Bộ lọc định tuyến kênh sử dụng lỗ khuyết đơn trong phiến dẫn sóng tinh thể quang tử 2d

Mục Lục

DANH MỤC HÌNH VẼ

TTQ

1


LỜI MỞ ĐẦU
Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỹ
thuật viễn thông nói riêng, nhu cầu dịch vụ viễn thông phát triển rất nhanh tạo ra áp lực
ngày càng cao đối với việc dung lượng thông tin ngày càng tăng lên. Và việc chế tạo và
áp dụng thành công việc truyền tin bằng tính chất quang xem như là một thành công
lớn đối với các nhà khoa học. Tuy vậy mạng thông tin quang hiện nay vẫn còn một số
hạn chế về chất lượng truyền dẫn như băng thông, khoảng cách, chất lượng dịch vụ…
Vì thế rất nhiều sự sáng tạo và giải pháp ra đời, ví dụ như giải pháp ghép kênh theo
bước sóng WDM, đa kênh theo bước sóng DWDM cho phép ghép nhiều bước sóng
trên cùng một sợi quang, do đó có thể tăng dung lượng đường truyền mà không cần
tăng thêm sợi quang. Tuy vậy để có được một hệ thống quang tốt thì tất yếu phải có sự
phát triển và cải tiến tốt trên tất cả các thành phần của hệ thống, trong đó bộ lọc quang
là một trong những mắt xích quan trọng.
Vì vậy, qua môn học Thông Tin Quang và được sự đồng ý của Cô T.S Hoàng
Phương Chi, chúng em đã quyết định chọn đề tài cho bài tập lớn môn này là: “Tìm hiểu
về bộ lọc định tuyến kênh sử dụng lỗ khuyết đơn trong phiến dẫn sóng tinh thể quang
tử 2D” thông qua bài báo “Channel Drop Filter Using a Single Defect in a 2-D
Photonic Crystal Slab Waveguide” Masahiro Imada, Susumu Noda, Member, IEEE,
Alongkarn Chutinan, Masamitsu Mochizuki, and Tomoko Tanaka.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Cô T.S Hoàng Phương Chi đã
ân cần chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian học và quá trình làm bài tập lớn môn
Thông Tin Quang. Do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian tìm hiểu không nhiều, nên

bài tập lớn không tránh khỏi những sai sót, thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự
góp ý của Cô để bài tập lớn được hoàn thiện hơn!

TTQ

2


NỘI DUNG
I. Tổng quan về bộ lọc quang và tinh thể quang tử
1. Tinh thể quang tử
1.1 Giới thiệu
Tinh thể quang tử (photonic crystals - PCs) là một cấu trúc tuần hoàn trong không gian
của các vật liệu với hằng số điện môi khác nhau được sắp xếp xen kẽ nhau, có chiết
suất thay đổi theo chu kỳ trên một thang chiều dài và có thể so sánh được với bước
sóng ánh sáng được sử dụng. Các photon khi chuyển động trong tinh thể sẽ đi qua các
vùng có chiết suất cao xen kẽ với các vùng có chiết suất thấp. Đối với một photon sự
tương phản về chiết suất này giống như một thế năng tuần hoàn mà một electron bị tác
dụng khi đi qua một tinh thể điện tử. Do tính tuần hoàn dẫn đến trong PCs cũng xuất
hiện một vùng cấm quang: tức là có một dải tần số trong đó các photon không thể
truyền qua được cấu trúc này. PCs sẽ chặn ánh sáng với các bước sóng nằm trong vùng
cấm quang, trong khi cho phép các bước sóng khác truyền qua tự do. Bằng các ngăn
chặn hoặc cho phép ánh sáng truyền qua một tinh thể quang tử việc điều khiển bước
sóng ánh sáng có thể được thực hiện.
Sự truyền sóng điện từ bên trong một môi trường tuần hoàn được nghiên cứu đầu tiên
bởi Lord Reyleigh năm 1887. Đây là cấu trúc 1D có sự tuần hoàn của chiết suất chỉ
được thiết lập theo một hướng duy nhất trong khi đồng nhất theo hai hướng còn lại.
Năm 1987, hai nhà khoa học là Eli Yablonovitch và Sajeev John đã đưa ra cấu trúc điện
môi tuần hoàn 2D và 3D:
Tinh thể quang tử 2D là một cấu trúc tuần hoàn dọc theo hai trục của nó và đồng nhất

dọc theo trục thứ ba. Cấu trúc tinh thể quang tử này có vùng cấm quang trong mặt
phẳng xy, và đồng nhất dọc theo trục z. Trong vùng cấm quang, không có trạng thái
nào được phép tồn tại và ánh sáng tới sẽ bị phản xạ ngược trở lại tại mặt phân cách
giữa môi trường và cấu trúc tinh thể quang tử. Không giống như trường hợp tinh thể
TTQ

3


quang tử 1D, tinh thể quang tử 2D có thể ngăn chặn ánh sáng truyền tới từ bất kỳ
hướng nào trong mặt phẳng.
Tinh thể quang tử 3D là cấu trúc có sự tuần hoàn về chiết suất theo cả ba hướng. Cấu
trúc của tinh thể quang tử 3D được biết đến nhiều nhất trong tự nhiên chính là các đá
quý Opal. Các loại đá quý này được biết đến bởi tính chất quang độc đáo của chúng là
khi quay các viên đá sẽ có màu sắc khác nhau.

Hình 1. Cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D và 3D

Bản chất của các hiện tượng quan sát được là sự nhiễu xạ của sóng điện từ, trong đó
chu kỳ không gian của các cấu trúc tinh thể phải có cùng kích cỡ với bước sóng của
sóng điện từ (tức là vào cỡ vài trăm nm cho các tinh thể quang tử làm việc với ánh
sáng). Đấy là một khó khăn kỹ thuật cho việc chế tạo các tinh thể quang tử nhân tạo.
1.2 Ứng dụng
Các tinh thể quang tử có thể được ứng dụng để điều khiển sự lan truyền của ánh sáng.
Các tinh thể quang tử một chiều đã đang được dùng rộng rãi trong quang học màng
mỏng; như tạo ra các lớp phủ lên bề mặt thấu kính hay gương để tạo ra độ phản chiếu
thấp hay cao tuỳ ý; hay trong sơn đổi màu và in ấn bảo mật.
Các tinh thể quang tử hai chiều và ba chiều được dùng trong nghiên cứu khoa học. Ứng
dụng thương mại đầu tiên của tinh thể quang tử hai chiều là sợi tinh thể quang tử, thay
thế cho sợi quang học truyền thống trong các thiết bị quang học phi tuyến và dùng với

TTQ

4


các bước sóng đặc biệt (ở đó không có vật liệu truyền thống nào trong suốt ngoài
không khí hay các chất khí).
2. Tổng quan về bộ lọc quang
2.1 Định nghĩa
Bộ lọc là thiết bị chỉ cho phép một kênh bước sóng đi qua, khóa đối với tất cả các kênh
bước sóng khác. Nguyên lý căn bản nhất của bộ lọc là sự giao thoa giữa các tín hiệu,
bước sóng hoạt động của bộ lọc sẽ được cộng pha nhiều lần khi đi qua nó, các kênh
bước sóng khác, ngược lại sẽ triệt tiêu pha. Tùy thuộc vào khả năng điều chỉnh kênh
bước hoạt động, người ta chia bộ lọc làm 2 loại: bộ lọc cố định( fixed filter) và bộ lọc
điều chỉnh được( tunable filter)

Hình 2. Sơ đồ khối của bộ lọc. (a) Bộ lọc cố định bước sóng λk. (b) Bộ lọc có thể điều chỉnh
bước sóng được trong khỏang Δλ.

+ Yêu cầu đối với bộ lọc:
Hiện nay, có rất nhiều công nghệ chế tạo bộ lọc. Tuy nhiên, yêu cầu chung đối với tất
cả các công nghệ là:
- Bộ lọc tốt phải có giá trị suy hao xen IL thấp.

- Bộ lọc phải không phụ thuộc nhiều vào trạng thái phân cực của tín hiệu đưa vào.

TTQ

5

- Dải thông hoạt động của bộ lọc phải không nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ
môi trường. Bộ lọc phải đảm bảo trong khoảng nhiệt độ hoạt động (thường là khoảng
100C, độ dịch dải thông hoạt động phải không vượt quá khoảng cách giữa hai kênh
bước sóng hoạt động gần nhất.
- Khi ứng dụng ghép nối tiếp nhiều bộ lọc trong hệ thống WDM, băng thông hoạt động
sẽ bị thu hẹp lại. Để hạn chế tối đa điều này, các bộ lọc phải có hàm truyền đạt trong
khoảng bước sóng hoạt động là bằng phẳng.
- Hàm truyền đạt của bộ lọc phải có độ dốc lớn để tránh giao nhau ở phần vạt của hai
bước sóng lân cận, gây xuyên nhiễu giữa các kênh.
- Giảm chi phí sản xuất. Vấn đề này lại phụ thuộc vào công nghệ chế tạo. Tuy nhiên,
khi vấn đề này đặt lên hàng đầu thì ta sẽ có hai lựa chọn. Thứ nhất là dùng công nghệ
ống dẫn sóng, cho phép sản suất trên những vi mạch tích hợp quang (bù lại hoạt động
phụ thuộc vào trạng thái phân cực của sóng quang). Thứ hai là dùng công nghệ sản
xuất các thiết bị thuần quang, tuy khó khăn trong tích hợp mạch nhưng có nhiều ưu
điểm là không phụ thuộc vào trạng thái phân cực của sóng quang, ghép sóng từ sợi
quang và thiết bị dễ dàng.

TTQ

6


Hình 3. (a) Các thông số đặc trưng của bộ lọc. (b) Ðộ gợn sóng của bộ lọc.

2.2 Các thông số cơ bản
-

Bước sóng trung tâm: phải là bước sóng tuân theo tiêu chuẩn ITU-T

Độ rộng băng thông (Pass Bandwidth): là độ rộng của hàm truyền đạt tại mức
suy hao xen cách đỉnh 0,5 dB. Trong một số trường hợp, người ta có thể xét
băng thông đi qua 1 dB, 3 dB. Đặc tính này rất quan trọng vì laser trong trường
hợp không lý tưởng chỉ phát tín hiệu có bước sóng dao động nhất định so với

-

bước sóng trung tâm qui định theo chuẩn ITU-T
Độ rộng băng chặn (Stop Bandwidth): là độ rộng của hàm truyền đạt tại mức
suy hao xen cách đỉnh 20 dB. Dải chặn của bộ lọc phải càng nhỏ càng tốt để

-

tránh hiện tượng xuyên nhiễu giữa các kênh.
Độ cách li (Isolation): để chỉ công suất của một kênh bước sóng xuyên nhiễu

-

sang các kênh bước sóng lân cận.
Độ gợn sóng (Ripple): là độ chênh lệch đỉnh – đỉnh trong phạm vi một kênh

-

bước sóng.
Hệ số sử dụng băng thông BUF (Bandwidth-utilization Factor): là tỉ số của độ
rộng kênh truyền LW (Linewidth) của ánh sáng phản xạ tại một mức suy hao
xác định. Bộ lọc lí tưởng phải có BUF = 1. Trên thực tế, khi IL = -25 dB thì
BUF = 0.4.

Nếu bộ lọc thuộc loại có thể điều chỉnh bước sóng được, nó còn thêm các đặc tính nữa

như là:
Khoảng điều chỉnh bước sóng động: là khoảng bước sóng mà trong phạm vi hoạt động
của bộ lọc.
Số kênh bước sóng có thể xử lý: là tỉ lệ khoảng điều chỉnh bước sóng động trên khoảng
cách giữa các kênh bước sóng.
Thời gian điều chỉnh: thời gian điều chỉnh giữa các kênh bước sóng hoạt động khác
nhau.

TTQ

7


Tỉ lệ nén biên SSR (Sidelobe Suppression Ratio): là khoảng cách giữa giá trị công suất
đỉnh so với giá trị công suất lớn nhất ở biên.
Độ phân giải: là độ dịch bước sóng nhỏ nhất bộ lọc có thể nhận biết được.
2.3 Cách tử
Cách tử dùng để mô tả các thiết bị mà hoạt động của nó dựa trên hiện tượng giao thoa
giữa các tín hiệu quang xuất phát từ cùng một nguồn quang nhưng có độ lệch pha
tương đối với nhau. Phân biệt với cách tử là vật chuẩn (etalon) là thiết bị ở đó nhiều tín
hiệu quang được tạo ra nhờ một hốc cộng hưởng (single cavity) lặp lại các tia đi ngang
qua nó. Sóng ánh sáng có lan truyền theo hướng z với tần số góc là ω và hằng số pha là
β sẽ có độ dịch pha là (ωt-βz). Do đó độ dịch pha tương đối giữa hai sóng phát sinh từ
một nguồn có thể được tạo ra bằng cách cho chúng truyền qua hai đường khác nhau.

Trong WDM cách tử được dùng như là một bộ tách kênh để tách các bứơc sóng hoặc
như là một bộ ghép kênh để kết hợp các bước sóng.

Hình 4 là hai ví dụ về cách tử: trên mặt phẳng cách tử (grating plane), các khe (slit)
được cách đều nhau. Khoảng cách giữa hai khe kế cận gọi là pitch. Do các khe nhỏ nên

theo hiệntượng nhiễu xạ (diffraction) ánh sáng truyền qua các khe này sẽ lan toả ra mọi
hướng. Trên mặt phẳng ánh xạ (imaging plane) sẽ quang sát được hiện tượng giao thoa
cộng hưởng (constructive interference) và triệt tiêu các bước sóng tại các điểm khác
nhau, cách tử này được gọi là cách tử nhiễu xạ (diffraction grating).

TTQ

8


Hình 4. (a) là cách tử truyền dẫn (transmission gratings), (b) là cách tử phản xạ (reflection
gratings).

Hình 5 Nguyên tắc hoạt động của cách tử truyền dẫn. Cách tử phản xạ hoạt động
TTQ

9


Tương tự, sự chênh lệch độ dài giữa các tia khúc xạ tại góc θd với các khe kế cận là:
AB − CD = a[sin(θi) − sin(θd)]. Nguyên lý hoạt động: Theo hình ta có sự chênh độ dài
giữa các tia khúc xạ tại góc θd với các khe kế cận là: AB − CD = a[sin(θi) − sin(θd)].
Giao thoa xây dựng (constructive interference) xảy ra khi: a[sin(θi)-sin(θd)] = mλ. Với
m: bậc của cách tử. Khi θi=0 có thể viết lại như sau: asin(θd) = mλ. Trên thực tế, năng
lượng tập trung tại bậc 0 khi θi= θd đối với mọi bước sóng. Năng lượng ánh sáng tại
bậc 0 là vô ích vì các bước sóng không được tách rời. Do đó cần thiết kế các cách tử
khác gọi là blazing

Hình 6. Cách tử blazing với góc blaze α. Năng lượng của giao thoa tối đại tương ứng với

góc blaze là cực đại
2.4 Cách tử Bragg
- Ðịnh nghĩa: Cách tử Bragg được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin quang.
Mọi sự biến đổi tuần hoàn trong môi trường truyền sóng (thường là biến đổi tuần hoàn
chiết suất môi trường) đều có thể hình thành cách tử Bragg.

TTQ

10


- Nguyên lý hoạt động: Xét hai sóng truyền theo hai chiều ngược nhau với hệ số pha là
β0, β1. Năng lượng của tín hiệu này được ghép sang tín hiệu kia nếu chúng thoả mãn

β −β
0

điều kiện về pha:

1

=

2π
Λ

. Trong đó: Λ là chu kì cách tử. Trong cách tử Bragg,

năng lượng của sóng truyền theo hướng đến được ghép vào sóng phản xạ tương ứng

truyền theo hướng ngược lại. Xét sóng có hệ số pha

β

0

truyền theo chiều từ trái sang

phải. Năng lượng của sóng này sẽ được ghép vào sóng tán xạ của nó theo chiều ngược
lại (có cùng bước sóng với sóng tới) nếu thoả mãn điều kiện về pha:

β

0

− (− β ) = 2β =
0

0

2π
Λ

β
. Gọi

0

= 2π

n
λ

eff
0

,

λ

0

là bước sóng ánh sáng tới và

n

eff

là

giá trị chiết suất hiệu dụng của sợi quang hoặc ống dẫn sóng (vật liệu làm cách tử

Bragg). Khi đó, điều kiện phản xạ được viết lại là:

Công thức trên gọi là điều kiện Bragg. Trong đó,

λ = Λ2n
0

λ

0

eff

được gọi là sóng Bragg. Hình 7

(a) minh họa cơ chế hoạt động của phản xạ Bragg. Ðó là một sợi quang hoạt động theo
cơ chế phản xạ Bragg. Chiết suất tương đối của lõi sợi quang được làm biến đổi tuần
hoàn dọc theo chiều dài của sợi đóng vai trò như cách tử Bragg. Sóng truyền trong sợi
quang và nó được phản xạ lại theo mỗi chu kì cách tử. Các sóng phản xạ sẽ cộng pha
với nhau nếu bước sóng tuân theo điều kiện Bragg ta đã trình bày ở trên.

Hình 7 (c) và (d) là độ rộng phổ công suất của sóng phản xạ đối với hai trường hợp
cách tử: cách tử đồng nhất và cách tử giảm dần. Cách tử giảm dần (apodized grating) là
TTQ

11


trường hợp chế tạo chiết suất tương đối sao cho càng xa trung tâm cách tử, sự khác biệt
về chiết suất càng giảm. Dùng cách tử giảm dần sẽ giảm được công suất của sóng phản
xạ lân cận, nhưng đổi lại phải chịu băng thông hoạt động tăng lên. Theo đồ thị, ta cũng
thấy rằng càng xa bước sóng Bragg, phổ của sóng phản xạ càng giảm. Có nghĩa là khi
hoạt động với các kênh bước sóng cách nhau một khoảng cách nhất định, chỉ có bước
sóng Bragg là phản xạ trở lại khi truyền qua cách tử Bragg, các bước sóng khác sẽ
truyền đi xuyên qua.

Hình 7 (a) Cách tử Bragg trong sợi quang chiết suất đồng nhất. (b) Cách tử Bragg trong
sợi quang chiết suất giảm dần. (c) Phổ công suất phản xạ của cách tử đồng nhất. (d) Phổ

công suất phản xạ của cách tử giảm dần. Δ là độ rộng của dải thông và là khoảng cách
giữa bước sóng đỉnh và điểm phản xạ tối tiểu đầu tiên trong trường hợp mặt cắt chiết suất

TTQ

12


đồng nhất. Δ tỉ lệ nghịch với chiều dài cách tử. Δλ là độ lệch bước sóng so với bước sóng
đồng pha.

Ứng dụng của cách tử Bragg: Cách tử Bragg là nguyên lý cơ bản dùng trong công nghệ
chế tạo bộ lọc, bộ ghép xen/rớt quang, dùng để bù suy hao tán sắc. Ứng dụng để chế
tạo bộ lọc có thể điều chỉnh quang-âm học. Ngoài ra, đối với lĩnh vực khuyếch đại
quang, cách tử Bragg còn cho nhiều ứng dụngquan trọng như: ổn định độ lợi, cân bằng
độ lợi cho EDFA.

2.5 Một sô bộ lọc quang thông dụng
2.5.1 Bộ lọc cách tử kiểu sợi quang
Cách tử Bragg kiểu sợi quang là một đoạn sợi quang nhạy với ánh sáng, được chế tạo
bằng cách dùng tia cực tím UV (Ultra-violet) chiếu vào để làm thay đổi một cách tuần
hoàn chiết suất bên trong lõi. Sự thay đổi chiết suất trong lõi sợi chỉ cần rất nhỏ
(khoảng 10-4) cũng đã đủ tạo ra cách tử Bragg. Bộ lọc cách tử Bragg kiểu sợi quang
được phân làm hai loại: cách tử chu kì ngắn và cách tử chu kì dài. Cách tử chu kì ngắn
có chu kì cách tử tương đương với bước sóng hoạt động (khoảng 5μm). Trong khi đó
cách tử chu kì dài có chu kì cách tử lớn hơn nhiều lần so với bước sóng hoạt động
(khoảng vài trăm 5μm đến vài mm). Bộ lọc Bragg kiểu sợi quang cũng có thể là bộ lọc
cố định hoặc bộ lọc điều chỉnh được.

2.5.2 Bộ lọc Fabry-Perot

Bộ lọc Fabry-Perot gồm một khoang được tạo bởi hai gương có hệ số phản xạ cao đặt
song song với nhau. Ánh sáng đi vào gương thứ nhất, một phần đi qua gương thứ hai,

TTQ

13


phần còn lại được phản xạ qua lại giữa hai bề mặt của hai gương. Bộ lọc dạng này gọi
là giao thoa kế (interferometer) hay vật chuẩn (etalon) Fabry-Ferot.

2.5.3 Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF)
Bộ lọc màng mỏng TFF (Thin-film Filter) cũng là một dạng của giao thao kế FabryPerot, trong đó các gương bao quang hốc cộng hượng được hiện thực bằng nhiều lớp
màng mỏng điện môi có thể phản xạ được. Bộ lọc này là bộ lọc dải thông chỉ cho một
bước sóng nhất định đi qua và phản xạ tất cả các bước sóng còn lại. Bộ lọc đa khoang
màng mỏng điện môi (TFMF) gồm nhiều hốc cộng hưởng cách nhau bằng các màng
mỏng điện môi phản xạ như minh họa trong hình 8 (a). Số hốc cộng hưởng càng nhiều
thì hàm truyền đạt công suất có đỉnh càng phẳng trong dải thông và có độ dốc càng
đứng (hình 8).

Hình 8. Bộ lọc đa khoang màng mỏng TFMF (Thin-film Multicavity Filter). (a) Cấu tạo bộ
lọc gồm có 3 khoang cộng hưởng. (b) Hàm truyền đạt công suất đối với các trường hợp
gồm: một, hai, ba khoang cộng hưởng.

TTQ

14


2.5.4 Bộ lọc Mach-Zehnder

Bộ lọc Mach-Zehnder là một loại giao thoa kế. Sóng đi vào bộ lọc được phân thành
nhiều đường khác nhau, sau đó cho giao thoa với nhau. MZI thường được sản xuất dựa
trên các mạch tích hợp quang và thường gồm các couple 3 dB được nối với nhau bằng
các đường có các độ dài khác nhau (hình 9).

Hình 9 (a) Bộ lọc MZI được tạo thành bằng cách kết nối các couplers định hướng 3 dB.(b)
Sơ đồ khối của MZI. Δl là độ lệch về đường đi giữa hai nhánh (c) Sơ đồ khối của MZI bốn
tầng sử dụng các bướ sóng khác nhau ở mỗi tầng.

TTQ

15


2.5.5 Bộ lọc cách tử ống dẫn sóng sóng ma trận (AWG)
AWG là trường hợp tổng quát của bộ lọc giao thoa Mach-Zehnder (hình 1.27). Bộ lọc
này bao gồm hai bộ coupler nhiều cổng (multiport coupler) được kết nối với nhau bằng
một ma trận ống dẫn sóng (array of waveguides). AWG có thể được xem như là một
thiết bị ở đó một tín hiệu được nhân bản lên thành một loạt các tín hiệu với các độ lệch
pha tương đối khác nhau rộng được cộng lại với nhau. AWG có thể được sử dụng như
là bộ ghép/tách kênh 1xn. So với chuỗi MZI, AWG có tổn hao thấp, dải thông phẳng,
và dễ dàng được sản xuất dựa trên các mạch quang tổ hợp (integrated optic substrate).
AWG còn có thể được sử dụng như là một bộ kết nối chéo bước sóng (wavelength
crossconnect). Tuy nhiên bộ kết nối chéo trong trường hợp này không có khả năng tự
định tuyến (xem hình 10).

Hình 10.Cách tử ống dẫn sóng ma trận

TTQ

16


Hình 11. Mẫu bộ kết nối chéo được tạo từ AWG

2.5.6 Bộ lọc quang – âm điều chỉnh được (AOTF)
Bộ lọc quang-âm AOTF (Acousto-Optic Tunable) là tiêu biểu cho họ thiết bị mà công
nghệ chế tạo kết hợp giữa âm thanh và ánh sáng. Dùng sóng âm thanh để tạo cách tử
Bragg trong ống dẫn sóng, các cách tử này thực hiện chức năng lựa chọn bước sóng.
Trong điều kiện công nghệ hiện tại, bộ lọc AOTF là một trong những thiết bị duy nhất
có khả năng điều chỉnh để lựa chọn nhiều bước sóng cùng một lúc. Khả năng này giúp
cho bộ lọc là linh kiện chủ chốt chế tạo các bộ kết nối chéo bước sóng.

Hình 12. Một AOTF đơn giản.

TTQ

17


II. Bộ lọc định tuyến kênh sử dụng lỗ khuyết đơn trong phiến dẫn sóng tinh
thể quang tử 2D
1. Bộ lọc định tuyến kênh
Bộ lọc định tuyến kênh (CDF – channel dropping filter) - hệ thống có khả năng chọn
lọc ra được một kênh có băng thông rất hẹp trong tín hiệu ghép kênh phân chia theo
bước sóng (WDM – Wavelength Division Multiplexing), trong khi không gây ảnh
hưởng tới các kênh khác – là một trong những thành phần quan trọng trong PIC và hệ
thống thông tin quang.

2. Hiệu suất của bộ lọc định tuyến kênh

Hiệu suất của một bộ lọc tái định tuyến kênh được xác định bằng hiệu quả chuyển giao
bước sóng giữa hai ống dẫn sóng. Hiệu suất tốt nhất là 100%, tương ứng với trường
hợp kênh được chọn đi vào ống dẫn sóng (drop), theo một trong hai hướng về phía
trước hoặc về phía sau, nhưng không có tín hiệu được truyền tiếp về phía trước hoặc bị
phản xạ theo chiều ngược lại trên ống dẫn sóng (bus). Đồng thời, tất cả các kênh khác
không bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của hệ thống cộng hưởng quang học này.

TTQ

18


3. Bộ lọc định tuyến kênh sử dụng lỗ khuyết đơn trong phiến dẫn sóng tinh thể
quang tử 2D.
3.1. Giới thiệu
Trong số các thiết bị khác nhau dựa trên các tinh thể quang tử, các bộ lọc qung học là
những thành phần quan trọng nhận được những sự chú ý đặc biệt vì chúng có thể hoạt
động như một bộ phận kênh để lựa chọn một kênh cụ thể hoặc nhiều kênh trong các
kênh hệ thống truyền thông quang học DWDM. Để được sử dụng trong các hệ thống
truyền thông quang học DWDM, các bộ lọc phải có điều kiện là đáp ứng của bộ lọc
phải đỉnh phẳng và sườn dốc từ dải thông đến dải chắn.

Bài báo mô tả phân tích lí thuyết và thực nghiệm của các bộ lọc định tuyến kênh sử
dụng một lỗ khuyết duy nhất hình thành gần ống dẫn sóng tinh thể quang tử hai chiều
(2-D). Đầu tiên chúng ta tính toán phổ truyền của một ống dẫn sóng tinh thể quang tử
2-D và cho thấy rằng hệ số truyền dẫn cao cho một dải bước sóng rộng (xấp xỉ 60 nm)
đạt được ở vùng bước sóng 1,55 µm. Chúng ta cũng thấy rằng trạng thái lỗ khuyết có
chiều dài bước sóng trong viêc truyền tải dải bước sóng cao có thể được hình thành
trong vùng cấm quang tử (photonic bandgap) bằng cách đưa vào một lỗ khuyết có bán
kính thích hợp, được xác định bằng tính toán lí thuyết. Tiếp theo chúng ta chế tạo một

số thiết bị có bán kính lỗ khuyết khác nhau và cho thấy rằng các bước sóng phát ra từ
mỗi lỗ khuyết có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi bán kính lỗ khuyết. Ngoài ra
việc điều chỉnh đo các đặc tính phù hợp với kết quả tính toán. Từ đồ thị bức xạ của
thiết bị, chúng ta ước tính hiệu quả truyền của các thiết bị này là khoảng vài chục phần
trăm. Sau đó, từ việc tính toán lí thuyết, chúng ta làm rõ các trạng thái cấu trúc để thu
được hiệu quả tối đa đầu ra và cho thấy rằng điều chỉnh bước sóng truyền trong khi vẫn
duy trì hiệu quả đầu ra mức cao có thể bằng cách chọn vị trí và bán kính lỗ khuyết
thích hợp. Dựa trên những kết quả này, chúng ta thấy khả năng thành công khi thực

TTQ

19


hiện một bộ lọc siêu nhỏ Channel Drop cho một hệ thống truyền thông quang học dồn
kênh phân chia bước sóng.

Hiện tại, tinh thể quang tử nhận được nhiều sự chú ý. Do chu kỳ của nó, các tinh thể có
cấu trúc dải phổ quang cho photon và hình thành một vùng cấm quang tử có thể chọn
dạng hình học thích hợp của cấu trúc. Ngoài ra, các trạng thái lỗ khuyết có thể được
hình thành trong vùng cấm quang tử bằng cách chế tạo lỗ khuyết nhân tạo trong các
tinh thể. Bằng cách áp dụng những tính năng, ứng dụng và thiết bị mới được mong đợi.
Chúng bao gồm việc triệt phát xạ tự phát bởi các vùng cấm quang tử, chi phí thấp và
ống dẫn sóng có độ uốn, ngoặt gấp bởi các đường lỗ khuyết trong tinh thể, các thiết bị
phát quang chưa từng thấy, trong đó có điôt phát quang (LED) ở bước sóng duy nhất,
và điôt laser ngưỡng thấp (LDs), bằng cách kết hợp chất liệu phát quang và các lỗ
khuyết.

Chúng tôi đã đưa ra và thực hiện được giữ và phát xạ photon bởi một lỗ khuyết duy
nhất mà đã được chế tạo ra bên trong một ống dẫn sóng tinh thể quang tử 2-D. Hiện

tượng tự nhiên này rất thú vị vì nó được nó phát sinh từ việc giữ photon trong trạng
thái lỗ khuyết trong tinh thể quang tử. Ngoài ra, hiện tượng này dự kiến được áp dụng
vào cho các bề mặt phát quang- loại bộ lọc siêu nhỏ Channel Drop cho hệ thống truyền
thông quang học dồn kênh phân chia bước sóng. Tuy nhiên, đặc điểm cụ thể của hiện
tượng, chẳng hạn như các đặc điểm điều chỉnh, sự phụ thuộc của hệ số Q và hiệu quả
phát xạ trên hình dạng của cấu trúc thiết bị, chưa được tiết lộ. Trong nghiên cứu này, về
mặt lí thuyết và thực nghiệm chúng tôi nghiên cứu các đặc tính của việc giữ và phát xạ
bởi các lỗ khuyết trong ống dẫn sóng tinh thể quang tử 2-D.

TTQ

20


3.2. Nguyên lý hoạt động

Hình 13. a) Phiến tinh thể quang tử có cấu trúc mạng tam giác 2 chiều
b) Tính toán sự thay đổi phổ của ánh sáng trong ống dẫn sóng

Hình 13.a thể hiện một hình vẽ dưới dạng biểu đồ của một phiến tinh thể quang tử có
cấu trúc tam giác mạng 2 chiều. Đường lỗ khuyết đơn được biết đến là một đường dẫn
sóng cho sóng ánh sáng. Trong cấu trúc này, đường dẫn ánh sáng bị giới hạn theo
hướng mặt phẳng bởi tác động vùng cấm quang tử và theo hướng thẳng đứng bởi chỉ
sổ khúc xạ lớn đối lập giữa phiến quang tử và lớp không khí vỏ. Hình 13.b chỉ ra phổ
truyền phát đã được tính toán của đường dẫn sóng có được do áp dụng phương pháp vi
sai hữu hạn trong miền thời gian (FDTD). Bán kính của lỗ khí và độ dày của phiến lần
lượt là 0.29a và 0.6a, trong đó a là hằng số mạng của tinh thể và a=0.42um. Rõ ràng là,
chỉ số truyền dẫn cao, gần như là 100% cho một bước sóng dài(~60nm) đạt được ở

TTQ

21


vùng bước sóng 1.55um. Xem xét số liệu này, ta thấy mức độ truyền lớn hơn 1.0, ở
mức 1.585um là do sự cố ở độ chính xác trong quá trình tính toán.

Hình 14. a) Phiến tính thể quang tử 2D có một lỗ khuyết duy nhất
b) Biểu đồ thể hiện tương ứng

Khi chúng ta thêm một điểm lỗ khuyết gần đường sóng, như được thể hiện ở hình 14.a,
trạng thái lỗ khuyết được hình thành ở vùng cấm của quang tử (photonic bandgap).
Hình 14.b mô tả một mô hình dải đã được tính toán theo như cấu trúc được mô tả ở
TTQ

22


hình 14.a. Hình này thể hiện rõ các mô hình của phiến tinh thể quang tử, đường truyền
sóng, lỗ khuyết và vùng rò. Ở đây, chúng ta mô tả ngắn gọn mô hình dải ở hình 14.b,
bản mô tả chi tiết của mô hình này được ghi lại ở [12]. Các vùng màu xám thể hiện các
mô hình phiến tinh thể quang tử, có thể truyền vào bên trong phiến tinh thể quang tử.
Đường dày cứng cho thấy đường bao giữa vùng rò và những vùng không rò. Tất cả các
mẫu ở trên đường này đều bị rò khỏi phiến. Một vùng cấm của quang tử tồn tại ở các
tần số khoảng giữa 0.256 và 0.320 (c/a), trong đó c là vận tốc của ánh sáng trong môi
trường chân không. Một mô hình dải đã được phóng to ở phía bên phải của hình 14.b
mô tả mẫu đường dẫn sóng bên trong khe. Những đường mỏng, bị gãy thể hiện những
mô hình dẫn sóng bị rò, còn những đường mỏng, cứng là những mô hình dẫn sóng
không bị rò. Ống dẫn sóng không suy hao ở khoảng tần số từ 0.27 đến 0.28 (c/a), tương
ứng với chiều dài bước sóng có mức truyền cao như đã thấy trong hình 13b. Đường

dày cứng nằm ngang cho biết mẫu và tần số lỗ khuyết được xác định. Bán kính lỗ
khuyết là 0.58a, đây là bán kính được thiết kế nằm trong khoảng tần số không suy hao
của đường dẫn sóng. Mô hình lỗ khuyết mở rộng vùng rò để cho mô hình này chắc
chắn luôn trong tình trạng rò. Vì vậy, các photons truyền qua đường dẫn sóng có tần số
giống với của mô hình lỗ khuyết sẽ bị giữ lại bởi khớp nối, khớp nối này sẽ phát xạ
chúng vào không gian tự do, như được mô tả trong hình 14.a. Ở đây, điều đáng chú ý là
quá trình giữ lại và giải phóng photons không phải chỉ xảy ra khi lỗ khuyết đang ở rất
gần với ống dẫn sóng. Mức hiệu quả của quá trình phát xạ chỉ được quyết định bởi mối
liên hệ giữ lại quang học ở mặt phẳng và chiều thẳng đứng, như được bàn luận trong
phần V. Việc điều chỉnh phát xạ chiều dài bước sóng luôn được mong đợi bởi tần số
của mô hình lỗ khuyết thường được cho là phụ thuộc vào bán kính lỗ khuyết.

TTQ

23


3.3. Chế tạo thiết bị
Chúng tôi đã phát triển hai loại thiết bị. Một là thiết bị mà trong đó những lỗ khuyết có
sự khác nhau về bán kính lỗ khuyết được định dạng để chứng minh rằng hàm kênh thả
sử dụng lỗ khuyết có thể phát xạ những bước sóng dựa trên điều chỉnh sự thay đổi của
bán kính lỗ khuyết. Loại hai là thiết bị mà trong đó lỗ khuyết đơn được định dạng để
kiểm tra những tính chất cơ bản của thiết bị. Quy trình chế tạo diễn ra như sau. Đầu
tiên, lớp InGaAsP (lamda g = 1.1 µm) có độ dày 0.5 µm được trồng trên chất nền InP
bằng ghép pha kim loại hữu cơ dạng hơi( metal-organic vapor phase epitaxy). Cấu trúc
mạng tam giác 2 chiều có 1 một ống dẫn sóng hình đường thẳng và mỗi góc khuyết
được phân lập có bán kính khác nhau hoặc góc khuyết đơn được rút ra bởi thuật in
thạch bản dùng chùm electron( lithography)(ELIONIC ELS-3700)… Hằng số mạng và
bán kính của ống không khí (atom- nguyên tử) được thiết kế sao cho theo thứ tự là 0.42
µm và 0.13 µm. Chúng tôi đã sử dụng chùm electron chống lại sự tích cực (ZEP-520),

có lượng phát xạ 62µC/cm2. Mẫu chống cự này đã được chuyển đổi để ghép lớp
InGaAsP và chất nền InP bằng phản ứng ion khi khắc axit (SAMCO RIE-10N) sử dụng
khí CH4/H2 tỉ lệ 1:3. Điều kiện để khắc axit như sau. Công suất cao tần 200W, áp suất
60 mtorr. Tiếp theo, chất nền InP dưới lớp mẫu InGaAsP được khắc một cách chọn lọc
bằng dung dịch HCl- H2O tỉ lệ 3:1 giải pháp để tạo thành cấu trúc phiến. Chiều dài của
ống dẫn sóng được thiết kế khoảng 200 µm, và tinh thể quang tử hai chiều có 15 chu kì
được định dạng trên cả hai mặt của ống dẫn sóng. Cuối cùng, chúng tôi cắt một hoặc cả
hai mặt của ống dẫn sóng tinh thể quang tử hai chiều. Hình 15 cho ta thấy ảnh chụp
bằng kính hiển vi điện tử của thiết bị được chế tạo. Ở hình 15 cấu trúc phiến được định
dạng thành công bằng cách khắc chọn lọc. Hơn nữa, hai lỗ khuyết với với bán kính
khác nhau được thấy ở gần ống dẫn sóng. Sự khác biệt bán kính của lỗ khuyết i và j là
3% đến 4% với j>i.

TTQ

24


Hình 15. Ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử của thiết bị được chế tạo. Cấu trúc phiến hai
chiều được kẹp vào giữa các lớp vỏ không khí. Một ống dẫn sóng thẳng và hai lỗ khuyết
độc lập được định dạng trên mặt phiến.

Hình 16. Hình ảnh thực tế

TTQ

25