Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu thiết kế linh kiện tích hợp quang tử trên nền vật liệu SOI cho hệ thống ghép kênh phân chia theo mode" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Dương Quang Duy, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Đặng Hoài Bắc và TS. Trương Cao Dũng, bảo vệ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông năm 2022. Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, mã số 9.03.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong bối cảnh lưu lượng mạng dữ liệu bùng nổ bởi các ứng dụng dữ liệu lớn (Big Data), Internet vạn vật (IoT), chuỗi khối (Blockchain) và trí tuệ nhân tạo (AI), kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM/DWDM) truyền thống đã dần tiến tới ngưỡng bão hòa dung lượng theo định luật Shannon. Tại tốc độ xung nhịp 40 GHz, việc kết nối các linh kiện điện tử truyền thống trên mạng vi mạch (on-chip) bộc lộ nhiều hạn chế về mức tiêu hao công suất, giới hạn băng thông và độ trễ truyền dẫn. Để giải quyết bài toán nâng cao dung lượng truyền dẫn mà không phải thay thế hoàn toàn hạ tầng, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mode (Mode Division Multiplexing - MDM) trên nền tảng mạch quang phẳng (PLC) kết hợp với sợi quang đa mode (MMF) nổi lên như một giải pháp trọng tâm.

Vật liệu Silic trên chất điện môi (Silicon-on-Insulator - SOI) cho phép chế tạo các linh kiện tích hợp quang tử (Photonic Integrated Circuit - PIC) có kích thước hiển vi, băng thông rộng, độ giam giữ ánh sáng cao, tổn hao thấp và hoàn toàn tương thích với dây chuyền công nghệ chế tạo bán dẫn bù kim loại - oxit (CMOS). Mặc dù các cấu trúc ghép kênh MDM đã được nghiên cứu, các hạn chế lớn tồn tại trong các công bố trước đây bao gồm:

  1. Đa số các linh kiện chỉ hỗ trợ trạng thái phân cực điện ngang (TE), dẫn đến suy hao ghép nối và không tương thích khi kết nối với sợi quang thực tế vốn hỗ trợ nhiều trạng thái phân cực (cả TE và từ ngang - TM).
  2. Các linh kiện định tuyến lựa chọn mode (MSR) sử dụng bộ dịch pha quang nhiệt (TOPS) gia nhiệt bằng Titan (Ti) thường bị suy hao plasmon cao, tiêu thụ nhiều năng lượng và đòi hỏi cơ chế điều khiển phức tạp với nhiều mức công suất khác nhau.
  3. Thiếu vắng các linh kiện có khả năng tạo đồng thời nhiều mode quang bậc cao trực tiếp từ mode cơ bản phục vụ cho chức năng quảng bá thông tin trong mạng quang.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 3 nhóm mục tiêu cụ thể:

  1. Thiết kế các linh kiện ghép/tách mode không phụ thuộc phân cực, hỗ trợ đồng thời các cặp mode kép ($TE_0/TM_0$, $TE_1/TM_1$, $TE_2/TM_2$) với băng thông rộng, tương thích với sợi quang dẫn đa phân cực.
  2. Thiết kế linh kiện định tuyến lựa chọn mode ngõ ra (Mode Selective Router - MSR) cấu hình $1 \times 3$ cho 2 mode và 3 mode phân cực TE, sử dụng bộ dịch pha quang nhiệt (TOPS) bằng vật liệu Oxit thiếc Indi (ITO), điều khiển tối ưu chỉ bằng hai trạng thái nhị phân BẬT/TẮT (ON/OFF) nhằm tiết kiệm năng lượng.
  3. Thiết kế linh kiện tạo đồng thời nhiều mode quang ($TE_0$ và $TE_1$; $TE_0$, $TE_1$ và $TE_2$) trực tiếp từ mode cơ bản ($TE_0$) phục vụ mô hình quảng bá thông tin trong hệ thống kết hợp MDM-WDM.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các linh kiện tích hợp quang tử cơ bản trong hệ thống thông tin quang MDM, bao gồm: linh kiện ghép/tách mode (Multiplexer/Demultiplexer), linh kiện định tuyến lựa chọn mode (MSR) và linh kiện tạo nhiều mode quang đồng thời.
  • Phạm vi không gian/vật liệu: Nền vật liệu Silicon-on-Insulator (lõi Si chiết suất cao, đế SiO2 chiết suất thấp), sử dụng cấu trúc dẫn sóng dạng nóc/đỉnh (rib/ridge).
  • Phạm vi phổ bước sóng và mode truyền: Miền bước sóng thông tin quang tiêu chuẩn quanh dải 1550 nm (bao gồm băng C và băng L, từ 1500 nm đến 1650 nm); các mode quang cấp thấp $TE_0, TE_1, TE_2$ và $TM_0, TM_1, TM_2$.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã điểm lại có hệ thống các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến các hướng nâng cao dung lượng truyền dẫn và cấu trúc linh kiện MDM:

Các hướng tiếp cận nâng cấp hệ thống quang

  1. Tạo mode cơ bản với momen quay khác nhau: Hướng tiếp cận này chỉ tận dụng mode cơ bản và sợi quang xoắn, bị hạn chế đáng kể về độ rộng băng thông khả dụng.
  2. Mở rộng băng thông sợi quang: Điển hình là sợi quang tử rỗng dải tần lõi rỗng (HC-PBGF) nhằm khai thác vùng bước sóng trên 2000 nm; tuy nhiên suy hao thực nghiệm của loại sợi này vẫn còn cao.
  3. Sợi quang đa lõi: Giải pháp gia tăng lõi sợi gặp phải hiện tượng nhiễu xuyên âm nghiêm trọng khi khoảng cách truyền vượt quá 10 km và làm tăng tải trọng sợi quang gây nguy cơ đứt gãy.
  4. Ghép kênh phân chia theo mode (MDM): Sử dụng các mode quang trực giao trên cùng một bước sóng để nhân dung lượng kênh truyền theo số lượng mode, truyền dẫn trên sợi quang đa mode (MMF) hoặc ống dẫn sóng trên chip.

Các công nghệ và cấu trúc linh kiện MDM trên thế giới

Về mặt vật liệu và cơ chế cấu trúc, các công trình quốc tế đã khảo sát:

  • Sợi quang đa mode và tinh thể quang tử.
  • Bán dẫn nhóm III-V như InP hoặc InGaAsP/InP với mật độ tích hợp cao nhưng khó tương thích với công nghệ CMOS tiêu chuẩn.
  • Nền vật liệu SOI với các dạng cấu trúc: vòng cộng hưởng vi sai (micro-ring resonator), linh kiện ghép định hướng bất đối xứng (Asymmetric Directional Coupler - ADC), linh kiện rẽ nhánh chữ Y bất đối xứng (Asymmetric Y-junction), linh kiện giao thoa đa mode (Multi-Mode Interference - MMI) phân tầng, hoặc kết hợp giữa MMI và chữ Y. Trong đó, cấu trúc vòng cộng hưởng có hiệu năng quang hạn chế; cấu trúc ADC hỗ trợ mode không phụ thuộc phân cực nhưng suy hao truyền dẫn còn cao; cấu trúc chữ Y bất đối xứng có ưu thế về độ rộng băng thông.

Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các nhóm nghiên cứu đã công bố nhiều kết quả đáng chú ý trên nền dẫn sóng SOI:

  • Trần Tuấn Anh và cộng sự: Năm 2016 thiết kế linh kiện ghép/tách 2 mode TE dùng ADC cho 4 bước sóng quanh 1550 nm. Năm 2017 phát triển linh kiện ghép/tách 3 mode TE kết hợp 2 MMI và 1 chữ Y hoạt động trong dải 1500–1600 nm, đạt suy hao chèn $I.L < 0{,}71\text{ dB}$. Đến năm 2019, nhóm đề xuất cấu trúc 2 linh kiện chữ Y bất đối xứng mắc phân tầng cho 3 mode TE, duy trì băng thông rộng nhưng các nhánh rẽ chữ Y vẫn ở dạng nhánh thẳng và có độ hở giữa các nhánh.
  • Trương Cao Dũng và cộng sự: Năm 2014 sử dụng linh kiện MMI để ghép/tách 2 mode cơ bản $TE_0/TM_0$ với băng thông 20 nm, nhiễu xuyên kênh $Cr.T \le -20\text{ dB}$. Năm 2016 phát triển bộ ADC hỗ trợ không phụ thuộc phân cực ($TE_0/TM_0$ và $TE_1/TM_1$) trong dải bước sóng hẹp 10 nm (1545–1555 nm) với $I.L \ge -0{,}9\text{ dB}$. Năm 2017, nhóm kết hợp MMI và chữ Y thiết kế linh kiện ghép/tách 2 mode $TE_0$ và $TE_1$ với băng thông đạt 150 nm (1500–1650 nm), suy hao $0{,}5\text{ dB} < I.L < 1\text{ dB}$ và $Cr.T < -25\text{ dB}$. Năm 2019, cấu trúc được tối ưu xuống còn 1 MMI và 1 chữ Y cho 3 mode TE.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết

Từ tổng quan y văn, luận án xác định các khoảng trống kỹ thuật cần tập trung:

  • Hầu hết các linh kiện ghép/tách mode trong nước chỉ xử lý đơn phân cực TE; các linh kiện hỗ trợ cả TE và TM trước đó có dải bước sóng rất hẹp (khoảng 10 nm).
  • Cấu trúc chữ Y bất đối xứng trước đây chủ yếu dùng nhánh thẳng có khe hở, chưa khai thác tối ưu hình học nhánh cong và điều kiện bắt chiết suất hiệu dụng (Matching Effective Index - MEI).
  • Các bộ định tuyến lựa chọn mode (MSR) dùng TOPS dựa trên dải nhiệt Titan (Ti) gây tổn hao quang học do hiệu ứng plasmon và đòi hỏi nhiều mức công suất điều khiển.
  • Thiếu các thiết kế linh kiện tích hợp cho phép tạo đồng thời nhiều mode quang ($TE_0, TE_1, TE_2$) từ mode cơ bản phục vụ mạng quảng bá.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nền tảng điện từ học và phương trình truyền sóng

Sóng ánh sáng trong cấu trúc dẫn sóng được mô tả xuất phát từ hệ phương trình vi phân Maxwell trong miền thời gian, chuyển đổi sang miền tần số với giả thiết môi trường không có điện tích tự do ($\rho = 0$) và độ từ thẩm tương đối $\mu_r = 1$: $$\nabla \times \mathbf{E} = -j\omega\mu_0 \mathbf{H}$$ $$\nabla \times \mathbf{H} = j\omega\varepsilon_0\varepsilon_r \mathbf{E}$$

Áp dụng giải tích vector, phương trình truyền sóng Helmholtz cho điện trường $\mathbf{E}$ và từ trường $\mathbf{H}$ trong môi trường định hướng có dạng: $$\nabla^2 \mathbf{E} + k^2 \mathbf{E} = 0$$ $$\nabla^2 \mathbf{H} + k^2 \mathbf{H} = 0$$ Trong đó số sóng trong môi trường là $k = k_0 n = (\omega/c_0)\sqrt{\varepsilon_r}$, với $k_0$ là số sóng trong chân không và $c_0$ là vận tốc ánh sáng. Đối với ống dẫn sóng có cấu trúc đồng nhất dọc theo trục lan truyền $z$, trường biến thiên theo hệ số $\exp(-j\beta z)$, với $\beta$ là hằng số truyền sóng. Chiết suất hiệu dụng được xác định bởi: $$n_{eff} = \frac{\beta}{k_0}$$

Trong môi trường dẫn sóng, các nghiệm được phân loại theo phân cực:

  • Sóng điện ngang (TE): thành phần dọc trục $E_z = 0$, $H_z \neq 0$.
  • Sóng từ ngang (TM): thành phần dọc trục $H_z = 0$, $E_z \neq 0$.

Điều kiện tồn tại mode dẫn trong dẫn sóng phiến ba lớp phụ thuộc vào góc tới $\theta$ lớn hơn các góc tới hạn phản xạ toàn phần $\theta_{c2}, \theta_{c3}$ tại hai mặt phân giới: $$\theta_{c2} = \arcsin\left(\frac{n_2}{n_1}\right), \quad \theta_{c3} = \arcsin\left(\frac{n_3}{n_1}\right)$$ Hiện tượng sóng đứng tạo ra mode dẫn thỏa mãn phương trình pha tự nhất quán: $$2k_1 d \cos\theta - 2\phi_2(\theta) - 2\phi_3(\theta) = 2m\pi \quad (m = 0, 1, 2...)$$ Do các độ dịch pha phản xạ $\phi_2(\theta), \phi_3(\theta)$ khác nhau giữa sóng TE và TM, hằng số truyền $\beta_m$ của hai phân cực này luôn có sự phân tách đối với cùng một bậc mode $m$.

Cấu trúc dẫn sóng nóc/đỉnh (rib/ridge) và hiệu ứng quang nhiệt

Luận án lựa chọn cấu trúc dẫn sóng nóc/đỉnh nền SOI thay vì cấu trúc dải (strip) nhờ hai đặc tính kỹ thuật đã được kiểm chứng trong y văn:

  1. Mức suy hao truyền dẫn thấp: Dẫn sóng nóc/đỉnh có suy hao truyền dẫn chỉ khoảng $0{,}4 \pm 0{,}3\text{ dB/cm}$ tại bước sóng 1300 nm (so với $6{,}4\text{ dB/cm}$ của dẫn sóng dải), và đạt $0{,}6 - 0{,}7\text{ dB/cm}$ tại 3390 nm.
  2. Tính lưỡng chiết cân bằng: Dẫn sóng nóc/đỉnh hỗ trợ cả hai trạng thái phân cực TE và TM trong vùng đơn mode với chiều cao tổng thể $H = 400\text{ nm}$ tại bước sóng $\lambda = 1550\text{ nm}$.

Hiệu ứng quang nhiệt trong dẫn sóng Silic được mô hình hóa theo công thức Sellmeier cải tiến thông qua dữ liệu đo lường trực tiếp từ hệ thống CHARMS. Chiết suất của Silic biến thiên đồng thời theo bước sóng $\lambda$ (từ $1{,}2,\mu\text{m}$ đến $5{,}6,\mu\text{m}$) và nhiệt độ $T$ (từ $50\text{ K}$ đến $300\text{ K}$). Sự thay đổi chiết suất $\Delta n$ theo nhiệt độ $\Delta T$ ($\mathrm{d}n/\mathrm{d}T$) được khai thác để thiết kế các bộ dịch pha quang nhiệt TOPS.

Nguyên lý các linh kiện cơ sở

  • Linh kiện giao thoa đa mode (MMI): Dựa trên nguyên lý tự tạo ảnh của trường ánh sáng tại các khoảng cách tuần hoàn dọc theo chiều dài $L$. Nửa chiều dài phách của hai mode bậc thấp nhất được tính bằng: $$L_\pi \approx \frac{4 n_r W_{eff}^2}{3\lambda_0}$$ Với $W_{eff}$ là chiều rộng hiệu dụng, $n_r$ là chiết suất hiệu dụng vùng đa mode. Cơ chế giao thoa tổng quát tạo $N$ ảnh tại khoảng cách $L = \frac{p}{N}(3L_\pi)$ với $p \ge 0$. Cơ chế giao thoa đối xứng (chỉ kích thích các mode chẵn $v = 0, 2, 4...$) cho phép rút ngắn chiều dài tự tạo ảnh xuống 4 lần: $L = \frac{p}{4N}(3L_\pi)$.
  • Linh kiện chữ Y: Hoạt động dựa trên điều kiện bắt chiết suất hiệu dụng (Matching Effective Index - MEI).
    • Linh kiện chữ Y đối xứng: Đóng vai trò bộ chia công suất 3 dB; chuyển mode cơ bản kênh vào thành hai mode cơ bản cùng pha ở hai nhánh; chuyển mode bậc một thành hai mode cơ bản ngược pha.
    • Linh kiện chữ Y bất đối xứng: Có độ rộng hai nhánh khác nhau. Mode truyền trong thân sẽ chuyển hóa vào nhánh có chiết suất hiệu dụng tương đương theo điều kiện MEI, cho phép tách chọn lọc các mode bậc khác nhau thành các mode cơ bản tại các nhánh ra riêng biệt.
    • Hệ số kích thích công suất $C_{mv}$: Được tính bằng bình phương hệ số kích thích mode $\varepsilon_{mv}^2$ tại các nhánh cong: $$\varepsilon_{mv} = \frac{\int \psi(x, L_S) \phi_{mv}^*(x) \mathrm{d}x}{\int |\phi_{mv}(x)|^2 \mathrm{d}x}$$

Phương pháp mô phỏng số

Nghiên cứu sử dụng phần mềm thương mại RSoft Photonic Device Tools (module BeamPROP):

  • Phương pháp truyền tia (Beam Propagation Method - BPM): Dựa trên phương pháp sai phân hữu hạn Crank-Nicolson (FD-BPM) giải phương trình vi phân parabol dạng 2D và 3D, mô tả quá trình lan truyền trường điện từ dọc theo trục $z$. Kích thước lưới chia mặc định được thiết lập là $\Delta x = \Delta y = \Delta z = 0{,}02,\mu\text{m}$.
  • Phương pháp chiết suất hiệu dụng (Effective Index Method - EIM): Quy đổi cấu trúc tiết diện 2D của dẫn sóng nóc/đỉnh thành mô hình phiến 1D tương đương để xác định nhanh phân bố chiết suất hiệu dụng $n_{eff}(x)$ và hằng số truyền $\beta$.

Các thông số đánh giá hiệu năng quang học

Chỉ số hiệu năng Ký hiệu Công thức toán học Ý nghĩa vật lý
Suy hao chèn $I.L$ $I.L = -10 \log_{10}\left(\frac{P_{out}}{P_{in}}\right)$ Mức tiêu hao công suất từ cổng vào đến cổng ra mong muốn (dB).
Nhiễu xuyên kênh $Cr.T$ $Cr.T = -10 \log_{10}\left(\frac{P_{unwanted}}{P_{out}}\right)$ Tỷ lệ công suất tín hiệu không mong muốn lọt vào kênh ra (dB).
Suy hao phụ thuộc phân cực $PDL$ $PDL = |I.L_{TE} - I.L_{TM}|$ Độ chênh lệch suy hao chèn giữa mode phân cực TE và TM cùng bậc (dB).
Độ cân bằng công suất $P.B$ $P.B = |I.L_{mode A} - I.L_{mode B}|$ Độ sai lệch công suất ngõ ra giữa các mode được tạo đồng thời (dB).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SỰ TRUYỀN SÓNG SÁNH SÁNG TRONG CÁC LINH KIỆN QUANG TỬ MDM NỀN SOI

Chương 1 đóng vai trò xây dựng hệ thống cơ sở lý thuyết và tổng quan cho toàn bộ luận án:

  • Trình bày kiến trúc tổng quát của hệ thống thông tin quang MDM, phân tích giới hạn Shannon của công nghệ WDM và cơ chế kết hợp MDM-WDM truyền trên sợi quang đa mode hoặc mạng truyền thông on-chip.
  • Xây dựng hệ phương trình truyền sóng Helmholtz từ hệ phương trình Maxwell; phân loại nghiệm sóng điện từ theo các phân cực TE, TM và mode lai; thiết lập điều kiện sóng đứng trong dẫn sóng phiến ba lớp.
  • Phân tích cơ sở toán học của phương pháp mô phỏng số truyền tia BPM (tiếp cận sai phân hữu hạn Crank-Nicolson FD-BPM) và phương pháp chiết suất hiệu dụng EIM; so sánh ưu thế về tốc độ và tài nguyên tính toán của BPM/EIM so với các phương pháp FDTD và FDFD.
  • Khảo sát đặc tính vật liệu SOI, phân tích ưu thế suy hao thấp và tính lưỡng chiết cân bằng của cấu trúc dẫn sóng nóc/đỉnh (rib/ridge) so với dẫn sóng dải (strip); trình bày mô hình quang nhiệt Sellmeier của Silic dựa trên số liệu từ hệ thống CHARMS.
  • Khảo sát nguyên lý vận hành của linh kiện giao thoa đa mode MMI (cơ chế tự tạo ảnh tổng quát và đối xứng) và linh kiện rẽ nhánh chữ Y (chữ Y đối xứng chia công suất 3 dB, chữ Y bất đối xứng chuyển đổi mode theo điều kiện MEI, hệ số kích thích công suất $C_{mv}$); định nghĩa 4 tham số đánh giá định lượng: $I.L, Cr.T, PDL, P.B$.

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ LINH KIỆN QUANG TỬ GHÉP/TÁCH NHIỀU MODE KHÔNG PHỤ THUỘC PHÂN CỰC

Chương này tập trung giải quyết bài toán phân cực khi ghép nối linh kiện vi mạch quang với sợi quang thực tế:

  • Linh kiện ghép/tách 2 mode không phụ thuộc phân cực ($TE_0/TM_0$ và $TE_1/TM_1$):
    • Cấu trúc kết hợp một linh kiện chữ Y đối xứng, một linh kiện MMI $2 \times 2$ và một bộ dịch pha (Phase Shifter - PS) không phụ thuộc phân cực, xây dựng trên dẫn sóng nóc/đỉnh nền SOI.
    • Khi kích thích mode $TE_0$ ($TM_0$), linh kiện chữ Y phân tách thành 2 mode cơ bản đồng pha; sau khi đi qua bộ MMI và PS, tín hiệu tái kết hợp chính xác tại cổng ra mong muốn. Khi kích thích mode $TE_1$ ($TM_1$), tín hiệu phân tách thành 2 mode cơ bản ngược pha và hội tụ về cổng ra còn lại.
    • Đánh giá hiệu năng: Linh kiện hoạt động ổn định trên băng thông rộng xung quanh bước sóng 1550 nm, đạt mức suy hao chèn thấp và triệt tiêu đáng kể sự phụ thuộc phân cực ($PDL$ thấp) so với các công bố sử dụng ADC trước đó của Trương Cao Dũng (2016).
  • Linh kiện ghép/tách 3 mode không phụ thuộc phân cực ($TE_0/TM_0, TE_1/TM_1, TE_2/TM_2$):
    • Cấu trúc sử dụng hai linh kiện chữ Y bất đối xứng (Y1 và Y2) mắc phân tầng liên tiếp nhau, các nhánh được thiết kế cong tối ưu hình học thay vì nhánh thẳng.
    • Phân tích chi tiết độ rộng dẫn sóng đầu vào $W_{IN}$ và độ rộng các nhánh rẽ để thỏa mãn điều kiện bắt chiết suất hiệu dụng MEI đồng thời cho cả ba cặp mode TE và TM.
    • Kết quả mô phỏng BPM chứng minh sự chuyển đổi trường quang tuần tự: các cặp mode bậc cao ($TE_2/TM_2$ và $TE_1/TM_1$) được tách riêng biệt về các nhánh rẽ tương ứng dưới dạng mode cơ bản, trong khi cặp mode $TE_0/TM_0$ truyền thẳng qua thân dẫn sóng.
  • Khảo sát dung sai chế tạo: Luận án tiến hành khảo sát độ biến thiên của $I.L, Cr.T$ và $PDL$ theo các sai số kích thước hình học: chiều rộng cổng vào $W_{IN}$, chiều rộng cổng ra $W_O$, chiều dài $L_{MMI}$ và chiều cao phiến dẫn sóng $H_S$. Dung sai cho phép đạt từ $\pm 1\text{ nm}$ đến hàng chục nanomet, hoàn toàn khả thi trong giới hạn công nghệ khắc quang tia cực tím sâu (DUV) của dây chuyền CMOS.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ LINH KIỆN QUANG TỬ ĐỊNH TUYẾN LỰA CHỌN MODE MSR

Chương 3 giải quyết yêu cầu điều chuyển hướng luồng dữ liệu quang đến các cổng đích linh hoạt trên mạng on-chip:

  • Nguyên lý thiết kế định tuyến lựa chọn mode: Kết hợp các khối chia tách mode MMI, chữ Y với các bộ dịch pha quang nhiệt (TOPS). Cải tiến then chốt là sử dụng dải gia nhiệt bằng vật liệu Oxit thiếc Indi (ITO) thay thế cho dải Titan (Ti) truyền thống. Khảo sát quang học chứng minh ITO triệt tiêu hiệu ứng plasmon bề mặt, giảm suy hao truyền dẫn cho lõi Silic và giảm điện năng tiêu thụ để tạo độ dịch pha $\pi$.
  • Linh kiện định tuyến MSR $1 \times 3$ cho 2 mode TE ($TE_0, TE_1$):
    • Cấu trúc tích hợp hai linh kiện giao thoa đa mode MMI và một linh kiện chữ Y, điều khiển bởi bộ dịch pha TOPS hai trạng thái BẬT/TẮT (ON/OFF).
    • Tín hiệu mode $TE_0$ hoặc $TE_1$ đưa vào cổng vào có thể định tuyến chọn lọc đến bất kỳ cổng nào trong số 3 cổng ra bằng cách chuyển đổi trạng thái nhiệt (ON/OFF) của bộ TOPS.
  • Linh kiện định tuyến MSR $1 \times 3$ cho 3 mode TE ($TE_0, TE_1, TE_2$):
    • Cấu trúc tích hợp ba linh kiện MMI và một linh kiện chữ Y, phối hợp với ba bộ dịch pha quang nhiệt ($PS_1, PS_2, PS_3$).
    • Thiết lập ma trận điều khiển gồm 9 cấu hình hoạt động tương ứng với 3 mode dẫn đưa đến 3 cổng ra độc lập.
    • Khảo sát các thông số nhiệt - quang: phân bố nhiệt trên lớp cách điện SiO2 ($h_{SiO2} = 1,\mu\text{m}$), độ lệch pha $\Delta\Phi$ theo độ biến thiên nhiệt độ $\Delta T$, công suất tiêu thụ chuyển mạch pha $P_\pi$ và hiệu suất nhiệt $\eta$.
    • Đánh giá phổ truyền dẫn và dung sai công nghệ: Khảo sát độ trôi phổ của suy hao chèn $I.L$ và nhiễu xuyên kênh $Cr.T$ theo sai số chiều rộng dẫn sóng $W_{IN}$ và chiều cao phiến $H_S$, khẳng định tính ổn định của thiết bị.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ LINH KIỆN QUANG TỬ TẠO ĐỒNG THỜI NHIỀU MODE QUANG

Chương 4 hoàn thiện chức năng phát và nhân mode phục vụ mô hình quảng bá thông tin (broadcasting):

  • Nguyên lý tạo đồng thời nhiều mode: Tận dụng cơ chế giao thoa tổng quát và giao thoa đối xứng của linh kiện MMI kết hợp với đặc tính chia đôi công suất đồng pha của linh kiện chữ Y đối xứng; điều khiển góc lệch pha giữa các nhánh và áp dụng điều kiện bắt chiết suất MEI để tái cấu trúc trường quang thành các mode bậc cao trực tiếp từ một mode cơ bản $TE_0$.
  • Linh kiện tạo đồng thời hai mode quang thấp nhất ($TE_0$ và $TE_1$):
    • Cấu trúc bao gồm khối MMI kết hợp bộ dịch pha PS và linh kiện chữ Y.
    • Tín hiệu kích thích ban đầu là mode cơ bản $TE_0$. Tại đầu ra, linh kiện tạo ra đồng thời cả hai mode $TE_0$ và $TE_1$ với công suất chia đều.
    • Đánh giá thông số cân bằng công suất ($P.B$): Giá trị $P.B$ giữa hai mode ngõ ra duy trì ở mức sai lệch tối thiểu trên toàn bộ dải bước sóng hoạt động băng C.
  • Linh kiện tạo đồng thời ba mode quang thấp nhất ($TE_0, TE_1, TE_2$):
    • Cấu trúc mở rộng sử dụng các khối MMI đa tầng kết hợp các nhánh chữ Y, thực hiện việc chồng chập trường của ba thành phần mode $TE_0$ có góc dịch pha được tính toán chính xác để tổng hợp thành mode bậc hai $TE_2$, đồng thời trích xuất các mode $TE_0$ và $TE_1$.
    • Linh kiện hỗ trợ hai chế độ vận hành: tạo đồng thời cả ba mode ($TE_0 + TE_1 + TE_2$) hoặc tạo từng mode riêng lẻ tùy theo cấu hình pha.
    • Khảo sát suy hao chèn $I.L$, độ cân bằng công suất và dung sai chế tạo hình học đối với sai số bề rộng $W_{IN}$, chiều dài MMI ($L_{MMI}$) và chiều cao phiến $h_0$.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Thiết lập mô hình phân tích không phụ thuộc phân cực trên dẫn sóng nóc/đỉnh nền SOI: Luận án đã tối ưu hóa điều kiện bắt chiết suất hiệu dụng (MEI) kết hợp cấu trúc dẫn sóng rib/ridge, giải quyết thành công sự phân tách hằng số truyền giữa hai phân cực TE và TM. Điều này tạo cơ sở lý thuyết để thiết kế các linh kiện ghép/tách đa mode băng thông siêu rộng hỗ trợ đồng thời cả hai phân cực, vượt qua giới hạn dải hẹp của các nghiên cứu ADC trước đây.
  2. Đề xuất cơ chế định tuyến quang nhiệt nhị phân hiệu suất cao: Luận án đề xuất giải pháp sử dụng vật liệu ITO thay cho Ti trong các bộ dịch pha TOPS, chứng minh trên phương diện vật lý việc hạn chế tổn hao quang do hiệu ứng plasmon và thiết lập thành công ma trận điều khiển định tuyến lựa chọn mode (MSR) chỉ dựa trên 2 trạng thái BẬT/TẮT (ON/OFF), đơn giản hóa việc điều khiển vi mạch quang tích hợp.
  3. Xây dựng giải pháp tổng hợp trường tạo đồng thời nhiều mode: Phát triển nguyên lý chuyển đổi và xếp chồng pha trường quang dựa trên cơ chế giao thoa MMI và rẽ nhánh chữ Y, cho phép biến đổi trực tiếp một mode cơ bản $TE_0$ thành đồng thời hai hoặc ba mode trực giao ($TE_0, TE_1, TE_2$) với độ cân bằng công suất đồng đều.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và kỹ thuật

  1. Thiết kế hoàn chỉnh 6 cấu trúc linh kiện tích hợp quang tử vi mô trên nền SOI đạt hiệu năng quang học cao:
    • Bộ ghép/tách 2 mode không phụ thuộc phân cực ($TE_0/TM_0, TE_1/TM_1$).
    • Bộ ghép/tách 3 mode không phụ thuộc phân cực ($TE_0/TM_0, TE_1/TM_1, TE_2/TM_2$).
    • Bộ định tuyến lựa chọn mode MSR $1 \times 3$ cho 2 mode TE điều khiển ON/OFF.
    • Bộ định tuyến lựa chọn mode MSR $1 \times 3$ cho 3 mode TE với 9 cấu hình điều khiển ON/OFF.
    • Bộ tạo đồng thời hai mode quang $TE_0$ và $TE_1$.
    • Bộ tạo đồng thời ba mode quang $TE_0, TE_1$ và $TE_2$.
  2. Toàn bộ các thiết kế đều được kiểm tra tính dung sai công nghệ, chứng minh khả năng hoạt động ổn định trước các sai lệch chế tạo hình học ($\pm 1\text{ nm}$ đến $\pm 100\text{ nm}$), đảm bảo khả năng tương thích và khả thi khi gia công hàng loạt trên dây chuyền công nghệ CMOS hiện có.

So sánh định lượng với các công trình công bố trước đây

Loại linh kiện Cấu trúc đề xuất trong luận án Các công trình tiêu biểu trước đây Điểm cải thiện kỹ thuật của luận án
Ghép/tách 2 mode Chữ Y đối xứng + MMI $2 \times 2$ + PS (Dẫn sóng rib nền SOI) Trương Cao Dũng và cs (2016) dùng ADC [36]; Trương Cao Dũng và cs (2017) dùng MMI + chữ Y [32] Mở rộng băng thông hỗ trợ cả 2 phân cực kép $TE_0/TM_0$ và $TE_1/TM_1$ (công trình 2016 chỉ đạt dải 10 nm; công trình 2017 chỉ hỗ trợ TE).
Ghép/tách 3 mode Hai chữ Y bất đối xứng phân tầng nhánh cong (Rib SOI) Trần Tuấn Anh và cs (2017) dùng 2 MMI + chữ Y [38]; Trần Tuấn Anh và cs (2019) dùng 2 chữ Y nhánh thẳng [41] Hỗ trợ không phụ thuộc phân cực cả 3 cặp mode $TE_n/TM_n$ ($n=0,1,2$); loại bỏ khe hở giữa các nhánh nhờ thiết kế nhánh cong tối ưu MEI.
Định tuyến MSR $1 \times 3$ MMI phân tầng + chữ Y + TOPS bằng ITO (Rib SOI) Các cấu trúc MSR dùng TOPS dải nhiệt Ti truyền thống [46]–[49] Thay Ti bằng ITO giúp triệt tiêu suy hao plasmon, giảm công suất tiêu thụ; điều khiển tối ưu chỉ bằng 2 trạng thái nhị phân ON/OFF thay vì đa mức công suất.
Tạo đồng thời nhiều mode MMI (giao thoa tổng quát/đối xứng) + chữ Y đối xứng Các công bố tạo mode của nhóm nghiên cứu quốc tế [9], [23] Tạo đồng thời 2 và 3 mode trực giao từ duy nhất mode $TE_0$ với độ cân bằng công suất $P.B$ đồng đều và dung sai chế tạo rộng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  1. Toàn bộ các kết quả và thông số đánh giá trong luận án được thực hiện thông qua mô phỏng số học (phương pháp truyền tia BPM và chiết suất hiệu dụng EIM trên phần mềm RSoft), chưa có điều kiện gia công thực nghiệm mẫu vật lý trên phiến bán dẫn Silicon để đo kiểm thực tế trên hệ thống đo đạc quang học.
  2. Số lượng mode quang khảo sát dừng lại ở mức tối đa 3 mode (hoặc 3 cặp mode phân cực TE/TM); chưa mở rộng khảo sát các mode bậc cao hơn ($N \ge 4$).
  3. Mô hình tính toán lan truyền sóng ánh sáng chủ yếu khảo sát trên miền trạng thái xác lập tuyến tính, chưa tính toán chi tiết các hiệu ứng tán sắc phi tuyến bậc cao khi công suất tín hiệu quang ngõ vào đạt mức rất lớn.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp

  1. Phối hợp với các trung tâm chế tạo vi mạch bán dẫn để gửi bản thiết kế mặt nạ (layout mask), tiến hành gia công thực nghiệm chip quang tử tích hợp bằng quy trình công nghệ CMOS/DUV và đo kiểm tham số thực tế.
  2. Nghiên cứu mở rộng cấu trúc ghép/tách và định tuyến cho số lượng mode lớn hơn ($N = 4, 8$ mode) nhằm tiếp tục nâng cao dung lượng hệ thống mạng quang.
  3. Nghiên cứu tích hợp các giải thuật trí tuệ nhân tạo (AI) vào khối vi điều khiển điện tử để giám sát và tự động hóa quá trình đóng ngắt các trạng thái ON/OFF của bộ định tuyến MSR theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Phục vụ công tác nghiên cứu và giảng dạy trong các chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật viễn thông, Quang điện tử và Công nghệ quang tử. Chương 1 cung cấp nền tảng toán học hoàn chỉnh về phương trình truyền sóng Helmholtz, kỹ thuật giải số BPM sai phân hữu hạn Crank-Nicolson, phương pháp EIM và cơ chế tự tạo ảnh trong linh kiện MMI.
  • Kỹ sư thiết kế vi mạch quang tích hợp (PIC): Có thể khai thác trực tiếp các thông số thiết kế hình học tối ưu (độ rộng thân dẫn sóng, độ dài MMI, góc rẽ nhánh chữ Y, chiều dày phiến) và quy trình khảo sát dung sai công nghệ chế tạo cho các linh kiện nền SOI.
  • Nhà phát triển thiết bị viễn thông: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể để nâng cấp dung lượng mạng WDM hiện hữu thông qua việc bổ sung các khối ghép kênh phân chia theo mode MDM và bộ định tuyến MSR công suất thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lại chọn cấu trúc dẫn sóng nóc/đỉnh (rib/ridge) thay vì dẫn sóng dải (strip)?

Trong Chương 1, tác giả đã dẫn chứng hai lý do kỹ thuật then chốt dựa trên các kết quả thực nghiệm:

  • Thứ nhất, dẫn sóng nóc/đỉnh có mức suy hao truyền dẫn quang thấp hơn đáng kể so với dẫn sóng dải. Cụ thể, số liệu thực nghiệm trích dẫn từ y văn cho thấy tại bước sóng 1300 nm, suy hao của dẫn sóng dải là $6{,}4\text{ dB/cm}$ trong khi dẫn sóng nóc/đỉnh chỉ là $0{,}4 \pm 0{,}3\text{ dB/cm}$; tại bước sóng 3390 nm, suy hao của dẫn sóng nóc/đỉnh duy trì ở mức rất thấp từ $0{,}6$ đến $0{,}7\text{ dB/cm}$.
  • Thứ hai, cấu trúc nóc/đỉnh có khả năng hỗ trợ tính lưỡng chiết cân bằng cho cả hai trạng thái phân cực TE và TM trong vùng đơn mode với chiều cao $H = 400\text{ nm}$ tại bước sóng tiêu chuẩn $\lambda = 1550\text{ nm}$, điều kiện bắt buộc để thiết kế linh kiện không phụ thuộc phân cực.

2. Ưu thế của việc sử dụng Oxit thiếc Indi (ITO) so với Titan (Ti) trong linh kiện dịch pha quang nhiệt TOPS là gì?

Trong các linh kiện định tuyến MSR (Chương 3), việc sử dụng vật liệu dẫn điện trong suốt ITO mang lại hai ưu điểm vượt trội so với dải gia nhiệt bằng Ti truyền thống:

  • ITO hạn chế tối đa hiệu ứng plasmon bề mặt, từ đó làm giảm tổn hao truyền dẫn cho ống dẫn sóng Silic nằm bên dưới trong quá trình cấp nhiệt.
  • Giúp tiết kiệm công suất tiêu thụ điện để đạt được góc dịch pha mong muốn ($\Delta\Phi = \pi$) và cho phép tối ưu hóa việc điều khiển định tuyến chỉ với hai mức trạng thái nhị phân BẬT và TẮT (ON/OFF).

3. Điều kiện bắt chiết suất hiệu dụng (MEI) vận hành như thế nào trong linh kiện rẽ nhánh chữ Y bất đối xứng?

Theo nguyên lý trình bày tại Chương 1 và Chương 2, điều kiện bắt chiết suất hiệu dụng (Matching Effective Index - MEI) xảy ra khi chiết suất hiệu dụng ($n_{eff}$) của một mode truyền trong thân linh kiện chữ Y bằng với chiết suất hiệu dụng của mode đó trong một nhánh rẽ có kích thước hình học phù hợp. Nhờ sự tương đồng về $n_{eff}$, mode quang từ thân sẽ chuyển đổi một cách tự nhiên và chọn lọc vào nhánh rẽ tương ứng dưới dạng mode cơ bản mà không gây bức xạ hay chuyển đổi sang mode không mong muốn.

4. Luận án sử dụng phần mềm và phương pháp mô phỏng số nào để thiết kế và đánh giá các linh kiện?

Tác giả sử dụng bộ phần mềm chuyên dụng RSoft Photonic Device Tools (công cụ BeamPROP) có sẵn tại phòng thí nghiệm của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Hai phương pháp cốt lõi được áp dụng là:

  • Phương pháp truyền tia (Beam Propagation Method - BPM) dựa trên lược đồ sai phân hữu hạn Crank-Nicolson (FD-BPM) với kích thước lưới tính toán mặc định $\Delta x = \Delta y = \Delta z = 0{,}02,\mu\text{m}$.
  • Phương pháp chiết suất hiệu dụng (Effective Index Method - EIM) nhằm đơn giản hóa cấu trúc không gian 2D/3D về bài toán 1D để xác định phân bố chiết suất hiệu dụng.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của nghiên cứu sinh Dương Quang Duy đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu thiết kế các linh kiện tích hợp quang tử nền SOI cho hệ thống ghép kênh phân chia theo mode (MDM). Bằng phương pháp mô phỏng số truyền tia BPM và chiết suất hiệu dụng EIM trên công cụ RSoft, tác giả đã phát triển thành công 6 cấu trúc linh kiện vi mô phục vụ ghép/tách đa mode không phụ thuộc phân cực, định tuyến lựa chọn mode tiêu thụ năng lượng thấp và tạo đồng thời nhiều mode quang. Các kết quả nghiên cứu có độ tin cậy khoa học cao, thông số hình học nằm trong giới hạn dung sai cho phép của dây chuyền công nghệ bán dẫn CMOS hiện nay, đóng góp giải pháp kỹ thuật thiết thực nhằm nâng cao dung lượng cho các mạng thông tin quang tương lai.