Luận án Nghiên cứu tính toán thiết kế các mạch tích hợp giao thoa đa mode dùng trong mạng toàn quang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƢƠNG CAO DŨNG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC MẠCH TÍCH HỢP GIAO THOA ĐA MODE DÙNG TRONG MẠNG TOÀN QUANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƢƠNG CAO DŨNG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC MẠCH TÍCH HỢP GIAO THOA ĐA MODE DÙNG TRONG MẠNG TOÀN QUANG Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 62520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS. TS. Trần Đức Hân 2. PGS.TS. Lê Trung Thành HÀ NỘI - 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Tác giả luận án Trương Cao Dũng ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên và trên hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến tập thể hướng dẫn khoa học: GS. TS. Trần Đức Hân và PGS.TS. Lê Trung Thành, những người không chỉ hướng dẫn trực tiếp về mặt khoa học mà còn hỗ trợ về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án này sau hơn ba năm làm nghiên cứu sinh. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến TS. Hoàng Vũ Chung –Viện Hàn lâm khoa học Việt Nam, người đưa đến cho tôi sự tư vấn hiệu quả về các vấn đề công nghệ chế tạo ống dẫn sóng cùng với sự hỗ trợ chuyên môn trong suốt thời gian nghiên cứu vừa qua. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến em Trần Tuấn Anh – Sinh viên K54, Đại học Bách Khoa Hà Nội – người đã có những đóng góp đắc lực, hỗ trợ tính toán cho các nghiên cứu khoa học của tôi. Qua đây, tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến Viện Điện tử-Viễn thông và Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu. Cuối cùng, tôi dành những lời yêu thương nhất đến gia đình tôi: bố mẹ, các anh chị và đặc biệt là vợ tôi Vũ Vân Anh và con gái tôi Trương Khánh Chi. Sự động viên, giúp đỡ và sự hi sinh, nhẫn nại của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả luận án Trương Cao Dũng iii Mục lục Mục lục ................................................................................................................................. iii Danh mục các thuật ngữ viết tắt ........................................................................................... vi Danh mục các ký hiệu ........................................................................................................ viii Danh mục các hình vẽ .......................................................................................................... ix Danh mục các bảng biểu ...................................................................................................... xii Mở đầu ................................................................................................................................... 1 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu .................................................................................... 3 Các kết quả đạt được ......................................................................................................... 4 Tổ chức luận án ................................................................................................................. 4 Chương1 ................................................................................................................................ 6 Giao thoa đa mode và mô phỏng BPM .................................................................................. 6 1.1 Giao thoa đa mode .................................................................................................. 6 1.1.1 Cơ sở truyền sóng trong ống dẫn sóng ............................................................ 7 1.1.2 Ống dẫn sóng đa mode và phân tích truyền mode ........................................... 9 1.1.3 Giao thoa tổng quát – GI ............................................................................... 12 1.1.4 Giao thoa hạn chế -RI .................................................................................... 13 1.1.5 Ống dẫn sóng hình búp măng ........................................................................ 15 1.2 Các phương pháp phân tích ống dẫn sóng ............................................................ 17 1.2.1 Phương pháp Marcatili .................................................................................. 17 1.2.2 Phương pháp hệ số hiệu dụng ........................................................................ 18 1.2.3 Phương pháp hệ số hiệu dụng hiệu chỉnh ...................................................... 19 1.3 Các phương pháp mô phỏng số học ...................................................................... 20 1.3.1 Phương pháp truyền chùm BPM ................................................................... 22 1.3.2 Lời giải mode thông qua BPM ...................................................................... 26 1.4 Kết luận chương .................................................................................................... 28 Chương 2 ............................................................................................................................. 29 Bộ chia công suất nhiều tỷ số và chia chùm phân cực sử dụng giao thoa đa mode ............ 29 2.1 Bộ chia công suất nhiều tỷ số dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode ..................... 29 2.1.1 Nguyên lý thiết kế.......................................................................................... 30 iv 2.1.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận ..................................................................... 34 2.1.3 Tóm lược kết quả ........................................................................................... 41 2.2 Bộ chia chùm phân cực dựa trên ống dẫn sóng đa mode hình cánh bướm được khắc trên nền vật liệu SOI ............................................................................................... 41 2.2.1 Phân tích và thiết kế....................................................................................... 43 2.2.2 Tối ưu cấu trúc ............................................................................................... 45 2.2.3 Kết quả mô phỏng và thảo luận ..................................................................... 47 2.2.4 Tóm lược kết quả ........................................................................................... 51 2.3 Kết luận chương .................................................................................................... 51 Chương 3 ............................................................................................................................. 52 Chuyển mạch quang dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode .................................................. 52 3.1 Phân tích tổng quát của chuyển mạch quang N×N ............................................... 52 3.2 Bộ chuyển mạch toàn quang dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode 3×3 sử dụng các bộ ghép phi tuyến ...................................................................................................... 55 3.2.1 Phân tích và thiết kế cấu kiện ........................................................................ 55 3.2.2 Mô phỏng và thảo luận .................................................................................. 62 3.3 Bộ chuyển mạch toàn quang 2×2 không nhạy phân cực dựa trên cấu trúc giao thoa đa mode sử dụng các bộ ghép phi tuyến ......................................................................... 67 3.3.1 Thiết kế và tối ưu cấu trúc ............................................................................. 68 3.3.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận ..................................................................... 71 3.4 Bộ chuyển mạch quang 3×3 dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode sử dụng hiệu ứng điện- quang là các bộ dịch pha ................................................................................. 75 3.4.1 Phân tích và thiết kế....................................................................................... 75 3.4.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận ..................................................................... 77 3.5 Kết luận chương .................................................................................................... 82 Chương 4 ............................................................................................................................. 83 Bộ ghép kênh ba bước sóng sử dụng giao thoa đa mode .................................................... 83 4.1 Giới thiệu và nguyên lý thiết kế ............................................................................ 83 4.2 Thiết kế bộ triplexer dựa trên một bộ ghép giao thoa đa mode 2×2 hình cánh bướm và một bộ ghép định hướng sử dụng các ống dẫn sóng silic. ............................... 86 4.2.1 Thiết kế và tối ưu cấu trúc ............................................................................. 86 v 4.2.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận ..................................................................... 91 4.3 Thiết kế bộ triplexer dựa trên phân tầng hai bộ ghép đa mode 2×2 hình cánh bướm sử dụng ống dẫn sóng silic .................................................................................... 94 4.3.1 Phân tích thiết kế và tối ưu cấu trúc .............................................................. 95 4.3.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận ..................................................................... 97 4.4 Kết luận chương .................................................................................................. 100 Kết luận và hướng phát triển ............................................................................................. 101 Đóng góp khoa học của luận án .................................................................................... 101 Hướng phát triển tương lai của luận án ......................................................................... 102 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 104 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 105 vi Danh mục các thuật ngữ viết tắt AON All Optical Network Mạng toàn quang AWG Arrayed Waveguide Grating Cách tử ống dẫn sóng được xếp mảng BPM Beam Propagation Method Phương pháp truyền chùm CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor Bán dẫn ô xít kim loại bù COM Complementary Operator Method Phương pháp toán tử bù Cr.T Crosstalk Xuyên nhiễu DC Directional Coupler Bộ ghép định hướng DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia bước sóng mật độ cao E.L Excess Loss Suy hao vượt qua EBL Electron beam lithography Quang khắc bằng chùm tia điện tử EIM Effective Index Method Phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng EMS Eigenvalue mode solver Lời giải mode giá trị riêng Ex.R Extinction Ratio Tỷ lệ phân biệt FD-BPM Finite Difference Beam Propagation Method Phương pháp truyền chùm sai phân hữu hạn FDM Finite Difference Method Phương pháp sai phân hữu hạn FDTD Finite difference –Time domain Sai phân hữu hạn miền thời gian FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn FFT-BPM Fast Fourier Transform Beam Propagation Method Phương pháp truyền chùm biến đổi Fourier nhanh FTTH Fiber to the home Cáp quang đến tận nhà FV-BPM Full vectorial Beam Propagation Method Phương pháp truyền chùm véc tơ đầy đủ GI General Interference Giao thoa tổng quát I.L Insertion Loss Suy hao chèn MDM Mode Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mode vii MEIM Modified Effective Index Method Phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng được hiệu chỉnh MEMS Mechanic-electronic micro switch Chuyển mạch vi cơ điện tử MMI Multimode Interference Giao thoa đa mode MOC Mode Order Conversion Chuyển đổi thứ tự mode MPA Mode Propagation Analysis Phân tích truyền mode MRR Microring Resonator Bộ vi cộng hưởng vòng MZI Mach-Zehnder Interferometer Giao thoa kế Mach-Zehnder OEICs Opto-electronic Integrated Circuits Vi mạch tích hợp quang-điện tử PhC Photonic Crystal Tinh thể quang tử PICs Photonic Integrated Circuits Mạch tích hợp quang tử PLCs Planar Lightwave Circuits Mạch quang phẳng PML Perfectly Match Layer Lớp thích hợp hoàn hảo PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động RI Restrict Interference Giao thoa hạn chế RIE Reactive ion etching Phương pháp khắc bằng chùm ion SI Symetric Interference Giao thoa đối xứng SOI Silicon on Insulator Silic trên nền chất cách điện SV BPM Semi-vectorial Beam Propagation Method Phương pháp truyền chùm bán véc tơ TBC Transparent Boundary Condition Điều kiện biên trong suốt TE Transverse Electric Sóng điện ngang TEM Transverse Electromangnetic Sóng điện từ ngang TM Transverse Magnetic Sóng từ ngang TMM Transfer Matrix Method Phương pháp ma trận truyền đạt WA-BPM Wide angle – Beam Propagation Method Phương pháp truyền chùm góc rộng WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia bước sóng viii Danh mục các ký hiệu cn Chiết suất lớp vỏ ống dẫn sóng sn Chiết suất lớp đế (hay lớp nền) ống dẫn sóng eW Chiều rộng hiệu dụng bộ ghép đa mode MMIL Chiều dài bộ ghép giao thoa đa mode L Nửa chiều dài phách của bộ ghép đa mode inP Công suất đầu vào ống dẫn sóng outP Công suất đầu ra ống dẫn sóng dP Công suất ống dẫn sóng đầu ra mong muốn ( )u totP Tổng công suất từ các ống dẫn sóng đầu ra không mong muốn ( )totP Tổng công suất từ các bước sóng đầu vào không mong muốn đưa đến cổng đầu ra mong muốn  Hệ số mũ chỉ trạng thái phân cực.  =0 với mode TE và  =1 với mode TM c Hệ số biên độ mode thứ   Thứ tự mode trong cơ chế giao thoa đa mode  Góc dịch pha (rad) F t   Phép lấy vi phân hàm F theo biến riêng t .N A Khẩu độ số: góc tới lớn nhất có thể truyền được trong ống dẫn sóng (để phản xạ toàn phần trong ống dẫn sóng)  Bước sóng hoạt động trong ống dẫn sóng rn (hoặc fn ) Chiết suất lớp lõi ống dẫn sóng MMIW Chiều rộng bộ ghép giao thoa đa mode ix Danh mục các hình vẽ Hình 1.1 Sơ đồ của một ống dẫn sóng đa mode N×M theo hình chiếu bằng. ....................... 9 Hình 1.2. Biểu diễn hai chiều của một ống dẫn sóng hệ số chiết suất bậc hai chiều .......... 10 Hình 1.3. Sơ đồ của một bộ chia hoặc kết hợp quang 1:N dựa trên cấu trúc giao thoa đối xứng. .................................................................................................................................... 15 Hình 1.4. Các ống dẫn sóng có chiều rộng biến đổi tuyến tính: (a) ống dẫn sóng hình búp măng và (b) ống dẫn sóng hình cánh bướm ........................................................................ 16 Hình 1.5. Mô tả sơ đồ phân tích bằng phương pháp hệ số hiệu dụng. ................................ 19 Hình 2.1. Cấu trúc của một bộ ghép giao toa đa mode cơ bản 2×2 MMI: .......................... 30 Hình 2.2 Sơ đồ khối của một bộ ghép đa mode 2×2 MMI dựa trên việc nối liền các phần 2×2 MMI cơ sở: (a) Ba bộ ghép 2×2 MMI và (b) Bốn bộ ghép 2×2 MMI. ........................ 31 Hình 2.3. Kết quả mô phỏng của các bộ ghép đa mode cơ sở: (a) Tại các chiều dài tối ưu và (b) Mô phỏng BPM cho sự truyền các trường quang qua bộ ghép cơ sở ............................ 35 Hình 2.4. Các kết quả mô phỏng BPM về đường bao điện trường cho vài bộ ghép đa mode được nối phân tầng để đạt được các tỷ số chia công suất mới ............................................ 36 Hình 2.5. Kết quả mô phỏng bằng phương pháp BPM sự phụ thuộc vào bước sóng: ........ 37 Hình 2.6. Sự phụ thuộc vào chiều dài của bộ ghép kiểu D trong kiểu ghép ba tầng AAD và kiểu ghép bốn tầng CDAD. ................................................................................................. 37 Hình 2.7. Sự phụ thuộc vào chiều rộng của bộ ghép kiểu D trong kiểu ghép ba tầng AAD và bốn tầng CDAD .............................................................................................................. 38 Hình 2.8. Sự phụ thuộc vào vị trí của bộ ghép kiểu D trong kiểu ghép ba tầng AAD và bốn tầng CDAD ................................................................................................................... 38 Hình 2.9. Pha của tín hiệu đầu ra tại các (a) chiều dài, (b) chiều rộng và (c) vị trí khác nhau của MMD-D trong cấu hình ghép ba tầng kiểu AAD và bốn tầng kiểu CDAD ......... 40 Hình 2.10. Sơ đồ cấu hình của bộ chia chùm phân cực dựa trên bộ ghép đa mode hình được khắc hình cánh bướm trên nền tảng vật liệu SOI: a) Hình chiếu bằng. b) Hình chiếu cạnh. ............................................................................................................................................. 42 Hình 2.11. Nửa chiều dài phách của các mode phân cực TE và TM là hàm số đối với các biến độ sâu khắc d và chiều rộng của vùng đa mode. (a) Độ sâu khắc. (b) Độ rộng vùng đa mode. ................................................................................................................................... 45 Hình 2.12. Công suất đầu ra được chuẩn hóa là hàm số với biến là chiều dài của vùng đa mode. ................................................................................................................................... 46 Hình 2.13. Công suất ra chuẩn hóa là hàm số của chiều rộng đáy lớn của ống dẫn sóng hình búp măng. .................................................................................................................... 47 Hình 2.14. Sự truyền của đường bao cường độ trường quang với các mode phân cực từ vị trí z=0 + µm đến điểm cuối z=218 µm: (a) và (b) đối với mode TE, (c) và (d) đối với mode TM. ...................................................................................................................................... 48 x Hình 2.15. Đáp ứng bước sóng của suy hao vượt qua và tỷ lệ phân biệt cho hai mode phân cực. ...................................................................................................................................... 49 Hình 2.16. Suy hao vượt qua và tỷ lệ phân biệt là các hàm số của của chiều sâu khắc d cho hai mode phân cực. ....................................................................................................... 49 Hình 2.17. Suy hao vượt qua và tỷ lệ phân biệt là các hàm số của sai khác hệ số chiết suất giữa lớp lõi và lớp vỏ ∆n cho hai mode phân cực. .............................................................. 50 Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý của bộ chuyển mạch quang N×N sử dụng cấu trúc giao thoa đa mode .................................................................................................................................... 53 Hình 3.2. Một bộ chuyển mạch toàn quang dựa trên các bộ ghép giao thoa đa mode tổng quát kiểu 3×3 và sử dụng các bộ ghép định hướng làm các bộ dịch pha ............................ 57 Hình 3.3. Mô phỏng 2D-BPM cho các giá trị tối ưu của khoảng hở g giữa ống dẫn sóng điều khiển và ống dẫn sóng tín hiệu ngoài cùng .................................................................. 60 Hình 3.4. Các kết quả mô phỏng được thực hiện bằng phương pháp BPM cho các trạng thái chuyển mạch của bộ chuyển mạch toàn quang 3×3. .................................................... 63 Hình 3.5. Công suất đầu ra chuẩn hóa theo sự biến đổi của chiều rộng và chiều dài của bộ ghép đa mode cho tất cả các trạng thái bộ chuyển mạch đề xuất: (a) theo sự biến đổi của chiều rộng và (b) theo sự biến đổi của chiều dài.