Tìm hiểu về bộ lọc thông dải dựa trên sự dịch pha của lưới dẫn sóng tinh thể quang tử

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮTWDM Wavelength devision Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng ITU-T International Telecommunication Union -Telecommunication Standardization Sector Tiêu chuẩn viễ

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 2

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 3

LỜI NÓI ĐẦU 4

NỘI DUNG 5

I Tổng quan về bộ lọc quang và tinh thể quang tử 5

1 Tinh thể quang tử 5

1.1 Định nghĩa 5

1.2 Giới thiệu 5

1.3 Tinh thể quang tử tự nhiên 5

1.4 Ứng dụng 5

2 Tổng quan về bộ lọc quang 5

2.1.Định nghĩa 6

2.2.Các thông số cơ bản 7

2.3.Cách tử 9

2.4.Cách tử Bragg 9

2.5.Một số loại bộ lọc quang thông dụng 10

II Bộ lọc thông dải dựa trên sự dịch pha trong lưới ống dẫn sóng tinh thể quang tử 14

1 Giới thiệu 14

2 Thiết kế của cấu trúc bộ lọc 15

3 Phân tích hiệu suất bộ lọc 18

4 Kết luận 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hı̀nh 1.1 Sơ đồ khối của bộ lọc (a) Bộ lọc cố định bước sóng λk (b) Bộ lọc có thể điềuk (b) Bộ lọc có thể điều

chỉnh được bước sóng được trong khoảng ∆λ.λk (b) Bộ lọc có thể điều …… 6

Hı̀nh 1.2 (a) Các thông số đặc trưng của bộ lọc (b) Độ gợn sóng của bộ lọc…… …… 7

Hı̀nh 1.3: (a) Cách tử truyền dẫn và (b) Cách tử phản xạ……… …….9

Hı̀nh 1.4 (a) Cách tử trong sợi quang chiết suất đồng nhất (b) Cách tử Bragg trong sợi quang chiết suất giảm dần (c) Phổ công suất phản xạ của cách tử đồng nhất (d) Phổ công suất phản xạ của cách tử giảm dần …… 10

Hı̀nh 1.5 dùng điện cực để thay đổi bước sóng hoạt động của bộ lọc Fabry-Perot 11

Hı̀nh 1.6 bộ lọc ghép/tách kênh được tạo từ các bộ lọc màng mỏng điện môi … 12

Hı̀nh 1.7(a) Bộ lọc MZI được tạo thành bằng cách kết nối các couplers định hướng 3dB (b) sơ đồ khối của MZI 1 là độ lệch về hướng đi giữa các nhánh (c) Sơ đồ khối MZI bốn tầng khi sử dụng các bước sóng khác nhau ở mỗi tầng ………12

Hı̀nh 1.8 Cách tử ống dẫn sóng ma trận ………13

Hı̀nh 1.9 Một AOTF đơn giản ………13

Hı̀nh 2.1 Lưới dẫn sóng tinh thể quang tử đơn pha ………16

Hı̀nh 2.2 Đường cong phân tán của vùng dịch pha từ các bán kính khác nhau r0…… 16

Hı̀nh 2.3 Phổ trên lý thuyết của lưới dẫn sóng dịch pha đơn cho lưới dẫn sóng chiều dài L1 ………17

Hı̀nh 2.4 Lưới dẫn sóng với 3 vùng dịch pha ………17

Hı̀nh 2.5(a) Phổ của lưới dẫn sóng dịch 3 pha bằng tinh thể quang tử trong lý thuyết (b) Biểu diễn phổ của bộ lọc được thiết kế bằng cách sử dụng phương pháp 2-D FDTD ………18 Hı̀nh 2.6 Phổ của lưới dẫn sóng dịch 3 pha tinh thể quang tử với các chiều dài lưới dẫn

sóng Lout khác nhau ………18Hı̀nh 2.7 Phổ của lưới dẫn sóng dịch 3 pha tinh thể quang tử với các bán kính r0 khácnhau ………19

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

WDM Wavelength devision Multiplexing Ghép kênh theo bước sóng

ITU-T International Telecommunication Union -Telecommunication Standardization

Sector

Tiêu chuẩn viễn thông thuộc Tổ chức Viễn thông

-quốc tếBUF Bandwidth-untilization Factor Hệ số sử dụng băng thông

TFMF Thin-film Multicavity Filter Bộ lọc đa khoang màng mỏng

điện môi

AWG Array of Waveguides Bộ lọc cách tử ống dẫn sóng ma

trậnAOTF Acousto-Optic Tunable FilterBộ lọc quang-âm điều chỉnh được

DWD

M Dense Wavelength-Division-Multiplexed

Ghép đa kênh theo bước sóng

FDTD Finite-Difference Time-Domain Miền thời gian hữu hạn 2 chiềuDFB Distributed Feedback Phản hồi thông tin phân tán

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỷ thuậtviễn thông nói riêng, nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áp lựcngày càng cao đối với việc dung lượng thông tin ngày càng tăng lên Và việc chế tạo

và áp dụng thành công việc truyền tin bằng tính chất quang xem như là một thànhcông lớn đối với các nhà khoa học Tuy vậy mạng thông tin quang hiện nay vẫn cònmột số hạn chế về chất lượng truyền dẫn như băng thông, khoảng cách, chất lượngdịch vụ…Vì thế rất nhiều sự sáng tạo và giải pháp ra đời, ví dụ như giải pháp ghépkênh theo bước sóng WDM, đa kênh theo bước sóng DWDM cho phép ghép nhiềubước sóng trên cùng một sợi quang, do đó có thể tăng dung lượng đường truyền màkhông cần tăng thêm sợi quang Tuy vậy để có được một hệ thống quang tốt thì tấtyếu phải có sự phát triển và cải tiến tốt trên tất cả các thành phần của hệ thống, tron đó

bộ lọc quang là một trong những mắt xích quan trọng

Vì vậy, qua môn học Thông Tin Quang và được sự đồng ý của Cô T.S HoàngPhương Chi, chúng em đã quyết định chọn đề tài cho bài tập lớn môn này là: “Tìmhiểu về bộ lọc thông dải dựa trên sự dịch pha của lưới dẫn sóng tinh thể quang tử”thông qua bài báo “Bandpass filters based on phase-shifted photonic crystalwaveguide gratings” Optics Express, Vol 15, Issue 18, pp 11278-11284 (2007) củaChao Chen, Xuechun Li, Hanhui Li, Kun Xu, Jian Wu, and Jintong Lin

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Cô T.S 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 không tránh khỏi những sai sót, thiếu sót Chúng em rất mong nhận được

sự góp ý của Cô để bài tập lớn được hoàn thiện hơn

1.2 Giới thiệu

Tinh thể quang tử được tạo thành từ các cấu trúc nanô 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 động củaelectron; tức là tạo ra các cấu trúc năng lượng của trạng thái photon trong tinh thể Ởđây, 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 Điềunày dẫn đến các hiện tượng như ngăn cản phát xạ tự phát, gương định hướng có độphản xạ cao hay ống dẫn sóng có độ hao tổn thấp

Bản chất của các hiện tượng quan sát được là sự nhiễu xạ của sóng điện từ, trong đóchu kỳ không gian của các cấu trúc tinh thể phải có cùng kích cỡ với bước sóng củasóng điện từ (tức là vào cỡ vài trăm nm cho các tinh thể quang tử làm việc với ánhsáng) Đấy là một khó khăn kỹ thuật cho việc chế tạo các tinh thể quang tử nhân tạo

1.3 Tinh thể quang tử tự nhiên

Một ví dụ của tinh thể quang tử tự nhiên là opal Các màu sắc của nó là do nhiễu xạBragg trên các mắt tinh thể của nó Một hệ tinh thể quang tử tự nhiên khác có thể quansát được trên cánh một số loài bướm, như loài Morpho

1.4 Ứng dụng

Các tinh thể quang tử có thể được ứng dụng để điều khiển sự lan truyền của ánhsáng Các tinh thể quang tử một chiều đã đang được dùng rộng rãi trong quang họcmàng mỏng; như tạo ra các lớp phủ lên bề mặt thấu kính hay gương để tạo ra độ phảnchiếu thấp hay cao tuỳ 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 cứu khoa học.Ứng dụng thương mại đầu tiên của tinh thể quang tử hai chiều là sợi tinh thể quang tử,thay thế cho sợi quang học truyền thống trong các thiết bị quang học phi tuyến vàdùng với các bước sóng đặc biệt (ở đó không có vật liệu truyền thống nào trong suốtngoài không khí hay các chất khí) Khả năng sản xuất và ngăn ngừa lỗi trong các tinhthể quang tử ba chiều vẫn đang được nghiên cứu.

2 Tổng quan về bộ lọc quang

2.1 Định nghĩa

Bộ lọc là thiết bị chỉ cho phép một kênh bước sóng đi qua, khóa đối với tất cả cáckênh 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 đó qua nó, cáckênh bước sóng khác, ngược lại, sẽ triệt tiêu về pha Tùy thuộc vào khả năng điềuchỉnh kênh bước hoạt động, người ta chia bộ lọc làm hai loại: bộ lọc cố định (fixedfilter) và bộ lọc điều chỉnh được (tunable filter) Hình 1.1 là sơ đồ khối bộ lọc cố định

và bộ lọc điều chỉnh được

Hı̀nh 1.1 Sơ đồ khối của bộ lọc (a) Bộ lọc cố định bước sóng λk (b) Bộ lọc có thể điềuk

(b) Bộ lọc có thể điều chỉnh được bước sóng được trong khoảng ∆λ.λk (b) Bộ lọc có thể điều

 Yêu cầu đối với bộ lọc

Hiện nay, có rất nhiều công nghệ chế tạo bộ lọc Tuy nhiên, yêu cầu chung đối vớitất 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 1000C, độ dịch dải thông hoạt động phải không vượt quá khoảngcách giữa hai kênh bước sóng hoạt động gần nhất.

 Khi ứng dụng ghép nối tiếp nhiều bộ lọc trong hệ thống WDM, băng thônghoạt động sẽ bị thu hẹp lại Để hạn chế tối đa điều này, các bộ lọc phải có hàmtruyền đạt trong khaongr bước sóng hoạt động là bằng phẳng

 Hàm truyền đạt của bộ lọc phải có độ dốc lớn để tránh giao nhau ở phần vạtcủa hai 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 hàng đầu thì ta sẽ có hai lựa chọn Thứ nhất làdung công nghệ ống dẫn sóng, cho phép sản xuất trên những vi mạch tích hợpquang (bù lại hoạt động phụ thuộc vào trạng thái phân cực của sóng quang).Thứ hai là dung công nghệ sản xuất các thiết bị thuần quang, tuy khó khăntrong tích hợp mạch nhưng có nhiều ưu điểm là không phụ thuộc và trạng tháiphân cực của sóng quang, ghép sóng từ sợi quang vào thiết bị dễ dàng

Hı̀nh 1.2 (a) Các thông số đặc trưng của bộ lọc (b) Độ gợn sóng của bộ lọc.

2.2 Các thông số cơ bản.

Hình 1.2 minh họa các đặc tính đặc trưng cho một bộ lọc, các đặc tính đó được địnhnghĩa 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 thể

xét băng thông đi qua 1 dB, 3 dB Đặc tính này rất quan trọng vì laser trongtrường hợp không lý 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 hàm truyền đạt tại mứcsuy hao xen các đỉnh 20 dB Dải chặn của bộ lọc phải càng nhỏ càng tốt đểtránh hiện tượng xuyên 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 độrộng kênh truyền LW (Linewidth) của ánh sáng được truyền đi so với ánh sángphản xạ tại một mức suy hao xác định Bộ lọc lí tưởng phải có BUF = 1 Trênthực 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 đặc tínhnữa như là:

 Khoảng điều chỉnh bước sóng động: là khoảng bước sóng mà trong phạm vihoạt động của bộ lọc

 Số kênh bước sóng có thể xử lý: là tỉ lệ khoảng điều chỉnh bước sóng độngtrên khoảng 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 biên SSR (Sidelobe Suppression Ratio): là khoảng cách giữa giá trịcông suất đỉnh so với giá trị cộng suất lớn nhất ở biên

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

2.3 Cách tử

Cách tử dùng để mô tả các thiết bị mà hoạt động của nó dựa trên hiện tượng giaothoa giữa các tín hiệu quang xuất phát từ cùng một nguồn quang nhưng có độ lệchpha tương đối với nhau Phân biệt với cách tử là vật chuẩn (etalon) là thiết bị ở đó cónhiều tín hiệu quang được tạo ra nhờ một hốc cộng hưởng (single cavity) lặp lại cáctia đi ngang qua nó

Sóng ánh sáng có lan truyền theo hướng x với tần số góc là ω là hằng số pha β sẽ

có độ dịch pha là (ωt – βz) Do đó độ dịch pha tương đối giữa 2 sóng phát sinh từ mộtnguồn có thể được tạo ra bằng cách cho chúng truyền qua 2 đường khác nhau Hình1.3 là 2 ví dụ về cách tử truyền dẫn và cách tử phản xạ

Hình 1.4 (a) Cách tử trong sợi quang chiết suất đòng nhất.

(b) Cách tử Bragg trong sợi quang chiết suất giảm dần.

(c) Phổ công suất phản xạ của cách tử đồng nhất.

(d) Phổ công suất phản xạ của cách tử giảm dần.

Trong đó, ∆λ là độ rộng của dải thông và là khoảng cách giữa bước sóng đỉnh vàđiểm phản xạ tối thiểu trong trường hợp mặt cắt chiết suất đồng nhất ∆λ tỉ lệ nghịchvới chiều dài cách tử ∆λ  là độ lệch bước sóng so với bước sóng đồng pha.

2.5 Một số loại bộ lọc quang thông dụng

a Bộ lọc cách tử kiểu sợi quang

Cách tử Bragg kiểu sợi quang là một đoạn sợi quang nhạy với ánh sáng, được chếtạo bằng cách dùng tia cực tím UV (Ultra-violet) chiếu vào để làm thay đổi một cáchtuần hoàn chiết suất bên trong lõi Sự thay đổi chiết suất trong lõi sợi chỉ cần rất nhỏ(khoảng 10-4) cũng đã đủ tạo ra cách tử Bragg Bộ lọc cách tử Bragg kiểu sợi quangđược phân làm 2 loại: cách tử chu kỳ ngắn và cách tử chu kỳ dài Cách tử chu kỳngắn có chu kỳ cách tử tương đương với bước sóng hoạt động khoảng 5µm Trong khi

đó cách tử chu kỳ dài có chu kỳ cách tử lớn hơn nhiều lần so với bước sóng hoạt độngkhoảng vài trăm µm đến vài mm Bộ lọc Bragg kiểu sợ quang cũng có thể là bộ lọc cốđịnh hoặc bộ lọc điều chỉnh được

b Bộ lọc Fabry-Perot

Bộ lọc Fabry-Perot gồm một khoang được tạo bởi hai gương có hệ số phải xạ caođặt song song với nhau Ánh sáng đi vào gương thứ nhất, một phần đi qua gương thứhai, phần còn lại được phản xạ qua lại giữa hai bề mặt của hai gương Bộ lọc dạng nàygọi là giao thoa kế (interferometer) hay vật chuẩn (etalo) Fabry-Ferot

Hình 1.5 Dùng điện cực để thay đổi bước sóng hoạt động của bộ lọc Fabry-Perot

c Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF)

Bộ lọc màng mỏng TFF (Thin-Film Filter) cũng là một dạng giao thoa kế Perot, trong đó các gương bao quanh hốc cộng hưởng được thực hiện bằng nhiều lớpmàng mỏng điện môi có thể phản xạ được Bộ lọc này là bộ lọc dải thông chỉ cho mộtbước sóng duy nhất định đi qua và phản xạ tất cả các bước sóng còn lại

Fabry-Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF) gồm nhiều hốc cộng hưởng cáchnhau bằng các màng mỏng điện môi phản xạ Số hốc cộng hưởng càng nhiều thì hàmtruyền đạt công suất có đỉnh càng phẳng trong dải thông và có độ dốc càng đứng

Hình 1.6 Bộ lọc ghép/tách kênh được tạo từ các bộ lọc màng mỏng điện môi

d Bộ lọc Mach-Zehnder

Bộ lọc Mach-Zehnder là một loại giao thoa kế Sóng đi vào bộ lọc được phân thànhnhiều đường khác nhau, sau đó cho hợp giao thoa với nhau MZI thường được sảnxuất dựa trên các mạng tích hợp quang và thường gồm các couple 3 dB được nối vớinhau bằng các đường có các dộ dài khác nhau

Hình 1.7 (a) Bộ lọc MZI được tạo thành bằng cách kết nối các couplers định hướng 3dB (b) Sơ đồ khối của MZI 1 là độ lệch về hướng đi giữa các nhánh (c) Sơ đồ khối

MZI bốn tầng khi sử dụng các bước sóng khác nhau ở mỗi tầng.

Hình 1.8 Cách tử ống dẫn sóng ma trận

f Bộ lọc quang – âm điều chỉnh được (AOTF)

AOTF (Acousto-Optic Tunable) là tiêu biểu cho họ thiết bị mà công nghệ chế tạokết hợp giữa âm thanh và ánh sáng Dùng sóng âm thanh để tạo ra cách tử Bragg trongống dẫn sóng, các cách tử này thực hiện chức năng lựa chọn bước sóng Trong điềukiện công nghệ hiện tại, bộ lọc AOTF là một trong những thiết bị duy nhất có khảnăng điều chỉnh để lựa chọn nhiều bước sóng cùng lúc Khả năng này giúp cho bộ lọc

là linh kiện chủ chốt chế tạo các bộ kết nối chéo bước sóng

Hình 1.9 Một AOTF đơn giản

II Bộ lọc thông dải dựa trên sự dịch pha trong lưới ống dẫn sóng tinh thể quang tử

1 Giới thiệu

Tinh thể quang tử (PCs) [3-5] là vật liệu có cấu trúc tuần hoàn với một điện môilớn Các cấu trúc tuần hoàn cấm sóng điện từ truyền trong một phạm vi tần số, đượcgọi là vùng cấm quang tử (Photonic Bangap PBG) Bởi những tính năng độc đáo trên,trong những năm gần đây các thiết bị quang học dựa trên tinh thể quang tử đã thu hút

sự chú ý lớn Nhiều loại tinh thể quang tử (PC) khác nhau như các ống dẫn sóng [6]

và các bộ lọc [7-9], đã được nghiên cứu từ khá lâu do chúng có kích thước nhỏ gọn vàkhả năng ứng dụng rộng rãi trong các mạch quang học và mạng lưới truyền thông.Trong số các thiết bị khác nhau dựa trên các tinh thể quang tử, các bộ lọc quang