CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỐNG DẪN SÓNG PLASMONIC 6
1 1 Kỹ thuật ghép k nh theo bước sóng
Ghép kênh theo bước sóng (WDM) là công nghệ cho phép truyền tải nhiều bước sóng ánh sáng qua một sợi quang duy nhất Tại đầu phát, các tín hiệu quang với bước sóng khác nhau được tổ hợp lại để truyền đi, trong khi ở đầu thu, tín hiệu tổ hợp này được phân giải và khôi phục lại các tín hiệu gốc, sau đó chuyển đến các thiết bị đầu cuối.
Hệ thống WDM (Wavelength Division Multiplexing) nổi bật với khả năng tận dụng hiệu quả băng rộng trong khu vực tổn hao thấp của sợi quang đơn mode, giúp tăng dung lượng truyền dẫn và giảm chi phí dịch vụ Ghép kênh quang không cần quá trình biến đổi điện, mục tiêu chính là nâng cao dung lượng truyền dẫn và xây dựng các tuyến thông tin quang tốc độ cao Khi tốc độ đạt hàng trăm Gbit/s, các mạch điện tử không thể đáp ứng xung tín hiệu hẹp, dẫn đến chi phí cao và công nghệ phức tạp Kỹ thuật ghép kênh quang theo bước sóng đã khắc phục những hạn chế này, với sự phát triển của công nghệ WDM cho phép sự riêng rẽ bước sóng chỉ từ 1nm, tạo ra hệ thống ghép kênh theo bước sóng mật độ cao (DWDM) Trước đây, các thiết bị chỉ xử lý từ 4 đến 16 kênh, mỗi kênh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5 Gbit/s cho tín hiệu mạng quang phân cấp số đồng bộ.
Công nghệ DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) đã phát triển mạnh mẽ trong các thiết bị truyền dẫn quang, cho phép truyền tải nhiều kênh hơn Hiện nay, các hệ thống với hàng trăm kênh đã sẵn sàng hoạt động, cung cấp tốc độ dữ liệu kết hợp lên đến hàng trăm Gbit/s và hướng tới đạt tốc độ Tbit/s trên một sợi quang đơn Nguyên lý truyền dẫn tín hiệu quang được mô tả chi tiết trong hình 1.
1 1 1 Một số cấu kiện ghép/tách kênh quang trong hệ thống WDM
Cấu kiện ghép và tách kênh quang trong hệ thống WDM được sản xuất dựa trên hai công nghệ chính: thiết bị có bộ lọc và thiết bị phân tán góc.
Hình 1 2 Bộ tách bước sóng dùng bộ lọc màng mỏng (a); Bộ tách bước sóng 2 kênh sử dụng bộ lọc giao thoa (b); Bộ tách nhiều bước sóng (c, d)
Thiết bị phân tán góc đồng thời đưa ra tất cả các bước sóng
Thiết bị lọc hoạt động chỉ cho một bước sóng hoặc một nhóm bước sóng tại một thời điểm, nhằm tách riêng từng bước sóng trong số nhiều bước sóng Để hoàn thiện thiết bị, cần xây dựng cấu trúc lọc theo tầng Trong khuôn khổ luận án, nghiên cứu đề xuất một số cấu kiện lọc bước sóng có kích thước nano mét dựa trên hiệu ứng plasmonic, phục vụ cho ứng dụng trong kỹ thuật WDM Một số cấu kiện tách/ghép kênh bước sóng được trình bày trong các hình 1 và 2.
Khi tách kênh quang, cần đảm bảo cách ly tốt giữa các bước sóng khác nhau bằng cách thiết kế bộ tách kênh chính xác Sử dụng bộ lọc quang với bước sóng cắt chính xác và dải làm việc ổn định là rất quan trọng Điều này giúp đáp ứng yêu cầu về công suất truyền, độ rộng kênh và giảm nhiễu xuyên kênh, đồng thời kích thước thiết bị cần phải nhỏ gọn để dễ dàng tích hợp vào các mạch quang tử.
Sau quá trình nghiên cứu và thực tiễn triển khai, mạng thông tin quang cùng với mạng quang sử dụng công nghệ WDM đã chứng minh nhiều ưu điểm nổi bật.
Công nghệ WDM cho phép truyền dẫn với dung lượng lớn bằng cách ghép nhiều kênh quang có bước sóng khác nhau trong một sợi quang Mỗi kênh quang tương ứng với một tốc độ bit nhất định (TDM), và hiện tại đã có thử nghiệm thành công với hệ thống WDM 80 bước sóng, mỗi bước sóng mang tín hiệu TDM với tốc độ 2,5 Gbit/s, đạt tổng dung lượng 200 Gbit/s Trong khi đó, hệ thống TDM truyền thống chỉ đạt tốc độ tối đa STM-256 với dung lượng 40 Gbit/s.
Mạng WDM có tính trong suốt cao nhờ vào kiến trúc lớp mạng vật lý, cho phép hỗ trợ nhiều định dạng dữ liệu và thoại như ATM, Gigabit Ethernet, ESCON, và IP Với một dải băng thông xác định, mạng có khả năng truyền tải các dịch vụ với tốc độ và giao thức linh hoạt Điều này giúp nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp đa dạng dịch vụ trên một cơ sở hạ tầng duy nhất, mang lại lợi ích kinh tế và khả năng triển khai dịch vụ mới nhanh chóng, hiệu quả mà không ảnh hưởng đến các dịch vụ đã có.
Kỹ thuật WDM cho phép nâng cấp dung lượng mạng hiện có lên đến hàng Tbps một cách dễ dàng và linh hoạt, đáp ứng nhu cầu mở rộng ở nhiều cấp độ khác nhau Ngoài ra, WDM còn mở ra thị trường mới cho thuê kênh quang, bên cạnh việc cung cấp sợi hoặc cáp quang Việc nâng cấp hệ thống trở nên đơn giản nhờ tính năng Plug and Play, cho phép cắm thêm các card mới mà không làm gián đoạn hoạt động của hệ thống.
Quản lý băng tần hiệu quả và cấu hình hệ thống linh hoạt là yếu tố quan trọng trong mạng WDM Bằng cách điều chỉnh phương thức định tuyến và phân bổ bước sóng, người dùng có thể dễ dàng quản lý và tái cấu hình hệ thống Hiện nay, công nghệ WDM là giải pháp duy nhất cho phép xây dựng mô hình mạng truyền tải quang OTN, tạo điều kiện cho việc phát triển mạng quang trong suốt.
Công nghệ WDM đóng vai trò quan trọng trong các mạng truyền thông quang tốc độ cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ và dung lượng hệ thống thông tin Để đạt được điều này, cần ứng dụng các công nghệ mới nhằm thu nhỏ linh kiện quang điện tử, từ đó tăng khả năng tích hợp mạch điện tử Hiện nay, xu hướng nghiên cứu của các nhà khoa học là ứng dụng hiệu ứng plasmonic để chế tạo ống dẫn sóng cho hệ thống WDM.
Chương này tổng hợp hệ thống về plasmonic và ứng dụng của nó trong ghép kênh phân chia theo bước sóng, cung cấp kiến thức nền tảng cho các đề xuất nghiên cứu trong luận án Nội dung tập trung vào cấu trúc ống dẫn sóng plasmonic, vấn đề truyền sóng trong ống dẫn sóng, và các mô hình tính toán tham số của sóng truyền lan Bên cạnh đó, chương cũng trình bày các phương pháp phân tích và mô phỏng ống dẫn sóng.
Các cấu trúc kim loại cỡ nano mét sở hữu nhiều đặc tính quang tử hấp dẫn và phức tạp Một trong những đặc điểm nổi bật của chúng là cộng hưởng điện từ, được tạo ra bởi sự dao động tập thể của các electron dẫn, hay còn gọi là plasmon.
Các mode plasmon tồn tại trong các cấu trúc hình học và kim loại khác nhau, đặc biệt là ở các kim loại quý như vàng và bạc Khi plasmon được kích thích bởi ánh sáng, hiện tượng này dẫn đến sự hấp thụ và tán xạ ánh sáng mạnh, từ đó làm tăng cường trường điện từ trong một vùng nhất định.
Ố NG D Ẫ N SÓNG LAI GHÉP PLASMONIC - SILIC CÓ CH Ứ C NĂNG QUAY PHÂN CỰ C VÀ CÁC C Ổ NG LOGIC TOÀN QUANG KÍCH THƯỚ C NANO MÉT 35
Các cấu kiện ống dẫn sóng có vai trò quan trọng trong việc quay phân cực mode sóng và các cổng logic quang cần thiết cho kỹ thuật WDM, bao gồm việc chuyển đổi các mức logic trước khi đưa vào thiết bị ghép kênh bước sóng trong hệ thống thông tin quang Để tạo ra các mạch tích hợp nhỏ gọn, các cấu kiện cần được chế tạo với kích thước dưới bước sóng, đòi hỏi ứng dụng công nghệ mới, chủ yếu dựa vào hiệu ứng plasmonic Trong trường hợp này, chỉ mode TM được dẫn trong cơ chế plasmonic, do đó cần có một cấu kiện để chuyển đổi phân cực từ mode TE sang mode TM, từ đó các mode TM sẽ được đưa vào bộ ghép kênh bước sóng để thực hiện quá trình ghép kênh.
Việc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số và lựa chọn tín hiệu đầu ra dựa trên các trạng thái đầu vào là cần thiết để thực hiện ghép kênh, cho phép truyền đồng thời nhiều tín hiệu trên một đường truyền Để đáp ứng các yêu cầu cụ thể trong các hệ thống ghép kênh WDM thực tế, cần sử dụng các cổng logic phù hợp.
Chương này đề xuất thiết kế hai cấu kiện quan trọng: (1) cấu kiện plasmonic-silic với chức năng quay phân cực và (2) các cổng logic toàn quang như OR, XOR, NOT, và cổng Feynman kích thước nano mét, nhằm ứng dụng hiệu quả trong các hệ thống WDM.
2 1 Ống d ẫ n sóng lai ghép plasmonic - silic có ch ứ c n ăng quay phân cự c kích thướ c nano mét
Phần nghiên cứu này tập trung vào lý thuyết và mô phỏng ống dẫn sóng plasmonic kết hợp với ống dẫn sóng silic thông qua việc phủ lớp kim loại bạc lên bề mặt ống dẫn sóng silic Đặc tính truyền và hệ số mode hiệu dụng được phân tích bằng kỹ thuật mô phỏng phần tử hữu hạn (FEM) cùng với việc nghiên cứu đặc tính quay trạng thái phân cực của cấu trúc kim loại bạc lệch trục, nhằm tạo ra sự bất đối xứng Kỹ thuật mô phỏng mode riêng (EME) cũng được áp dụng để khảo sát sự truyền trường và đặc tính quang học của thiết bị biến đổi phân cực Kết quả mô phỏng cho thấy cấu trúc quay phân cực có chiều dài truyền lớn, độ suy hao và hấp thụ thấp trong khoảng băng rộng 100nm của cửa sổ thông tin quang thứ ba Hơn nữa, cấu trúc này có kích thước nhỏ và khả năng bắt giữ ánh sáng ở kích thước nano mét, phù hợp cho việc phát triển các mạch quang tích hợp kích thước nano trong tương lai.
Tối thiểu hóa kích thước thiết bị quang tử để dẫn và giam giữ năng lượng sóng điện từ là một thách thức lớn trong lĩnh vực mạch điện tử và xử lý thông tin Chuyển mạch điện tử từ các mạch tích hợp micro đến nano đang diễn ra, với các thành phần mạch logic theo công nghệ CMOS có kích thước bắt đầu từ 100nm Hiệu ứng lượng tử ngày càng chi phối chức năng điện tử trong điện tử nano và phân tử nano dựa trên vật liệu bán dẫn Một thách thức đáng lưu ý là việc giảm kích cỡ mạch điện tử sẽ gặp khó khăn khi chuyển sang xử lý thông tin lượng tử, đồng thời phải đối mặt với các giới hạn vật lý liên quan đến năng lượng và entropy.
Sự tối thiểu hóa các thiết bị quang tử như ống dẫn sóng và buồng cộng hưởng để dẫn và bắt giữ năng lượng sóng điện từ tại các bước sóng trong vùng nhìn thấy và gần hồng ngoại bị giới hạn bởi giới hạn nhiễu xạ của ánh sáng Rào cản cơ bản này xuất phát từ tính tự nhiên trong không gian ba chiều của các sóng truyền trong vật liệu điện môi hoặc bán dẫn, thường được sử dụng trong công nghệ quang tử silic Các khối mạch tích hợp quang được xây dựng dựa trên nguyên lý rằng lõi ống dẫn sóng vật liệu phi điện từ, với hằng số điện môi dương, sẽ dẫn đến các quan hệ tán sắc liên quan đến hằng số truyền sóng.
Trong đó, ω, λ lần lƣợt là b ƣớc sóng và t ầ n s ố ánh sáng trong không gian t ự do và c là v ậ n tốc ánh sáng trong chân không
Trong không gian 3D, sóng ánh sáng có các số thực kx và ky, dẫn đến một giới hạn cho các hằng số pha ngang thông qua bất đẳng thức kx, ky ≤ ωc εcore = 2π ncore / λ0, với ncore = εcore là hệ số chiết suất của lõi ống dẫn sóng điện môi Qua biến đổi Fourier hai chiều, giới hạn trên cho các hằng số pha ngang xác định một giới hạn dưới cho kích thước các mode ngang trong không gian truyền sóng ba chiều trong ống dẫn sóng, cụ thể là dx, dy ≥ λ0.
Giới hạn cơ sở cho kích thước của truyền mode quang trong các ống dẫn sóng là 2n core (2 3), tương ứng với khoảng nửa bước sóng Điều này áp dụng không chỉ trong môi trường đồng nhất mà còn cho truyền chùm trong các ống dẫn sóng truyền thẳng trong các tinh thể quang tử.
Giống như kích thước mode ngang trong ống dẫn sóng, thể tích mode hiệu dụng của các khoang cộng hưởng quang cũng bị ảnh hưởng bởi nhiễu xạ Do đó, hiện nay có nhiều nỗ lực trong thiết kế để phát triển các thiết bị quang tử với thể tích mode tối ưu, nhằm vượt qua những rào cản cơ sở.
Để vượt qua giới hạn nhiễu xạ, cần một phương pháp khác ngoài việc chỉ giảm kích thước của ống dẫn sóng và buồng cộng hưởng quang tử Việc sử dụng vật liệu điện môi kích thước micro là yếu tố quan trọng trong việc giảm kích thước mà vẫn duy trì các mode k + k + k = k.
Trong cơ chế dưới bước sóng, các sóng quang có chiều thấp hơn yêu cầu các hằng số pha ngang k x và k y là các số ảo, đặc biệt khi sử dụng vật liệu lõi có ε core < 0, như kim loại ở tần số cực tím Trong trường hợp này, giới hạn trên không áp dụng, cho phép các ống dẫn sóng và buồng cộng hưởng hoạt động hiệu quả với diện tích và thể tích mode nhỏ hơn bước sóng, từ đó vượt qua giới hạn nhiễu xạ Các mode này xuất hiện tại giao diện giữa kim loại và điện môi, được gọi là giả hạt plasmon bề mặt (SPPs), đang được nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây.
Trong những năm gần đây, nghiên cứu về mạch quang tử tích hợp kích thước nano đã phát triển nhanh chóng, đặc biệt là các mạch lai giữa quang tử silic và nano-plasmonics để tạo ra ống dẫn sóng plasmonic lai ghép (HPW) với băng thông rộng và cự ly truyền lớn Những ống dẫn sóng này cho phép suy hao nhỏ, giúp bắt giữ các mode ánh sáng kích thước nano trong lớp giao diện điện môi vài chục nano mét, thường là lớp thủy tinh oxít silic (SiO2) giữa lớp lõi silic (Si) và lớp kim loại mỏng hoặc ống dẫn sóng kim loại - điện môi - kim loại (MIM) Nghiên cứu đã đề xuất các cấu trúc HPWs để bắt giữ ánh sáng trong lớp giao diện điện môi và ứng dụng trong xử lý quay trạng thái mode phân cực Các cấu trúc này dựa trên việc kích thích ánh sáng tại lõi ống dẫn sóng hình chữ nhật bằng silic, với sự bắt giữ xảy ra tại lớp giữa lõi silic và lớp kim loại sử dụng bạc (Ag) Nghiên cứu về sự truyền mode được thực hiện thông qua các kỹ thuật mô phỏng số như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và mở rộng mode riêng (EME).
2 1 1 Thiết kế cấu trúc và phân tích hoạt động
Hình 2 1(a) và hình 2 1(b) phân tích một cấu trúc ống dẫn sóng đề xuất
L Ag = 3 2 àm TM t SiO2 = 40 nm Bạc (Ag) t Ag = 70 nm δ = 120 nm
SiO 2 , n SiO2 =1 44 t Si = 350 nm Silic, n Si =3 47 w = 400 nm (a)
Các cấu trúc ống dẫn sóng lai ghép plasmonic HPW bao gồm hai loại: ống dẫn sóng HPW với nắp kim loại đặt đối xứng trục và ống dẫn sóng với nắp kim loại lệch.
Cấu trúc 120 nm có khả năng biến đổi và quay mode phân cực, hoạt động tại bước sóng λ 0 = 1550 nm, nằm trong cửa sổ thông tin quang thứ ba Qua các bước khảo sát, các tham số tối ưu cho cấu trúc này đã được lựa chọn, bao gồm một lõi silic với chiều dài L =.
Bài viết mô tả cấu trúc của một ống dẫn sóng với chiều rộng w@0nm, lớp thủy tinh silic (SiO2) dày 40 nm và lớp kim loại bạc (Ag) mỏng 70 nm Chiều dày lớp silic được thiết kế là 350 nm nhằm giảm thiểu suy hao do chuyển đổi mode phân cực trước điểm cuối ống dẫn sóng Thiết kế này đảm bảo sự kích thích đơn mode trong lõi silic nhờ vào công cụ giải mode bằng kỹ thuật FEM Độ rộng lớp nắp bạc được thiết lập là 280 nm, với chiết suất của lõi silic và lớp vỏ thủy tinh silic lần lượt là 3.47 và 1.444 tại bước sóng 1550 nm Hệ số chiết suất của kim loại bạc tại bước sóng này được xác định là n Ag = 0.1453 + 11.3587i Tất cả các cấu trúc đều được phủ bởi lớp vỏ thủy tinh silic SiO2.