THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐA CHỨC NĂNG QUANG DỰA TRÊN BỘ GHÉP GIAO THOA ĐA MODE SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SILICON LÊ TRUNG THÀNH Bộ môn Kỹ thuật Viễn thông Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Trong bài báo này, chúng tôi đưa ra một phương pháp mới thiết kế thiết bị quang đa chức năng sử dụng bộ ghép giao thoa đa mode 3x3 MMI (multimode interference). Các bộ chia-ghép tín hiệu quang, các cổng OR, NOT, Ex-OR và NAND quang được thiết kế trên công nghệ Silicon. Summary: Design of a multifunctional device based on a 3x3 multimode interference coupler is proposed in this paper. The device can perform a variety of functions, such as optical splitters, optical combiner, optical OR, NOT, Ex-OR, and NAND gates. By using the transfer matrix method along with the help of beam propagation method (BPM), the design and analysis of the device are given in detail. Such a device can be a promising building block for photonic signal processing applications. ĐT I. ĐẶT VẤN ĐỀ Xử lý tín hiệu quang trong các hệ thống thông tin quang tốc độ cao là một yêu cầu rất bức thiết. Hầu hết các thiết bị xử lý tín hiệu toàn quang được thiết kế cho đến nay sử dụng hiệu ứng phi tuyến sợi quang. Nhược điểm của phương pháp này là kích thước thiết bị lớn và yêu cầu công suất cao, nên không phù hợp cho mạch tích hợp quang [1]. Gần đây các thiết bị quang tích hợp đã được chế tạo trên công nghệ silicon [2]. Ưu điểm của silicon quang là cho phép sử dụng công nghệ chế tạo mạch vi điện tử đã phát triển từ lâu nên giảm giá thành và có khả năng cho tích hợp trong chế tạo thiết bị. Hơn nữa với các ưu điểm như kích thước nhỏ, sai số chế tạo cao, dễ dàng trong việc tích hợp để xây dựng thành mạch quang tích hợp phưc tạp, các thiết bị quang sử dụng bộ ghép giao thoa đa mode MMI đang được nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãi. Một số thiết bị quang như bộ ghép kênh quang, bộ ghép quang, bộ điều chế quang, v.v… đã được chế tạo sử dụng thiết bị MMI [3]. Trong bài báo này, lần đầu tiên chúng tôi đưa ra phương pháp thiết kế các cổng logic quang sử dụng bộ ghép giao thoa 3x3 MMI trên công nghệ silicon. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị được phân tích lý thuyết bằng phương pháp ma trận truyền dẫn. Mô phỏng số sau đó được sử dụng để kiểm tra hoạt động và tối ưu hóa kích thước của thiết bị. II. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG Hình 1 là cấu trúc của thiết bị 3x3 MMI được thiết kế trên công nghệ silicon gồm có 3 cổng đầu vào và 3 cổng đầu ra đểu là ống dẫn sóng quang đơn mode. Miền có kích thước rộng hơn hỗ trợ đa mode nằm giữa các cổng đẩu vào-ra gọi là miền đa mode (MMI). Hình 1. Cấu trúc thiết bị 3x3 MMI Trong miền MMI, trường điện thỏa mãn phương trình truyền sóng )z,y,x(ψ ψβ=+ ∂ ψ∂ + ∂ ψ∂ 22 0 2 2 2 2 )]y(,nk[ yx (1) trong đó k 0 = 2π/λ, β là hằng số truyền lan, n (x, y) là phân bố chiết suất tại vị trí (x, y) và λ là bước sóng hoạt động. Lý thuyết chỉ ra rằng, trường điện tại vị trí L, )Lz,y,x( 0 + ψ có thể được lặp lại một hay nhiều của trường điện đẩu vào nếu như chiểu dài L được chọn thích hợp [4]. Với thiết bị 3 x 3 MMI sử dụng giao thoa tổng quát, nếu chọn L = L )z,y,x( 0 ψ π , trong đó 10 L β−β π = π là chiểu dài phách của hai mode bậc thấp nhất, thì 3 ảnh trường điện của một trong 3 cổng đầu vào sẽ được lặp lại tại vị trí z = L. ĐT Quan hệ giữa tín hiệu phức đầu vào và ra lúc này được mô tả bằng phương trình ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −− − −− = ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ π−π− π−π− π−π− 3 2 1 3/2j3/2j 3/2j3/2j 3/2j3/2j 3 2 1 a a a ee1 e1e 1ee 3 1 b b b (2) Ở đây b j (j = 1, 2, 3) và a i (i = 1, 2, 3) là các biên độ tín hiệu phức đầu ra và đẩu vào các cổng 3 x 3 MMI. Vì vậy, nếu như thông tin tại các cổng đầu vào và đầu ra của thiết bị được mã hóa biên độ, biên độ và pha của tín hiệu tại các cổng đầu vào có thể được điểu khiển để khi chúng được kết hợp tại các cổng đầu ra mưc logic yêu cầu đạt được. Tiếp theo, thiết bị được thiết kế trên công nghệ silicon và phương pháp mô phỏng 3D - BPM (beam propagation method) được sử dụng để tối ưu hóa hoạt động của thiết bị. Cấu trúc của ống dẫn sóng sử dụng công nghệ silicon quang được chỉ ra trên hình 2. Các tham số dung trong mô phỏng như sau: chiết suất silicon 455.3n Si = , chiết suất võ ống dẫn sóng , chiều rộng của miền MMI W 46.1n 2 SiO = MMI = 6µm, chiếu cao của miền dẫn sóng h co = 220nm và kích thước ống dẫn sóng đơn mode W access = 0.5µm. Bước sóng hoạt động nm1550 = λ Hình 2. Cấu trúc ống dẫn sóng trên công nghệ silicon Từ (2), biên độ phức tín hiệu tại 3 cổng đầu ra được viết lại như sau )aeaea( 3 1 b )aeaae( 3 1 b )aaeae( 3 1 b 3 3 2 j 2 3 2 j 13 3 3 2 j 21 3 2 j 2 32 3 2 j 1 3 2 j 1 π − π − π − π − π − π − −+−= +−= −+−= (3) Do vậy, thiết bị thực hiện chức năng của một bộ tách tín hiệu quang tại chiều dài L = L π = 95µm như được chỉ ra trên hình 3. ĐT Hình 3. Bộ chia công suất quang, tín hiệu vào tại cổng 1 và cổng 2 Trong trường hợp cả hai cổng 1 và 2 được sử dụng như một cổng đầu vào của thiết bị 2 cổng, thiết bị thực hiện chức năng như một cổng Ex-OR logic quang tại cổng đầu ra 1. Bảng logic và kết quả mô phỏng số được vẽ trên hình 4 dưới đây. H ình 4. Kết quả mô phỏng BPM với tín hiệu vào cổng 1 và 2 Bảng 1. cổng logic Ex-OR a 1 a 2 b 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Bằng cách thay đổi biên độ và pha của các tín hiệu tại các cổng đầu vào, cổng logic NAND quang có thể đạt được. Lấy ví dụ, nếu biên độ của ba tín hiệu vào được thay đổi theo tỷ lệ và pha của tín hiệu vào tại cổng 1 được dịch pha 1:2:1a:a:a 321 = 3/2 π − so với hai cổng còn lại thì cổng NAND quang đạt được tại cổng đầu ra 3. Kết quả mô phỏng BPM được chỉ ra trên hình 5 dưới đây. ĐT Hình 5. Kết quả mô phỏng BPM cổng NAND quang dựa trên 3x3 MMI III. KẾT LUẬN Bài báo đề xuất một phương pháp mới thiết kế thiết bị quang đa chức năng sử dụng bộ ghép giao thoa đa mode 3x3 MMI trên công nghệ silicon. Các bộ chia ghép quang, các cổng logic quang Ex-OR, OR, và NAND đã được thiết kế chỉ sử dụng một cấu trúc thiết bị. Thiết bị trên có thể được ghép nối để xây dựng một mạch xử lý tín hiệu quang phức tạp hơn và ứng dụng vào mạng quang tốc độ cao trong tương lai. Tài liệu tham khảo [1]. Zeev Zalevsky, Arkady Rudnitsky, and Menachem Nathan, Nano photonic and ultra fast all-optical processing modules. Optics Express, vol.13(25), p. 10272-10284, 2005. [2]. Zhangjian Li, Zhiwen Chen, and Baojun Li, Optical pulse controlled all-optical logic gates in SiGe/Si multimode interference. Optics Express, vol.13(3), p. 1033-1038, 2005 [3]. Laurence W Cahill and Thanh T Le, Photonic Signal Processing using MMI Elements. 10th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON 2008), 2008. [4]. M. Bachmann, P. A. Besse, and H. Melchior, General self-imaging properties in N x N multimode interference couplers including phase relations. Applied Optics, vol.33(18), p. 3905-, 1994♦ . thiết kế thiết bị quang đa chức năng sử dụng bộ ghép giao thoa đa mode 3x3 MMI trên công nghệ silicon. Các bộ chia ghép quang, các cổng logic quang Ex-OR, OR, và NAND đã được thiết kế chỉ sử. mới thiết kế thiết bị quang đa chức năng sử dụng bộ ghép giao thoa đa mode 3x3 MMI (multimode interference). Các bộ chia -ghép tín hiệu quang, các cổng OR, NOT, Ex-OR và NAND quang được thiết kế. mạch quang tích hợp phưc tạp, các thiết bị quang sử dụng bộ ghép giao thoa đa mode MMI đang được nghiên cứu và ứng dụng rất rộng rãi. Một số thiết bị quang như bộ ghép kênh quang, bộ ghép quang,