao hoặc khi cấu trúc nguyên tử phức tạp, thì số sóngphẳng phải được tăng lên [13]

6 Thiết kế bộ lọc chùm

Hình 5: Hình dạng nhánh Y cho phân cực điện ngang TE của ánh sáng có sẵn và nó

tương ứng với phổ truyền sóng [12]

Trong các mục trước đó [11] [14], ta đã sử dụng cấu trúc với mạng tam giác của lỗkhí trong tấm GaAs Như đã đề cập, đó là cấu trúc phân cực điện ngang TE phổ biến

nhất Trong bài báo cáo này, ta chọn bán kính của lỗ là 0.3a, với a là hằng số mạng.

Hình 5 cho thấy topology nhánh Y truyền tốt như truyền phổ năng lượng đối với ánhsáng đối với phân cực điện ngang

Năng lượng đầu vào và đầu ra được tính dựa trên phương thức vector Poyning,được định nghĩa như sau:

*( , ) ( , ) ( , )

S r t =E r t ×H r t

Với E và H là cường độ điện trường và từ trường, r là tọa độ không gian Nếu vector S là số lượng được tính toán trên bề mặt, phần thực của vector phức Poynting,

ví dụ Re(S(t)), xác định dòng năng lượng qua bề mặt như một hàm thời gian Sử dụng

biến đổi rời rạc Fourier (DFT), dữ liệu miền thời gian có thể được ánh xạ lên miền tần

số để xác định phổ của dòng năng lượng Để làm vậy, một xung có dạng sóng sin vớiđường bao nhiễu Gauss được sử dụng như đầu vào kích thích Xung truyền này truyềnqua ống dẫn sóng, đến cuối ống dẫn sóng và bị tiêu biến trong điều kiện PML biên

Tiết diện thực của vector Poyting S(t) đã được tính toán ở một vài nơi qua ống dẫn

sóng Tỉ số của biến đổi đầu ra Fourier trên biến đổi Fourier của xung đầu vào có thểxác định phổ năng lượng truyền đi.

Trong thiết kế bộ lọc tia cho IC, nhân tố quan trọng nhất là đặc tính của độ congquang học và khớp nối Hệ số truyền cao, phản xạ thấp và nhân tố suy hao là cực kìthen chốt trong trường hợp này Có thể được đạt được một độ cong PC bằng cách đưa

ra các lỗi hàng trong tinh thể Trong [13] [15], một ống dẫn sóng thiết kế cong được đề

xuất là một thanh chắn vuông hai chiều với chỉ số khúc xạ 3,4 được nhúng trong không khí GaAs có chiết suất 3,4 tại bước sóng 1550nm Bước sóng này là bước sóng

một trong những bước sóng quan trọng nhất trong quang tử học, do sự hấp thụ ánhsáng trong bộ lọc quang thông thường là nhỏ nhất ở bước sóng này và vì vậy nó rấthữu dụng cho việc truyền dữ liệu sợi quang Bài báo cáo này đề cập đến việc sử dụngthanh với bán kính 0.18a (với a là hằng số mạng) trong cấu trúc tinh thể trong sự

truyền của ánh sáng cho kết quả tới hơn 90% và sự phản xạ chỉ khoảng 8% Vì vậy

cũng chúng ta có thể sử dụng tỉ số này cho bán kính của thanh chắn

Hình 6: Mô hình tinh thể quang tử 2-D mạng vuông của các thanh GaAs

Hình 6 chứng minh tinh thể quang tử hai chiều đã được sử dụng cho các thiết kế

của bộ lọc Đường tròn đặc trưng cho thanh GaAs có bán kính 0.18a Sử dụng phương

thức PWE, cấu trúc băng tần TM mode của màn chắn trong hình 6 được tính toán vàchứng minh trong hình 7 Như đã minh họa, màn này cung cấp một vùng cấm băng tần

dải rộng cho TM mode trong khoảng của tỉ số a/ λ giữa 0,3 và 0,44.