Bộ chia quang dựa trên ghép định hướng

Mỗi khách hàng được kết nối tới mạng quang thông qua một bộ chia quang thụ động và không cần nguồn cấp, vì vậy không có các thiết bị điện chủ động trong mạng phân chia và băng thông được

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

NỘI DUNG 6

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ CHIA QUANG 6

II BỘ CHIA QUANG TỬ DỰA TRÊN GHÉP NỐI ĐỊNH HƯỚNG 8

1 Tinh thể quang tử 8

2 Phương pháp vector sóng phẳng mở rộng (PWE – Plane Wave Expansion) 9

3 Phương pháp FDTD ( Finite Difference Time Domain) 10

4 Phương án đề xuất 11

5 Thiết kế và thử nghiệm 11

6 Kết quả 15

KẾT LUẬN 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

LỜI NÓI ĐẦU

Thị trường viễn thông toàn cầu đang phát triển theo một đường cong lạ thường và được dẫn dắt bởi sự khai thác mạng internet một cách vô cùng lớn, nó thâm nhập ngày càng nhiều vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta Sự đòi hỏi về các mạng băng thông rộng ngày càng tăng trong các năm tới Nhờ có những nghiên cứu không ngừng nghỉ và những phát hiện quan trọng đã mang lại cho chúng ta những phương tiện truyền dẫn tốt

nhất Và một trong những phát hiện quan trọng đó là “tinh thể quang tử”- loại vật liệu

cho phép chúng ta ảnh hưởng đến sự lan truyền của các hạt photon trong nó, tương tự như cách mà các tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động của electron Các tiếp cần mới đối với việc điều khiển photon sẽ được phát triển trong thập niên tới, để chế tạo các linh kiện quang học cần thiết cho các mạng Các tinh thể photonic có thể đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển này

Tinh thể quang tử đã thu hút được nhiều sự quan tâm và cũng đã cho thấy nhiều đặc điểm hấp dẫn Trong số đó, khả năng tương tác với ánh sáng theo một tỉ lệ bước óng nhất định hứa hẹn mang đến cấu trúc nano cho mạch quang tích hợp Nhiều thiết bị chức năng

sử dụng tinh thể quang tử đã được đề xuất và được kì vọng đóng vai trò quan trọng trong mạch quang tương lai Các thiết bị trên tấm tinh thể quang tử có nhiều ưu điểm như dễ dàng thay thế cấu tạo và tích hợp nhanh chóng vào các thiết bị thông thường

Trước những ứng dụng to lớn như vậy, một thiết kế bộ chia quang dựa trên việc ghép định hướng các ống dẫn sóng được ra đời Dưới sự hướng dẫn của cô TS Hoàng Phương

Chi, nhóm chúng em đã quyết định chọn đề tài: “Bộ chia quang dựa trên ghép định

hướng” thông qua bài báo “Photonic crystal power-splitter based on directional coupling” - Insu Park, Hyun-Shik Lee, Hyun-Jun Kim, Kyung-Mi Moon, Seung-Gol

Lee, Beom-Hoan O, Se-Geun Park, and El-Hang Lee

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 tìm hiểu bài tập lớn môn Thông Tin Quang

Do kiến thức còn hạn hẹp nên bài báo cáo không tránh khỏi những sai sót Chúng em rất mong nhận được sự góp ý của cô để đề tài được hoàn thiện hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn cô!

PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC

Thành viên nhóm MSSV Công việc

Lều Thị Thùy 20122530 Dịch tài liệu, làm slide

Nguyễn Thị Thêu 20122494 Dịch tài liệu, làm slide

Đỗ Thị Trang 20124986 Dịch tài liệu, viết báo cáo

Đỗ Ngọc Anh 20121187 Dịch tài liệu, viết báo cáo

Đinh Văn Nam 20122098 Dịch tài liệu, chỉnh sửa slide, báo

cáo

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Các loại tinh thể quang tử 8 Hình 2.2 Phương pháp vector sóng phẳng mở rộng 10 Hình 2.3 Hình dạng bộ chia quang và thiết lập cho việc tính toán sai phân hữu hạn

Hình 2.4 Biểu đồ tán sắc và các tế bào siêu nhỏ ở vùng ghép nối 13 Hình 2.5 PWE tính toán các mô hình từ trường cho các mode cần quan tâm 14 Hình 2.6 Công suất đầu ra đã chuẩn hóa sau khi tính toán FDTD 16 Hình 2.7 Độ lớn của trường Hy được tính bằng FDTD ở tần số a/λ=0.258 16

NỘI DUNG

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ CHIA QUANG

Bộ chia quang là một thiết bị quan trọng nằm trong Mạng quang thụ động PON PON

là một hình thức truy nhập mạng cáp quang, kiểu kết nối điểm – đa điểm (P2M) sợi quang làm cơ sở tạo kiến trúc mạng Mỗi khách hàng được kết nối tới mạng quang thông qua một bộ chia quang thụ động và không cần nguồn cấp, vì vậy không có các thiết bị điện chủ động trong mạng phân chia và băng thông được chia sẻ từ nhánh ( feeder) đến người dùng (drop), cho phép một sợi quang đơn phục vụ nhiều nhánh cơ sở, thường là từ 16-128 PON bao gồm một thiết bị đầu cuối dây quang (OLT - Optical Line Terminal) tại văn phòng trung tâm của nhà cung cấp dịch vụ và các thiết bị mạng quang học (ONUs - Optical Network Units) nơi gần người dùng cuối Công nghệ PON làm giảm yêu cầu số lượng dây dẫn và thiết bị tại văn phòng trung tâm so với các kiến trúc điểm - điểm

Mạng cáp quang PON mang lại rất nhiều lợi ích cho người sử dụng Nhanh chóng- tốc độ ổn định và gọn nhẹ khi thi công lắp đặt

(Nguồn: thietbiquang.net)

Hình 1 Bộ chia quang 1x8

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 và phía người dùng Ngoài ra, ưu điểm này còn giúp các nhà khai thác giảm được chi phí bảo dưỡng, vận hành Kiến trúc PON cho phép giảm chi phí cáp sợi quang và giảm chi phí cho thiết bị tại

CO do nó cho phép nhiều người dùng (thường là 32) chia sẻ chung một sợi quang

Các loại bộ chia thường được sử dụng trong mạng PON :

- Bộ chia quang 1:2

- Bộ chia quang 1:4

- Bộ chia quang 1:8

- Bộ chia quang 1:16

- Bộ chia quang 1:32

- Bộ chia quang 1:64

Ứng dụng dùng trong:

- Phương tiện truyền thông quang

- Hệ thống truyền hình quang

- Hệ thống CATV

- Bộ cảm biến quang

- Bộ khuyếch đại quang

- Bộ điều phối quang

- Test cáp quang

II BỘ CHIA QUANG TỬ DỰA TRÊN GHÉP NỐI ĐỊNH HƯỚNG

1 Tinh thể quang tử

Tinh thể quang tử là các cấu trúc nano quang học có ảnh hưởng đến sự lan truyền của các hạt photon trong nó tương tự như cách mà các tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động của electron Các tinh thể quang tử xuất hiện một cách tự nhiên trên vỏ Trái Đất ở nhiều dạng và đã được nghiên cứu từ đầu thế kỷ 20

Tinh thể quang tử được tạo thành từ cấu trúc nano điện môi hoặc kim loại – điện môi được thiết kế để tác động lên sự lan truyền của sóng điện từ tương tự như cách các hố năng lượng tuần hoàn trong các tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động của electron Tức là tạo ra các cấu trúc năng lượng của trạng thái photon trong tinh thể Ở đây, một vùng trống trong cấu trúc năng lượng photon là những kiểu lan truyền mà sóng 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 hao tổn thấp

Bản chất của các hiện tượng quan sát được là sự nhiễu xạ của sóng điện từ, trong đó chu kỳ không gian của các cấu trúc tinh thể phải có cùng kích cỡ với bước sóng của sóng điện từ (tức là vào cỡ vài trăm nm cho các tinh thể quang tử làm việc với ánh sáng) Đấy

là một khó khăn kỹ thuật cho việc chế tạo các tinh thể quang tử nhân tạo

Các tinh thể quang tử có thể được ứng dụng để điều khiển sự lan truyền của ánh sáng

(Nguồn: www.intechopen.com)

Hình 2.1 Các loại tinh thể quang tử

Các tinh thể quang tử một chiều đã đang được dùng rộng rãi trong quang học màng mỏng; như tạo ra các lớp phủ lên bề mặt thấu kính hay gương để tạo ra độ phản 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 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 và dùng với các bước sóng đặc biệt (ở đó không có vật liệu truyền thống nào trng suốt ngoài không khí hay các chất khí)

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 rất hiệu 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 số điện 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 Hk:

∇× [ 1

ε(r)∇×Hk]=-ωc22H𝑘 (2.1) Trong đó k là vector sóng và ε(r) là hằng số điện môi trong cấu trúc

Một mô hình cấu 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 Hk là tổng của những sóng phẳng cơ bản theo lý thuyết Bloch:

Hk = ∑ hG k-Gexp(-i(k-G).r) (2.2) Trong đó G là vector mạng trong không gian đối xứng Hằng số điện môi ε(r) được khai triển Fourier:

1 ε(r) = ∑ VG Gexp(iG.r) (2.3) Trong đó:

VG = 1

Au∫ 1

ε(r)exp(-iG.r)dr (2.4) Với Au là diện tích một ô đơn vị

(Nguồn:www.123tailieu.com)

Hình 2.2 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 FDTD giải hệ phương trình Maxwell trực tiếp trong miền thời gian

Hệ phương trình dạng vi phân của Maxwell:

∇.B = 0 (2.5)

∇.D = ρ (2.6)

∇×E+ ∂B

∂t =0 (2.7)

∇×H −𝜕𝐷

𝜕t = J (2.8)

Xét hệ phương trình dạng vi phân của Maxwell ta thấy rằng đạo hàm theo thời gian của trường E⃗⃗ phụ thuộc vào rota của trường H⃗⃗ (rot(H⃗⃗ )), có nghĩa là thay đổi trong trường E

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

Từ trường H⃗⃗ cũng được tính tương tự Giá trị mới của từ trường H⃗⃗ phụ thuộc vào giá trị cũ của nó và cũng phụ thuộc vào sai khác điện trường E⃗⃗ ở xung quanh điểm tính từ trường H⃗⃗

4 Phương án đề xuất

Trong các thiết bị chức năng sử dụng tinh thể quang tử 2 chiều, bộ chia quang là một trong những thành phần không thể thiếu được Tuy nhiên, chức năng chia công suất trên tinh thể quang tử đã được bổ sung Như ta đã biết, một cấu trúc bộ ghép nối Y tiêu chuẩn

có hệ số truyền kém nếu không điều chỉnh kết cấu hoặc điều kiện phản xạ bằng không Thêm nữa, mặc dù hiệu suất của bộ ghép nối Y có thể được cải thiện bằng cách điều hướng ống nối Y, mà đã được hợp vào bộ ghép nối Y đã điều hướng và uốn cong ở cổng

ra, vẫn có những khó khăn nhất định mà bắt nguồn từ mode không khớp của bộ ghép nối

Y và tổn hao do uốn cong ở cổng ra Thực tế cho thấy khả năng truyền tốt trên mỗi đầu ra của bộ ghép nối Y trong vùng sóng cực ngắn, nhưng thiết kế của một nhóm những nhà nghiên cứu sử dụng việc sai hỏng đường và ghép cộng hưởng các ống dẫn sóng là tương đối khó khăn để chế tạo theo tỉ lệ bước sóng quang Để thiết kế thực tế mạch quang tích hợp và phá vỡ các vấn đề phức tạp liên quan đến ống nối Y, cần phải sử dụng các đặc điểm ghép nối của ống dẫn sóng quang tử sai hỏng đường Chính vì vậy, một thiết kế bộ chia quang mới được đề xuất, mà dựa trên việc ghép nối các mode dẫn đường được hỗ trợ bởi các ống dẫn sóng quang tử sai hỏng đường Để tăng hiệu quả chia nguồn quang trong phương pháp này, quan trọng là phải giữ được cấu trúc của thiết bị đối xứng với đầu vào của ống dẫn sóng, từ đó dẫn đến một cấu trúc ba ống dẫn sóng cùng với ống dẫn sóng trung tâm được dùng như một cổng đầu vào Trong phương pháp này, một bộ chia quang 1X2 được thiết kế và nó đã cho kết quả là hệ số truyền tăng lên đến 47,6% trên mỗi ống dẫn sóng đầu ra ở dải quang phổ được thiết kế

5 Thiết kế và thử nghiệm

Bộ chia quang được thiết kế theo phương án đã đề xuất hiển thị trong hình 2.3 Để đơn giản, hệ thống được xem xét ở đây là 2 chiều và gồm một dãy các lỗ hổng có cấu trúc tam giác Các lỗ hổng có bán kính r=0,3a được nhúng trong phiến GaAs (n=3), a và

n là hằng số mạng và hệ số khúc xạ Trong cấu trúc này, khoảng bảo vệ cho dải tần số là 0,2303-0,2666(a/λ) đối với phân cực H (từ trường song song với các lỗ hổng), λ là bước sóng trong không gian tự do Các ống dẫn sóng quang tử được chế tạo theo hướng Г-K bằng cách bỏ đi một hàng lỗ hổng

(Nguồn: www.osapublishing.org)

Hình 2.3 Hình dạng bộ chia quang và thiết lập cho việc tính toán sai phân hữu hạn

trong miền thời gian.[3]

Thiết lập này được chia thành hai vùng: vùng hộp đen cho biết các tế bào siêu nhỏ phục vụ cho việc tính toán PWE Các lỗ trống biểu thị cho các lỗ hổng nhúng trong GaAs

(n=3)

Thiết bị được thiết kế ở đây là cơ chế chia nguồn tương tự như các bộ ghép định hướng ba ống dẫn sóng, và nó được chia thành hai vùng dựa theo chức năng; vùng ghép nối và vùng đầu ra như trong hình 2.3 Trong vùng ghép nối, trường đầu vào lan truyền qua ống dẫn sóng ở giữa sẽ được ghép nối với hai ống dẫn sóng tương tự ở hai bên, và sau đó, ở vùng đầu ra, nguồn quang được ghép sẽ được chuyển đến đầu ra ở ống dẫn sóng A và B mà không ghép với một ống dẫn sóng khác ở dải tần đã thiết kế (vùng lân cận a/λ=0,258)

Có 2 yêu cầu cho bộ chia quang để hoạt động được ở dải quang phổ rộng: i) trong vùng ghép nối, khớp nối bước sóng không nhạy sẽ được hỗ trợ mà không làm thay đổi chiều dài khớp nối ii) ở vùng đầu ra, khớp nối giữa hai ống dẫn sóng đầu ra được chặn

để bảo toàn công suất ở đầu ra Chúng ta bắt đầu phân tích các vùng trong hình 1 bằng cách kiểm tra các đặc điểm tán sắc của mỗi vùng Các biểu đồ tán sắc cho mỗi vùng được tính toán bằng phương pháp vector sóng phẳng mở rộng (PWE) và được hiển thị trong hình 2.4(a) và 2.4(b) PWE tính toán các tế bào siêu nhỏ cho cả hai vùng và được đánh dấu bởi khu vực đóng hộp đen và phóng to trong hình 2.4(a) và 2.4(b) Như đã thấy trong hình 2.4(a), các lỗ hổng giữa các ống dẫn sóng quang tử có bán kính nhỏ hơn 0,2a để làm tăng độ chắc của khớp nối trong vùng ghép nối Trong hình 2.4(b), hai mode dẫn đường được dán nhãn ‘even’ và ‘odd’: chúng được chia thành chẵn và lẻ đối xứng với trục z ở giữa hai ống dẫn sóng ở vùng đầu ra

(Nguồn: www.osapublishing.org)

Hình 2.4 Biểu đồ tán sắc và các tế bào siêu nhỏ ở vùng ghép nối.[3]

(a) Biểu đồ tán sắc và tính toán tế bào siêu nhỏ cho vùng ghép nối (b) Biểu đồ tán sắc và việc tính toán tế bào siêu nhỏ cho vùng đầu ra Các khu vực màu xám trong (a) và (b) chỉ ra các dải tần được thiết kế Các đường đỏ trong (a) biểu thị các dải tần có thể với một chiều dài ghép nối quang phổ liên tục và các mode kích thích Các khu vực đóng hộp trong (b) chỉ rõ vùng không giao nhau của các mode bậc khác Hai mode ‘chẵn’ và

‘lẻ’ trong hình (b) có tính đối xứng tương ứng

Các đường cong tán sắc trong hình 2.4 giải thích rõ ràng các đặc điểm ghép nối của hai mode dẫn đường, phù hợp với các yêu cầu ở trên Từ hình 2.4(a) đối với vùng ghép nối, chiều dài ghép nối quang phổ liên tục được tính toán trong một dải tần nhất định (vùng màu xám), giữa các mode song song giảm theo tần số (được đánh dấu màu đỏ) Tuy nhiên, đối với vùng đầu ra trong hình 2.4(b) việc ghép nối giữa hai mode kích thích

mà dán nhãn ‘even’ và ‘odd’, không xảy ra bởi vì sự khác biệt giữa các hệ số lan truyền

là gần như bằng không đối với dải tần đánh dấu màu xám