BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯƠNG CAO DŨNG NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ CÁC MẠCH TÍCH HỢP GIAO THOA ĐA MODE DÙNG TRONG MẠNG TOÀN QUANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯƠNG CAO DŨNG NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN 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: GS TS Trần Đức Hân PGS.TS Lê Trung Thành LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận án thành nghiên cứu thân suốt thời gian làm nghiên cứu sinh chưa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt xác trung thực Tác giả luận án Trương Cao Dũng LỜI CẢM ƠN Đầu tiên hết, xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến tập thể hướng dẫn khoa học: GS TS Trần Đức Hân PGS.TS Lê Trung Thành, người không hướng dẫn trực tiếp mặt khoa học mà hỗ trợ mặt để tơi hồn thành luận án sau ba năm làm nghiên cứu sinh Tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Hoàng Vũ Chung –Viện Hàn lâm khoa học Việt Nam, người đưa đến cho tư vấn hiệu vấn đề công nghệ chế tạo ống dẫn sóng với hỗ trợ chun mơn suốt thời gian nghiên cứu vừa qua Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến em Trần Tuấn Anh – Sinh viên K54, Đại học Bách Khoa Hà Nội – người có đóng góp đắc lực, hỗ trợ tính tốn cho nghiên cứu khoa học tơi Qua đây, tơi bày tỏ lịng biết ơn đến Viện Điện tử-Viễn thông Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho q trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, tơi dành lời u thương đến gia đình tơi: bố mẹ, anh chị đặc biệt vợ Vũ Vân Anh gái Trương Khánh Chi Sự động viên, giúp đỡ hi sinh, nhẫn nại họ động lực mạnh mẽ giúp vượt qua khó khăn để hồn thành luận án Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả luận án Trương Cao Dũng Mục lục Danh mục thuật ngữ viết tắt AON All Optical Network Mạng toàn quang AWG Arrayed Waveguide Grating Cách tử ống dẫn sóng xếp mảng BPM Beam Propagation Method Phương pháp truyền chùm CMOS Complementary Semiconductor COM Complementary Operator Method Phương pháp toán tử bù Cr.T Crosstalk Xuyên nhiễu DC Directional Coupler Bộ ghép định hướng Metal Oxide Bán dẫn xít kim loại bù DWDM Dense Wavelength Multiplexing Division Ghép kênh phân chia bước sóng mật độ cao E.L Excess Loss Suy hao vượt qua EBL Electron beam lithography Quang khắc 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 Propagation Method 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 Propagation Method FTTH Fiber to the home FV-BPM Full vectorial Beam Propagation Phương pháp truyền chùm véc tơ đầy Method 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 MEIM Modified Effective Index Method MEMS Mechanic-electronic micro switch Phương pháp hệ số chiết suất hiệu dụng hiệu chỉnh Chuyển mạch vi 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 Beam Phương pháp truyền chùm sai phân hữu hạn Beam Phương pháp truyền chùm biến đổi Fourier nhanh Cáp quang đến tận nhà PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động RI Restrict Interference Giao thoa hạn chế RIE Reactive ion etching Phương pháp khắc chùm ion SI Symetric Interference Giao thoa đối xứng SOI Silicon on Insulator Silic chất cách điện SV BPM Semi-vectorial Beam Propagation Phương pháp truyền chùm bán véc tơ Method TBC Transparent Boundary Condition Điều kiện biên 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 Phương pháp truyền chùm góc rộng Method WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia bước sóng Danh mục ký hiệu nc Chiết suất lớp vỏ ống dẫn sóng ns Chiết suất lớp đế (hay lớp nền) ống dẫn sóng We Chiều rộng hiệu dụng ghép đa mode LMMI Chiều dài ghép giao thoa đa mode Lπ Nửa chiều dài phách ghép đa mode Pin Công suất đầu vào ống dẫn sóng Pout Cơng suất đầu ống dẫn sóng Pd Cơng suất ống dẫn sóng đầu mong muốn Pu (tot ) Tổng công suất từ ống dẫn sóng đầu khơng mong muốn Tổng cơng suất từ bước sóng đầu vào khơng mong muốn đưa đến cổng đầu mong muốn Pλ (tot ) Hệ số mũ trạng thái phân cực σ =0 với mode TE σ σ =1 với mode TM cν Hệ số biên độ mode thứ ν ν ϕ Thứ tự mode 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 truyền ống dẫn sóng (để phản xạ tồn phần ống dẫn sóng) λ Bước sóng hoạt động ống dẫn sóng nr (hoặc WMMI nf ) Chiết suất lớp lõi ống dẫn sóng Chiều rộng ghép giao thoa đa mode Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu 10 [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] Babicheva, V E., “Ultra-compact plasmonic waveguide modulators,” no October, 2013 Bachmann, M., P A Besse, and H Melchior, “General self-imaging properties in N × N multimode interference couplers including phase relations.,” Appl Opt., vol 33, no 18, pp 3905–3911, 1994 Bachmann, M., P a Besse, and H Melchior, “Overlapping-image multimode interference couplers with a reduced number of self-images for uniform and nonuniform power splitting.,” Appl Opt., vol 34, no 30, pp 6898–910, Oct 1995 Bahrami, A., S Mohammadnejad, and A Rostami, “All-Optical Multi-Mode Interference Switch Using Non-Linear Directional Coupler as a Passive Phase Shifter,” Fiber Integr Opt., vol 30, no 3, pp 139–150, Jun 2011 Barnes, W L., “Surface plasmon–polariton length scales: a route to sub-wavelength optics,” J Opt A Pure Appl Opt., vol 8, no 4, pp S87–S93, Apr 2006 Barnes, W L., A Dereux, and T W Ebbesen, “Surface plasmon subwavelength optics,” Nature, vol 424, no August, pp 824–830, 2003 Barwicz, T., M R Watts, M A Popović, P T Rakich, L Socci, F X Kärtner, E P Ippen, and H I Smith, “Polarization-transparent microphotonic devices in the strong confinement limit,” Nat Photonics, vol 1, no 1, pp 57–60, Jan 2007 Besse, P A., E Gini, M Bachmann, and H Melchior, “New x and 1x3 ultimode Interfere with Free Selection of Power Splitting Ratios,” J Light Technol., vol 14, no 10, pp 2286–2293, 1996 Bickel, N and P LiKamWa, “2×2 Quantum Dot Based Switching Device Employing Multimode Interference Effects,” Proc SPIE, vol 7339, p 73390A, 2009 Bidnyk, S., D Feng, A Balakrishnan, M Pearson, M Gao, H Liang, W Qian, C.C Kung, J Fong, J Yin, and M Asghari, “SOI waveguide based planar reflective grating demultiplexer for FTTH,” Proc SPIE, vol 6477, p 64770F–64770F–6, 2007 Bock, P J., P Cheben, D.-X Xu, S Janz, and T J Hall, “Mirror cavity MMI coupled photonic wire resonator in SOI.,” Opt Express, vol 15, no 21, pp 13907– 12, Oct 2007 Bogaerts, W., P Dumon, D Van Thourhout, and R Baets, “Low-loss, low-cross-talk crossings for silicon-on-insulator nanophotonic waveguides,” Opt Lett., vol 32, no 19, pp 2801–3, Oct 2007 Bogaerts, W., S K Selvaraja, P Dumon, J Brouckaert, K De Vos, D Van Thourhout, and R Baets, “Silicon-on-Insulator Spectral Filters Fabricated With CMOS Technology,” IEEE J Sel Top Quantum Electron., vol 16, no 1, pp 33–44, 2010 Bryngdahl, O., “Image formation using self-imaging techniques*,” J Opt Soc Am., vol 63, no 4, pp 416–419, 1973 Cahill, L., “Optical Switching Using Cascaded Generalised Mach-Zehnder Switches,” TENCON 2005 - 2005 IEEE Reg 10 Conf., pp 1–5, Nov 2005 Chang, H.-H., Y Kuo, R Jones, A Barkai, and J E Bowers, “Integrated hybrid 119 [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] silicon triplexer,” Opt Express, vol 18, no 23, pp 23891–9, Nov 2010 Chen, H., Y Xu, J He, and Z Hong, “A polarization splitter based on self-imaging phenomena in an anisotropic photonic crystal with an absolute photonic band gap,” Opt Commun., vol 282, no 17, pp 3626–3629, Sep 2009 Chheang, V., T Lee, G Oh, H Kim, B Lee, D G Kim, and Y Choi, “Compact polarizing beam splitter based on a metal-insulator-metal inserted into multimode interference coupler,” Opt Express, vol 21, no 18, pp 2384–2386, 2013 Chiang, J., N Sun, S Member, and S Lin, “Analysis of an Ultrashort PCF-Based Polarization Splitter,” J Light Technol., vol 28, no 5, pp 707–713, 2010 Chiang, K S., “Performance of the effective-index method for the analysis of dielectric waveguides,” Opt Lett., vol 16, no 10, p 714, 1991 Correia, D., S Member, J P Silva, and S Member, “Genetic Algorithm and FiniteElement Design of Short Single-Section Passive Polarization Converter,” IEEE Photonics Technol Lett., vol 15, no 7, pp 915–917, 2003 Crank, J and P Nicolson, “A practical method for numerical evaluation of solutions of partial differential equations of the heat-conduction type,” Math Proc Cambridge Philos Soc., vol 43, no 01, pp 50–67, 1947 Culverhouse, D O., T A Birks, S G Farwell, and P S J Russell, “3x3 All-Fiber Routing Switch,” IEEE Photonics Technol Lett., vol 9, no 3, pp 333–335, Mar 1997 Dai, D and J E Bowers, “Novel ultra-short and ultra-broadband polarization beam splitter based on a bent directional coupler.,” Opt Express, vol 19, no 19, pp 18614–20, Sep 2011 Dai, D., S Liu, S He, S Member, and Q Zhou, “Optimal Design of an MMI Coupler for Broadening the Spectral Response of an AWG Demultiplexer,” J Light Technol., vol 20, no 11, pp 1957–1961, 2002 Danaie, M and H Kaatuzian, “Improvement of power coupling in a nonlinear photonic crystal directional coupler switch,” Photonics Nanostructures Fundam Appl., vol 9, no 1, pp 70–81, 2011 Decorby, R., H Nguyen, P Dwivedi, and T Clement, “Planar omnidirectional reflectors in chalcogenide glass and polymer.,” Opt Express, vol 13, no 16, pp 6228–33, Aug 2005 Dennis, M R., N I Zheludev, and F J García de Abajo, “The plasmon Talbot effect,” Opt Express, vol 15, no 15, pp 9692–700, Jul 2007 Doerr, C R., M Cappuzzo, L Gomez, E Chen, A Wong-Foy, C Ho, J Lam, and K McGreer, “Planar lightwave circuit eight-channel CWDM multiplexer with