Thiết kế và tối ưu mô phỏng số một cấu trúc phân chia 3 db đồng thời ba mode dựa trên cấu trúc tiếp giáp chữ ψ sử dụng ống dẫn sóng quang tử silic

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

Thiết kế và tối ưu mô phỏng số một cấu trúc phân chia 3-dB
đồng thời ba mode dựa trên cấu trúc tiếp giáp chữ ψ sử dụng
ống dẫn sóng quang tử silic
Trương Cao Dũng1, Nguyễn Thị Hằng Duy1

Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thông
Email: ,
1

Abstract – Trong bài báo này, chúng tơi trình bày một thiết
kế mơ phỏng số của vi mạch quang tử chia công suất 1:2 với tỷ
lệ 50:50 đều nhau cho cả ba mode đồng thời. Cấu trúc được đề
xuất thiết kế dựa trên nền tảng vật liệu SOI với phiến có độ
dày lớp silic là 220nm theo tiêu chuẩn của cơng nghệ chế tạo vi
mạch VLSI. Tồn bộ cấu trúc hình học được tối ưu hóa và
đánh giá hiệu năng quang học được thực hiện qua phương
pháp mô phỏng số 3D-BPM. Kết quả mô phỏng cho thấy cấu
trúc đề xuất có suy hao chèn I.L thấp với sự biến động nhỏ hơn
5dB trong khoảng rộng 100nm. Bên cạnh đó, cấu trúc đề xuất
có dung sai tương đối cao tương ứng với mức dung sai theo
chiều rộng và chiều cao đạt được là ΔW=20nm và Δh= 10nm
với sự thăng giáng của I.L khơng vượt q 1.5dB. Tồn bộ cấu
trúc chỉ tiêu tốn khơng gian tích hợp nhỏ 10μm50μm. Những
ưu điểm về hiệu năng quang học do đó đưa đến tiềm năng hứa
hẹn của vi mạch quang trong các ứng dụng để xây dựng các
thành phần xử lý chức năng đa dạng của vi mạch tích hợp
quang tử cỡ lớn cũng như công nghệ ghép kênh phân chia theo
mode (MDM) băng rộng.
Keywords – bộ chia 3dB, ba mode đồng thời, tiếp giáp chữ Ψ,

ống dẫn sóng, quang tử silic, cơng nghệ MDM.

Hình 1. Cấu trúc của vi mạch quang tử phân chia 3-dB cho ba
mode dựa trên vật liệu SOI và ống dẫn sóng dạng kênh: (a)
hình chiếu bằng, (b) hình chiếu cạnh.

I.GIỚI THIỆU
Gần đây, kỹ thuật ghép kênh phân chia đa mode MDM
(mode division multiplexing) [1], [2] được coi là một giải
pháp triển vọng, cùng với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo
bước sóng (WDM) để tăng dung lượng băng thơng, do đó
có khả năng phá vỡ quy tắc giới hạn định lý thông tin của
Shanon [3], [4]. Do đó, việc xem xét một hệ thống truyền
dẫn bao gồm N mode trên mỗi bước sóng trong hệ thống
truyền dẫn MDM kết hợp với M bước sóng trong hệ thống
truyền dẫn WDM sẽ có tổng dung lượng N × M lần so với
một kênh đơn vị [5]–[7]. Với sự gia tăng liên tục và đáng kể
về nhu cầu dữ liệu, việc tích hợp mật độ cao các thành phần
quang tử silic có ý nghĩa quan trọng về giá thấp, mức tiêu
thụ điện năng thấp và hiệu suất cao. Các thiết bị trong một
hệ thống lai MDM-WDM được áp dụng để đạt được các
chức năng đa dạng và là các khối chính để xây dựng hệ
thống MDM ở quy mơ chip dựa trên nền tảng silicon trên
chất cách điện (SOI). Một số hệ thống MDM-WDM đã
chứng minh thực tế rằng mode được dẫn (guided mode)
được coi là kênh truyền dẫn độc lập trong các hệ thống thông
tin quang, nhất là ứng dụng trong các hệ thống trung tâm dữ
liệu hay là hệ thống thông tin quang truy nhập khoảng cách
ngắn [8], [9].
Trong một hệ thống thông tin quang, bộ công suất 50:50

hay cịn được gọi là bộ chia 3-dB đóng một vai trị quan
trọng. Chúng ta có thể tìm thấy vai trò của mạch phân chia
3-dB trong các cơ cấu điều chế biên độ hay điều chế đa mức
[10]–[12], chuyển mạch quang trong cấu hình 12 bằng
cách kết hợp giao thoa trong cấu hình ghép định hướng hay

ISBN 978-604-80-7468-5

cấu hình giao thoa Mach-Zehnder (MZI) [13], cơ cấu
chuyển mạch bảo vệ đường quang theo cấu hình 1:1(cấu
hình hot-standy) hay 1+1 (chuyển mạch chọn lọc thu) [14],
các cơ cấu chuyển đổi mức lượng tử. Các bộ ghép định
hướng [15],[16], giao thoa đa mode [17], các bộ ghép đoạn
nhiệt (adiabatic coupler) [17],[18] là ba dạng cơ bản điển
hình của của các bộ chia 3-dB quang.
Tuy nhiên, các bộ phân chia đã được đề xuất chỉ hỗ trợ
hoạt động cho hầu hết là các tín hiệu quang đơn mode. Trong
bài báo này, chúng tơi đề xuất một thiết kế cho bộ phân chia
3-dB cho ba mode dẫn trong ống dẫn sóng dựa trên quang
tử silic. Nghiên cứu được thiết kế trên nền tảng vật liệu SOI
tương thích cơng nghệ chế tạo vi mạch CMOS. Tồn bộ tiến
trình tối ưu hóa, đánh giá đặc tính quang học đều được thực
hiện thông qua mô phỏng số 3D-BPM.
II. THIẾT KẾ CẤU TRÚC VÀ PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG
A. Mô tả cấu trúc và nguyên lý hoạt động chung
Sơ đồ cấu trúc của cấu kiện quang tử phân chia 3-dB ba
mode dẫn trong ống dẫn sóng quang được mơ tả như Hình1.
Cấu trúc ống dẫn sóng gồm một cấu trúc các ống dẫn sóng
theo cấu hình 1:2 đối xứng. Cơ cấu này bao gồm một nhánh
ống dẫn sóng đầu vào theo kiểu tiếp giáp hình chữ Ψ (Ψjunction coupler) kiểu mũi đinh ba với phần gốc là ống dẫn

sóng đa mode hỗ trợ hoạt động của ba mode theo phân cực
TE (transverse electric) với độ rộng gốc (stem width) là Ws.
Cấu trúc được thiết kế gồm ba cơ cấu tiếp giáp hình chữ Ψ

399


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022)

Hình 2. Đặc tính phân bố điện trường và đặc tính quang theo
đáp ứng bước sóng khi truyền qua tiếp giáp chữ Ψ: (a,d) cho
mode TE0, (b,e) cho mode TE1 và (c,f) cho mode TE2.

với kích thước như nhau với một trong số đó là đầu vào và
hai trong số đó được dùng cho hai nhánh đầu ra. Cấu kiện
sử dụng ba tiếp giáp hình chữ Y (Tiếp giáp chữ Y coupler)
để chia nhánh và 3 bộ ghép theo cơ chế giao thoa đa mode
cấu hình 22, được gọi là các bộ ghép 22 MMI
(multimode interference coupler) có chiều dài ký hiệu là
LMMI luôn bằng ba lần chiều dài phách (ký hiệu là 3Lπ). Thiết
bị quang được thiết kế sử dụng hai bộ dịch pha (phase
shifter) với góc dịch pha cần thiết là π để tạo ra cơ chế kết
hợp tín hiệu quang thích hợp nhằm tạo dạng lại cả ba mode
như mong muốn nhưng với tỷ lệ phân chia công suất là
50:50. Lõi của ống dẫn sóng sử dụng vật liệu silic (Si), lớp
vỏ thủy tinh silic (SiO2) và được thiết kế để hoạt động cho
ba mode TE với bước sóng trung tâm hoạt động là
λ=1550nm. Cấu trúc ống dẫn sóng như vậy được ứng dụng
như là tiêu chuẩn trong thiết kế cơng nghiệp của các thiết bị,
vi mạch tích hợp quang tử hiện đại ngày nay. Điều này là

bởi hai lý do: thứ nhất chúng được sử dụng từ một tấm SOI
(silicon-on-insulator wafer) tiêu chuẩn với bề dày 220-nm
được sử dụng trong công nghiệp chế tạo vi mạch điện tử để
sản xuất các chip vi mạch VLSI; thứ hai là với bề dày
220nm, các mode quang tử chỉ dẫn được đa mode theo
phương chiều rộng (không thể dẫn các mode bậc cao mà
phân chia theo chiều cao của lớp lõi silic) đối với phân cực
TE và phổ bước sóng hoạt động 1550nm. Do đó, trong thiết
kế quang tử, người ta sử dụng các ống dẫn sóng làm từ các
phiến SOI tiêu chuẩn (220nm-thickness). Trong thiết kế này,
thiết bị phân chia mode quang được thiết kế theo dạng ống
dẫn sóng dạng kênh (để dễ chế tạo mặt nạ cho quá trình sản
xuất) với lớp lõi silic và lớp vỏ thủy tinh silic có chiết suất
tương ứng là nr=3.465, nc=1.445 ở bước sóng 1550nm. Tồn
bộ các ống dẫn sóng có thể được chế tạo theo các phương
pháp quang khắc hiện đại, chẳng hạn sử dụng chùm điện tử
(Ebeam writing) và kỹ thuật ăn mịn khơ (dry etching) sử
dụng kỹ thuật plasma ghép cảm ứng ICP etching
(inductively coupled plasma etching) [19] hoặc các kỹ thuật
quang khắc bằng tia cực tím - DUV lithography (deep ultra
violet photolithography) với chiều cao kênh là 220 nm từ
một phiến SOI tiêu chuẩn (lớp kênh dẫn Silic cao 220 nm).
B.Bộ ghép tiếp giáp chữ Ψ
Gốc và 2 đầu ra là một tiếp giáp hình chữ Ψ đối xứng, thân
của khớp nối tiếp giáp hình chữ Ψ là một ống dẫn sóng hỗ
trợ truyền 3 mode, để hỗ trợ truyền 3 mode thì W0 nằm trong
khoảng từ 0.7µm-1.2µm. Trong thiết kế này, chúng tơi chọn
Ws có chiều rộng 1 µm để hỗ trợ hoạt động cho ba mode

ISBN 978-604-80-7468-5

theo phân cực TE vốn là các mode phổ biến sử dụng trong
dẫn sóng của mạch quang tử tích hợp, bao gồm TE0, TE1 và
TE2. Điều này được giải thích là bởi các mode TE khi dẫn
trong ống dẫn sóng được chế tạo từ phiến SOI tiêu chuẩn
(standard silicon-on-insulator wafer) dày 220nm được sử
dụng làm phiến sản xuất chip VLSI theo tiến trình cơng nghệ
CMOS, hơn nữa các mode TE chỉ xuất hiện theo phương
chiều rộng ống dẫn sóng mà theo phương chiều cao chỉ tồn
tại được đơn mode. Sau đó, ống dẫn sóng này được ghép với
3 ống dẫn sóng, ống ở giữa là ống thẳng có độ rộng là Wb=
0,5 µm vs chiều dài Ls=120 µm, hai ống dẫn sóng hai bên
đối xứng dạng hình sin (sinusoidal-bent waveguide hay cịn
được gọi là S-bent waveguide) có độ rộng là Wa=0.4 µm với
chiều dài và chiều rộng ngang tương ứng là Ls và G=1.6µm.
Bộ ghép tiếp giáp hình chữ Ψ cho phép chọn lọc mode do
phù hợp về moment sóng mà ở đó mode TE0 đi ở ống dẫn
sóng ở giữa, mode TE1 và mode TE2 sẽ đi sang hai bên
nhánh đối xứng như được thể hiện qua kết quả mô phỏng số
bằng phương pháp truyền chùm trong không gian ba chiều
3D-BPM (three dimensional-beam propagation method).
Đặc tính quang được mơ phỏng số cho thấy đáp ứng phổ
rộng của bộ ghép tiếp giáp hình chữ Ψ đã thiết kế.
C.Tiếp giáp chữ Y và bộ ghép giao thoa đa mode 22
MMI
Để nhận ra chức năng phân chia ba tín hiệu mode trực giao
TE0, TE1, TE2 một cách cân bằng theo tỷ lệ 50:50 (3-dB
coupler), chúng ta sử dụng tiếp giáp chữ Y (tiếp giáp chữ Y)
có hai nhánh hình sin có cấu trúc đối xứng kết hợp với bộ
ghép giao thoa đa mode MMI (multimode interference

coupler) [20], tín hiệu qua bộ tiếp giáp chữ Y được chia đơi
do tính chất đối xứng. Tiếp giáp chữ Y ở giữa được nối với
ống dẫn sóng ở giữa của trident coupler có độ rộng của các
ống dẫn sóng là Wb , 2 nhánh hình sin (S-bent waveguide)
của tiếp giáp chữ Ψ được nối với nhau. Tiếp giáp chữ Y có
độ rộng của các ống dẫn sóng là Wa. Kết hợp hai nhánh của
hai tiếp giáp chữ Y có độ rộng là Wa và Wb qua bộ bộ ghép
22 MMI1 với độ rộng là WMMI1=2.05µm, nhánh cịn lại
lấy tương tự qua bộ 22 MMI2. Hai bộ 22 MMI này có
cùng độ dài rộng (lý tưởng như nhau) đối xứng với nhau
được thấy trên Hình1. Nhánh cịn lại của tiếp giáp chữ Y
được nối với một bộ dịch pha (bộ phase shifter). Tiếp theo,
đầu ra của hai bộ 22 MMI thứ nhất và thứ hai của tầng
đầu tiên này được nối với hai ống dẫn sóng có độ rộng là Wa
và Wb để nhận được ảnh soi gương, hai ống dẫn sóng qua
hai bộ 22MMI tầng đầu tiên này lại được nối với bộ 22
MMI3 ở tầng thứ hai với độ rộng nhánh đầu vào và ra đều
là Wa. MMI tầng thứ hai có độ rộng là WMMI3=1.7µm.
Hoạt động của bộ ghép 22 MMI được đề xuất tuân theo
hiệu ứng giao thoa Talbot [21]. Trong cơ chế giao thoa tổng
quát GI (general interference) [22]–[24], biên độ
(amplitude) tín hiệu và pha (phase) qua bộ ghép MMI thay
đổi tùy thuộc vào độ dài của MMI và vị trí vào ra của các
ống dẫn sóng truy nhập (đơn mode) đối với bộ ghép ống dẫn
sóng MMI. Theo lý thuyết giao thoa đa mode, ảnh soi gương
22 qua bộ ghép 22 MMI (nghĩa là 22 MMI đóng vai
trị của một bộ xun chéo) có độ dài LMMI = 3Lπ. Trong đó

400

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022)

Đặc tính truyền đạt

Góc dịch pha theo độ

Dịch
pha đã
được
chọn

Chiều rộng giữa bộ dịch pha

Bước sóng, λ (μm)

Hình 3. Kết quả mơ phỏng để chọn độ rộng của bộ dịch pha đạt
dịch pha π-radian.

Hình 5: Đặc tính hiệu năng quang học của thiết bị phụ thuộc vào
bước sóng hoạt cho 3 mode theo sự phân chia tỉ lệ 50:50.

Lπ là chiều dài nửa phách (half beat length) tức là phat hay
đổi π-radian được tính theo cơng thức sau đây [21]:

dạng (reform) tín hiệu như ban đầu khi truyền. Qua hai bộ
22 MMI thì tín hiệu bị lệch pha π so với tín hiệu ban đầu,
do qua mỗi lần qua một 22 MMI có độ dài 3Lπ bị lệch pha
là π/2 (vì chia hai nhánh) so với tín hiệu đưa vào. Để thu
được tín hiệu ban đầu thì 2 nhánh ngồi cũng chúng tối đã

nối thêm một bộ dịch pha có ΔΦ = π để cân bằng lại pha khi
tái hợp các đường quang ở đầu ra cuối cùng.

L 

4neff We2

(1)

3

Trong đó:

We  WMMI 

 2
n  n2
 eff c





0.5

(2)

Ở đây, We là độ rộng hiệu dụng mode tính theo độ sâu
thẩm thấu của trường mode TE, là bước sóng hoạt động,
neff là chỉ sổ hiệu dụng của lớp lõi, nc là chỉ số khúc xạ của

lớp vỏ. Để tăng cường hiệu quả truyền qua các mode, các
ống dẫn sóng giảm dần tuyến tính đã được đặt để liên kết
với các ống dẫn sóng trước và sau ghép với MMI. Chúng tôi
sử dụng mô phỏng BPM để tối ưu hóa độ dài của LMMI để
được ảnh soi gương mong muốn khi đi qua mỗi MMI tương
ứng. Theo phương trình (1) và (2) chúng tơi tính được độ
dài của MMI tối ưu nhất và truyền được tốt nhất như mong
muốn là Lπ_MMI1 = Lπ_MMI2 =33.5µm và Lπ_MMI3=23,25µm.
D.Bộ dịch pha
Bộ dịch pha PS (phase shifter) dùng để điều biến sự thay đổi
pha trong các đường quang đến một giá trị nhất định sao cho
khi kết hợp các tín hiệu quang cùng nguồn phát (với tần số,

(a)

(b)

(c)

Hình 4. Mẫu đường bao điện trường (contour map) cho bộ tách
ghép kênh phân chia cho 3 mode đề xuất: (a), (b), (c) lần lượt là 3
mode TE0, TE1, TE2 theo tỉ lệ 50:50.

Trong bài báo này, bộ dịch pha được thiết kế như một ống
dẫn sóng hình cánh bướm (butterfly shape) để tạo ra các bộ
dịch pha thụ động được sử dụng trong sơ đồ cấu trúc hình 1.
Chiều dài Bộ dịch pha là Lps=51,75µm, độ rộng là
Wa=0.4µm. Pha của PS thay đổi liên tục theo sự thay đổi
của khúc giữa hình cánh bướm Wps. Sự thay đổi pha trên PS
được tính theo cơng thức sau:

  z0 , z0  Lps  

 

0

  ps ( z) dz

(3)

z0

Trong đó z0 và z0 +Lps lần lượt là vị trí bắt đầu và kết thúc
của bộ dịch pha dọc theo hướng truyền z, β0 là hằng số lan
truyền bắt đầu từ z0 , βps(z) là một hàm của hằng số truyền
(propagation constant) tại điểm z xung quanh khoảng (z0,
z0+LPS). Theo mô phỏng BPM, trên Hình3 chúng ta thấy
được sự thay đổi rõ rệt của PS theo WPS, tại WPS =0.294µm
= 294nm thì ΔΦ = π.
III.KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Đầu tiên, chúng tôi mô phỏng sự truyền mode của các mode
để nhận ra chức năng phân tách kênh để phân tích các kết
quả truyền dẫn của từng mode TE. Hình 4 thể hiện các kết
quả bằng mô phỏng BPM bởi sự phân bố mẫu đường bao
điện trường của lần lượt ba mode tương ứng TE0, TE1, TE2
theo tỉ lệ là 50:50 của thiết bị đã được đề xuất thiết kế tại
bước sóng hoạt động là 1550nm. Kết quả cho thấy sự phù
hợp với phân tích hoạt động của thiết bị ở trên, và một phần
nhỏ phát xạ không đáng kể từ lõi ra vỏ.

Để đánh giá về hiệu năng của thiết bị về mặt quang học,
chúng tôi đánh giá theo tham số I.L (insertion loss) được
tính theo cơng thức sau:

độ phân cực) như nhau sẽ tái hợp theo sóng dừng để tạo lại

ISBN 978-604-80-7468-5

z0  Lps

401


Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022)

Hình 6. Kết quả mơ phỏng đặc tính truyền đạt của bộ ghép theo
dung sai chiều cao ΔW (nm) thỏa mãn điểm tối ưu tách và biến
đổi mode phân chia theo tỉ lệ 50:50.

P 
I .L  10 log10  out 
 Pin 

(4)

Trong đó Pin là cơng suất đầu vào của ống dẫn sóng được
chuẩn hóa bằng 1đơn vị cơng suất tại đầu vào, Pout là công
suất mong muốn thu được tại đầu ra.
Tiếp theo, chúng ta sẽ đánh giá về khoảng băng làm việc
của thiết bị được đề xuất theo tham số I.Lmn trong đó

m=0,1,2 là bậc của mode; n=1,2 lần lượt là đầu ra bên phải
bên trái của thiết bị. Chúng tơi mơ phỏng 3D-BPM theo phổ
bước sóng từ 1.5µm-1.65 µm cho thấy đối với tỉ lệ 50:50,
I.L dao động nhỏ hơn 9dB cho cả ba mode, đối với mode
TE1 và mode TE2 đỉnh cong cao nhất tại bước sóng 1550nm
còn mode TE0 và TE1 đường cong đều tại bước sóng
1575nm-1.6nm như được thể hiện ở trên Hình5.
Dung sai chế tạo rất quan trọng đối với thiết bị vì mọi quy
trình sản xuất đều có suy hao. Đối với nghiên cứu dựa trên
mô phỏng cần đánh giá suy hao chế tạo để xem xét hiệu suất
hệ thống. Chúng ta biết rằng, chiều cao của ống dẫn sóng
được thiết lập theo chiều cao kênh dẫn silic của ống dẫn
sóng SOI tiêu chuẩn loại 220nm. Trong thực tế, chất lượng
phiến SOI sử dụng trong cơng nghệ chế tạo chip tích hợp cỡ
lớn VLSI nói chung và chip quang tử nói riêng phụ thuộc
vào mẫu cung cấp của nhà sản xuất phiến. Mặt khác, sự
chính xác độ rộng ống dẫn sóng đạt được do phụ thuộc công
nghệ chế tạo Ebeam hay DUV. Cũng vậy, độ chính xác thiết
kế mơ phỏng phụ thuộc độ chính xác của mơ hình mơ phỏng.
Do vậy, ta phải khảo sát các dung sai chế tạo đối với thiết bị
theo độ rộng và chiều cao ống dẫn sóng. Đối với dung sai
theo chiều rộng ống dẫn sóng đầu vào ΔW được thể hiện trên
Hình6, với sự thay đổi của độ rộng trong phạm vi ±20nm.
Đối với tỉ lệ 50:50 ta thấy suy hao chèn của mode TE1 nhỏ
hơn suy hao chèn của mode TE0 và mode TE2 nhỏ hơn 5dB
với mức thăng giáng chỉ từ 4.3dB÷5dB.
Tiếp theo, chúng tơi nghiên cứu sự thay đổi của chiều cao
ống dẫn sóng Δh (nm) trong phạm vi ±10nm được thể hiện
trên Hình7. Đối với tỉ lệ 50:50 mode TE1 và mode TE2 có
đồ thị là một đường cong giảm dần, hai đồ thị song song với

nhau khi Δh  0nm đồ thị bão hịa; mode TE0 khi Δh tăng thì
suy hao chèn cũng tăng suy hao chèn của các mode dao động
từ 4.4dB÷5.8dB. Theo những khảo sát cho thấy đối với độ
rộng của ống dẫn sóng thay đổi trong phạm vi ±20nm và sự

ISBN 978-604-80-7468-5

Hình 7. Kết quả mơ phỏng đặc tính truyền đạt của bộ ghép theo
dung sai chiều cao Δh (nm) thỏa mãn điểm tối ưu tách và biến
đổi mode phân chia theo tỉ lệ 50:50.

thay đổi chiều cao ống dẫn sóng là ±10nm cho suy hao chèn
tốt với độ biến đổi nhỏ trong phạm vi biến đổi của I.L chỉ
cỡ 1.5dB trong khoảng dung sai đã khảo sát.
Toàn bộ cấu trúc đề xuất chỉ được bố trí trên một diện tích
tích hợp nhỏ nằm trong phạm vi kích thước (footprint) hình
chữ nhật 10μm500μm=5000μm2 như được thấy trong
tồn bộ phạm vi mơ phỏng ở Hình4. Kích thước nhỏ gọn
như vậy cùng với đặc tính quang học tốt về suy hao chèn
trong một dải phổ rộng 100nm (từ 1500nm÷1600nm) cho
thấy vi mạch có thể ứng dụng trong vai trị của thiết bị xử lý
tín hiệu phân chia theo mode của cơng nghệ MDM và các
hệ thống thông tin quang tốc độ cao băng rộng thế hệ mới.
IV.

KẾT LUẬN

Bài báo trình bày đề xuất thiết kế cho vi mạch quang chia
3-dB đồng đều của ba mode dẫn sóng trực giao dựa trên
cơng nghệ quang tử Silic và nền tảng vật liệu SOI. Cấu kiện

dựa trên các cấu trúc tiếp giáp chữ Ψ, các ống dẫn sóng hình
sin và các bộ ghép giao thoa đa mode là những phần tử cơ
bản của vi mạch tích hợp dựa trên cơng nghệ quang tử Silic.
Việc tối ưu thiết kế và đánh giá đặc tính quang học thực hiện
qua mô phỏng số 3D-BPM. Các kết quả mô phỏng cho thấy
cấu trúc phân chia mode hoạt động với suy hao chèn thấp và
dung sai chế tạo lớn trong một dải phổ rộng. Bên cạnh đó,
cấu trúc thiết kế có kích thước tích hợp nhỏ, do đó hứa hẹn
tiềm năng ứng dụng lớn trong các vi mạch tích hợp quang
tử cỡ lớn cũng như các hệ thống xử lý tín hiệu trong cơng
nghệ ghép kênh phân chia theo mode mật độ cao.
THAM KHẢO
[1] Y. Tan, H. Wu, and D. Dai, “Silicon-Based Hybrid
(de)Multiplexer for Wavelength-/Polarization-DivisionMultiplexing,” J. Light. Technol., vol. 36, no. 11, pp. 2051–
2058, 2018.
[2] N. Bai et al., “Mode-Division Multiplexed Transmission With
Inline Few-Mode Fiber Amplifier,” Opt. Express, vol. 20, no.
3, pp. 2668–2680, 2012, doi: 10.1364/OE.20.002668.
[3] E. Granot and S. Sternklar, “Limitations to bit-rate and spatial
capacity of an optical data transmission channel,” J. Opt. A,
vol. 4, no. 6, pp. 2–4, 2002.
[4] R. Essiambre et al., “Capacity Limits of Optical Fiber
Networks,” J. Light. Technol., vol. 28, no. 4, pp. 662–701,
2010, doi: 10.1109/JLT.2009.2039464.
[5] D. Melati, A. Alippi, A. Annoni, N. Peserico, and A. Melloni,
“Integrated all-optical MIMO demultiplexer for 8-channel

402

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022)

MDM-WDM transmission,” Opt. Lett., vol. 42, no. 2, pp.
342–345, 2017, doi: />[6] D. Ge et al., “Experimental demonstration of ROADM
functionalities for hybrid MDM-WDM optical networks,” in
2016 Optical Fiber Communications Conference and
Exhibition (OFC), pp. 1–3.
[7] D. Soma et al., “257-Tbit/s Weakly Coupled 10-Mode C + LBand WDM Transmission,” J. Light. Technol., vol. 36, no. 6,
pp. 1375–1381, 2018, doi: 10.1109/JLT.2018.2792484.
[8] Y. Zhang et al., “On-chip silicon polarization and mode
handling devices,” Front. Optoelectron., vol. 11, no. 1, pp.
77–91, 2018, doi: 10.1007/s12200-018-0772-6.
[9] Y. Sun, Y. Xiong, and W. N. Ye, “Experimental
demonstration of a two-mode (de)multiplexer based on a
taper-etched directional coupler,” Opt. Lett., vol. 41, no. 16,
p. 3743, 2016, doi: 10.1364/OL.41.003743.
[10] M. Mihara, Y. Shinohara, H. Kishikawa, N. Goto, and S. I.
Yanagiya, “Modulation format conversion from BPSK to
QPSK using delayed interferometer and pulse shaping filter,”
in 2014 IEEE Photonics Conference, IPC 2014, 2014, vol. 5,
pp. 82–83, doi: 10.1109/IPCon.2014.6995221.
[11] G. W. Lu et al., “Monolithically Integrated Quad MachZehnder IQ Modulator for Optical 16-QAM Generation,”
Opt. InfoBase Conf. Pap., no. Im, pp. 7–8, 2010, doi:
10.1364/cleo.2010.cpda7.
[12] Y. Li, “Investigation of 64-QAM optical modulator with
paralleled dual-drive MZMs driven by binary signals,” Phys.
Commun., vol. 25, pp. 315–318, 2017, doi:
10.1016/j.phycom.2017.02.003.
[13] R. Yin, J. Teng, and S. Chua, “A 1 × 2 optical switch using
one multimode interference region,” Opt. Commun., vol. 281,

no.
18,
pp.
4616–4618,
2008,
doi:
10.1016/j.optcom.2008.05.042.
[14] S. Okamoto, S. Shimizu, Y. Arakawa, and N. Yamanaka,
“Frame loss evaluation of optical layer 10 Gigabit Ethernet
protection switching using PLZT optical switch system,”
IEICE Trans. Commun., vol. E92-B, no. 3, pp. 1017–1019,
2009, doi: 10.1587/transcom.E92.B.1017.
[15] G. B. Cao, F. Gao, J. Jiang, and F. Zhang, “Directional
couplers realized on silicon-on-insulator,” IEEE Photonics
Technol. Lett., vol. 17, no. 8, pp. 1671–1673, 2005, doi:
10.1109/LPT.2005.851959.
[16] R. K. Gupta, S. Chandran, and B. K. Das, “WavelengthIndependent Directional Couplers for Integrated Silicon
Photonics,” J. Light. Technol., vol. 35, no. 22, pp. 4916–4923,
2017, doi: 10.1109/JLT.2017.2759162.
[17] D. S. Levy et al., “Fabrication of Ultracompact 3-dB 2 2 MMI
Power Splitters,” Photonics Technol. Lett., vol. 11, no. 8, pp.
1009–1011, 1999.
[18] Y. Luo, Y. Yu, M. Ye, C. Sun, and X. Zhang, “Integrated
dual-mode 3 dB power coupler based on tapered directional
coupler,” Sci. Rep., vol. 6, pp. 1–7, 2016, doi:
10.1038/srep23516.
[19] S. H. Chang et al., “Mode- and wavelength-division
multiplexed transmission using all-fiber mode multiplexer
based on mode selective couplers,” Opt. Express, vol. 23, no.
6, p. 7164, 2015, doi: 10.1364/oe.23.007164.

[20] Y. Li, C. Li, C. Li, B. Cheng, and C. Xue, “Compact twomode (de)multiplexer based on symmetric Y-junction and
Multimode interference waveguides,” Opt. Express, vol. 22,
no. 5, p. 5781, 2014, doi: 10.1364/OE.22.005781.
[21] L. B. Soldano and E. C. M. Pennings, “Optical Multi-Mode
Interference Devices Based on Self-Imaging: Principles and
Applications,” J. Light. Technol., vol. 13, no. 4, pp. 615–627,
1995, doi: />[22] M. Bachmann, P. A. Besse, and H. Melchior, “Overlappingimage multimode interference couplers with a reduced
number of self-images for uniform and nonuniform power
splitting,” Appl. Opt., vol. 34, no. 30, pp. 6998–6910, 1995.

ISBN 978-604-80-7468-5

[23] P. A. Besse, M. Bachmann, H. Melchior, L. B. Soldano, and
M. K. Smit, “Optical Bandwidth and Fabrication Tolerances
of Multimode Interference Couplers,” J. Light. Technol., vol.
12, no. 6, pp. 1004–1009, 1994, doi: 10.1109/50.296191.
[24] M. Bachmann, P. A. Besse, and H. Melchior, “General selfimaging properties in N × N multimode interference couplers
including phase relations,” Appl. Opt., vol. 33, no. 18, pp.
3905–3911, 1994, doi: 10.1364/AO.33.003905.

403