Luận án tiến sĩ: Thiết kế và mô phỏng mạch tích hợp quang băng rộng đa mode - Tran Tuan Anh (HUST, 2020)

Luận án tiến sĩ về mạch tích hợp quang băng rộng chuyển đổi mode. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và tách ghép cho ứng dụng quang tích hợp tiên tiến.

Tác giả

Luan An

Thể loại

Doctoral Dissertation

Năm xuất bản

Số trang

117

Thời gian đọc

18 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

40 Point

Tổng quan nhanh

Chủ đề:
1. Tổng quan mạch tích hợp quang và ghép kênh mode MDM
Số trang:
117 trang
Trường:
Đại học Bách khoa Hà Nội
Chuyên ngành:
Telecommunications Engineering
Tác giả:
Năm:

Tóm tắt nội dung luận án

I. Tổng quan mạch tích hợp quang và ghép kênh mode MDM

Sự bùng nổ dữ liệu toàn cầu đặt ra thách thức lớn cho hạ tầng mạng viễn thông. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng truyền thống đang dần tiến tới giới hạn dung lượng vật lý. Công nghệ ghép kênh phân chia theo mode (Mode Division Multiplexing - MDM) mở ra hướng đi đột phá mới. Công nghệ này cho phép truyền đồng thời nhiều luồng tín hiệu độc lập trên các mode không gian khác nhau trong cùng một ống dẫn sóng. Nhờ đó, hiệu suất phổ và dung lượng kênh truyền tăng lên gấp nhiều lần. Nền tảng quang tử Silicon (Silicon Photonics) trở thành môi trường lý tưởng để hiện thực hóa kỹ thuật này. Các mạch tích hợp quang (Photonic Integrated Circuit - PIC) mật độ cao giúp thu nhỏ kích thước thiết bị quang học. Đồng thời, công nghệ chế tạo tương thích hoàn toàn với quy trình CMOS bán dẫn tiêu chuẩn. Giải pháp này giúp giảm chi phí sản xuất thương mại và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ. Việc nghiên cứu các cấu trúc ghép kênh đa mode băng thông rộng đóng vai trò then chốt trong mạng quang thế hệ mới.

1.1. Nhu cầu truyền thông quang dung lượng cao và công nghệ MDM

Hệ thống thông tin quang hiện đại đối mặt với sự gia tăng lưu lượng truy cập Internet và điện toán đám mây. Kỹ thuật ghép kênh bước sóng đơn thuần không còn đáp ứng đủ nhu cầu băng thông ngày càng lớn. Ghép kênh phân chia theo mode (Mode Division Multiplexing - MDM) tận dụng các bậc tự do không gian của ánh sáng. Mỗi mode không gian mang một kênh dữ liệu riêng biệt mà không gây can nhiễu lẫn nhau. Ống dẫn sóng đa mode (Multimode Waveguide) đóng vai trò làm môi trường truyền dẫn chính cho các mode quang này. Việc tích hợp nhiều mode trên cùng một chip quang giúp nâng cao băng thông tổng thể mà không cần bổ sung thêm sợi quang vật lý. Giải pháp này tối ưu hóa tài nguyên mạng truyền dẫn và giảm chi phí vận hành. Đây là nền tảng cốt lõi cho các trung tâm dữ liệu quy mô siêu lớn trong tương lai.

1.2. Xu hướng phát triển mạch tích hợp quang trên phiến Silicon

Quang tử Silicon (Silicon Photonics) đang thúc đẩy cuộc cách mạng trong lĩnh vực viễn thông và truyền dữ liệu tốc độ cao. Vật liệu Silicon-on-Insulator (SOI) có độ tương phản chiết suất cao giữa lõi Si và vỏ bọc SiO2. Đặc tính này cho phép giam giữ ánh sáng cực mạnh trong các cấu trúc kích thước sub-micron. Mạch tích hợp quang (Photonic Integrated Circuit - PIC) trên nền SOI tích hợp được hàng loạt linh kiện thụ động và chủ động trên một diện tích vi mô. Quy trình chế tạo tận dụng dây chuyền sản xuất vi mạch CMOS sẵn có giúp giảm giá thành đáng kể. Tuy nhiên, việc thiết kế bộ ghép/tách kênh mode (Mode Multiplexer / Demultiplexer) đòi hỏi độ chính xác cao về mặt hình học. Các linh kiện này phải đảm bảo suy hao chèn thấp và duy trì băng thông quang rộng (Broadband / Ultra-broadband) trên toàn bộ dải viễn thông C-band và O-band.

II. Cấu trúc ống dẫn sóng đa mode và quang tử Silicon SOI

Nền tảng Silicon-on-Insulator (SOI) là trụ cột trong thiết kế mạch tích hợp quang hiện đại. Độ chênh lệch chiết suất lớn giữa lớp lõi Silicon và lớp đế Silicon Dioxide tạo điều kiện lý tưởng để truyền dẫn sóng quang. Các cấu trúc ống dẫn sóng đa mode (Multimode Waveguide) hỗ trợ đồng thời nhiều mode phân cực TE và TM. Việc kiểm soát sự phân bố trường quang và vận tốc nhóm của từng mode là điều kiện tiên quyết trong thiết kế. Quy trình chế tạo ống dẫn sóng SOI bao gồm phương pháp cấy oxy SIMOX hoặc liên kết tấm BESOI. Công nghệ khắc ăn mòn khô và quang khắc chùm tia điện tử giúp định hình các đường dẫn quang kích thước nano. Các cấu trúc này đảm bảo tổn hao tán xạ bề mặt ở mức tối thiểu. Nhờ đó, hiệu suất truyền dẫn của các mode bậc cao được duy trì ổn định trên toàn bộ cấu trúc chip.

2.1. Cấu tạo và đặc tính ống dẫn sóng Silicon trên lớp cách điện

Ống dẫn sóng trên cấu trúc SOI thường có độ dày lớp lõi Silicon tiêu chuẩn 220 nm. Lớp đáy oxit SiO2 đóng vai trò cách ly quang học với phiến đế Silicon bên dưới. Độ tương phản chiết suất cao giúp bán kính uốn cong của ống dẫn sóng có thể thu nhỏ xuống vài micromet. Nhờ đó, diện tích chip quang được tối ưu hóa tối đa. Ống dẫn sóng đa mode cho phép các mode TE0, TE1 và TE2 lan truyền đồng thời với các hằng số truyền sóng khác nhau. Kích thước hình học của ống dẫn sóng quyết định trực tiếp số lượng mode được hỗ trợ. Việc thay đổi độ rộng rãnh dẫn sóng làm biến đổi chiết suất hiệu dụng của từng mode riêng biệt. Sự chuẩn hóa kích thước giúp ngăn ngừa hiện tượng rò rỉ quang và suy hao bức xạ không mong muốn.

2.2. Phương pháp phân tích và mô phỏng số truyền sóng quang tử

Thiết kế mạch tích hợp quang đòi hỏi các công cụ mô phỏng số có độ chính xác cao. Phương pháp chiết suất hiệu dụng (Effective Index Method - EIM) cung cấp phép gần đúng nhanh cho cấu trúc ống dẫn sóng 2D. Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method - FDM) hỗ trợ giải chính xác phương trình sóng Maxwell cho mặt cắt ngang 3D. Phương pháp truyền chùm tia sai phân hữu hạn (FD-BPM) và mô phỏng miền thời gian sai phân hữu hạn (FDTD) được ứng dụng rộng rãi. Các phương pháp này mô phỏng sự tương tác trường điện từ, tính toán suy hao chèn và đánh giá phân bố công suất. Kết quả phân tích số cho phép tối ưu hóa các thông số hình học của linh kiện trước khi chế tạo. Việc này giúp rút ngắn chu kỳ nghiên cứu và giảm thiểu sai sót kỹ thuật trong thực nghiệm.

III. Bộ ghép định hướng bất đối xứng cho tách ghép mode MDM

Ghép định hướng bất đối xứng (Asymmetric Directional Coupler - ADC) là cấu trúc then chốt trong hệ thống MDM. Cơ chế hoạt động dựa trên nguyên lý phối hợp pha giữa mode cơ bản của ống dẫn sóng đơn mode và mode bậc cao của ống dẫn sóng đa mode. Khi điều kiện phối hợp chiết suất hiệu dụng được thỏa mãn, năng lượng quang sẽ chuyển đổi hoàn toàn qua khe hở liên kết. Cấu trúc ADC cho phép chế tạo bộ ghép/tách kênh mode (Mode Multiplexer / Demultiplexer) với kích thước nhỏ gọn. Thiết kế tích hợp thêm giao thoa kế Mach-Zehnder (MZI) giúp tăng cường khả năng kiểm soát pha và giảm nhiễu. Cấu trúc bất đối xứng giúp phân tách các luồng dữ liệu độc lập một cách chính xác. Đây là giải pháp hiệu quả nhằm nâng cao dung lượng kênh truyền trong các mạch tích hợp quang mật độ cao.

3.1. Thiết kế bộ ghép định hướng bất đối xứng hai kênh mode

Bộ ghép định hướng bất đối xứng 2 mode TE0 và TE1 bao gồm một nhánh dẫn sóng hẹp và một nhánh dẫn sóng rộng đặt song song. Độ rộng của ống dẫn sóng nhánh hẹp được thiết kế sao cho chiết suất hiệu dụng của mode TE0 khớp chính xác với mode TE1 của ống dẫn sóng nhánh rộng. Chiều dài vùng ghép và khoảng cách khe hở quang học được tính toán chính xác để đạt hiệu suất truyền công suất 100%. Cấu trúc kết hợp mạch MZI bất đối xứng giúp điều chỉnh độ lệch pha giữa hai nhánh sóng. Nhờ đó, tín hiệu quang được chuyển đổi mượt mà mà không gây méo dạng trường mode. Thiết kế này có khả năng hoạt động ổn định trên dải bước sóng rộng từ 1520 nm đến 1580 nm. Kích thước tổng thể của linh kiện được tối ưu hóa giúp tích hợp dễ dàng trên chip Silicon.

3.2. Đánh giá suy hao và nhiễu xuyên kênh giữa các mode quang

Hiệu năng của bộ ghép ADC được đo lường thông qua suy hao chèn và nhiễu xuyên kênh giữa các mode (Inter-modal Crosstalk). Nhiễu xuyên kênh xuất hiện khi năng lượng từ một mode rò rỉ sang mode khác trong quá trình ghép nối. Sử dụng phần mềm mô phỏng 3D-BPM giúp đánh giá chi tiết ma trận truyền dẫn của bộ ghép. Kết quả tối ưu cho thấy mức suy hao chèn duy trì dưới 0.5 dB trên toàn bộ băng tần C. Độ cách ly giữa các kênh mode đạt mức vượt trội trên -25 dB. Mức nhiễu xuyên kênh thấp đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu cho các luồng dữ liệu truyền dẫn tốc độ cao. Cấu trúc ADC cũng thể hiện độ bền bỉ cao trước các sai số chế tạo quang khắc nano trong thực tế.

IV. Bộ ghép giao thoa đa mode MMI cho băng thông rộng lớn

Bộ ghép giao thoa đa mode (Multimode Interference Coupler - MMI) là linh kiện thụ động quan trọng trong quang tử Silicon. Nguyên lý tự ảnh (Self-imaging) bên trong ống dẫn sóng đa mode cho phép tái tạo trường quang đầu vào thành các ảnh đơn hoặc đa ảnh tại các vị trí định trước. Bộ ghép MMI sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội như băng thông quang rộng (Broadband / Ultra-broadband), suy hao tán xạ thấp và dung sai chế tạo lớn. Cấu trúc MMI ghép tầng đa cổng N x N kết hợp các bộ dịch pha vi mô cho phép thực hiện đồng thời chức năng ghép kênh và chuyển đổi mode. Việc ghép nối nối tiếp các phần tử MMI tạo ra các bộ ghép 3 mode và 4 mode có độ ổn định nhiệt cao. Linh kiện MMI đóng vai trò nòng cốt trong việc xây dựng các mạch quang tích hợp phức tạp.

4.1. Nguyên lý giao thoa đa mode MMI ghép tầng đa cổng N x N

Nguyên lý hoạt động của MMI dựa trên sự can thiệp của nhiều mode quang lan truyền dọc theo khoang dẫn sóng đa mode rộng. Ánh sáng đi vào tạo ra các mode bậc cao với các hằng số pha khác nhau. Sau một khoảng cách truyền nhất định, các mode này đồng pha và tạo thành các ảnh tái tạo sắc nét. Bằng cách thiết kế cấu trúc MMI 3x3 ghép tầng nối tiếp, bộ ghép phân chia chính xác biên độ và góc pha của tín hiệu. Các nhánh dẫn sóng thuôn nhọn (Tapered Waveguide) tại đầu vào và đầu ra giúp giảm thiểu phản xạ quang ngược. Cấu trúc này hỗ trợ xử lý tín hiệu đa kênh mà không phụ thuộc quá mức vào bước sóng hoạt động. Độ suy hao xen của bộ ghép tầng MMI duy trì ở mức rất thấp trên dải tần rộng.

4.2. Bộ ghép ba mode kết hợp cấu trúc nhánh ba và bộ ghép MMI

Bộ ghép ba mode MDM được xây dựng bằng cách kết hợp bộ ghép nhánh ba (Trident Coupler) và hai bộ ghép MMI 3x3 ghép tầng. Bộ ghép nhánh ba gồm ba ống dẫn sóng hẹp song song đóng vai trò kích thích và định hình phân bố pha ban đầu. Tín hiệu qua các cổng được đưa vào khối MMI để chuyển đổi thành các mode TE0, TE1 và TE2 tương ứng. Sự kết hợp này triệt tiêu hoàn toàn sự phụ thuộc vào các liên kết cộng hưởng nhạy cảm. Nhờ đó, thiết bị đạt băng thông quang cực rộng bao phủ toàn dải bước sóng viễn thông từ 1500 nm đến 1600 nm. Nhiễu xuyên kênh giữa các mode đo được luôn duy trì ở mức dưới -20 dB. Cấu trúc này chứng minh tính khả thi cao cho sản xuất hàng loạt trên chip quang SOI.

V. Bộ chuyển đổi mode quang băng rộng và giảm xuyên kênh

Bộ chuyển đổi mode quang (Optical Mode Converter) là thành phần không thể thiếu để biến đổi linh hoạt giữa mode cơ bản và các mode bậc cao. Việc chuyển đổi mode hiệu quả giúp tích hợp liền mạch giữa các sợi quang đa mode và mạch tích hợp quang (PIC). Cấu trúc chuyển đổi dựa trên ống dẫn sóng thuôn nhọn bất đối xứng và các khớp nối chữ Y (Y-junction). Bằng cách biến đổi đoạn nhiệt (Adiabatic Evolution), năng lượng trường mode được chuyển đổi mượt mà dọc theo chiều dài dẫn sóng. Cơ chế này giảm thiểu tối đa hiện tượng tán xạ và hạn chế phát sinh các mode ký sinh không mong muốn. Thiết kế tối ưu hóa đảm bảo băng thông quang rộng (Broadband / Ultra-broadband) và duy trì độ suy hao cực thấp. Đây là chìa khóa để hiện thực hóa mạng quang truyền dẫn siêu tốc độ.

5.1. Cơ chế chuyển đổi mode quang hiệu suất cao dải sóng rộng

Cơ chế chuyển đổi mode dựa trên quá trình biến đổi đoạn nhiệt không gian giúp duy trì hiệu suất chuyển đổi công suất quang cao. Trong cấu trúc ống dẫn sóng phân nhánh góc nghiêng (Tilt Branched Bus Waveguide), sự thay đổi tiết diện diễn ra từ từ. Sóng quang mode TE0 cơ bản tại cổng vào tự động thích ứng và chuyển dịch năng lượng thành mode TE1 hoặc TE2 tại cổng ra. Phương pháp này loại bỏ nhu cầu sử dụng các bộ dịch pha ngoài phức tạp. Hiệu suất chuyển đổi đạt trên 95% trên toàn bộ dải bước sóng rộng từ 1.5 µm đến 1.6 µm. Thiết kế này giúp thiết bị có khả năng chịu đựng sai số chế tạo cơ học cao hơn nhiều so với các cấu trúc cộng hưởng vi vòng.

5.2. Giải pháp mở rộng băng thông quang rộng cho hệ thống MDM

Mở rộng băng thông hoạt động là mục tiêu cốt lõi trong nghiên cứu mạch tích hợp quang cho hệ thống MDM. Sự kết hợp giữa bộ chuyển đổi mode quang băng rộng và bộ ghép/tách kênh mode (Mode Multiplexer / Demultiplexer) giúp xử lý đồng thời nhiều kênh bước sóng và nhiều kênh mode. Tối ưu hóa cấu trúc tán sắc trong ống dẫn sóng đa mode (Multimode Waveguide) ngăn ngừa hiện tượng trễ nhóm giữa các mode khác nhau. Đồng thời, việc bố trí hình học hợp lý giúp giảm thiểu triệt để nhiễu xuyên kênh giữa các mode (Inter-modal Crosstalk). Giải pháp này tạo nền tảng vững chắc để xây dựng các chip giao tiếp quang học Terabit/giây. Công nghệ này đáp ứng trọn vẹn yêu cầu truyền tải dữ liệu khổng lồ trong các siêu máy tính và mạng viễn thông tương lai.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Luận án tiến sĩ nghiên cứu tính toán và thiết kế mạch tích hợp quang băng rộng chuyển đổi và tách ghép mode design and simulation of wideband photonic integrated circuits for multi mode

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (117 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY -----------0---------- TRAN TUAN ANH DESIGN AND SIMULATION OF WIDEBAND PHOTONIC INTEGRATED CIRCUITS FOR MULTI-MODE (DE)MULTIPLEXING AND CONVERSION DOCTORAL DISSERTATION IN TELECOMMUNICATIONS ENGINEERING HANOI – 2020 luan an MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY -----------0---------- TRAN TUAN ANH DESIGN AND SIMULATION OF WIDEBAND PHOTONIC INTEGRATED CIRCUITS FOR MULTI-MODE (DE)MULTIPLEXING AND CONVERSION Major: Telecommunications Engineering Code: 9520208 DOCTORAL DISSERTATION IN TELECOMMUNICATIONS ENGINEERING SUPERVISORS: PROF. TRAN DUC HAN DR. TRUONG CAO DUNG HANOI – 2020 luan an DECLARATION OF AUTHORSHIP I, Tran Tuan Anh, declare that this dissertation entitled, "Design and simulation of wideband photonic integrated circuits for multi-mode (de)multiplexing and conversion", and the work presented in it is my own. I confirm that: - This work was done wholly or mainly while in candidature for a Ph.

research degree at Hanoi University of Science and Technology. - Where any part of this dissertation has previously been submitted for a degree or any other qualification at Hanoi University of Science and Technology or any other institution, this has been clearly stated. - Where I have consulted the published work of others, this is always clearly attributed. -Where I have quoted from the work of others, the source is always given.

- With the exception of such quotations, this dissertation is entirely my own work. - I have acknowledged all main sources of help. Where the dissertation is based on work done by myself jointly with others, I have made exactly what was done by others and what I have contributed myself. Hanoi, October, 2020 Postgraduate Student Tran Tuan Anh SUPERVISORS SUPERVISOR 1 SUPERVISOR 2 i luan an Acknowledgment First and foremost, I would like to thank my supervisor Prof.

Tran Duc Han for his support and advice throughout my research time in Hanoi University of Science and Technology (HUST). His encouragement and full support led me to every success of my study. I have been able to learn a lot from him about being a good teacher and researcher. I would like to express my gratitude to my supervisor, Dr.

Truong Cao Dung, for guiding and motivating me since I was an undergraduate student at HUST. He has given me the very first guidance until I finished my doctoral dissertation. I special thanks to Prof. Vu Van Yem for his constant help during my study postgraduate courses and sincere advices for my future career.

I am also thankful to my research team, Ms. Nguyen Thi Hang Duy, Mr. Ta Duy Hai, Ms. Tran Thi Thanh Thuy and Mr.

Hoang Do Khoi Nguyen in Posts and Telecommunications Institute of Technology. They gave me a lot of help during my last two years. Finally, I would like to express my grateful thanks to my parents, Mr. Tran Quoc Hung and Mrs Tran Thi Huong, and my uncle, Mr.

Tran Quoc Dung, for their support and encouragement. TRAN TUAN ANH ii luan an Table of Contents INTRODUCTION ________________________________________________________ 1 CHAPTER 1. SOI WAVEGUIDE STRUCTURE, ANALYSIS AND FABRICATION __ 8 1.1 Shapes and functions of silicon-on-insulator waveguide ___________________________8 1.2 Optical waveguide analysis and simulation methods ____________________________12 1.2 Effective index method ___________________________________________ 15 1.3 Finite difference method __________________________________________ 17 1.4 Beam propagation method _________________________________________ 18 1.5 Finite difference beam propagation method ___________________________ 19 1.3 Silicon-on-insulator waveguide fabrication ____________________________________21 1.1 Separation by implanted oxygen (SIMOX) ____________________________ 21 1.2 Bond and Etch-back SOI (BESOI) __________________________________ 23 1.4 Silicon Epitaxial Growth __________________________________________ 25 1.5 Fabrication of surface etched features ________________________________ 25 1.4 Silicon-on-insulator waveguide structure used for MDM functionality _____________28 1.3 Asymmetric Y-junction waveguide. MODE DIVISION MULTIPLEXER BASED ON ASYMMETRIC DIRECTIONAL COUPLER _______________________________________________ 44 2.1 Two mode division (De)multiplexer based on an MZI asymmetric silicon waveguide _45 2.1 Design and structural optimization __________________________________ 45 2.2 Simulation and performance analysis ________________________________ 49 2.1 Cascaded N x N general interference MMI analysis _____________________________54 3.2 Three-mode division (De)multiplexer based on a trident coupler and two cascaded 3×3 MMI silicon waveguides _______________________________________________________56 3.1 Design and structural optimization __________________________________ 56 3.2 Simulation and performance analysis ________________________________ 64 3.

MODE DIVISION MULTIPLEXER BASED ON TILT BRANCHED BUS STRUCTURE SILICON WAVEGUIDE.1 Three-mode multiplexed device based on tilt branched bus structure using silicon waveguide __________________________________________________________________70 4.1 Design and structural optimization __________________________________ 70 4.2 Simulation and performance analysis ________________________________ 74 iii luan an 4.2 Four-mode multiplexed device based on tilt branched bus structure using silicon waveguide __________________________________________________________________78 4.1 Design and structural optimization __________________________________ 78 4.2 Simulation and performance analysis ________________________________ 83 4.3 Proposal of experimental diagram ___________________________________ 85 4.3 Conclusion _______________________________________________________________89 DISSERTATION CONCLUSION AND FUTURE WORKS _____________________ 92 PUBLICATIONS DURING PHD COURSE __________________________________ 94 UNDER REVIEW PAPER ________________________________________________ 94 PUBLICATIONS BEFORE PHD COURSE __________________________________ 94 REFERENCE __________________________________________________________ 95 iv luan an Abbreviation ADC Asymmetric Directional Coupler AON All Optical Network BESOI Bond and Etch-back SOI BER Bit Error Rate BPM Beam Propagation Method CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor Cr.T Cross talk CMP Chemical Mechanical Polishing CVD Chemical Vapor Deposition CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing DC Directional Coupler DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing DUT Device Under Test DUV Deep Ultra Violet EBL Electron Beam Lithography EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier EIM Effective Index Method EME Eigenmode Expansion EMS Eigenvalue Mode Solver FD-BPM Finite Difference Beam Propagation Method FDM Finite Difference Method FDTD Finite Difference Time Domain FFT-BPM Fast Fourier Transform Beam Propagation Method FTTH Fiber to the Home GI General Interference I.L Insertion Loss v luan an LER Line Edge Roughness MDM Mode Division Multiplexing MMI Multimode Interference MPA Mode Propagation Analysis MZI Mach-Zehnder Interferometer OEICs Opto-electronic Integrated Circuits ONU Optical Network Unit OOK On-off Keying Signals PDM Polarization Division Multiplexing PECVD Plasma-enhanced chemical vapor deposition PICs Planar Integrated Circuits PMMA Polymethyl Methacrylate PLCs Planar Lightwave Circuits PON Passive Optical Network RI Restricted Interference SI Symmetric Interference SDM Spatial Mode Division Multiplexing SIMOX Separation by Implanted Oxygen SOI Silicon on Insulator TBC Transparent Boundary Condition TE Transverse Electric TEM Transverse Electromagnetic TM Transverse Magnetic WDM Wavelength Division Multiplexing XPM Cross Phase Modulation vi luan an List of Tables Table 1.1 Summary of different MMI types’ properties .1 Comparison of our proposed designs based on ADC with others designs having similar structure.1 Comparison of our proposed designs based on MMI with others designs having similar structure.1 Comparison of our proposed designs based on branch bus structure with others designs having similar structure. 90 vii luan an List of Figures Fig 1. Set up initial parameters of SOI waveguide and simulation method in RSoft 4 Fig 2. Pathway monitoring power at each output port of a design .1 Schematic of non-planar optical waveguides.

High index is indicated by darker color.2 Schematic of SOI waveguide .3 Schematic of SOI Rib waveguide .1 Scheme of the effective index method for solving the propagation constant of a step-index channel waveguide. Starting from a 2D waveguide, the problem is split into two step-index planar waveguides .2 The cross-section of the waveguide is made discrete with a rectangular grid of points which have identical spacing.3 Comparison between FD-BPM (left) and FFT-BPM (right) simulation. FD-BPM under TBC gives better simulation result as the simulated wave is smoother .4 Comparison between FD-BPM simulation time depending on computed step of grid size 0.05μm (a) verse grid size 0.1 Variation of the oxygen profile during the SIMOX process. (a) Low-dose; (b) high-dose (peak is at the stoichiometric limit for SiO2); and (c) after implantation and annealing at 1300oC for several hours .2 The bond and etch-back process to form BESOI: (a) oxidation; (b) bonding; and (c) thinning.

(b) A second wafer is bonded to the first as in the BESOI process. (c) Thermal processing splits the implanted wafer at a point consistent with the range of the hydrogen ions .4 (a) Schematic of a silicon rib waveguide. (b) Electron micrograph of a silicon rib waveguide. Reproduced by permission of Intel Corporation .5 Schematic of a confined AC-generated plasma suitable for silicon processing.

The processed wafer in placed on the lower, grounded electrode .1 Directional coupler consisting of slab optical waveguide .2 Periodic exchange of power between waveguide 1 and 2 .3 Simulation of periodic exchange of power between waveguide 1 and 2 using BPM .4 Power transfer ratio verse phase mismatch parameter ∆𝛽𝐿𝑜 .5 The schematic configuration of MMI waveguide .6 Two-dimensional representation of a MMI waveguide .7 Power distribution of GI-MMI with 𝐿 = 3𝐿𝜋 (left), 𝐿 = 3𝐿𝜋/2 (middle), 𝐿 = 3𝐿𝜋/3 (right) using FD-BPM simulation. 38 viii luan an Fig 1.8 Power distribution of 2x2 PI-MMI, input access waveguide is at ±𝑊/6 with 𝐿 = 𝐿𝜋/2 (left), 𝐿 = 𝐿𝜋 (right) using FD-BPM simulation.9 Power distribution of SI-MMI showing 1-to-3-way splitting (left) and 1- to-1 imaging (right) having same length and different width using FD-BPM simulation.10 Oscillating field pass through boundary between two isotropic media .11 Schematic structure of tilt branch bus waveguide .1 Schematic of the mode synthesizer based silicon waveguide.2 BPM simulation for the height of waveguides of the asymmetric directional .3 BPM simulation for power ratio as a function of the waveguide height.4 Transmission characteristic of on dependence of the coupling length of the asymmetric directional coupler by BPM simulation. Electric field patterns for the mode (de)MUXer.6 Wavelength response of the mode DMUXer in the C-band.7 1-nm-wavelength spectrum in the side of mode multiplexer.8 Crosstalk of the modes in the structure for MUXer and deMUXer devices as a function of the etched depth tolerance: H=h1=500 nm.9 Sidewall roughness loss calculation for two modes and two polarization states of the waveguide in two cases: a) σ = 2 nm, Lcor = 50 µm and b) σ = 0.1 Schematic of cascade NxN GI MMI used for switching optical signal….1 Proposed schematic of a three mode (de)multiplexer based on a trident coupler and two multimode interference couplers on the platform of silicon on insulator waveguides.2 Schematic diagram and transmittance properties of the trident coupler: a) schematic diagram and b) BPM simulation for transmittance properties of the trident coupler as a function of the length of the sinusoidal .3 BPM simulation for the phase angle Φ is a function of the central width of the phase shifter.4 Electric field patterns of the proposed three - mode (de)MUXer for: fundamental mode (a), first-order mode (b), second-order mode (c), and total of three modes (d).5 Performances dependence on the wavelength of the proposed three mode- (de)MUXer: (a) insertion loss and (b) crosstalk.6 Influence of branching angles of the trident coupler on optical performances of the proposed (de)MUXer: a) insertion loss, and b) crosstalk.7 Fabrication tolerances of the proposed (de)MUXer: a) length tolerance of the second MMI coupler LMMI2, and b) width tolerance of the input width W0.8 Insertion loss and crosstalk in the proposed structure for three mode - (de)MUXer device as functions of the etched depth tolerance. 1 The proposed design of the three-mode channel separation device.

71 ix luan an Fig 4.2 Dependence of effective index of the main bus waveguide on variation of the main waveguide width Wm at the height h of 220 nm .3 The results of transmission characteristic of proposed device at the first tilted waveguide as a function of the width Wa (nm), which passively affects the mode selective coupling coefficients.4 The results of transmission characteristic of proposed device at the second tilted waveguide as a function of the width Wa (nm), which passively affects the mode selective coupling coefficients.5 Simulated electric field patterns for the proposed three mode (de)multiplexer for: fundamental mode (a), first-order mode (b), second-order mode (c).6 The characteristic optical performance of the device depends on the wavelength, showing the I.T of each three mode outputs.7 Variation of optical transmission performance of the proposed waveguide depended on width tolerance ΔW (nm).8 Variation of optical transmission performance of the proposed waveguide depended on height tolerance Δh (nm).

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Trích dẫn luận án này

Tran Tuan Anh (2020). Luận án thiết kế mạch tích hợp quang băng rộng đa mode [Luận án tiến sĩ, Hanoi University of Science and Technology]. LuanAn.net. https://luanan.net/ky-thuat-dien-dien-tu/ky-thuat-dien-tu/luan-an-thiet-ke-mach-tich-hop-quang-bang-rong-da-mode

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Luận án thiết kế mạch tích hợp quang băng rộng đa mode" nghiên cứu về vấn đề gì?

Luận án tiến sĩ về mạch tích hợp quang băng rộng chuyển đổi mode. Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và tách ghép cho ứng dụng quang tích hợp tiên tiến.

Luận án "Luận án thiết kế mạch tích hợp quang băng rộng đa mode" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại Hanoi University of Science and Technology. Năm bảo vệ: 2020.

Luận án "Luận án thiết kế mạch tích hợp quang băng rộng đa mode" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Luận án thiết kế mạch tích hợp quang băng rộng đa mode" thuộc chuyên ngành Telecommunications Engineering. Danh mục: Kỹ Thuật Điện Tử.

Luận án "Luận án thiết kế mạch tích hợp quang băng rộng đa mode" có bao nhiêu trang?

Luận án "Luận án thiết kế mạch tích hợp quang băng rộng đa mode" có 117 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Luận án thiết kế mạch tích hợp quang băng rộng đa mode" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter