Tìm hiểu về bộ lọc thông dải dựa trên sự dịch pha của lưới dẫn sóng tinh thể quang tử

Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hıǹ h 1.1 Sơ đồ khối của bộ lọc. (a) Bộ lọc cố định bước sóng λk. (b) Bộ lọc có thể điều
chỉnh được bước sóng được trong khoảng ∆λ........................................................……...6
Hıǹ h 1.2 (a) Các thông số đặc trưng của bộ lọc. (b) Độ gợn sóng của bộ lọc…… ……...7
Hıǹ h 1.3: (a) Cách tử truyền dẫn và (b) Cách tử phản xạ…………………………..…….9
Hı̀nh 1.4 (a) Cách tử 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........................................................................……...10
Hıǹ h 1.5 dùng điện cực để thay đổi bước sóng hoạt động của bộ lọc FabryPerot............11
Hı̀nh 1.6 bộ lọc ghép/tách kênh được tạo từ các bộ lọc màng mỏng điện môi.....…........12
Hıǹ h 1.7(a) Bộ lọc MZI được tạo thành bằng cách kết nối các couplers định hướng 3dB.
(b) sơ đồ khối của MZI. 1 là độ lệch về hướng đi giữa các nhánh. (c) Sơ đồ khối MZI bốn
tầng khi sử dụng các bước sóng khác nhau ở mỗi tầng......................................………12
Hıǹ h 1.8 Cách tử ống dẫn sóng ma trận..............................................................………13
Hı̀nh 1.9 Một AOTF đơn giản.............................................................................………13
Hıǹ h 2.1. Lưới dẫn sóng tinh thể quang tử đơn pha............................................………16
Hı̀nh 2.2. Đường cong phân tán của vùng dịch pha từ các bán kính khác nhau r0……..16
Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 1


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

Hı̀nh 2.3. Phổ trên lý thuyết của lưới dẫn sóng dịch pha đơn cho lưới dẫn sóng chiều dài
L1........................................................................................................................ ………17
Hıǹ h 2.4. Lưới dẫn sóng với 3 vùng dịch pha.....................................................………17
Hı̀nh 2.5(a). Phổ của lưới dẫn sóng dịch 3 pha bằng tinh thể quang tử trong lý thuyết.
(b) Biểu diễn phổ của bộ lọc được thiết kế bằng cách sử dụng phương pháp 2-D

FDTD

............................................................................................................................. ………18
Hıǹ h 2.6 Phổ của lưới dẫn sóng dịch 3 pha tinh thể quang tử với các chiều dài lưới dẫn
sóng Lout khác nhau...........................................................................................………18
Hı̀nh 2.7. Phổ của lưới dẫn sóng dịch 3 pha tinh thể quang tử với các bán kính r 0 khác
nhau..................................................................................................................... ………19

Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 2


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT
IL

Insertion Loss

Suy hao xen

WDM

Wavelength devision Multiplexing

Ghép kênh theo bước sóng

ITU-T

Tiêu chuẩn viễn thông International Telecommunication Union thuộc Tổ chức Viễn thông
Telecommunication Standardization
quốc tế
Sector

BUF

Bandwidth-untilization Factor

Hệ số sử dụng băng thông

LW

Linewidth

Độ rộng kênh truyền

FP

Fabry-Perot

Bộ lọc Fabry-Perot

TFMF

Thin-film Multicavity Filter

MZI

Mach-Zehnder Filter

AWG
AOTF

Bộ lọc đa khoang màng mỏng
điện môi

Bộ lọc Mach-Zehnder
Bộ lọc cách tử ống dẫn sóng ma
Array of Waveguides
trận
Bộ lọc quang-âm điều chỉnh được
Acousto-Optic Tunable Filter

PCs

Photonic Crystals

DWD
M

Dense Wavelength-DivisionMultiplexed

TM

Transverse Magnetic

Từ trường ngang

PBG

Photonic Bangap

Vùng cấm quang tử

FDTD

Finite-Difference Time-Domain

DFB

Distributed Feedback

Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 3

Tinh thể quang tử
Ghép đa kênh theo bước sóng

Miền thời gian hữu hạn 2 chiều

Phản hồi thông tin phân tán


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển vô cùng mạnh mẽ của công nghệ thông tin nói chung và kỷ 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, tron 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 thông dải dựa trên sự dịch pha của lưới dẫn sóng tinh thể quang tử”
thông qua bài báo “Bandpass filters based on phase-shifted photonic crystal
waveguide gratings” Optics Express, Vol. 15, Issue 18, pp. 11278-11284 (2007) của
Chao Chen, Xuechun Li, Hanhui Li, Kun Xu, Jian Wu, and Jintong Lin.
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.

Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 4


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

NỘI DUNG
I. Tổng quan về bộ lọc quang và tinh thể quang tử
1. Tinh thể quang tử
1.1 Định nghĩa

Tinh thể quang tử là các cấu trúc nanô quang học có ảnh hưởng đến sự lan truyền
của các hạt photon trong nó tương tự như cách mà các tinh thể bán dẫn tác động lên
chuyển động của electron. Các tinh thể quang tử xuất hiện một cách tự nhiên trên vỏ
Trái Đất ở nhiều dạng và đã được nghiên cứu từ đầu thế kỷ 20.
1.2 Giới thiệu

Tinh thể quang tử được tạo thành từ các cấu trúc nanô điện môi hoặc kim loại- điện
môi được thiết kế để tác động lên sự lan truyền của sóng điện từ tương tự như cách
các hố năng lượng tuần hoàn trong các tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động của
electron; tức là tạo ra các cấu trúc năng lượng của trạng thái photon trong tinh thể. Ở
đây, một vùng trống trong cấu trúc năng lượng photon là những kiểu lan truyền mà
sóng điện từ không được phép, hay những dải bước sóng không lan truyền được. Điều
này dẫn đến các hiện tượng như ngăn cản phát xạ tự phát, gương định hướng có độ
phản xạ cao hay ống dẫn sóng có độ hao tổn thấp.

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.
1.3 Tinh thể quang tử tự nhiên

Một ví dụ của tinh thể quang tử tự nhiên là opal. Các màu sắc của nó là do nhiễu xạ
Bragg trên các mắt tinh thể của nó. Một hệ tinh thể quang tử tự nhiên khác có thể quan
sát được trên cánh một số loài bướm, như loài Morpho.
1.4 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.
Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 5


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

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 các bước sóng đặc biệt (ở đó không có vật liệu truyền thống nào trong suốt
ngoài không khí hay các chất khí). Khả năng sản xuất và ngăn ngừa lỗi trong các tinh
thể quang tử ba chiều vẫn đang được nghiên cứu.

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 cơ 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 đó qua nó, các
kênh bước sóng khác, ngược lại, sẽ triệt tiêu về pha. Tùy thuộc vào khả năng điều
chỉnh kênh bước hoạt động, người ta chia bộ lọc làm hai loại: bộ lọc cố định (fixed
filter) và bộ lọc điều chỉnh được (tunable filter). Hình 1.1 là sơ đồ khối bộ lọc cố định
và bộ lọc điều chỉnh được.

Hı̀nh 1.1 Sơ đồ khối của bộ lọc. (a) Bộ lọc cố định bước sóng λk.
(b) Bộ lọc có thể điều chỉnh được bước sóng được trong khoảng ∆λ.
 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.
 Dải thông hoạt động của bộ lọc phải không nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ

của môi trường. Bộ lọc phải đảm bảo trong khoảng nhiệt độ hoạt động (thường
Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 6


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

là khoảng 1000C, 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 khaongr 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
dung công nghệ ống dẫn sóng, cho phép sản xuất trên những vi mạch tích hợp
quang (bù lại hoạt động phụ thuộc vào trạng thái phân cực của sóng quang).
Thứ hai là dung 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 và trạng thái
phân cực của sóng quang, ghép sóng từ sợi quang vào thiết bị dễ dàng.

Hı̀nh 1.2 (a) Các thông số đặc trưng của bộ lọc. (b) Độ gợn sóng của bộ lọc.
2.2. Các thông số cơ bản.

Hình 1.2 minh họa các đặc tính đặc trưng cho một bộ lọc, các đặc tính đó được định
nghĩa như sau:


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 còn có thể

Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 7


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

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 được qui định theo chuẩn ITU-T.


Độ rộng băng chặn (Stop BandWidth): là độ rộng của hàm truyền đạt tại mức
suy hao xen các 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 được truyền đi so với 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 có 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.



Tỉ lệ nén biên SSR (Sidelobe Suppression Ratio): là khoảng cách giữa giá trị

công suất đỉnh so với giá trị cộng suất lớn nhất ở biên.



Độ phân giải: là độ dịch bước sóng nhỏ nhất bộ lọc có thể nhận biết được.

Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 8


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

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 có
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 x với tần số góc là ω là hằng số pha β sẽ
có độ dịch pha là (ωt – βz). Do đó độ dịch pha tương đối giữa 2 sóng phát sinh từ một
nguồn có thể được tạo ra bằng cách cho chúng truyền qua 2 đường khác nhau. Hình
1.3 là 2 ví dụ về cách tử truyền dẫn và cách tử phản xạ.

Hın
̀ h 1.3: (a) Cách tử truyền dẫn và (b) Cách tử phản xạ
2.4. Cách tử Bragg

Định 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 biết đổi tuần hoàn chiết suất
môi trường) đều có thể hình thành từ cách tử Bragg.

Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 9


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.4 (a) Cách tử trong sợi quang chiết suất đòng 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.
Trong đó, ∆ là độ rộng của dải thông và là khoảng cách giữa bước sóng đỉnh và
điểm phản xạ tối thiểu trong trường hợp mặt cắt chiết suất đồng nhất. ∆ tỉ lệ nghịch
với chiều dài cách tử. ∆ λ là độ lệch bước sóng so với bước sóng đồng pha.
2.5. Một số loại bộ lọc quang thông dụng
a. 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 2 loại: cách tử chu kỳ ngắn và cách tử chu kỳ dài. Cách tử chu

kỳ

ngắn có chu kỳ cách tử tương đương với bước sóng hoạt động khoảng 5µm. Trong khi
đó cách tử chu kỳ dài có chu kỳ cách tử lớn hơn nhiều lần so với bước sóng hoạt động
khoảng vài trăm µm đến vài mm. Bộ lọc Bragg kiểu sợ quang cũng có thể là bộ lọc cố
định hoặc bộ lọc điều chỉnh được.
Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 10


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

b. Bộ lọc Fabry-Perot

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

Hình 1.5 Dùng điện cực để thay đổi bước sóng hoạt động của bộ lọc Fabry-Perot
c. Bộ lọc đa khoang màng mỏng điện môi (TFMF)

Bộ lọc màng mỏng TFF (Thin-Film Filter) cũng là một dạng giao thoa kế FabryPerot, trong đó các gương bao quanh hốc cộng hưởng được thực hiện 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 duy 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. 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.

Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 11


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.6 Bộ lọc ghép/tách kênh được tạo từ các bộ lọc màng mỏng điện môi
d. 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 hợp giao thoa với nhau. MZI thường được sản
xuất dựa trên các mạng tích hợp quang và thường gồm các couple 3 dB được nối với
nhau bằng các đường có các dộ dài khác nhau.

Hình 1.7 (a) Bộ lọc MZI được tạo thành bằng cách kết nối các couplers định hướng
3dB. (b) Sơ đồ khối của MZI. 1 là độ lệch về hướng đi giữa các nhánh. (c) Sơ đồ khối
MZI bốn tầng khi sử dụng các bước sóng khác nhau ở mỗi tầng.

e. Bộ lọc cách tử dẫn sóng ma trận (AWG)

AWG là trường hợp tổng quát của bộ lọc giao thoa Mach-Zehnder. Bộ lọc này bao
gồm 2 bộ couple nhiều cổng được kết nối với nhau bằng một ma trận dẫn sóng. 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.

Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 12


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.8 Cách tử ống dẫn sóng ma trận
f. Bộ lọc quang – âm điều chỉnh được (AOTF)

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 ra 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 lúc. Khả năng này giúp cho bộ lọc
là linh kiện chủ chốt chế tạo các bộ kết nối chéo bước sóng.

Hình 1.9 Một AOTF đơn giản

II. Bộ lọc thông dải dựa trên sự dịch pha trong lưới ống dẫn sóng tinh thể quang tử
1. Giới thiệu

Tinh thể quang tử (PCs) [3-5] là vật liệu có cấu trúc tuần hoàn với một điện môi
lớn. Các cấu trúc tuần hoàn cấm sóng điện từ truyền trong một phạm vi tần số, được
gọi là vùng cấm quang tử (Photonic Bangap PBG). Bởi những tính năng độc đáo trên,
trong những năm gần đây các thiết bị quang học dựa trên tinh thể quang tử đã thu hút
sự chú ý lớn. Nhiều loại tinh thể quang tử (PC) khác nhau như các ống dẫn sóng [6]

và các bộ lọc [7-9], đã được nghiên cứu từ khá lâu do chúng có kích thước nhỏ gọn và
khả năng ứng dụng rộng rãi trong các mạch quang học và mạng lưới truyền thông.
Trong số các thiết bị khác nhau dựa trên các tinh thể quang tử, các bộ lọc quang
học là những thành phần quan trọng nhận được những sự chú ý đặc biệt vì chúng có
Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 13


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

thể hoạt động như một bộ phân 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 là đỉnh phẳng và sườn dốc từ dải thông đến dải chắn. Một loại bộ lọc
thông dải dựa trên tinh thể quang tử đã được đề xuất bởi R. Costa sử dụng tinh thể
quang tử dựa trên các lỗ trống Fabry-Perot trong [8], và các gương phản chiếu một
phần của lỗ trống FP được thực hiện bằng cách chèn thêm vào ống dẫn sóng tinh thể
quang tử 2 chiều (2-D) cho phù hợp. Trong các loại bộ lọc này, hệ số phản xạ, pha và
độ dài quang học của các tinh thể quang tử dựa trên lỗ trống FP nên được thiết kế một
cách cẩn thận để xác định tần số cộng hưởng và băng thông. Hơn nữa, vị trí tương đối
của các lỗ trống FP được chèn vào đối với các mạng tinh thể quang tử 2 chiều (2-D)
cũng phải được thiết kế cẩn thận để cải thiện hiệu suất bộ lọc, làm hiệu quả đạt được
tốt hơn từ những sự thiết kế khó khăn. Trong tài liệu tham khảo [9], một bộ lọc thông
dải thứ ba Chebyshev dựa trên cộng hưởng lỗi nhúng trong ống dẫn sóng tinh thể
quang tử được thiết kế trong phạm vi của các băng tần truyền thông quang học. Trong
thiết bị này, sự chậm pha giữa các bộ cộng hưởng lân cận phải được thiết kế để tránh
độ gợn trong thông dải. Vì vậy, các thông số của các bộ cộng hưởng của lỗ trống phải

được thiết kế chính xác để nâng cao hiệu suất của các bộ lọc.
Trong bài báo này, một bộ lọc thông dải [10-11] dựa trên sự dịch pha của lưới dẫn
sóng tinh thể quang tử đã được đề xuất. Mỗi vùng dịch pha bao gồm một chu kỳ của
lưới dẫn sóng tinh thể quang tử được chèn vào 1 lưới dẫn sóng tinh thể quang tử [1214]. Trong các vùng dịch pha, sóng điện từ ở tần số cách tử Bragg của ống dẫn sóng
tinh thể quang tử được truyền với sự dịch pha π/2. Các cấu hình của hệ thống quang
học của chúng tôi cũng tương tự như các bộ lọc quang học bao gồm các cấu trúc phản
hồi thông tin phân tán (DFB) [15] hoặc cộng hưởng vòng [16]. Các đặc tính truyền
dẫn của cách tử ống dẫn sóng dịch pha về mặt lý thuyết được phân tích bằng cách
truyền các ma trận dựa trên tiêu chuẩn lý thuyết [17-18]. Các hệ số ghép nối trong các
hình thức này có thể được tính xấp xỉ bằng số theo phương pháp được đề cập trong
[12]. Chi tiết các mục của các phương trình để tính toán truyền dẫn được giới thiệu
trong [14]. Các số liệu mô phỏng được thực hiện bằng cách sử dụng miền thời gian
hữu hạn 2 chiều (FDTD) để xác minh các kết quả lý thuyết. Theo phân tích của các
Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 14


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

nhà nghiên cứu, một bộ thông dải thứ 3 Chebyshev dựa trên tinh thể quang tử hai
chiều với thnah điện môi cao trong không khí được thiết kế trong các băng tần truyền
thông quang học.
2. Thiết kế của cấu trúc bộ lọc

Đầu tiên, chúng ta xem xét lưới ống dẫn sóng tinh thể quang tử dịch đơn pha như
mô tả trong hình. 2.1, dựa trên tinh thể quang tử 2 chiều được làm từ một lưới vuông
gồm các que điện môi trong không khí. Ống Acrylic này có hệ số điện môi ε = 11,56

và bán kính r = 0.2a, với a là hằng số mạng tinh thể. Trong tinh thể quang tử 2 chiều
(2 D), PBG chỉ tồn tại từ trường ngang (TM) kéo dài từ ω = 0,289 đến 0,42 (2πc/a)
[5], ω là tần số lấy mẫu. Các ống dẫn sóng tinh thể quang tử đơn mode được hình
thành bằng cách loại bỏ một hàng các thanh. Các thanh tiếp giáp với cả hai bên của
ống dẫn sóng được luân phiên thay thế bằng các thanh với bán kính khác nhau theo
qui tắc r1 = 0.16a để xây dựng các ống dẫn sóng tinh thể quang tử hoạt động như
một đáp ứng bộ lọc thông dải. Đáp ứng bọ lọc có tần số trung tâm tại tần số Bragg
ω0= 0,37426 (2πc/a) được định nghĩa là tần số mà hiệu quả phản ánh là tối đa
[13]. Vùng dịch pha được thực hiện bởi một chu kỳ của ống dẫn sóng tinh thể quang
tử, trong đó có các hằng số mạng tinh thể giống như một nền tảng tinh thể quang tử,
được đặt phù hợp với các nền mạng tinh thể quang tử và nằm ở trung tâm của cách
tử ống dẫn sóng. Chiều dài của 2 lưới này phần lưới thống nhất là L1. ø1 là khoảng
dịch pha trong vùng dịch pha.
Trong khu vực dịch pha, mối quan hệ tán sắc của các chế độ cơ bản của ống dẫn
sóng tinh thể quang tử có thể được sửa đổi bằng cách thay đổi bán kính của hai que
biên (biểu thị bằng que với màu đen trong hình 2.1 [19].

Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 15


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 2.1 Lưới dẫn sóng tinh thể quang tử đơn pha
Khi bán kính của các thanh biên được tăng lên, các đường cong phân tán chuyển
sang tần số thấp hơn. Các giá trị của tần số ω 1 tại β(ω)=0.25 (2πc/a) cho bán kính r0
khác nhau được tính toán và thể hiện trong hình 2.2(b). Từ đồ thị này có

thể thấy

rằng tần số ω1 = 0.3743 với bán kính r0 = 0.18a, tương đương với tần số Bragg ω0
của lưới ống dẫn sóng tại bán kính r 1 = 0.16a. Dịch pha ø1 = βa xảy ra trong vùng
dịch pha bằng π/2 với sóng điện từ lan truyền ở tần số Bragg ω 0 của các cách tử ống
dẫn sóng tinh thể quang tử ở bán kính r1=0.16a

Hình 2.2 Đường cong phân tán của vùng dịch pha từ các bán kính khác nhau r0
Tính toán qua lý thuyết phổ của ống dẫn sóng tinh thể quang tử đơn pha có bán
kính r0 = 0.18a với lưới dẫn sóng chiều dài L 1 (hình 2.3). Đỉnh truyền với hình dạng
dòng Lorentzian được tâm tại tần số Bragg ω 0. Khi chiều dài của cách tử ống dẫn
sóng được tăng lên, dải truyền giảm xuống. (đo bằng chiều rộng ở nửa cực đại
(FWHM)).

Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 16


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 2.3 Phổ trên lý thuyết của lưới dẫn sóng dịch pha đơn cho lưới dẫn sóng chiều
dài L1
Lưới dẫn sóng có M vùng dịch pha với chiều dài mỗi đoạn dẫn sóng là
L1.L2…..LM với số pha dịch tương ứng là ø1=ø2 =...=øm.

Hình 2.4 Lưới dẫn sóng với 3 vùng dịch pha. Bởi lưới dẫn sóng cùng 3 lần dịch pha

thể hiện sự tối ưu khi thiết kế bộ lọc trong thực tế [11]. Thiết bị được thiết kế đối xứng
với chiều dài L1=L3=Lout và L2=Lin
Qua lý thuyết tính toán phổ truyền của ống dẫn sóng tinh thể quang tử 3 pha với
Lout = Lin = 12Λ và r0 = 0.18a trong hình 2.5(a) biểu hiện bằng các đường liền nét.
Chúng ta có thể thấy rằng, phổ của bộ lọc này có dạng hình chữ nhật với độ gợn dải
thông là 0.35db, giống với phổ của bộ lọc thông dải Chebyshev. Bằng cách điều chỉnh
đọ dài của ống dẫn sóng ở cả phía ngoài lẫn phía trong, chúng ta có thể giảm độ gợn
dải thông [11-16]. Ở đây, độ gợn được giảm xuống còn khoảng 0.1dB bằng cách thay
đổi chiều dài lưới dẫn sóng phía ngoài từ 12Λ xuống 11Λ. Phổ truyền sau khi tối ưu
hóa được biểu diễn trên hình 2.5 a biểu thị bằng đường nét đứt. Tuy nhiên, các hệ số s
đặc trưng cho sự chọn lọc của băng truyền tải, bị giảm từ 0.756 xuống 0.712. Vì vậy,
bằng việc thay đổi chiều dài ống dẫn sóng phía bên ngoài sẽ làm giảm độ gợn dải
thông và chọn lọc của băng truyền đã bị ảnh hưởng ít nhiều.
Hình 2.5 (b) cho thấy phổ của lưới dẫn sóng dịch 3 pha bằng tinh thể trong thực tế
được thiết kế thông qua các tính toán sử dụng phương pháp 2-D FDTD. Các tính toán
sử dụng phương pháp 2-D FDTD phù hợp với lý thuyết, chứng minh cho sự hiệu quả
của bộ lọc trên. Sự biến dạng các đáp ứng tần số có thể là do các sai số khi sử dụng
phương pháp FDTD [10]. Các tần số trung tâm của băng truyền thường ở khoảng tầm
0,37404(2 π c/a). Xảy ra hiện tượng này bởi có sự xấp xỉ trong các hệ số ghép nối
trong hình thức truyền ma trận. Phổ tối ưu được biểu diễn bằng đường nét đứt trải dài
Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 17


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

từ 0.3738 đến 0.3743(2nc/a) với độ gợn song nhỏ hơn 0.1dB

Hình 2.5 (a) Phổ của lưới dẫn sóng dịch 3 pha bằng tinh thể quang tử trong lý thuyết.
(b) Biểu diễn phổ của bộ lọc được thiết kế bằng cách sử dụng phương pháp 2-D
FDTD
3. Phân tích hiệu suất bộ lọc

Hın
̀ h 2.6 Phổ của lưới dẫn sóng dịch 3 pha tinh thể quang tử với các chiều dài
lưới dẫn sóng Lout khác nhau
Hình 2.6 thể hiện phổ của các lưới dẫn sóng dịch 3 pha tinh thể quang tử với

các

Lin, Lout khác nhau. Với hằng số mạng a = 0.58μm, độ dài của lưới
Lout=19Λ(Lin=19Λ), r0=0.18a. Như thể hiện trong hình 2.6, băng truyền tải của bộ
lọc có tần số trung tâm là 193,33 THz băng thông khoảng phẳng là 50Ghz. Độ gợn
dải thông ít hơn 0.1db. Những đặc điểm này được thiết kế cho bộ lọc sử sụng trong hệ
thống DWDM với khoảng cách giữa các kênh là 100Ghz.

Hı̀nh 2.7 Phổ của lưới dẫn sóng dịch 3 pha tinh thể quang tử với các bán kính r0
Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 18


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội
khác nhau

Các tần số trung tâm của băng truyền có thể được sửa đổi bằng cách thay đổi độ

lớn của độ dịch pha [8]. Như đã đề cập trong phần 2, các sự dịch pha chủ yếu bị ảnh
hưởng bởi kích thước của các đường bao trong vùng dịch pha. Do đó, tần số trung tâm
có thể được thay đổi bằng cách làm thay đổi bán kính r 0. Hình 2.7 cho thấy phổ của
bộ lọc thông dải với bán kính r 0 khác nhau trong trung tâm vùng dịch pha. Như bán
kính r0 tăng 0.005a thì tần số trung tâm thay đổi khoảng 35GHz. Theo đó, băng
truyền của bộ lọc có bán kính r 0 = 0.18a và 0.195a tập trung tại tần số 193.33THz và
193.23THz, tương ứng với khoảng tần số 100 GHz. Nếu độ chính xác tần số trung tâm
nghiêm ngặt là cần thiết trong hệ thống, tính chính xác trong quá trình chế tạo rất cần
thiết và nghiêm ngặt. Giá trị của những gợn (dB) trong dải thông cho các giá trị bán
kính khác nhau r0 được biểu diễn trong hình 2.8. Cần lưu ý rằng giá trị của những gợn
sóng (dB) thay đổi gần tối ưu ở r0 =0.18a và ít hơn 0.25dB, làm cho hiệu suất của bộ
lọc ít biến đổi đối với sự thay đổi của độ dịch pha.

Hın
̀ h 2.8 Sự phụ thuộc của độ gợn dải thông vào bán kính r0
Lưới dẫn sóng dịch pha tinh thể quang tử có thể được xây dựng với hệ thống

các

lỗ trống sắp xếp như 1 thanh, hệ thống lỗ kiểu lưới dẫn sóng tinh thể quang tử được
thảo luận trong [10].
4. Kết luận

Trong bài báo này, một bộ lọc thông dải dựa trên sự dịch pha của lưới cách tử ống
dẫn sóng tinh thể quang tử đã được báo cáo. Mỗi vùng dịch pha bao gồm 1 chu kì của
Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 19

Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

lưới dẫn sóng tinh thể quang được chèn vào trong 1 lưới dẫn sóng tinh thể quang. Sự
dịch pha π/2 được thực hiện bằng cách chọn 1 bán kính chính xác cho đường bao
trong vùng dịch pha. Bộ lọc được thiết kế có đỉnh phẳng và sườn dốc để có thể đáp
ứng được với băng thông hẹp. Độ gợn dải thông sẽ được giảm xuống dưới 0.1 dB
bằng cách điều chỉnh độ dài của lưới dẫn sóng tinh thể quang ở phía bên ngoài. Tần số
trung tâm của dải thông có thể thay đổi bằng cách thay đổi bán kính đường bao trong
vùng dịch pha mà không làm giảm hiệu suất của bộ lọc. Chúng tôi tin tưởng rằng cấu
trúc của lưới dẫn sóng dịch pha tinh thể quang tử sẽ là nền tảng cho các bộ lọc
channel-dropping dựa trên các tinh thể quang tử ứng dụng trong hệ thống thông tin
quang DWDM.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Th.S Đỗ Văn Việt Em, “Kỹ thuật thông tin quang 2”, Học viện công nghệ
bưu chính viễn thông.
[2]. Chao Chen, Xuechun Li, Hanhui Li, Kun Xu, Jian Wu, and Jintong Lin
“Bandpass filters based on phase-shifted photonic crystal waveguide gratings”. Optics
Express, Vol. 15, Issue 18, pp. 11278-11284 (2007).
[3]. E. Yablonovitch, “Inhibited spontaneous emission in solid-state physics
and electronics,” Phys. Rev. Lett. 58, 2059-2062 (1987).
[4]. S. John. “Strong localization of photons in certain disordered dielectric
superlattices,” Phys. Rev. Lett. 58, 2486-2489 (1987).
[5]. J. D. Joannopoulos, R. D. Meade, and J. N. Winn,Photonic
Crystals(Princeton U. Press, 1995).
[6]. A. Mekis, J. C. Chen, I. Kurland, S. Fan, P. R. Villeneuve, and J. D.
Joannopoulos, “High transmission through sharp bends in photonic crystal
Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 20


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

waveguides,” Phys. Rev. Lett.77, 3787-3790 (1996).
[7]. S. Fan, P. R. Villeneuve, J. D. Joannopoulos, H.A.Haus, “Channel drop
filters

in

photonic

crystals”

Opt.

Express

3,

4-11

(1998).

/>[8]. R. Costa, A. Melloni, and M. Martinelli, “Bandpass resonant filters in
photonic-crystal waveguides,” IEEE Photon. Technol. Lett. 15, 401-403 (2003).

[9]. D. Park, S. Kim, I. Park, and H. Lim, “Higher order optical resonant filters
based on coupled defect resonators in photonic crystals,” J. Lightwave Technol. 23,
1923-1928 (2005).
[10]. G. P. Agrawal and S. Radic, “Phase-shifted fiber Bragg gratings and their
application for wavelength demultiplexing,” IEEE Photon. Technol. Lett. 6, 995-997
(1994).
[11]. R. Zengerle and O. Leminger, “Phase-shifted Bragg-gratings filters with
improved transmission characteristics” J. Lightwave Technol. 13, 2354-2358 (1995).
[12]. T. Fujisawa and M. Koshiba, “An analysis of photonic crystal waveguide
gratings using coupled-mode theory and finite-element method,” Appl. Opt. 45, 41144121 (2006).
[13]. N. Yokoi, T. Fujisawa, K. Saitoh, and M. Koshiba, "Apodized photonic
crystal

waveguide

gratings,"

Opt.

Express

14,

4459-4468

(2006).

/>[14]. C. Chen, X. Li, K. Xu, J. Wu, and J. Lin, “Photonic crystal waveguide
sampled gratings,” Opt. Comm. 276, 237-241 (2007).
[15]. H. A. Haus, Waves and Fields in Optoelectronics(Englewood Cliffs, NJ:

Prentice-Hall, 1984), pp. 235-253.
[16]. A. Melloni, and M. Martinelli, “Synthesis of direct-coupled-resonators
bandpass filters for WDM systems,” J.
Lightwave Technol. 20, 296-303 (2002).
[17]. A. Yariv, “Coupled-mode theory for guided-wave optics,” IEEE J.
Quantum Electron.9, 919-933 (1973)
[18]. T. Erdogan, “Fiber grating spectra,” J. Lightwave Technol. 15, 12771294 (1997).
Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 21


Báo cáo thông tin quang

Viện Điện tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội

[19]. A. Adibi, R. K. Lee, Y. Xu, A.Yariv, and A. Scherer, “Design of
photonic crystal optical waveguides with singlemode propagation in the photonic
bandgap,” Electron. Lett. 36, 1376–1378 (2000).
[20]. />
Nhóm SVTH: Nhóm 20

Trang 22