Thiết kế bộ lọc kích thước nhỏ cỡ micromet dùng trong truyền dẫn quang

NH ỤC CHỮ VI T T T C ữ viế WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bư c sóng DWDM Dense Wavelength Division IC Integrated circuit Mạch tổ hợp PhC Photonic crystal

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGƯỜI HƯỚNG D N KHOA HỌC:

TS HOÀNG PHƯ NG CHI

Hà Nội – Năm 2015

ỜI C ĐO N

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện luận văn

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

CHƯ NG 1 TỔNG QUAN V BỘ LỌC QUANG 3

1.1 Gi i thiệu 3

1.3 Các loại bộ lọc quang 7

1.3.1 Bộ lọc cách tử 7

1.3.2 Cách tử Bragg 10

1.3.3 Bộ lọc cách tử kiểu sợi quang 13

1.3.4 Bộ lọc Fabry-Perot 16

1.3.5 Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF) 20

1.3.6 Bộ lọc Mach-Zehnder 21

1.3.7 Bộ lọc cách tử ống dẫn sóng sóng ma trận (AWG) 24

1.3.8 Bộ lọc quang – âm điều chỉnh được (AOTF) 26

1.4 Các tham số của bộ lọc 30

1.4.1 Hàm truyền đạt của bộ lọc 30

1.4.2 Dải phổ tự do - FSR 33

1.4.3 Độ mịn của bộ lọc F 34

1.4.4 Yêu cầu đối v i bộ lọc 34

1.5 Ứng dụng của bộ lọc quang: 35

CHƯ NG 2 TINH THỂ QUANG TỬ- PHOTONIC CRYSTAL 36

2.1 Gi i thiệu 36

2.2 Phân loại 38

2.2.1 Tinh thể quang tử một chiều 38

2.2.2 Tinh thể quang tử hai chiều 45

2.2.3 Tinh thể quang tử ba chiều 49

CHƯ NG 3 THI T Ộ LỌC TINH THỂ QU NG TỬ 53

3.1 Thiết kế bộ lọc 53

3.2 Thực nghiệm và kết quả 55

KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

NH ỤC CHỮ VI T T T

C ữ viế

WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bư c

sóng DWDM Dense Wavelength Division

IC Integrated circuit Mạch tổ hợp

PhC Photonic crystal Tinh thể quang tử

PBG Photonic bandgap Vùng cấm quang

FWHM Full Width at Half Maximum Toàn độ rộng tại nửa cực đại

TFF Thin-film Filter Bộ lọc màng mỏng

TFMF Thin-film Multicavity Filter Bộ lọc đa khoang màng mỏng DEMUX Demultiplexer Bộ tách bư c sóng

MZI Mach-Zehnder Interferometer Giao thoa kế Mach-Zehnder

AWG Arayed Waveguide Grating cách tử ống dẫn sóng sóng ma trận AOTF Acousto-Optic Tunable Filter Bộ lọc quang – âm điều chỉnh

được SAW Surface Acoustic Wave Sóng âm bề mặt

BUF Bandwidth-utilization Factor Hệ số sử dụng băng thông

IL Insertion Loss Suy hao ghép xen

SSR Sidelobe Suppression Ratio Tỉ số nén biên

TIR Total Internal Reflection Phản xạ toàn phần bên trong

NH ỤC H NH V

Hình 1.1 Sơ đồ khối của bộ lọc [4] 4

Hình 1.2 Liên quan giữa trễ pha của các thành phần tần số gây ra bởi trải phổ tín hiệu 7

Hình 1.3 Cách loại cách tử [4] 8

Hình 1.4 Nguyên tắc hoạt động của cách tử truyền dẫn [4] 9

Hình 1.5 Cách tử blazing v i góc blaze α Năng lượng của giao thoa tối đại tương ứng v i góc blaze là cực đại [4] 10

Hình 1.6 Các loại cách tử sợi quang [4] 12

Hình 1.7 Một số ứng dụng của bộ lọc cách tử Bragg kiểu sợi quang [4] 16

Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Fabry-Perot [4] 17

Hình 1.9 Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc Fabry-Perot [4] 18

Hình 1.10 Dùng điện cực để thay đổi bư c sóng hoạt động của bộ lọc Fabry-Perot [4] 19

Hình 1.11 Bộ lọc đa khoang màng mỏng TFMF (Thin-film Multicavity Filter) 20

Hình 1.12 Bộ lọc ghép/tách kênh được tạo từ các bộ lọc màng mỏng điện môi [4] 21

Hình 1.13 Các kiểu bộ lọc Mach-Zehnder [4] 22

Hình 1.14 Cách tử ống dẫn sóng ma trận [4] 24

Hình 1.15 Mẫu bộ kết nối chéo được tạo từ AWG [4] 24

Hình 1.16 Vòng Rowland dùng để tạo các coupler cho AWG [4] 26

Hình 1.17 Một AOTF đơn giản [4] 27

Hình 1.18 Bộ lọc quang-âm có thể điều chỉnh được AOTF (Acousto-optic Tunable Filter) [4] 28

Hình 1.19 Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc AOTF [4] 29

Hình 1.20 Bộ kết nối chéo bư c sóng được tạo từ các bộ lọc AOTF 30

Hình 1.21 Hàm truyền đạt của bộ lọc 30

Hình 1.22 Các thông số bộ lọc [4] 31

Hinh 1.23 Đặc tính truyền dẫn và phản xạ 32

Hình 1.24 FSR và F của bộ lọc v i N kênh khác nhau 33

Hình 2.1 Các cấu trúc tinh thể quang tử 38

Hình 2.2 Cách tử Bragg 39

Hình 2.3 Nguyên l cách tử Bragg [4 39

Hình 2.4 Màng đa l p, tinh thể quang 1-D 40

Hình 2.5 Cấu trúc band quang tử cho đường truyền trên một trục, tính toán cho ba màng đa l p khác nhau 41

Hình 2.6 Các mode kết hợp v i độ rộng khe thấp của cấu trúc được vẽ ở hình giữa

hình 2.5, tại ε=π/a 43

Hình 2.7 Cấu trúc band của màng đa l p v i hằng số tinh thể a và các l p có độ rộng khác nhau 45

Hình 2.8 Cấu trúc tinh thể quang 2-D 45

Hình 2.9 Một tinh thể quang 2-D 46

Hình 2.10 Cấu trúc band tinh thể quang cho dãy vuông của các cột điện môi bán kính r = 0.2a, ɛ =8.9 xung quang môi trường không khí ɛ = 1 47

Hình 2.11 Trường thay thế bên trong TM của dãy các tinh thể vuông v i các cột ɛ = 8.9 trong không khí 48

Hình 2.12 Trường từ tại điểm X trạng thái TE bên trong mạng tinh thể vuông có các cột điện môi ɛ = 8.9 trong không khí 49

Hình 2.13 Cấu trúc thanh g 49

Hình 2.14 Cấu trúc sử dụng hai l p tinh thể quang tử khác nhau sắp xếp so le 50

Hình 2.15 Cấu trúc tinh thể 3 chiều đầy đủ 50

Hình 2.16 Mạng tinh thể 3-D trong một khối lập phương 52

Hình 2.17 Mô hình điện môi tưởng tưởng cho mạng tinh thể 3-D 52

Hình 3.1 Sơ đồ các l PhC nhúng trên đỉnh điện môi của ống dẫn sóng hoạt động như bộ lọc PhC [1 54

Hình 3.2 Đáp ứng phổ tương ứng a k 1, b k=1, c k 1 55

Hình 3.3 Nguyên l của bộ lọc tinh thể quang tử 55

Hình 3.4 Phân bố trường bộ lọc tinh thể quang tử một vùng dịch pha 56

Hình 3.5 Hàm truyền đạt S11 và phản xạ S21 bộ lọc tinh thể quang tử một vùng dịch pha 56

Hình 3.6 Phân bố trường bộ lọc tinh thể quang tử hai vùng dịch pha 57

Hình 3.7 Hàm truyền đạt S11 và phản xạ S21 bộ lọc PhC hai vùng dịch pha, khi k=0.85 57

Hình 3.8 Hàm truyền đạt S11 và phản xạ S21 bộ lọc PhC hai vùng dịch pha, khi k=1.05 58

NH ỤC ẢNG IỂU Bảng 2.1 Thông số tập trung cho hai band của mạng tinh thể vuông của các thanh điện môi, tại điểm X của vùng Brillouin 49

LỜI MỞ ĐẦU

Cuộc cách mạng khoa học và kĩ thuật đã và đang diễn ra một cách mạnh mẽ trên toàn cầu Cuộc cách mạng này đã đưa nhân loại tiến sang một kỉ nguyên m i, kỉ nguyên của nền văn minh dựa trên cơ sở nền công nghiệp trí tuệ Khoa học kĩ thuật

đã góp phần thúc đẩy kinh tế phát triển và tiến sang một giai đoạn m i đó là nền kinh tế tri thức Trong đó viễn thông là ngành công nghiệp của tương lai và đóng vai trò vô cùng quan trọng trong mọi mặt của đời sống xã hội

Mạng truyền dẫn quang ra đời đã đáp ứng được các nhu cầu của người sử dụng dịch vụ viễn thông về băng thông l n, chất lượng tín hiệu đảm bảo Điều này dẫn đến sự phát triển tất yếu của mạng truyền dẫn quang Nó nhanh chóng phát triển trở thành mạng đường trục tốc độ l n v i nhiều công nghệ m i ra đời phục vụ cho mạng như WDM, GPON

Cùng v i sự phát triển của mạng truyền dẫn quang thì các công nghệ chế tạo thiết bị quang cũng ngày càng phát triển Các thiết bị m i ra đời nhằm tăng tốc độ

và chất lượng truyền dẫn cho mạng cũng như khắc phục các nhược điểm cố hữu của mạng quang như là tán sắc, suy hao, khuyếch đại công suất, bộ lọc…

Bộ lọc là một phần quan trọng của truyền dẫn quang Không có thiết bị này không thể thực hiện bất kỳ sự chuyển mạch cũng như truyền dẫn một vài tín hiệu trong cùng một sợi quang tại cùng một thời điểm

Tinh thể quang tử (photonic crystal) là một loại vật liệu m i có nhiều nét tương đồng tinh thể bán dẫn, một vật liệu làm nên cuộc cách mạng m i về sự phát triển của công nghiệp vi điện tử (IC) Chính nhờ sự phát triển của ngành công nghiệp này chúng ta đã chế tạo được những máy tính cá nhân gọn, nhẹ v i tốc độ cao, những hệ thống thông viễn thông siêu tốc băng thông rộng Tinh thể quang tử là một cấu trúc không gian tuần hoàn của các vật liệu có hằng số điện môi khác nhau Sự biến đổi tuần hoàn của hằng số điện môi làm xuất hiện vùng cấm quang (photonic bandgap - PBG) trong cấu trúc dải của tinh thể quang tử Vùng cấm quang trong tinh thể quang tử có vai trò giống như vùng cấm về năng lượng trong bán dẫn

Chúng ta có thể sử dụng tinh thể quang tử để điều khiển, giam giữ và kiểm soát ánh sáng trong không gian ba chiều Tinh thể quang tử có thể cấm hoàn toàn các sóng điện từ có bư c sóng trong vùng cấm quang lan truyền qua nó mà không phụ thuộc vào sự phân cực của ánh sáng Trên thực tế, tinh thể quang tử được xem như linh kiện then chốt cho các mạch tích hợp quang trong thông tin quang và các hệ thống máy tính lượng tử trong tương lai V i khả năng kiểm soát sự lan truyền và bức xạ tự phát ánh sáng, tinh thể quang tử có ảnh hưởng to l n đến sự phát triển công nghệ chế tạo các bộ lọc quang, chuyển mạch quang tốc độ cao, hốc quang, điốt quang, laser, ống dẫn sóng v i các hư ng rẽ ánh sáng đột ngột ứng dụng trong thông tin quang và các sensor…

Bản thân tôi đang công tác trong lĩnh vực viễn thông, v i mong muốn tìm hiểu

sâu hơn về thiết bị quang, tôi chọn đề tài T iế ế ộ ọ ớ ỏ

mi m để tiến hành nghiên cứu Dư i sự

hư ng dẫn tận tình của TS Hoàng Phương Chi – giảng viên bộ môn hệ thống viễn thông, tôi viết luận văn này nhằm nghiên cứu, thiết kế một bộ lọc quang sử dụng công nghệ tinh thể quang tử, cùng theo đó sử dụng phần mềm Comsol để mô phỏng các đặc tính của bộ lọc này để cụ thể hóa l thuyết Do sự hiểu biết còn hạn chế, luận văn khó tránh khỏi những sai sót, tôi mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và những ai quan tâm

CHƯ NG 1 TỔNG QUAN V BỘ LỌC QUANG

1.1 Giới iệ

Trư c tiên, bộ lọc là một quá trình xử lý nhằm loại bỏ những gì không có giá trị hoặc không quan tâm đến và giữ lại những gì có giá trị sử dụng Trong xử lý tín hiệu, bộ lộc được thiết kế để lọc tín hiệu “sạch” cần tìm) từ trong tín hiệu trộn lẫn giữa tín hiệu sạch và nhiều tín hiệu nhiễu (không cần thiết)

Thuật ngữ "bộ lọc quang" là một thuật ngữ rộng l n, bao gồm bất kỳ cấu trúc nào phân biệt được các thành phần tần số khác nhau của một tín hiệu đến và xử lý chúng theo những cách khác nhau Bộ lọc quang là phần tử thụ động hoạt động trên các nguyên lý truyền sóng không cần nguồn cung cấp

Việc chuyển đổi một tín hiệu đầu vào có thể về biên độ, pha, hoặc cả hai, được thực hiện chủ yếu thông qua một số hình thức cộng hưởng hoặc can nhiễu, sau này liên quan đến hiệu ứng trễ pha và tán sắc

Bỏ qua phi tuyến, bộ lọc quang bao gồm các hệ thống tuyến tính thời gian bất biến, có thể được đặc trưng trong miền thời gian của một hàm đáp ứng xung h(t)

V i một tín hiệu đầu vào x(t), đầu ra y(t), được định nghĩa là:

( ) ( ) * ( ) ( ) ( )

y t  x t h t  x  h t d (1.1) Trong miền tần số:

Hàm truyền đạt, H(), là trọng tâm chính của các vấn đề thiết kế bộ lọc Cường

độ của nó làm thay đổi biên độ của tín hiệu đến, trong khi pha phụ thuộc tần số

(), mô tả pha tích lũy cho một thành phần tần số cho trư c khi truyền qua bộ lọc

Một trong những chức năng cơ bản của bộ lọc quang là tách bư c sóng quang

Có rất nhiều cách để thực hiện, nhưng về nguyên l chúng đều dựa trên quan điểm: các bư c sóng sẽ bị trễ pha so v i bư c sóng khác khi chúng được hư ng qua các đường dẫn khác nhau

Tùy thuộc vào cách nguyên lý hoạt động của từng thiết bị mà ta có hai nhóm các

bộ lọc quang khác nhau như: bộ lọc quang cố định và bộ lọc quang điều khiển được

- Bộ lọc quang cố định là các bộ lọc về nguyên lý nó loại bỏ tất cả các bư c sóng, chỉ cho phép giữ lại một bư c sóng cố định đã được xác định trư c l tưởng

- Bộ lọc điều chỉnh được là các bộ lọc có thể thay đổi bư c sóng cho qua tùy theo yêu cầu Đây là loại bộ lọc có khả năng chọn lựa bư c sóng truyền qua nó Những bộ lọc này là loại phần tử tích cực vì chúng đòi hỏi phải có nguồn cung cấp

từ bên ngoài Một tập hợp các bư c sóng đi vào bộ lọc, một bộ phận điều khiển việc lựa chọn bư c sóng mong muốn Chúng ta cần loại bộ lọc này cho hai mục đích: lọc các kênh bư c sóng trư c các máy thu và xây dựng một mạng chuyển mạch quang linh động Tốc độ điều chỉnh phụ thuộc vào kiểu mạng mà chúng ta sử dụng Mạng chuyển mạch quang đang sử dụng yêu cầu tốc độ tương đối thấp, thời gian chuyển mạch tính bằng ms Còn mạng chuyển mạch gói thì có thời gian chuyển mạch cỡ μs

và thậm chí là ns nên đòi hỏi một tốc độ cao hơn Bộ lọc điều chỉnh được còn có một số ứng dụng khác như: trong các đường dây trễ, lazer sợi thay đổi được, các thiết bị đo lường,…

Hình 1.1 Sơ đồ khối của bộ lọc [4]

(a) Bộ lọc cố định bư c sóng λk , (b) Bộ lọc có thể điều chỉnh bư c sóng

trong khoảng Δλ

V i bộ lọc quang cố định, thực tế được thiết kế để cho phép một dải các bư c sóng ánh sáng truyền qua và ngăn chặn tất cả các bư c sóng còn lại:

 Long pass: chỉ cho các tia sáng có bư c sóng l n đi qua

 Short pass: chỉ cho các tia sáng có bư c sóng nhỏ đi qua

 Band pass: chỉ cho các tia sáng có bư c sóng trong một dải nhất định

đi qua

Băng thông của bộ lọc có thể rộng hay hẹp tùy theo thiết kế v i quá trình chuyển dịch hay cắt có thể đột ngột hoặc từ từ Có bộ lọc được thiết kế v i nhiều đặc tính truyền dẫn phức tạp, có khả năng cho phép hai dải bư c sóng khác nhau đi qua, thường được sử dụng trong nhiếp ảnh Trong khoa học và kỹ thuật thường sử dụng các bộ lọc có đặc tính truyền dẫn thông dụng

neff là chiết suất hiệu dụng và z là khoảng cách truyền

Vì ta thường quan tâm t i xung quang v i băng thông tần số truyền nhỏ qua việc truyền những tín hiệu media có đáp ứng quang là hữu hạn v i tần số ω0 cho trư c, nên: [2]

0 0

vg được gọi là vận tốc nhóm, và nghịch đảo của nó là sự trễ nhóm cho m i đơn

vị khoảng cách truyền, ở đó mô tả các pha tích lũy bởi một tín hiệu quang Trễ nhóm được cho bởi:

( )

g g

Ta cũng có thuật ngữ "trễ trên m i đơn vị dài"

Dω trong công thức (1.5) trên mô tả sự lan truyền, hoặc phân tán, của tín hiệu quang như một hàm của tần số Trong thông tin quang, ta thường sử dụng bư c sóng thay cho tần số, vì vậy ta sử dụng một định nghĩa tương đương cho tán sắc, D: [2]

1 2

2 0

c z

D

 



Tán sắc làm cho thành phần quang phổ của một tín hiệu quang học bị giãn rộng

ra và gây nên méo tín hiệu (hình 1.2)

Hình 1.2 Liên quan giữa trễ pha của các thành phần tần số gây ra bởi trải phổ

tín hiệu

Tán sắc là kết quả từ một tập của các thành phần tần số của một xung v i một vận tốc nhóm phụ thuộc tần số biến thiên tuyến tính Nhìn chung, tán sắc gây ra nhiễu cho tín hiệu ra và thường là không mong muốn Đối v i một tín hiệu băng thông tương đối hẹp, các hiệu ứng này tương đối nhỏ, hầu hết các bộ lọc quang sẽ

có chức năng giảm thiểu tán sắc càng nhiều càng tốt

pha tương đối v i nhau Phân biệt v i cách tử là vật chuẩn, là thiết bị ở đó nhiều tín hiệu quang được tạo ra nhờ một hốc cộng hưởng lặp lại các tia đi ngang qua nó

Sóng ánh sáng lan truyền theo hư ng z v i tần số góc là ω và hằng số pha là β sẽ

có độ dịch pha là ωt-βz Do đó độ dịch pha tương đối giữa hai sóng phát sinh từ một nguồn có thể được tạo ra bằng cách cho chúng truyền qua hai đường khác nhau Trong WDM cách tử được dùng như là một bộ tách kênh để tách các bư c sóng hoặc như là một bộ ghép kênh để kết hợp các bư c sóng

Hình 1.3 là hai ví dụ về cách tử: trên mặt phẳng cách tử (grating plane), các khe slit được cách đều nhau Khoảng cách giữa hai khe kế cận gọi là pitch Do các khe nhỏ nên theo hiện tượng nhiễu xạ (diffraction) ánh sáng truyền qua các khe này sẽ lan toả ra mọi hư ng Trên mặt phẳng ánh xạ (imaging plane) sẽ quan sát được hiện tượng giao thoa kết cấu (constructive interference) và triệt tiêu các bư c sóng tại các điểm khác nhau, cách tử này được gọi là cách tử nhiễu xạ (diffraction grating)

Hình 1.3 Cách loại cách tử [4]

(a) Cách tử truyền dẫn, (b) Cách tử phản xạ

1.3.1.2 N ý ạ độ

Theo hình 1.4 ta có sự chênh độ dài giữa các tia khúc xạ tại góc d v i các khe

kế cận là i = d.Giao thoa kết cấu (constructive interference) xảy ra khi:

Hình 1.4 Nguyên tắc hoạt động của cách tử truyền dẫn [4]

Tương tự, sự chênh lệch độ dài giữa các tia khúc xạ tại góc d v i các khe kế cận là:

[sin( ) sin(i d)]

Trên thực tế, năng lượng tập trung tại bậc 0 khi i = d đối v i mọi bư c sóng

Năng lượng ánh sáng tại bậc 0 là vô ích vì các bư c sóng không được tách rời Do

đó cần thiết kế các cách tử khác gọi là blazing

Hình 1.5 Cách tử blazing v i góc blaze α Năng lượng của giao thoa tối đại

tương ứng v i góc blaze là cực đại [4]

1.3.2 Cách tử Bragg

1.3.2.1 Đị ĩ

Cách tử Bragg được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin quang Mọi sự biến đổi tuần hoàn trong môi trường truyền sóng thường là biến đổi tuần hoàn chiết suất môi trường đều có thể hình thành cách tử Bragg

1.3.2.2 N ý ạ độ

Xét hai sóng truyền theo hai chiều ngược nhau v i hệ số pha là β0, β1 Năng lượng của tín hiệu này được ghép sang tín hiệu kia nếu chúng thoả mãn điều kiện về pha:

tán xạ của nó theo chiều ngược lại có cùng bư c sóng v i sóng t i) nếu thoả mãn điều kiện về pha:

là hệ số pha của mode sóng bậc p truyền trong l p vỏ

Hình 1.6 (a) minh họa cơ chế hoạt động của phản xạ Bragg Ðó là một sợi quang hoạt động theo cơ chế phản xạ Bragg Chiết suất tương đối của lõi sợi quang được làm biến đổi tuần hoàn dọc theo chiều dài của sợi đóng vai trò như cách tử Bragg Sóng truyền trong sợi quang và nó được phản xạ lại theo m i chu kì cách tử Các sóng phản xạ sẽ cộng pha v i nhau nếu bư c sóng tuân theo điều kiện Bragg ta đã trình bày ở trên

Hình 1.6 c và d là độ rộng phổ công suất của sóng phản xạ đối v i hai trường hợp cách tử: cách tử đồng nhất và cách tử giảm dần Cách tử giảm dần (apodized grating là trường hợp chế tạo chiết suất tương đối sao cho càng xa trung tâm cách

tử, sự khác biệt về chiết suất càng giảm Dùng cách tử giảm dần sẽ giảm được công suất của sóng phản xạ lân cận, nhưng đổi lại phải chịu băng thông hoạt động tăng lên Theo đồ thị, ta cũng thấy rằng càng xa bư c sóng Bragg, phổ của sóng phản xạ càng giảm Có nghĩa là khi hoạt động v i các kênh bư c sóng cách nhau một khoảng cách nhất định, chỉ có bư c sóng Bragg là phản xạ trở lại khi truyền qua cách tử Bragg, các bư c sóng khác sẽ truyền đi xuyên qua

Hình 1.6 Các loại cách tử sợi quang [4]

(a) Cách tử Bragg 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 Δ là độ rộng của dải thông và là khoảng cách giữa bư c sóng đỉnh và điểm phản xạ tối tiểu đầu tiên trong trường hợp mặt cắt chiết suất đồng nhất Δ tỉ lệ nghịch v i chiều dài cách tử Δλ là độ lệch bư c sóng so v i bư c sóng đồng pha

Ứng dụng của cách tử Bragg

 Cách tử Bragg là nguyên l cơ bản dùng trong công nghệ chế tạo bộ lọc,

bộ ghép xen/r t quang, dùng để bù suy hao tán sắc

 Ứng dụng để chế tạo bộ lọc có thể điều chỉnh quang-âm học

Ngoài ra, đối v i lĩnh vực khuyếch đại quang, cách tử Bragg còn cho nhiều ứng dụng quan trọng như: ổn định độ lợi, cân bằng độ lợi cho EDFA

1.3.3 Bộ lọc cách tử kiểu sợi quang

1.3.3.1 Đị ĩ

Cách tử Bragg kiểu sợi quang là một đoạn sợi quang nhạy v i ánh sáng, được chế tạo bằng cách dùng tia cực tím UV (Ultra-violet) chiếu vào để làm thay đổi một cách tuần 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 quang được phân làm hai loại: cách tử chu kì ngắn và cách tử chu kì dài Cách

tử chu kì ngắn có chu kì cách tử tương đương v i bư c sóng hoạt động (khoảng 5μm Trong khi đó cách tử chu kì dài có chu kì cách tử l n hơn nhiều lần so v i

bư c sóng hoạt động (khoảng vài trăm 5μm đến vài mm) Bộ lọc Bragg kiểu sợi quang cũng có thể là bộ lọc cố định hoặc bộ lọc điều chỉnh được

1.3.3.2 N ý ạ độ

Bộ lọc cách tử chu kì ngắn

Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Bragg kiểu sợi quang hoàn toàn tương tự như ta

đã đề cập ở phần trên Bằng cách tạo sự thay đổi tuần hoàn chiết suất trong lõi sợi quang Quá trình truyền sóng trong sợi quang qua những miền chiết suất khác nhau khi đó trở nên nghiệm đúng đối v i điều kiện Bragg Khi truyền trong sợi quang đã được cách tử Bragg hoá, chỉ có bư c sóng  = B sẽ được phản xạ trở lại và cộng pha v i nhau, cộng pha v i sóng t i, làm tăng cường độ sóng phản xạ Các bư c sóng khác sẽ truyền xuyên qua hoặc phản xạ trở lại không đáng kể do triệt pha v i nhau Bư c sóng Bragg λB của bộ lọc được tính từ công thức:

truyền trong lõi sợi là λB, sóng phản xạ trở về sẽ được ghép cộng pha v i nhau và cộng pha v i sóng t i Tất cả quá trình đó chỉ diễn ra trong lõi sợi quang Ðối v i cách tử chu kì dài, sóng truyền trong phần l p phủ ngoài lõi sợi theo chiều đi sẽ được ghép cộng pha v i sóng truyền trong phần lõi sợi ở cùng chiều Ðiều kiện để

có sự ghép cộng pha giữa phần mode sóng truyền trong lõi và phần mode sóng truyền trong l p vỏ là:

2

p cl

Thường thì hiệu số giữa hai hằng số lan truyền này rất nhỏ nên Λ sẽ trở nên rất

l n để việc ghép năng lượng có thể xảy ra Giá trị này thường vào khoảng vài trăm micrometers Lưu đối v i cách tử sợi Bragg hiệu số giữa hằng số lan truyền của mode t i và mode phản xạ là rất l n nên chu kỳ cách tử Λ sẽ rất nhỏ) Do ta có mối liên hệ giữa hệ số pha và chiết suất tương đối:

Như vậy khi biết được neff, effp

n (chiết suất hiệu dụng của mode sóng bậc p) ta

có thể chế tạo một cách tử giá trị Λ một cách hợp lí sao cho việc ghép năng lượng xảy ra ở ngoài dải bư c sóng mong muốn Cách tử trong trường hợp này hoạt động như một bộ suy hao theo bư c sóng

Bộ lọc Bragg kiểu sợi quang có thể đi u chỉ đ ợc

Từ công thức (1.18) và (1.21), ta thấy ta chỉ cần thay đổi chu kì cách tử Λ là có thể thay đổi bư c sóng hoạt động của bộ lọc Bragg kiểu sợi quang Trên thực tế, để thay đổi chu kì cách tử người ta thường dùng hai cách: dùng nhiệt hoặc dùng sức

căng Sự thay đổi bư c sóng hoạt động của bộ lọc được xác định là một hàm theo chiều dài cách tử (L) và nhiệt độ (T) [4]

6

0.8( L L/ ) 8.10 / T

Ứng dụng của bộ lọc cách tử Bragg kiểu sợi quang

Cách tử Bragg kiểu sợi quang là thiết bị thuần quang nên có những ưu điểm của

họ thiết bị này như: suy hao thấp, dễ phối ghép tín hiệu từ sợi quang vào thiết bị, không nhạy v i sự phân cực, hệ số nhiệt thấp Nhờ các đặc tính đó cho nhiều ứng dụng khác nhau:

 Tạo nguồn laser bằng cách ghép 2 bộ lọc cách tử Bragg sợi quang cùng bư c sóng hoạt động v i nhau để tạo thành hốc cộng hưởng, rồi dùng một nguồn laser phát bư c sóng liên tục cho chiếu vào Nguồn laser tạo bằng phương pháp này còn

có thể điều chỉnh để sóng ra ở chế độ mode-locked

 Ổn định bư c sóng: tận dụng tính chọn lọc chính xác bư c sóng của bộ lọc Bragg kiểu sợi để ổn định sóng bơm bư c sóng 980 nm Dùng kết hợp v i hai coupler như minh họa trên hình 1.7 (a) Mạch hồi tiếp so sánh giữa sóng qua bộ lọc

và sóng không qua bộ lọc để điều chỉnh trở lại nguồn laser DBR

 Bù tán sắc bằng cách dùng cách tử chu kì giảm dần (Chirped Grating) Khi ánh sáng vào sợi quang kiểu này, những bư c sóng khác nhau sẽ phản xạ ở những điểm khác nhau, đường đi khác nhau, dẫn đến bù được tán sắc nếu cấu hình thích hợp Minh họa trên hình 1.7 (b)

 Là thành phần quan trọng trong việc chế tạo các bộ xen/r t, kết hợp v i bộ Circulator Minh họa trên hình 1.7(c)

Bộ lọc cách tử Bragg chu kì dài có thể đóng vai trò như các bộ lọc băng băng gồm nhiều kênh bư c sóng) rất hiệu quả, ứng dụng để cân bằng độ lợi khi dùng bộ khuyếch đại EDFA

Hình 1.7 Một số ứng dụng của bộ lọc cách tử Bragg kiểu sợi quang [4] (a) Ứng dụng tạo nguồn phát laser (b) Bù tán sắc bằng cách dùng cách tử chu kỳ

giảm dần (c) Thành phần cấu tạo bộ xen/r t kênh bư c sóng

1.3.4 Bộ lọc Fabry-Perot

1.3.4.1 Đị ĩ

Bộ lọc Fabry-Perot gồm một khoang được tạo bởi hai gương có hệ số phản xạ cao song song v i nhau Ánh sáng đi vào gương thứ nhất, một phần đi qua gương thứ hai, phần còn lại được phản xạ qua lại giữa hai bề mặt của hai gương Bộ lọc dạng này gọi là giao thoa kế (interferometer) hay vật chuẩn (etalon) Fabry-Ferot

1.3.4.2 N ý ạ độ

Các sóng ánh sáng có đi ra khỏi bộ lọc Fabry-Perot được cộng đồng pha v i nhau Các bư c sóng này được gọi là bư c sóng cộng hưởng của bộ lọc và phải thoả mãn công thức :

Trong đó l: chiều dài khoang cộng hưởng Fabry-Perot, N: số nguyên tương ứng

v i λN

Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Fabry-Perot [4]

Suy ra, khoảng cách giữa 2 kênh bư c sóng liên tiếp là:

2

Trong đó: λx là bư c sóng đỉnh của bộ lọc trong môi trường có chiết suất nx và λx

=λ /nx v i λ là bư c sóng ánh sáng trong chân không

Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc Fabry-Perot được xác định là :

2

2

1 1 ( )

R

nl R

Ta thấy rằng T FB( ) là hàm tuần hoàn theo λ, chu kì của nó được định nghĩa là

khoảng phổ tự do FSR (Free Spectral Range):

Băng thông 3dB của bộ lọc Fabry-Perot tại m i đỉnh của hàm truyền đạt công suất được kí hiệu là FWHM Khi suy hao trong bộ lọc bỏ qua A=0 , FWHM được tính từ công thức:

Hình 1.9 Hàm truyền đạt công suất của bộ lọc Fabry-Perot [4]

Bộ lọc Fabry-P đi u chỉ đ ợc

Từ công thức (1.23 xác định bư c sóng hoạt động của bộ lọc Fabry-Perot, ta thấy có thể thay đổi bư c sóng hoạt động bằng cách thay đổi chiết suất n của khoang cộng hưởng hoặc thay đổi chiều dài l của khoang Thay đổi chiều dài l bằng cách áp giữa mặt trên và mặt dư i của khoang một cặp điện cực làm bằng gốm Thay đổi điện áp giữa hai điện cực sẽ làm thay đổi chiều dài của khoang Tuy nhiên, khi di chuyển hai gương, vấn đề giữ cho hai gương song song nhau rất khó thực hiện Do vậy, cơ chế này không đạt được tính chính xác cao Cơ chế thực hiện được minh họa như trên hình 1.10

Một phương pháp khác là thay đổi n bằng cách dùng tinh thể lỏng điện-từ lấp đầy khoang cộng hưởng Chiết suất của tinh thể lỏng điện-từ sẽ thay đổi khi có dòng điện đi qua Phương pháp này cũng có nhược điểm là các chất tinh thể lỏng điện-từ thường dễ biến động theo nhiệt độ

Hình 1.10 Dùng điện cực để thay đổi bư c sóng hoạt động của bộ lọc

Fabry-Perot [4]

Ứng dụng của bộ lọc Fabry-Perot

Bộ lọc Fabry-Perot cũng là thiết bị thuần quang nên khả năng ứng dụng khá phong phú Tuy nhiên, khả năng vượt trội so v i các thiết bị lọc kiểu khác là hệ số F

của bộ lọc Fabry-Perot khá l n đến 2000), cộng v i khả năng điều chỉnh bư c sóng linh động nên thường dùng trong phòng thí nghiệm để kiểm tra, đo lường các thiết bị quang khác

1.3.5 Bộ lọ đ m mỏ điện môi (TFMF)

Bộ lọc màng mỏng TFF (Thin-film Filter cũng là một dạng của giao thao kế Fabry-Perot trong đó các gương bao quang hốc cộng hượng được hiện thực bằng nhiều l p màng mỏng điện môi có thể phản xạ được Bộ lọc này là bộ lọc dải thông chỉ cho một bư c sóng nhất định đi qua và phản xạ tất cả các bư c sóng còn lại

Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF) gồm nhiều hốc cộng hưởng cách nhau bằng các màng mỏng điện môi phản xạ như trong hình 1.11(a) Số hốc cộng hưởngcàng nhiều thì hàm truyền đạt công suất có đỉnh càng phẳng trong dải thông

dụng rộng rãi Một ứng dụng tiêu biểu nhất là tạo bộ tách bư c sóng (DEMUX), thực hiện v i 8 bư c sóng, như minh họa trên hình 1.12

Hình 1.12 Bộ lọc ghép/tách kênh được tạo từ các bộ lọc màng mỏng điện môi

Hình 1.13 Các kiểu bộ lọc Mach-Zehnder [4]

(a) Bộ lọc MZI được tạo thành bằng cách kết nối các coupler định hư ng 3dB

b Sơ đồ khối của MZI Δl là độ lệch về đường đi giữa hai nhánh c Sơ đồ khối của MZI bốn tầng sử dụng các bư c sóng khác nhau ở m i tầng

1.3.6.2 N ý ạ độ

Trên hình 1.13, giả sử tín hiệu đi vào ngõ số 1, sau bộ coupler đầu tiên, công suất được chia đều ở hai ngõ ra nhưng có độ lệch pha π/2 Ðộ lệch về đường đi ΔL làm cho độ lệch pha tăng thêm βΔL ở nhánh dư i Tại coupler thứ hai, tính hiệu ở nhánh

dư i đi vào nhánh trên và lại trễ hơn nhánh trên là π/2 Ðộ lệch pha tương đối tổng cộng ở nhánh trên là π/2+βΔL +π/2 Tương tự tín hiệu từ nhánh trên đi vào nhánh

dư i ở nhánh dư i thì độ lệch pha tương đối tổng cộng là π/2+βΔL -π/2=βΔL Nếu βΔL=kπ v i k là lẻ thì các tín hiệu ở ngõ ra thứ nhất được cộng đồng pha còn ở ngõ

ra thứ hai sẽ triệt tiêu lẫn nhau do ngược pha Do đó tín hiệu sẽ được truyền vào từ ngõ vào thứ nhất ra ngõ ra thứ nhất Nếu k ch n thì tín hiệu sẽ truyền từ ngõ vào thứ nhất đến ngõ ra thứ hai

Hàm truyền đạt công suất trong trường hợp chỉ có ngõ vào 1 là tích cực:

FSR F

f





2 11

2 12

Bộ lọc Mach-Zehnder có thể đi u chỉ đ ợc

Bộ lọc Mach-Zenhder có thể điều chỉnh được có cấu trúc đối xứng giữa hai nhánh trên và nhánh dư i của ống dẫn sóng Ðiều chỉnh bư c sóng hoạt động bằng cách điều chỉnh chiết suất tương đối của một nhánh Phương pháp thay đổi chiết suất tương đối có thể là dùng nhiệt hoặc tạo ống dẫn sóng bằng các chất điện-từ (chẳng hạn như LiNbO3 , sau đó áp điện áp lên để làm thay đổi chiết suất tương đối của chất đó

v i n là lũy thừa của 2 cần nối chu i (n-1) MZI (hình 1.13.c) Tuy nhiên so v i TFMF thì chu i MZI có chất lượng kém hơn: dải thông không phẳng và vùng chuyển tiếp không dốc Các bộ ghép/tách kênh dung lượng cao hơn thường dùng công nghệ tiên tiến hơn mà ta sẽ xét ở phần sau

1.3.7 Bộ lọc cách tử ng d n sóng sóng ma tr n (AWG)

1.3.7.1 Ðị ĩ

AWG là trường hợp tổng quát của bộ lọc giao thoa Mach-Zehnder (hình 1.13)

Bộ lọc này bao gồm hai bộ coupler nhiều cổng multiport coupler được kết nối v i nhau bằng một ma trận ống dẫn sóng (array of waveguides) AWG có thể được xem như là một thiết bị ở đó một tín hiệu được nhân bản lên thành một loạt các tín hiệu

v i các độ lệch pha tương đối khác nhau rộng được cộng lại v i nhau

AWG có thể được sử dụng như là bộ ghép/tách kênh 1xn So v i chu i MZI, AWG có tổn hao thấp, dải thông phẳng, và dễ dàng được sản xuất dựa trên các mạch quang tổ hợp (integrated optic substrate) AWG còn có thể được sử dụng như

là một bộ đấu chéo bư c sóng (wavelength crossconnect) Tuy nhiên bộ kết nối chéo trong trường hợp này không có khả năng tự định tuyến (xem hình 1.15)

Hình 1.14 Cách tử ống dẫn sóng ma trận [4]

Hình 1.15 Mẫu bộ kết nối chéo được tạo từ AWG [4]

1.3.7.2 N ý ạ độ

Xem xét AWG trên hình 1.14 Số ngõ vào và ngõ ra của AWG là n Coupler thứ nhất có kích thư c là nxm, còn coupler thứ hai có kích thư c là mxn Hai coupler này được nối v i nhau bằng m ống dẫn sóng, được gọi là các ống dẫn sóng dạng ma trận Ðộ dài của các ống dẫn sóng được chọn sau cho độ lệch về chiều dài giữa hai ống dẫn sóng kế cận là ΔL Coupler đầu tiên chia tín hiệu thành m phần Ðộ lệch pha giữa các phần này phụ thuộc vào khoảng cách mà tín hiệu từ ngõ vào đến một ống dẫn sóng

Kí hiệu dik in là độ lệch về đường đi tương đối v i bất kỳ một ống dẫn sóng ngõ vào nào và bất kỳ một ống dẫn sóng ma trận nào) giữa ống dẫn sóng ngõ vào i và ống dẫn sóng ma trận k Giả sử rằng ống dẫn sóng ma trận k có độ dài đường dẫn

l n hơn ống dẫn sóng k-1 một khoảng ΔL Tương tự kí hiệudkj out là độ lệch về đường đi tương đối v i bất kỳ một ống dẫn sóng ma trận nào và bất kỳ một ống dẫn sóng ngõ ra nào) giữa ống dẫn sóng ma trận k và ống dẫn sóng ngõ ra j Khi đó pha tương đối của các tín hiệu từ ngõ vào i đến ngõ ra j đi qua m đường khác nhau được cho bởi:

Nếu bư c sóng λ ở ngõ vào i thoả điều kiện:

n i in + n   L n out j  p  (1.33)

v i p là một số nguyên dương thì sẽ được cộng đồng pha ở ngõ ra j

Hình 1.16 Vòng Rowland dùng để tạo các coupler cho AWG [4]

Ðối v i trường hợp AWG sử dụng như một bộ tách kênh thì tất cả các bư c sóng được đưa đến cùng một ngõ vào i Do đó nếu các bư c sóng λ1,λ2, ,λn của hệ thống WDM thỏa điều kiện:

1.3.8 Bộ lọc quang – âm đi u chỉ đ ợc (AOTF)

1.3.8.1 Ðị ĩ

Bộ lọc quang-âm AOTF (Acousto-Optic Tunable) là tiêu biểu cho họ thiết bị mà công nghệ chế tạo kết hợp giữa âm thanh và ánh sáng Dùng sóng âm thanh để tạo cách tử Bragg trong ống dẫn sóng, các cách tử này thực hiện chức năng lựa chọn

bư c sóng Trong điều kiện công nghệ hiện tại, bộ lọc AOTF là một trong những thiết bị duy nhất có khả năng điều chỉnh để lựa chọn nhiều bư c sóng cùng một lúc Khả năng này giúp cho bộ lọc là linh kiện chủ chốt chế tạo các bộ kết nối chéo bư c sóng

1.3.8.2 N ý ạ độ

Hình 1.17 Một AOTF đơn giản [4]

Xem ví dụ của một AOTF trên hình 16 AOTF là một ống dẫn sóng được tạo thành từ vật liệu khúc xạ kép và chỉ h trợ các mode TE và TM bậc thấp nhất (ví dụ làm bằng Ti trên nền LiNbO3) Giả sử năng lượng ánh sáng ngõ vào là TE mode

Bộ phân cực ngõ vào (input polarizer) chỉ chọn năng lượng ánh sáng trong mode

TM được bố trí ở hai đầu cuối của ống dẫn sóng

Bộ tạo sóng âm (Acoustic transducer) tạo ra sóng âm bề mặt SAW (Surface Acoustic Wave) lan truyền dọc theo hoặc ngược chiều v i hư ng truyền dẫn của ánh sáng Kết quả của sự lan truyền này là mật độ của môi trường thay đổi một cách tuần hoàn Chu kỳ của sự thay đổi mật độ này bằng v i bư c sóng của sóng âm Sự thay đổi mật độ một cách tuần hoàn này đóng vai trò như là một cách tử Bragg Nếu các hệ số chiết suất nTE và nTM của các mode TE và TM thỏa điều kiện Bragg:

sẽ bị chuyển đổi từ TE sang TM mode Như vậy thiết bị này đóng vai trò như một

bộ lọc băng hẹp khi ở ngõ vào chỉ có năng lượng ánh sáng trong mode TE và ở ngõ

ra chỉ có năng lượng ánh sáng trong mode TM là được chọn (xem hình 1.18)

Trong LiNbO3, mode TE và TM có độ chênh lệch về chiết suất Δn=0.07 Ðiều kiện phản xạ Bragg có thể viết lại: