Chính vì vậy, mục tiêu của luận án là đề xuất những thiết kế MDM mới dựa trên ống dẫn sóng SOI dạng đỉnh và dạng sườn, ựng dụng cho những thiết bị thụ động hoạt đông trong băng C có thể
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Trang 2Công trình này được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học:
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường
họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội:
Vào hồi…… giờ, ngày… tháng….năm…
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện
1 Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội
2 Thư viện Quốc gia Việt Nam
Trang 31
MỞ ĐẦU
Động cơ nghiên cứu
Một trong những hướng nghiên cứu chính trong thông tin quang là
nâng cao băng thông cho những ứng dụng băng rộng Có một vài kỹ
thuật hiện hành phổ biến như tách ghép kênh điều chế bước sóng nhiều
tầng (WDM), tách ghép kênh phân cực (PDM) Bên cạnh đó, kỹ thuật
tách ghép kênh mode đang được chú ý như một kỹ thuật bổ trợ có thể
nâng cao băng thông trong thông tin quang Khác với kỹ thuật WDM
sử dụng cho truyền tín hiệu đường dài, MDM thích hợp hơn với truyền
tín hiệu với khoảng cách ngắn, ví dụ như trong truyền thông nội chip
Do đó, MDM là một kỹ thuật hứa hẹn có thể áp dụng cho truyền thông
quang trong chip, bên cạnh những kỹ thuật ghép kênh khác
Mục đích của luận án
Qua tham khảo rất nhiều bài báo cũng như công trình nghiên cứu khác,
đã có một vài thiết kế MDM được đề xuất Tuy nhiên chúng đếu có
những điều mạnh và yếu khác nhau và cũng chỉ phù hợp với những
mục đích khác nhau Chính vì vậy, mục tiêu của luận án là đề xuất
những thiết kế MDM mới dựa trên ống dẫn sóng SOI dạng đỉnh và
dạng sườn, ựng dụng cho những thiết bị thụ động hoạt đông trong băng
C có thể hoạt động tốt hơn những thiết kế đã được đề xuất trước đó ở
các điểm sau: số mode có thể tách ghép, suy hao và kích thước
Phương pháp nghiên cứu
Tất các các cấu trúc của thiết kế được đề xuất dựa trên cơ sở lý thuyết
sau đó các đặc tính quang học của mỗi thiết kế được đo đạc và tối ưu
bằng phương pháp mô phỏng số học, cụ thể là phương pháp BPM và
EIM Sau đó, hiệu suất hoạt động của các thiết kế được đánh giá dựa
trên các tiêu chí về suy hao chèn và nhiễu xuyên kênh sau:
I L 10log out
in
P
Với P in là tổng năng lượng tín hiệu đầu vào, P out là năng lượng mong
muốn tại đầu ra Punwantedlà tổng năng lượng không mong muốn xuất
hiện tại cổng đầu ra đang xét
Đóng góp khoa học và ý nghĩa thực tế của luận án
1) Luận án đề xuất thiết kế tách ghép mode sử dụng cầu trúc ống dẫn
sóng ADC, cấu trúc có thể tách ghép được mode TE0 và mode TE1
Trang 42
Kết quả đã được công bổ ở tuyển tập hội nghị International Conference
on Advanced Technologies for Communications (ATC), 2016 2) Luận án đã đề xuất một thiết kế tách ghép mode mới dựa trên cầu trúc 3x3 MMI và ống dẫn sóng SOI đạng đinh ba Cấu trúc có thể tách ghép được 3 mode thấp nhất, kết quả đã được công bổ ở tạp chí Optical and Quantum Electronic
3) Luận án đã để xuất thiết kế chọn lọc mode mới dựa trên cấu trúc ống dẫn sóng SOI trục rẽ nhánh Số mode có thể tách ghép được dựa trên cấu trúc này lên đến 4 mode và một trong những kết quả đã công
bố ở Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications
Các thiết kế được đề xuất có thể hoạt động ở băng C với suy hao chèn
và nhiễu xuyên kênh thấp, kích thước nhỏ, chính vì vậy sẽ hứa hẹn có thể được áp dụng trong những mạch tích hợp quang MDM tốc độ cao
Cấu trúc luận án
Luận án bao gồm 4 chương, Chương 1 giới thiệu ống dẫn sóng SOI, các phương pháp phân tích được sử dụng trong luận án và chế tạo Chương 2,3 và 4 trình bày những cấu trúc ống dẫn sóng SOI mới sử dụng trong kỹ thuật MDM Đây cũng chính là 3 đóng góp chính của
luận án
PHÁP PHÂN TÍCH VÀ CHẾ TẠO
1.1 Hình dạng và chức năng của ống dẫn sóng SOI
Trong luận án này, cấu trúc ống dẫn sóng dạng sườn/ đỉnh được sử dụng Lớp lõi và lớp nền được làm từ Silic và lớp vỏ được làm từ SiO2
(Silica) Cấu trúc và vật liệu này được sử dụng trong công nghệ CMOS, điều này giải thích vì sao ống dẫn sóng SOI lại thích hợp để sản xuất mạch tích hợp quang với chi phí thấp
1.2 Phân tích ống dẫn sóng quang và phương pháp mô phỏng
1.2.1 Phương pháp chiết suất hiệu dụng (EIM)
EIM là phương pháp thích hợp để phân tích và tính toán hằng số lan truyền của một mode trong ống dẫn sóng dạng kênh Phương pháp áp dụng cộng cụ tính toán phân bố trường trong ống dẫn sóng phẳng 2D bằng cách đầu tiên tính toán hằng số lan truyền theo chiều x và lấy chiều y làm tham số Bằng cách này, ta tính được chiết suất hiệu dụng phụ thuộc vào chiều y; sau đó lấy giá trị tính toán được một lần nữa phân tích như một ống dẫn sóng phẳng theo chiều còn lại Từ đó ta có
Trang 53
thể tính toán được phân bố trường và hằng số lan truyền trong ống dẫn sóng 3D với các mode theo từng chiều x và y tương ứng
1.2.2 Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM)
Một trường điện từ bất kì truyền dọc theo ống dẫn sóng có thể được phân tách thành tổng những mode truyền dẫn cơ bản rời rạc và chúng được goi là eigenmode Với phương pháp FDM, eigenmode được tính toán bằng cách chia tiết diện của ống dẫn sóng thành những ô vuông đều nhau Mỗi một điểm trên ô vuông tượng trưng cho một trường điện từ bất kì và những điểm liền kề sẽ được tính theo trường điện từ
đó một cách tương ứng bằng phương trình sai phân hữu hạn
Tách bằng ion Oxy được cấy ghép
- Nhiệt độ = 6000C trong quá trình cấy ghép
- Năng lượng cấy Ion = 200 keV
- Ủ ở nhiệt độ 1300
- Hai lớp phiến oxy hóa được tiếp xúc và
gắn với nhau ở nhiệt độ phòng
- Làm mỏng lớp phiến bằng phương pháp
CMP
- Cấy ion loại p vào trong phiến làm cho liên
kết lưới Silic bị yếu đi đáng kể
- Nhiệt độ tại 600oC and 1100oC tách phiến được cấy ion loại p đó
Làm mỏng
lớp Si
- Ngưng tự hơi hóa học (CVD)
- (SiH2Cl2) thường được dùng là nguồn gas
- Nhiệt độ > 1000oC
Khắc Silic (Sử dụng khí
plasmas)
Sự dụng ánh sáng tia cực tím, lớp phản quang
và mặt nạ để tạo cấu trúc ống dẫn sóng ở lớp
trên cùng Khắc khô sử dụng khí CF4 và nguồn điện AC
để đạt được yêu cầu kích thước tới hạn của
Trang 64
hoặc những trường truyền đến trong màn hình tính toán mô phỏng, mà
ở đó trường bức xạ sẽ biến mất tại biên
1 Phương trình ghép nối được biểu diễn như sau:
Trang 7Với độ rộng của lõi W khá lớn và ống dẫn sóng có độ tương phản chiết
suất lớn giữa lõi và vỏ, hằng số lan truyền được tính bởi:
2 2( 1)4
eff
m kn
43
eff o
Sự chênh lệch giữa hằng số lan truyền của mode cơ bản (m=0) với
mode bậc m th có thể được biểu diễn từ phương trình (1.4.8) và (1.4.9)
1.4.2.2 Phân tích mode lan truyền (MPA)
Một trường đầu vào 𝛹(𝑥, 0) tại điểm vào trong bộ ghép nối giao thoa
đa mode có thể được phân tách thành tổng các phân bố trường rời rạc
M
m m m
(1.4.12) Thay thế phương trình (1.4.10) vào (1.4.12), ta có
Trang 8exp jz m m( 2) / 3 L 1 Đặc tính trên mô tả tính chất tự tái tạo ảnh
của MMI Dựa vào đặc tính đó và những vị trí mà trường ( , ) x L
được tái tạo, ta có hai cơ chế tái tạo ảnh của MMI đó là giao thoa tổng
quát (GI) và giao thoa hạn chế (RI) Bản tóm tắt này sẽ chỉ đề cập đến
giao thoa tổng quát vì cơ chế này được sử dụng trong thiết kế đề xuất
1.4.2.3 MMI giao thoa tổng quát
a, Đơn ảnh có thể được tái tạo tại z = p(3𝐿𝜋) với p = 0,1,2 …
b, Đa ảnh có thể được tái tạo tại 𝐿 = 3𝑝𝐿𝜋/𝑁 𝑣ớ𝑖 𝑝 = 1,3,5,7 …
Vị trí của những ảnh tái tạo và pha của nó so với tín hiệu đầu vào được
biểu diễn ở phương trình sau:
Trong trường hợp chiều dài thiết bị là ngắn nhất với p=1, pha tín hiệu
của một bộ ghép MMI NxN được tính toán bởi:
Với cổng đầu vào i (i=1, 2…N) được đánh số từ dưới lên trên và cổng
đầu ra j (j=1, 2…N) được đánh dấu từ trên xuống dưới đối với một bộ
ghép MMI NxN và 𝜑0= −𝛽0𝐿𝑀𝑀𝐼−𝜋
2 là pha cố định Với chiều dài MMI ngắn nhất (p=1), 𝜑0= 0
Trang 97
1.4.3 Ống dẫn sóng chữ Y giao nhau bất đối xứng
Với trường hợp hai ống dẫn sóng đặt kế nhau, nếu chiết xuất hiệu dụng của mode (mth) từ ống dẫn sóng 1st bằng mode (nth) của ống dẫn sóng
2nd, thì mode (mth) của trường trong ống dẫn sóng 1stsẽ được ghép thành mode (nth) của trường trong ống dẫn sóng 2nd khi:
1.5 Kết luận
Chương này đã giới thiệu về cấu trúc ống dẫn sóng, vật liệu được sử dụng để chế tạo ống dẫn sóng sử dụng trong luận án này Sau đó đề cập đến các phương pháp phân tích số Kỹ thuật chế tạo ống dẫn sóng SOI cũng được giới thiệu Cuối cùng là 3 cấu trúc ống dẫn sóng cùng với nguyên lý làm việc của chúng được chỉ ra một cách chi tiết Mỗi cấu trúc đều có những điềm mạnh và yếu riêng khi sử dụng cho kỹ thuật tách ghép mode, và sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ TÁCH GHÉP MODE DỰA TRÊN CẤU TRÚC GHÉP NỐI BẤT ĐỐI XỨNG (ADC)
ADC là một trong những cấu trúc thu hút nhiều nghiên cứu với các chức năng khác nhau bởi tính đơn giản trong cấu trúc và nguyên lý làm việc Cấu trúc ADC đã được sử dụng để thiết kế các bộ MDM tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế, cụ thể là suy hao tương đối cao khi truyền qua ống dẫn sóng cũng như có cấu trúc tương đối phức tạp
Trang 108
Chính vì vậy, ở chương này luận án đề xuất một thiết kế tách ghép 2 mode mới dựa trên cấu trúc ADC, ống dẫn sóng SOI Cấu trúc này sẽ
là gợi ý cho những sự cải thiện tốt hơn trong tương lai
2.1 Bộ tách ghép 2 mode dựa trên cấu trúc ống dẫn sóng Silic MZI bất đối xứng
Hình 2.1.1 chỉ ra cấu trúc của bộ tách ghép 2 mode dựa trên ống dẫn
sóng Silic dạng sườn với kích thước nhỏ hơn µm
Fundamental mode TE 0
First-order mode TE 1
Output port 2 Output port 1
Hình 2.1.1 Cấu trúc ADC dựa trên ống dẫn sóng SOI
Thiết bị được thiết kế để làm việc ở mode điện trường ngang (TE) với bước sóng 1550 nm bao gồm 2 ống dẫn sóng ghép nối định hướng bất
đối xứng với khoảng cách g được chọn là g=80 nm Ống dẫn sóng
Silic đơn mode đươc chế tạo với độ rông và chiều cao lần lượt là
w=500 nm và h 2=500 nm, trong khi ống dẫn sóng 2 mode có chiều
rộng là 2w=1000 nm và chiều cao được đặt là h 1 Ống dẫn sóng 2 mode đươc thiết kế để thỏa mãn 2 điều kiện sau: mode TE0 sẽ không bị ghép sang ống dẫn sóng đơn mode và mode TE1 sẽ được ghép nối một cách
hoàn toàn sang ống dẫn sóng đơn mode Trong thiết kế này, d = 1.2
µm, chiều dài ống dẫn sóng hình sin L s được tối ưu bằng phương pháp
mô phỏng BPM bằng 105 µm Như hình Fig.2.1.2, chiết suất hiệu dụng mode TE0 của ống dẫn sóng đơn mode được tính toán bằng phương pháp BPM và bằng 2.911 Do đó, chiết suất hiệu dụng của mode TE1 ở ống dẫn sóng 2 mode cũng phải bằng 2.911, do vậy
h 1=550 nm Tiếp theo, chiều dài ghép nối của ADC phải thỏa mãn điều kiện sau:
Trang 11Hình 2.1.3 Đặc tính truyền đạt của thiết bị phụ thuộc vào chiều dài ghép
nối của bộ ADC
Sử dụng mô phỏng BPM, hình 2.1.4 chỉ ra phân bố trường của bộ tách ghép 2 mode tại bước sóng hoạt động 1550nm khi mode cơ bản (TE0)
và mode (TE1) được truyền vào ống dẫn sóng 1 một cách đồng thời
Trang 121545 nm đến 1560 nm (khoảng cách các bước sóng điều hưởng là 5.5 nm), vì vậy cũng có thể áp dụng trong công nghệ CDWM
0 -TE
1 , Output1
TE1-TE0, Output1
TE0-TE1, Output2
Hình 2.1.5 Đáp ứng bước sóng của bộ tách ghép mode trong băng C
Hình 2.1.6 chỉ ra sự phụ thuộc của nhiễu xuyên kênh (Cr.T) của thiết
bị vào dung sai chiều cao ống dẫn sóng được khắc Kết quả chỉ ra rằng
với ΔH = ± 3 nm thì Cr.T dưới -10 dB
Trang 1311
Độ nhám bề mặt được quyết định bởi σ, là độ lệch chuẩn của độ nhám
và L cor Đặc tính truyền đạt của thiết bị phụ thuộc vào độ nhám bề mặt
được chỉ ra ở hình 2.1.7(a) và (b) đối với hai trường hợp cặp giá trị (σ,
L cor) tương ứng với (2 nm, 50 µm) và (0.4 nm, 10 µm) Suy hao tín
hiệu giảm xuống tối đa còn 0.016 dB/mm với σ = 0.4 nm và L cor = 10
µm bằng những kỹ thuật làm mịn bề mặt, ví dụ như kỹ thuật khắc ướt slici bằng chất hóa học KOH
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0
Hình 2.1.6 Hiệu suất làm việc của bộ tách ghép mode phụ thuộc vào
dung sai chế tạo chiều cao: H=h1=500 nm
0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018
Hình 2.1.7 Tính toán suy hao do nhám bề mặt đối với 2 mode phân cực
TE với hai trường hợp: a) σ = 2 nm, Lcor = 50 µm và b) σ = 0.4 nm, Lcor =
10 µm
2.2 Kết luận
Kết quả chỉ ra rằng thiết bị có thể hoạt động như một thiết bị điều hưởng sử dụng trong công nghệ CDWM (với khoảng cách bước sóng điều hưởng là 5.5 nm), hệ số chuyển đổi mode lên đến 99.74% trong khoảng bước sóng ±1 nm Thiết bị có suy hao chèn và nhiều xuyên kênh thấp, đồng thời yêu cầu về độ nhám bề mặt có thể đáp ứng được bằng công nghệ chế tạo hiện nay Thiết bị cũng đã chỉ ra được một số
Trang 1412
những điểm được cải thiện so với những thiết bị có cấu trúc tương tự
đã được công bố trước đây Kích thước của cả thiết bị có thể được tích hợp trong khoảng 4 µm x 1600 µm; vì vậy hoàn toàn có khả năng thích hợp để sử dụng trong các mạch tích hợp quang
CHƯƠNG 3 BỘ TÁCH GHÉP MODE DỰA TRÊN CẤU TRÚC GIAO THOA ĐA MODE
So với các cấu trúc khác, MMI đã được chứng minh có thể trở thành một ưng cử viên đầy hứa hẹn để chế tạo các bộ tách ghép mode, do cấu trúc này cho phép dung sai chế tạo lớn với hiệu suất làm việc cao Chương này sẽ giới thiệu một thiết kế MDM mới dựa trên MMI
3.1 Bộ tách ghép 3 mode dựa trên ống dẫn sóng hình đinh ba và hai bộ 3x3 MMI ghép nối tiếp nhau
Đề xuất cấu trúc thiết kế của bộ tách ghép 3 mode dựa trên cấu trúc MMI và ống dẫn sóng hình đinh ba được chỉ ra ở hình 3.1.1 Bộ ghép MMI đầu tiên, bộ dịch pha 1 và 2, được thiết kế sao cho năng lượng của mode cơ bản và mode 1 được chia đều ra hai cổng ra ngoài cùng, còn mode 2 sẽ được tập trung ở cổng ra trung tâm Sau đó, bộ ghép MMI thứ 2 và bộ dịch pha thứ 3 sẽ được thiết kế sao cho mode cơ bản
và mode 1 sẽ được tách ra ở 2 cổng ra khác nhau, đồng thời mode 2 vẫn sẽ ra ở cổng ra giữa Ống dẫn sóng SOI dạng sườn có chiều cao
sườn là H = 500nm và độ cao của ống dẫn sóng phẳng h 0 = 100nm G được đặt bằng 1.1μm và W MMI = 4.8 μm Độ rộng đầu vào của ống dẫn sóng đinh ba W 0 = 1.5 μm Độ rộng của ống dẫn sóng nhánh bằng 520
nm để có thể hoạt động trong chế độ kích thích đơn mode
Hình 3.1.1 Cấu trúc được đề xuất của bộ tách ghép 3 mode
Thiết kế chiều dài L s của ống dẫn sóng hình sin cần phải thỏa mãn điều kiện được diễn tả bằng toán học ở phương trình (3.1.1)
Trang 1513
i 2
i i2 0
i 2
1 e 4
2 2 1
2 3
1 e 4
i 2
e 1
2 e
2 2
i 2
e 1
3 e
Length of the sinusoidal waveguides, L
Chiều dài bộ ghép MMI đầu tiền được chọn: L MMI2 =L π Chiều dài bộ
ghép MMI thứ hai được chọn: L MMI2 =3L π/2 Vì bộ ghép MMI thứ 2 sẽ chỉ tách mode 0th và 1st sang hai cổng khác nhau, nên nguyên lý hoạt động có thể coi như là một bộ 2x2 MMI Mối quan hệ giữa biên độ và pha giữa cồng đầu vào và cổng đầu ra của hai bộ ghép MMI có thể được biểu diễn theo ma trận truyền đạt dưới đây
i 2
1 M 2
Qua các tính toán toán học, ta tính được độ dịch pha ΔΦ1= ΔΦ2=2п/3
ΔΦ3=± п/2 thì mỗi đầu vào mode sẽ được tái tạo lại ở đầu ra tương ứng như điều kiện đặt ra ban đầu Kích thước bộ dịch pha ban đầu
Trang 1614
được đặt như sau: L ps = 20 µm and W ps = 0.52 µm Để đạt được độ dịch pha như móng muốn ta cần thay đổi độ rộng các bộ dịch pha
W ps1 =W ps2 = 410 nm và W ps3= 590 nm, như có thể thấy ở hình 3.1.3 Hình 3.1.4 chỉ ra phân bố trường của bộ tách ghép mode được đề xuất Hình 3.1.6(a) chỉ ra các giá trị I.L lớn hơn -1 dB và Cr.T nhỏ hơn -15
dB có thể đạt được đối với cả 3 modes nếu góc nhánh thay đổi trong khoảng từ 6 độ đến 13 độ (Ls=15 µm tương ứng với 8.4 độ) Hình 3.1.7(a) chỉ ra sự thay đổi của LMMI2 trong khoảng ± 1 µm, thì I.L lớn hơn -0.72 dB và Cr.T nhỏ hơn -25 dB Hình 3.1.7(b) chỉ ra nếu W0
thay đổi trong khoảng ± 0.2 µm, thì I.L lớn hơn -0.6 dB và Cr.T nhỏ hơn -20 dB Hình 3.1.8 chỉ ra nếu chiều cao của ống dẫn sóng sườn thay đổi trong khoảng ± 50 nm thì I.L lớn hơn -2 dB và Cr.T nhỏ hơn -18 dB
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0
1.5708 3.1416 4.7124 6.2832
Central width of the phase shifter, Wps ( m)
π 0.5π
ΔΦ
w
W ps L ps
2π/3 π/2
W ps =W
A
B C
Hình 3.1.3 Mô phỏng BPM chỉ ra sự phụ thuộc của giá trị pha bị dịch đi
so với chiều rộng tại tâm của bộ dịch pha
Hình 3.1.4 Phân bố trường trong ống dẫn sóng của bộ tách ghép 3
mode
