Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:157

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử" trình bày tổng quan ghép kênh phân chia theo mode dựa trên mạch tích hợp quang tử silicon; Bộ chuyển đổi bốn mode bất kì TE0/TE1/TE2/TE3; Bộ chuyển mạch mode không tắc nghẽn; Bộ ghép kênh phân kênh kết hợp MDM và WDM.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xử lý tín hiệu ghép kênh phân chia theo mode dựa trên các mạch tích hợp quang tử

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ ĐỨC TÂM LINH XỬ LÝ TÍN HIỆU GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE DỰA TRÊN CÁC MẠCH TÍCH HỢP QUANG TỬ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, năm 2022
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ ĐỨC TÂM LINH XỬ LÝ TÍN HIỆU GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE DỰA TRÊN CÁC MẠCH TÍCH HỢP QUANG TỬ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Nguyễn Tấn Hưng 2. TS. Trương Cao Dũng Đà Nẵng, năm 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Kết quả nghiên cứu được công bố trong luận án là trung thực. Các tài liệu sử dụng trong luận án có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả luận án Hồ Đức Tâm Linh i
MỞ ĐẦU LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Mạch tích hợp quang tử silicon được xem là hướng nghiên cứu tương lai của công nghệ tốc độ cao. Mạch cung cấp nhiều lợi thế hơn so với các mạch tích hợp thông thường bởi những ưu điểm vượt trội như tốc độ cao hơn, băng thông lớn hơn và tổn hao năng lượng thấp hơn. Công nghệ tiên tiến này đang thúc đẩy lĩnh vực công nghệ và khoa học vượt qua những giới hạn mà thời đại điện tử đang tồn tại. Nhiều lĩnh vực quan trọng đang ứng dụng các công nghệ mạch tích hợp quang tử như viễn thông, quốc phòng, tiêu dùng, radar laser, truyền thông dữ liệu, cảm biến và dữ liệu điện toán đám mây. Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu tập trung nghiên cứu vào lĩnh vực phát triển các mạch quang tử phục vụ cho mạng viễn thông, cụ thể là các mạch tích hợp quang tử xử lý tín hiệu đa mode ứng dụng trong mạng quang ghép kênh phân chia theo mode MDM (Mode Division Multiplexing) thế hệ mới. MDM là công nghệ ghép kênh quang rất hứa hẹn để gia tăng dung lượng của hệ thống thông tin. Trong kỹ thuật MDM, thông tin được điều chế trên các mode quang trực giao với nhau, điều này giúp truyền thông tin ở các mode khác nhau trên cùng một bước sóng mà không bị nhiễu xuyên kênh. Vì vậy, nếu hệ thống sử dụng công nghệ MDM với M mode quang trực giao kết hợp với công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) với N bước sóng, thì tổng số kênh truyền của hệ thống sẽ là MxN, tăng M lần so với các hệ thống WDM thông thường. Do đó, việc thiết kế mạch tích hợp quang tử nhỏ gọn với khả năng xử lý linh hoạt các tín hiệu đa mode, đồng thời kết hợp được với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng sẽ tạo ra một bước đột phá rất lớn trong việc tăng dung lượng kênh truyền hệ thống. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Đối tượng nghiên cứu trong luận án này là các cấu trúc xử lý tín hiệu đa mode trong mạng ghép kênh phân chia theo mode MDM trên chip. Các cấu trúc xử lý tín hiệu đa iii
mode này được xây dựng từ các khối cơ bản, chủ yếu là ba khối chức năng: bộ giao thoa đa mode MMI, cấu trúc chữ Y đối xứng cải tiến và bộ ghép nối định hướng. Trong đó, bộ giao thoa đa mode MMI 4x4 (bốn cổng vào và bốn cổng ra) làm việc với các tín hiệu mode cơ bản TE0 , đóng vai trò là các bộ chuyển mạch tín hiệu giữa các cổng vào ra. Cấu trúc chữ Y đối xứng cải tiến 1x4 (một cổng vào và bốn cổng ra) đóng vai trò là các bộ chuyển đổi mode bậc cao thành các mode cơ bản TE0 . Cuối cùng là bộ ghép định hướng có chức năng tách tín hiệu mode bậc cao từ ống dẫn sóng chính sang hai ống dẫn sóng đơn mode TE0 . Các cấu trúc trên có tính chất đối xứng hình học nên việc phát và nhận tín hiệu hai chiều ở các cổng vào ra của cấu trúc là hoàn toàn giống nhau. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Nghiên cứu, phân tích lý thuyết hoạt động của các linh kiện quang, cấu trúc của các ống dẫn sóng quang và các mạch xử lý tín hiệu quang đa mode đã được phát triển trong thời gian gần đây. Thiết kế, mô phỏng và tối ưu hóa mạch tích hợp quang tử thông qua các chương trình mô phỏng số trên máy tính, sử dụng phần mềm mô phỏng Rsoft của hãng Synopsys. Sử dụng phương pháp truyền chùm BPM (Beam Propagation Method) kết hợp phương pháp phân tích truyền mode MPA (Mode Propagation Analysis) và phương pháp hệ số hiệu dụng EIM (Effective Index Method) để mô phỏng và đánh giá mạch thiết kế. Tìm hiểu, tổng hợp dòng thiết kế mạch tích hợp quang tử silicon, từ đó tham gia chế tạo thử nghiệm một thành phần cơ bản trong cấu trúc thiết kế đã được đề xuất ở phần lý thuyết. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN Chuyển mạch thông tin về mặt quang học là một thách thức rất lớn trong các hệ thống kết nối và truyền thông quang. Một số kiến trúc như Crossbar, Benes, Spanke – Benes đã được đề xuất cách đây vài thập kỷ, và trở thành thành phần chính để thiết kế nên các loại chuyển mạch không gian quang học [1, 2]. Hơn nữa, các kiến trúc chuyển mạch quang này đã được chứng minh hiệu quả trên các nền tảng chất cách điện khác nhau [3–7]. Tuy nhiên, hầu hết các chuyển mạch được tạo ra chỉ hoạt động với hệ thống đơn mode, do đó các thiết kế này không thể ứng dụng trong hệ thống ghép kênh hỗ trợ đa mode, nơi mà iv
yêu cầu chức năng chuyển mạch thông tin giữa các mode không gian phải khác nhau. Do tính cấp thiết và quan trọng của vấn đề nên đã có rất nhiều nỗ lực được thực hiện để giải quyết thách thức này. Sau đây là một kiểu kiến trúc có tính cách mạng trong thiết kế các bộ chuyển mạch quang đa mode. Thiết kế này hỗ trợ đồng thời chức năng chuyển mạch không gian quang và cả chuyển mạch mode quang. Hình 1 cho thấy sơ đồ của chuyển mạch quang đa mode NxN cải tiến (loại II), gồm N bộ phân kênh mode 1xM, N bộ chuyển mạch quang đơn mode không tắc nghẽn MxM (được hiển thị trong hình chữ nhật), M bộ chuyển mạch quang mode cơ bản không tắc nghẽn NxN (được hiển thị trong hình chữ nhật tròn) và N bộ ghép kênh mode Mx1. So với kiến trúc chuyển mạch quang đa mode NxN truyền thống (loại I) thì bộ chuyển mạch quang đa mode NxN loại II bổ sung thêm N bộ chuyển mạch quang đơn mode không tắc nghẽn MxM vào giữa N bộ phân kênh mode 1xM và M bộ chuyển mạch quang đơn mode NxN. Tại đây, M mode không gian từ một ống dẫn sóng đa mode đầu vào được chuyển đổi thành M mode cơ bản bằng bộ phân kênh mode tương ứng, và sau đó được chuyển mạch không gian đến M ống dẫn sóng đơn mode đầu ra bằng bộ chuyển mạch quang đơn mode MxM. Nếu N bộ chuyển mạch quang đơn mode MxM hoạt động với các thiết lập chuyển mạch giống hệt nhau, thì chuyển mạch quang đa mode NxN loại II chỉ thực hiện các chức năng chuyển mạch không gian quang tương tự như chuyển mạch loại I. Nếu N bộ chuyển mạch quang đơn mode MxM hoạt động với các thiết lập chuyển mạch khác nhau thì chuyển đổi giữa các mode quang sẽ xảy ra. Nói cách khác, chuyển mạch quang đa mode NxN loại II không chỉ có khả năng chuyển đổi không gian quang giữa N ống dẫn sóng đa mode đầu vào và N ống dẫn sóng quang đa mode đầu ra, mà còn chuyển đổi mode quang giữa các kênh mode không gian khác nhau từ cổng vào thứ m sang cổng ra thứ n (Im → 0n ). Trong đó m, n lần lượt biểu thị số ống dẫn sóng đa mode đầu vào và đầu ra. Việc chuyển đổi mode quang cục bộ làm cho chuyển mạch quang đa mode loại II có chức năng mạnh hơn chuyển mạch không gian quang loại I. Chuyển mạch quang đa mode NxN loại II có N! các trạng thái đi ra cho chuyển mạch không gian quang. Trong mỗi trạng thái định tuyến này, có thêm một trạng thái chuyển mạch mode quang (M!)N được kích hoạt bằng cách bổ sung N bộ chuyển mạch quang đơn mode không tắc nghẽn MxM. Do sự kết hợp này mà chuyển mạch quang đa mode NxN loại II có tổng số (M!)N N! các trạng thái định tuyến. Trong phần báo cáo, luận án sẽ đề xuất một số cải tiến về chức năng của bộ chuyển mạch quang đa mode mà tác giả trong bài báo [8] đã đưa ra, đồng thời luận án cũng đề v
Hình 1 Cấu trúc bộ chuyển mạch đa mode tiên tiến tại các node lớn [8]. xuất các thiết kế cấu trúc liên quan đến các node kết nối với bộ chuyển mạch đó trong mạng ghép kênh phân chia theo mode. Mục tiêu của luận án là hướng đến phát triển các kiến trúc xử lý tín hiệu quang đa mode dựa trên công cụ mạch tích hợp quang tử. Hình 2 là tổng quan về các đề xuất mà luận án sẽ trình bày trong các chương của luận án. Trung tâm của sơ đồ là cấu trúc bộ chuyển mạch quang đa mode NxN (Node A) được kết nối với các Node khác để tạo nên một hệ thống thông tin quang hỗ trợ đa mode. Trong cấu trúc chuyển mạch quang đa mode cải tiến này, tác giả bài báo đề xuất các bộ hợp kênh cố định 1xM tách biệt với bộ chuyển mạch quang đơn mode MxM, với kiến trúc được đề xuất này sẽ làm cho các Node trở nên phức tạp và cồng kềnh. Để cải tiến nhược điểm này, luận án sẽ trình bày cấu trúc bộ chuyển mạch lựa chọn mode có khả năng thay thế đồng thời cho cả hai bộ hợp kênh cố định và chuyển mạch đơn mode. Ngoài ra, trong luận án cũng trình bày bộ chuyển mạch đơn mode sử dụng các bộ giao thoa đa mode 4x4 thay thế một loạt các bộ chuyển mạch 2x2 truyền thống như trước đây. Bên cạnh đề xuất cải tiến bộ chuyển mạch quang đa mode tại Node A, luận án cũng đề xuất các cấu trúc thiết kế xử lý tín hiệu đa mode tại các Node liên kết với Node A. Cụ thể là các Node B, C và D như được mô tả trong Hình 2. Tại Node B là một đề xuất mới chứng tỏ tiềm năng cho sự kết hợp đồng thời hai loại tài nguyên bước sóng và mode trên cùng một thiết bị. Mục đích của đề xuất là nâng cao dung lượng của toàn bộ hệ thống. vi
Hình 2 Chức năng của các cấu trúc thiết kế được đề xuất trong hệ thống. Ngoài ra tại Node C và D cũng trình bày các thiết kế thực hiện chức năng chuyển đổi và trao đổi mode linh hoạt giữa các kênh tín hiệu với nhau. Như chúng ta đã biết, hầu hết các laser đều phát ở mode cơ bản, vì vậy việc chuyển đổi qua lại giữa các mode cơ bản thành các mode bậc cao để thực hiện ghép kênh/phân kênh là cực kì quan trọng. Ngoài ra, đối với các Node nhỏ (Node D) với chức năng ghép kênh/phân kênh cố định thì việc ghép kênh với Node lớn A sẽ rất cần đến một bộ trao đổi mode linh hoạt với hiệu suất chuyển đổi tín hiệu quang cao. Trong luận án sẽ trình bày đề xuất cấu trúc thiết bị nhỏ gọn có thể thực hiện việc chuyển đổi hoặc trao đổi mode mà trước đây chưa từng được công bố. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Cấu trúc luận án sẽ được trình bày theo các chương như sau: Chương 1 của luận án trình bày kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mode và hai thách thức lớn nhất cần phải vượt qua để phát triển các ứng dụng đa mode dựa trên mạch tích hợp quang tử silicon. vii
Ngoài ra, luận án cũng trình bày các khối xây dựng cơ bản phổ biến nhất thường được các nhà thiết kế sử dụng để xây dựng nên các mạch tích hợp quang tử phức tạp. Tiếp theo là các chương 2, 3, 4 sẽ trình bày lần lượt các thiết kế xử lý tín hiệu đa mode dựa trên nền vật liệu SOI. Trình bày nội dung trong các chương sẽ đi theo một cấu trúc thống nhất chung là: (1) tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến thiết kế được đề xuất, (2) mô tả cấu trúc thiết bị, (3) mô phỏng và đánh giá hiệu suất chuyển đổi quang của thiết bị. Sau tất cả là phần kết luận, đóng góp chính của luận án và hướng phát triển luận án trong thời gian sắp đến. viii
Mục lục Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mở đầu iii Nội dung ix Danh mục từ viết tắt xx Danh mục các ký hiệu xxii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE DỰA TRÊN MẠCH TÍCH HỢP QUANG TỬ SILICON 1 1.1 Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Ghép kênh phân chia theo mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.1 Giới thiệu ghép kênh phân chia theo mode . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.2 Thách thức cần vượt qua thứ nhất: Thiết kế ống dẫn sóng đa mode cắt ngang nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2.3 Thách thức cần vượt qua thứ hai: Thiết kế các thiết bị đa mode có khả năng tái cấu hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 Mạch tích hợp quang tử silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.4 Cấu trúc các khối cơ bản trong mạch tích hợp quang tử silicon . . . . . . . 9 1.4.1 Bộ ghép định hướng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4.2 Cấu trúc ống dẫn sóng chữ Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.4.3 Giao thoa kế Mach-Zehnder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.4 Bộ cộng hưởng vòng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4.5 Cách tử Bragg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.4.6 Bộ giao thoa đa mode MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 ix
MỤC LỤC 1.5 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 CHƯƠNG 2. BỘ CHUYỂN ĐỔI BỐN MODE BẤT KÌ TE0 /TE1/TE2 /TE3 31 2.1 Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2 Tổng quan nghiên cứu về chuyển đổi mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3 Cấu trúc bộ chuyển đổi bốn mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.1 Mô tả tổng quát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.2 Bộ ghép nối chữ Y 1x4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.3 Bộ giao thoa đa mode MMI 4x4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3.4 Bộ dịch pha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.4 Mô phỏng và đánh giá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.5 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 CHƯƠNG 3. BỘ CHUYỂN MẠCH MODE KHÔNG TẮC NGHẼN 53 3.1 Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.2 Bộ chuyển mạch lựa chọn bốn mode TE0 /TE1 /TE2 /TE3 . . . . . . . . . . 53 3.2.1 Tổng quan nghiên cứu chuyển mạch lựa chọn mode . . . . . . . . . 53 3.2.2 Cấu trúc bộ chuyển mạch lựa chọn mode . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2.3 Mô phỏng và đánh giá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.3 Bộ chuyển mạch mode cơ bản 4x4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.3.1 Tổng quan nghiên cứu chuyển mạch mode . . . . . . . . . . . . . . 65 3.3.2 Cấu trúc bộ chuyển mạch mode cơ bản . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.3.3 Mô phỏng và đánh giá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.4 Kết quả chế tạo và đo kiểm bộ giao thoa đa mode MMI 4x4 . . . . . . . . 78 3.5 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 CHƯƠNG 4. BỘ GHÉP KÊNH/PHÂN KÊNH KẾT HỢP MDM VÀ WDM 85 4.1 Giới thiệu chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.2 Tổng quan nghiên cứu ghép kênh/phân kênh kết hợp WDM và MDM . . . 85 4.3 Cấu trúc bộ ghép kênh/phân kênh kết hợp WDM và MDM . . . . . . . . . 88 4.3.1 Mô tả tổng quát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.3.2 Bộ ghép kênh ba bước sóng WDM (3λ − WDM) . . . . . . . . . . . 88 4.3.3 Bộ ghép kênh bốn mode (4M − MDM) . . . . . . . . . . . . . . . . 92 x
MỤC LỤC 4.4 Mô phỏng và đánh giá . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.5 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Kết luận và hướng phát triển 100 Phụ lục quy trình thiết kế và chế tạo mạch tích hợp quang tử silicon 104 Tài liệu tham khảo 120 Danh sách các công trình đã công bố của luận án 135 xi
Danh sách hình vẽ 1 Cấu trúc bộ chuyển mạch đa mode tiên tiến tại các node lớn [8]. . . . . . . vi 2 Chức năng của các cấu trúc thiết kế được đề xuất trong hệ thống. . . . . . vii 1.1 Dải tần ghép kênh CWDM và DWDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 (a) Sơ đồ tổng quát của một hệ thống thông tin sợi quang, (b) Ghép kênh WDM sử dụng nguồn tài nguyên bước sóng, (c) Ghép kênh MDM sử dụng nguồn tài nguyên mode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Sơ đồ kết hợp giữa hai công nghệ WDM và MDM. . . . . . . . . . . . . . . 5 1.4 Cấu trúc các ống dẫn sóng đa mode cắt ngang nhau trên chip, (a) Sử dụng bộ chuyển đổi mode cấu trúc chữ Y [24]. (b) Sử dụng bộ ghép kênh/phân kênh mode 1 x 3 và mảng 3 x 3 các ống dẫn sóng đơn mode [25]. . . . . . . 6 1.5 (a) Bộ ghép định hướng, (b) Mối quan hệ giữa hệ số ghép nối công suất với chiều dài bộ ghép nối lý tưởng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.6 Cấu trúc chữ Y đối xứng đơn mode ở nhánh (a) Phát mode 0 từ ống dẫn sóng chính, (b) Phát mode 0 từ ống dẫn sóng nhánh, (c) Phát mode 1 từ ống dẫn sóng chính. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.7 Cấu trúc chữ Y đối xứng đa mode ở nhánh (a) Phát mode 2 vào ống dẫn sóng chính, (b) Phát mode 3 vào ống dẫn sóng chính, (c) Phát mode 1 vào ống dẫn sóng nhánh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.8 Cấu trúc chữ Y bất đối xứng đơn mode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.9 Cấu trúc chữ Y bất đối xứng đa mode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.10 Cấu trúc bộ giao thoa kế Mach-Zehnder có sự chênh lệch chiều rộng ∆W giữa hai nhánh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.11 Cấu trúc bộ giao thoa kế Mach-Zehnder có sự chênh lệch chiều dài ∆L giữa hai nhánh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.12 Sơ đồ bộ cộng hưởng vòng. (a) cấu hình truyền thẳng, (b) cấu hình ghép/tách. 17 xii
DANH SÁCH HÌNH VẼ 1.13 Hình minh họa của một cách tử Bragg đồng nhất. Ở đây ne f f 1 vàne f f 2 lần lượt là các chiết suất hiệu dụng của hai phần khác nhau, Λ là chu kỳ cách tử, R và T là phần phản xạ và truyền của cách tử. . . . . . . . . . . . . . . 19 1.14 Ống dẫn sóng đa mode hiển thị trường đầu vào Ψ(x, 0) và sự hình thành các đơn ảnh và đa ảnh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.15 Cấu trúc bộ giao thoa đa mode N x M theo hình chiếu bằng. . . . . . . . . 22 1.16 Khảo sát trường hợp giao thoa tổng quát. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.17 Khảo sát trường hợp giao thoa theo cặp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.18 Khảo sát trường hợp giao thoa đối xứng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.1 Một ví dụ về vị trí của bộ chuyển đổi mode trong mô hình hệ thống MDM. 32 2.2 Cấu trúc 3D bộ chuyển đổi bốn mode TE0 /TE1 /TE2 /TE3 . . . . . . . . . . 33 2.3 Bộ chuyển đổi mode, (a) sơ đồ bộ chuyển đổi mode được đề xuất, (b) mặt cắt ngang ống dẫn sóng dạng kênh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4 Sơ đồ chuyển đổi mode của bộ ghép nối chữ Y 1x4, (a) phát mode đầu vào TE0 và TE3 , (b) phát mode đầu vào TE1 và TE2 . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.5 Mối quan hệ giữa chiều rộng của ống dẫn sóng đầu vào với chỉ số chiết suất hiệu dụng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.6 Mối quan hệ giữa chiều dài Larm1 với pha và biên độ trong các nhánh của bộ ghép nối chữ Y. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.7 Mối quan hệ giữa chiều dài L2 với pha và biên độ trong các nhánh của bộ ghép nối chữ Y. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.8 Tính chất chuyển mạch của thành phần MMI 4x4 khi phát đồng thời hai tín hiệu mode TE0 vào hai cổng đầu vào 1-4 hoặc cổng đầu vào 2-3, (a) trường hợp cùng pha, (b) trường hợp lệch pha 1800 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.9 Giá trị dịch pha là hàm của chiều rộng trung tâm (WPS ) và một nửa chiều dài (LPS ) của bộ dịch pha hình cánh bướm. . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.10 Bộ dịch pha dựa vào hiệu ứng quang nhiệt, (a) bộ gia nhiệt dải, (b) bộ gia nhiệt tiếp điểm kim loại. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.11 Bộ dịch pha dựa vào hiệu ứng quang điện, (a) cấu trúc N++/N/N++, (b) cấu trúc N++/N/P++. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.12 Sơ đồ layout của bộ chuyển mạch 2x2 sử dụng bộ dịch pha quang nhiệt. . . 44 xiii
DANH SÁCH HÌNH VẼ 2.13 Hình ảnh phân phối trường điện cho quá trình chuyển đổi mode TE0 ở đầu vào và các mode TE0 , TE1 , TE2 , TE3 ở đầu ra tương ứng. . . . . . . . . . 46 2.14 Hình ảnh phân phối trường điện cho quá trình chuyển đổi mode TE1 ở đầu vào và các mode TE0 , TE1 , TE2 , TE3 ở đầu ra tương ứng. . . . . . . . . . 47 2.15 Hình ảnh phân phối trường điện cho quá trình chuyển đổi mode TE2 ở đầu vào và các mode TE0 , TE1 , TE2 , TE3 ở đầu ra tương ứng. . . . . . . . . . 47 2.16 Hình ảnh phân phối trường điện cho quá trình chuyển đổi mode TE3 ở đầu vào và các mode TE0 , TE1 , TE2 , TE3 ở đầu ra tương ứng. . . . . . . . . . 48 2.17 (a) Suy hao chèn và (b) nhiễu xuyên kênh là một hàm theo bước sóng. Phát mode TE0 - Nhận mode TE0 , TE1 , TE2 , TE3 tương ứng. . . . . . . . . . . 49 2.18 (a) Suy hao chèn và (b) nhiễu xuyên kênh là một hàm theo bước sóng. Phát mode TE1 - Nhận mode TE0 , TE1 , TE2 , TE3 tương ứng. . . . . . . . . . . 49 2.19 (a) Suy hao chèn và (b) nhiễu xuyên kênh là một hàm theo bước sóng. Phát mode TE2 - Nhận mode TE0 , TE1 , TE2 , TE3 tương ứng. . . . . . . . . . . 50 2.20 (a) Suy hao chèn và (b) nhiễu xuyên kênh là một hàm theo bước sóng. Phát mode TE3 - Nhận mode TE0 , TE1 , TE2 , TE3 tương ứng. . . . . . . . . . . 50 2.21 Ảnh hưởng của sự mất cân bằng công suất giữa các nhánh 2 và 3 của MMI. (a) Suy hao chèn, (b) Nhiễu xuyên kênh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.1 Cấu trúc 3D bộ chuyển mạch lựa chọn bốn mode TE0 /TE1 /TE2 /TE3 . . . 55 3.2 Cấu trúc của bộ chuyển mạch chọn mode được đề xuất. . . . . . . . . . . . 56 3.3 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ ghép chữ Y 1x4. . . . . . . . . . . 58 3.4 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hai bộ ghép giao thoa đa mode MMI1 và MMI2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.5 Giá trị dịch pha thay đổi theo chiều rộng trung tâm của W ps . . . . . . . . 60 3.6 Hình ảnh phân bố trường của các mode TE0 đến các cổng đầu ra O j ( j = 1, 2, 3, 4). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.7 Hình ảnh phân bố trường của các mode TE1 đến các cổng đầu ra O j ( j = 1, 2, 3, 4). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.8 Hình ảnh phân bố trường của các mode TE2 đến các cổng đầu ra O j ( j = 1, 2, 3, 4). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.9 Hình ảnh phân bố trường của các mode TE3 đến các cổng đầu ra O j ( j = 1, 2, 3, 4). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 xiv
DANH SÁCH HÌNH VẼ 3.10 (a) Suy hao chèn và (b) Nhiễu xuyên kênh theo bước sóng khi phát tín hiệu mode TE0 ở cổng vào. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.11 (a) Suy hao chèn và (b) Nhiễu xuyên kênh theo bước sóng khi phát tín hiệu mode TE1 ở cổng vào. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.12 (a) Suy hao chèn và (b) Nhiễu xuyên kênh theo bước sóng phát tín hiệu mode TE2 ở cổng vào. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.13 (a) Suy hao chèn và (b) Nhiễu xuyên kênh theo bước sóng khi phát tín hiệu mode TE3 ở cổng vào. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.14 (a) Chuyển mạch mode quang bậc cao, (b) Chuyển mạch mode quang cơ bản 68 3.15 Bộ chuyển mạch mode quang cơ bản kết hợp với bộ chuyển đổi mode quang. 69 3.16 Cấu trúc 3D bộ chuyển mạch mode cơ bản bốn cổng vào ra. . . . . . . . . 69 3.17 Bộ chuyển mạch mode quang 4x4. (a) Cấu trúc của thiết bị, (b) Mặt cắt ngang của ống dẫn sóng dạng kênh. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.18 Hình ảnh phân bố trường từ cổng vào I(1,2,3,4) đến cổng ra O(1,3,2,4) theo trường hợp TH3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.19 Suy hao chèn và nhiễu xuyên kênh là một hàm của bước sóng với ngõ vào I1 . 77 3.20 Suy hao chèn và nhiễu xuyên kênh là một hàm của bước sóng với ngõ vào I2 . 77 3.21 Bố trí bố cục các mạch giao thoa đa mode MMI 4x4. . . . . . . . . . . . . 79 3.22 Kết hợp các thành phần quang tử khác trong mạch chế tạo MMI 4x4. . . . 80 3.23 Hai kịch bản dùng để đo kiểm tín hiệu trên bộ giao thoa đa mode MMI 4x4. 81 3.24 Hình ảnh thực tế thiết lập đo kiểm tín hiệu mạch giao thoa đa mode MMI 4x4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.25 Hai tín hiệu phát đồng thời vào cổng 1 và 4 của MMI 4x4 (a) Hai tín hiệu cùng pha, (b) Hai tín hiệu ngược pha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.26 Hai tín hiệu phát đồng thời vào cổng 2 và 3 của MMI 4x4 (a) Hai tín hiệu cùng pha, (b) Hai tín hiệu ngược pha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.1 Cấu trúc 3D của bộ ghép kênh/phân kênh kết hợp WDM và MDM. . . . . 87 4.2 Sơ đồ bộ ghép kênh 12 tín hiệu TE0 ở ngõ vào. . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.3 Cấu trúc bộ ghép kênh ba bước sóng 3λ − WDM. . . . . . . . . . . . . . . . 89 4.4 Khảo sát công suất đầu ra của bộ giao thoa hình cánh bướm MMI theo độ dài của L MMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 xv
DANH SÁCH HÌNH VẼ 4.5 Hình ảnh phân bố trường điện bên trong bộ ghép kênh ba bước sóng 3λ − WDM ứng với các bước sóng được phát vào. (a) 1310 nm, (b) 1490 nm (b), (c) 1550 nm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.6 Cấu trúc bộ ghép kênh bốn mode 4M − MDM. . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.7 Khảo sát chiều dài và chiều rộng của ống dẫn sóng ở tầng 1. . . . . . . . . 94 4.8 Khảo sát chiều dài và chiều rộng của ống dẫn sóng ở tầng 2. . . . . . . . . 94 4.9 Khảo sát chiều dài và chiều rộng của ống dẫn sóng ở tầng 3. . . . . . . . . 95 4.10 Hình ảnh phân bố trường điện bên trong bộ ghép kênh phân chia theo mode khi phát lần lượt các tín hiệu mode TE0 vào các ống dẫn sóng đầu vào. (a) Cổng vào 1, (b) Cổng vào 2, (c) Cổng vào 3, và (d) Cổng vào 4. . . . . . . 96 4.11 Hình ảnh phân bố trường điện ở đầu ra của bộ ghép kênh kết hợp WDM- MDM tương ứng với với các mode (a) TE0 , (b) TE1 , (c) TE2 , (d) TE3 . . . 97 4.12 Suy hao chèn và nhiễu xuyên kênh tương ứng các mode đầu ra xung quanh cửa sổ bước sóng 1310 nm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.13 Suy hao chèn và nhiễu xuyên kênh tương ứng các mode đầu ra xung quanh cửa sổ bước sóng 1490 nm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.14 Suy hao chèn và nhiễu xuyên kênh tương ứng các mode đầu ra xung quanh cửa sổ bước sóng 1550 nm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.1 Dòng thiết kế để tạo ra một thiết bị quang tử silicon. . . . . . . . . . . . . 105 5.2 Mối quan hệ giữa thiết kế sơ đồ và mô phỏng. . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.3 Thiết kế từng thành phần riêng lẻ và mô phỏng. . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.4 Kết hợp các mô hình hành vi đơn giản để tạo nên một mô hình hành vi phức tạp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.5 Phác thảo các giai đoạn trong một quy trình thiết kế quang tử silicon. . . 107 5.6 Dung sai độ rộng và chiều cao thường gặp trong quá trình chế tạo. . . . . 108 5.7 Mạch điều khiển pha tín hiệu ánh sáng được thiết kế trên các lớp layout khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.8 Cấp độ kiểm tra thứ nhất nhất dựa vào quy tắc thiết kế DRC. . . . . . . . 112 5.9 Cấp độ kiểm tra thứ hai: xác nhận chức năng thiết kế. . . . . . . . . . . . 113 5.10 Mối quan hệ giữa thiết kế layout và kiểm tra thiết kế. . . . . . . . . . . . . 114 xvi
DANH SÁCH HÌNH VẼ 5.11 (a) Mặt cắt ngang của tấm SOI. (b) Hai loại cấu trúc ống dẫn sóng thông dụng nhất trong quang tử silicon, hình bên trái cấu trúc ống dẫn sóng dạng kênh, hình bên phải cấu trúc trúc ống dẫn sóng dạng sườn. . . . . . . . . . 115 5.12 Quy trình chế tạo cấu trúc quang tử trong SOI sử dụng kỹ thuật khắc UV sâu và khắc khô. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.13 Ống dẫn sóng tinh thể quang tử được chế tạo bằng kỹ thuật khắc UV sâu và khắc khô. (a) khắc sâu xuống lớp ôxít, (b) khắc ở lớp trên Silicon. . . . 116 5.14 Mối quan hệ giữa bước chế tạo và các bước khác trong dòng thiết kế. . . . 117 5.15 Mối quan hệ giữa bước đo và kiểm thử với các bước khác trong dòng thiết kế.118 xvii
Danh sách bảng 1.1 Tóm tắt các đặc điểm của các trường hợp giao thoa tổng quát, theo cặp và đối xứng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.1 Tổng hợp 16 cặp chuyển đổi mode (TEi /TE j ) với các giá trị pha của PS1 , PS2 , PS3 , và PS4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.1 Giá trị của các bộ dịch pha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 xviii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Diễn giải Dịch nghĩa BPM Beam Propagation Method Phương pháp truyền chùm CT Crosstalk Nhiễu xuyên kênh IL Insertion Loss Suy hao chèn E Electric field Điện trường EIM Effective Index Method Phương pháp chỉ số hiệu dụng H Magnetic field Từ trường MDM Mode Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mode MMI Multimode Interference Giao thoa đa mode MPA Mode Propagation Analysis Phân tích lan truyền mode PICs Photonic Integrated Circuits Các mạch tích hợp quang tử TE Transverse Electric Điện trường ngang TM Transverse Magnetic Từ trường ngang LP Linearly Polarized modes Mode phân cực tuyến tính HG Hermite-Gaussian (HG) modes Mode Hermit-Gaussian TEM Transverse Electro-Magnetic Mode điện từ ngang WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng PDM Polarization Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo phân cực SDM Space Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo không gian TP Taper Ống dẫn sóng dạng búp măng PS Phase shifter Bộ dịch pha EME Eigenmode Expansion Mở rộng mode riêng FE Finite Element Phần tử hữu hạn FDTD Finite Difference Time Domain Sai phân hữu hạn miền thời gian SOI Silicon on Insulator Silic trên nền chất cách điện FSR Free Spectral Range Dải phổ tự do EBL Electron Beam Lithography Quang khắc bằng chùm điện tử S iO2 Silicon Dioxide Silic điôxít Si Silicon Silic xx