Tổng quan luận án

Trong bối cảnh phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư, hạ tầng truyền dẫn thông tin quang đóng vai trò nền tảng. Sau khi mạng lưới cáp quang cự ly dài được thiết lập, các nghiên cứu trong lĩnh vực truyền thông quang tập trung mạnh mẽ vào việc phát triển các cấu trúc linh kiện quang tử chức năng phục vụ kết nối các đầu cuối, bao gồm các bộ chia công suất, bộ chuyển mạch, và các bộ ghép/tách kênh quang. Phương pháp truyền thống đặt từng linh kiện vào các khối đóng gói kiểm soát nhiệt độ riêng lẻ bộc lộ hạn chế về độ phức tạp khi lắp ráp và chiếm tỷ trọng chi phí lớn. Sự phát triển của công nghệ mạch quang phẳng (Planar Lightwave Circuits - PLCs) trên nền tảng vật liệu bán dẫn đã giải quyết các vấn đề liên quan đến độ phụ thuộc phân cực, độ nhạy nhiệt độ và suy hao quang, mang lại các ưu thế về kích thước nhỏ gọn, độ linh hoạt, độ tin cậy và khả năng sản xuất hàng loạt với chi phí thấp tương tự công nghệ mạch tích hợp điện tử.

Cùng với việc ứng dụng PLC trong các mạng truy nhập như mạng cáp quang đến tận nhà (FTTH) với các bộ ghép/tách ba bước sóng (1310 nm, 1490 nm, 1550 nm) tại khối mạng quang người dùng (ONU), nhu cầu nâng cao dung lượng truyền dẫn cho các dịch vụ băng rộng (video theo yêu cầu, truyền thông di động, dữ liệu lớn, điện toán đám mây) ngày càng tăng. Công nghệ ghép kênh theo bước sóng (WDM) đã khai thác gần như toàn bộ số kênh khả dụng trong các băng C và L, đồng thời đối mặt với các giới hạn phi tuyến của sợi quang như hòa trộn bốn sóng (FWM), điều chế pha chéo (XPM) và các hiệu ứng tán xạ kích thích. Công nghệ ghép kênh theo mode không gian (Mode Division Multiplexing - MDM) xuất hiện như một hướng tiếp cận cho phép nâng cao dung lượng của hệ thống truyền dẫn. Trong MDM, mỗi mode riêng (eigenmode) trực giao mang một luồng tín hiệu quang độc lập, rất thích hợp cho truyền dẫn cự ly ngắn với dung lượng siêu lớn như kết nối nội chip (intra-chip) hoặc kết hợp với WDM để nhân bội băng thông mà không làm suy giảm hiệu năng do tán sắc mode.

Tuy nhiên, các cấu trúc ghép/tách mode trên chip hiện hữu bộc lộ nhiều điểm hạn chế:

  • Các cấu trúc dựa trên bộ ghép giao thoa đa mode (Multimode Interference - MMI) đòi hỏi các bộ dịch pha và có sự sai lệch hằng số truyền dẫn giữa các mode không gian dẫn đến lệch độ dài bán phách (half-beat length), gây ra suy hao và nhiễu xuyên kênh đáng kể.
  • Các cấu trúc dựa trên bộ ghép định hướng bất đối xứng (Asymmetric Directional Coupler - ADC) và cấu trúc phân nhánh chữ Y đối xứng (symmetric Y-junction) có quy trình chế tạo mặt nạ phức tạp và suy hao chèn tương đối lớn.
  • Các bộ ghép định hướng bất đối xứng đoạn nhiệt (adiabatic asymmetric directional couplers) gặp hiện tượng suy hao và tán sắc mode bậc cao, kích thước diện tích (footprint) lớn và khó ghép nối với sợi quang đa mode hoặc mạch quang phẳng khác.
  • Các bộ cộng hưởng bất đối xứng đoạn nhiệt có dải thông cộng hưởng hẹp.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể:

  1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết truyền sóng, lý thuyết ghép mode và hiện tượng tự tạo ảnh trong các cấu trúc ống dẫn sóng silicon trên đế cách điện (Silicon-on-Insulator - SOI).
  2. Đề xuất các cấu trúc và thiết kế mới cho các bộ ghép/tách kênh và chuyển đổi mode quang (mode (de)multiplexer / converter) thụ động trên nền tảng ống dẫn sóng SOI nhằm khắc phục các nhược điểm của các nghiên cứu trước đây.
  3. Tối ưu hóa các thông số hình học để đạt được các tiêu chí kỹ thuật: số lượng mode hỗ trợ tăng lên (từ 2 mode đến 4 mode), suy hao chèn thấp ($I.L > -5\text{ dB}$), nhiễu xuyên kênh thấp ($Cr.T < -15\text{ dB}$), băng thông 3-dB rộng ($> 40\text{ nm}$ trong băng C), dung sai kích thước hình học 3-dB lớn ($> \pm 10\text{ nm}$) và kích thước linh kiện nhỏ gọn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các cấu trúc mạch tích hợp quang thụ động trên nền tảng ống dẫn sóng quang SOI dạng rib/ridge thực hiện chức năng ghép/tách và chuyển đổi mode.
  • Phạm vi không gian và công nghệ: Khảo sát ba dạng cấu trúc ống dẫn sóng chính gồm bộ ghép định hướng bất đối xứng, bộ ghép giao thoa đa mode (MMI) và cấu trúc ống dẫn sóng phân nhánh nghiêng từ thanh dẫn chính (tilt branched bus waveguide). Kích thước chiều cao ống dẫn sóng được thiết kế phù hợp với tiêu chuẩn chế tạo bán dẫn CMOS.
  • Phạm vi bước sóng và môi trường hoạt động: Tín hiệu quang làm việc tại dải bước sóng băng C (C-band, vùng bước sóng 1550 nm), thuộc cửa sổ quang học viễn thông thứ ba.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng thuật và hệ thống hóa các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến công nghệ truyền dẫn đa mode và các kỹ thuật chế tạo mạch quang tích hợp:

  • Các nghiên cứu về ghép kênh phân chia theo mode không gian (SDM/MDM) sử dụng sợi quang ít mode (few-mode fiber) [18]–[20] hoặc sợi quang đa mode [21]–[23]: Tác giả chỉ ra rằng việc xử lý tín hiệu trực tiếp trên sợi quang đòi hỏi các linh kiện quang điện tử phức tạp, việc xử lý tín hiệu trong liên kết sợi quang kém linh hoạt và quy trình chế tạo khó tích hợp ở quy mô lớn.
  • Các nghiên cứu về mạch quang phẳng (PLC) trên vật liệu Silicon: Luận án dẫn chứng các công trình chứng minh vật liệu Si có độ tương phản chiết suất cao so với lớp đệm $\text{SiO}_2$, cho phép suy hao uốn cong thấp [24], [25], khả năng giam cầm ánh sáng mạnh [26], băng thông truyền dẫn cao [27], khả năng sản xuất hàng loạt [28] và tương thích hoàn toàn với dây chuyền công nghệ CMOS chuẩn.
  • Các thiết kế bộ ghép/tách mode trên chip hiện tại:
    • Cấu trúc MMI [30]–[33]: Luận án ghi nhận ưu điểm về băng thông rộng và dung sai chế tạo lớn của MMI nhưng chỉ ra hạn chế về việc phải sử dụng các bộ dịch pha phụ trợ và sự không khớp độ dài bán phách giữa các mode không gian.
    • Cấu trúc ADC [34]–[37] và Y-junction đối xứng [38], [39]: Gặp trở ngại do suy hao chèn cao và yêu cầu chế tạo mặt nạ quang khắc có độ chính xác rất khắt khe.
    • Cấu trúc ADC đoạn nhiệt 4 mode của Dai et al. [40]: Luận án phân tích rõ nhược điểm suy hao mode bậc cao, tán sắc mode khi dẫn truyền và kích thước hình học cồng kềnh.
    • Cấu trúc bộ cộng hưởng bất đối xứng đoạn nhiệt 3 mode [41], [35]: Tồn tại nhược điểm băng thông cộng hưởng hẹp.
  • Cơ sở lý thuyết nền tảng về giao thoa đa mode và tự tạo ảnh: Luận án điểm lại các mốc phát triển lý thuyết từ hiện tượng Talbot (1836) [72], Bryngdahl (1973) [73], Ulrich (1974) [74] đến Soldano (1995) [75].

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết là thiết kế các cấu trúc ghép/tách mode thụ động trên nền tảng SOI có cấu trúc đơn giản, không đòi hỏi các bộ chuyển mạch hay định tuyến phức tạp, mở rộng số mode hoạt động từ 2 mode lên 3 mode và 4 mode, chuyển đổi trực tiếp các mode bậc cao thành mode cơ bản để tương thích với sợi quang đơn mode và mạng trên chip, đồng thời duy trì hiệu năng băng rộng và dung sai chế tạo cao trong băng C.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án thiết lập hệ thống cơ sở lý thuyết và mô hình toán học làm nền tảng cho việc phân tích và thiết kế các linh kiện:

  • Hệ phương trình Maxwell và phương trình sóng Helmholtz: Thiết lập phương trình truyền sóng điện từ đơn sắc trong môi trường tuyến tính, đồng nhất, không tán sắc và đẳng hướng.
  • Phương pháp chiết suất hiệu dụng (Effective Index Method - EIM): Sử dụng để quy đổi bài toán ống dẫn sóng ba chiều (3D) có phân bố chiết suất phức tạp thành bài toán hai chiều (2D), phân tách tính toán theo hai phương phân cực $x$ và $y$ để tiết kiệm tài nguyên tính toán.
  • Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method - FDM): Ứng dụng công thức khai triển Taylor 5 điểm để rời rạc hóa tiết diện ống dẫn sóng thành lưới điểm chữ nhật, phục vụ việc giải phương trình trị riêng tìm các mode truyền dẫn (eigenmodes).
  • Phương pháp truyền chùm sai phân hữu hạn (Finite Difference Beam Propagation Method - FD-BPM): Sử dụng phương trình 3D FD-BPM cận trục kết hợp điều kiện biên trong suốt (Transparent Boundary Condition - TBC) nhằm loại bỏ hoàn toàn hiện tượng phản xạ sóng từ biên vào cửa sổ tính toán, đảm bảo kết quả trường điện từ truyền theo trục $z$ có độ chính xác cao và dạng sóng mượt mà hơn so với phương pháp FFT-BPM.
  • Lý thuyết ghép mode (Coupled Mode Theory): Mô hình hóa sự tương tác trao đổi năng lượng giữa hai ống dẫn sóng quang đặt gần nhau thông qua tích phân xen phủ trường mode. Điều kiện để hiệu suất truyền công suất đạt cực đại ($100%$) là sự phối hợp pha hoàn toàn ($\Delta\beta = 0$ hay $n_{eff1} = n_{eff2}$).
  • Lý thuyết tự tạo ảnh (Self-Imaging) và phân tích lan truyền mode dẫn (Guided-Mode Propagation Analysis - MPA) trong MMI: Xác định độ dài bán phách của hai mode bậc thấp nhất theo công thức: $$L_\pi = \frac{4 n_{eff} W^2}{3 \lambda_0}$$ Phân tích cơ chế giao thoa tổng quát (General Interference - GI) cho phép tạo ảnh đơn trực tiếp và đối xứng tại khoảng cách $z = p(3L_\pi)$ và tạo $N$ ảnh tại khoảng cách $L = \frac{3p L_\pi}{N}$.

Bảng tổng hợp đặc tính các loại vật liệu quang trong mạch PLC được luận án thống kê:

Vật liệu Ưu điểm Nhược điểm
$\text{LiNbO}_3$ Hệ số quang điện cao, hiệu ứng phi tuyến, điều chế tốc độ cao Suy hao quang cao
$\text{SiO}_2$ Suy hao rất thấp Chỉ phù hợp cho các linh kiện thụ động
$\text{Si}$ (SOI) Độ tương phản chiết suất cao, mật độ tích hợp cao, tương thích CMOS Vùng cấm gián tiếp
Polymer Dễ chế tạo, chi phí thấp, hiệu năng nhiệt quang và điện quang cao Tuổi thọ hoạt động thấp
$\text{InP}$ Vùng cấm trực tiếp, phù hợp điều chế tốc độ cao và nguồn phát quang Chi phí cao, công nghệ phức tạp, diện tích lớn do độ tương phản chiết suất thấp
$\text{As}_2\text{S}_3$ Chiết suất hiệu dụng cao, nhạy cảm với cường độ công suất (hiệu ứng Kerr) Sử dụng chuyên biệt cho bộ ghép phi tuyến

Công cụ mô phỏng và phương pháp đánh giá:

  • Toàn bộ quá trình tính toán, tối ưu hóa kích thước hình học và mô phỏng lan truyền trường sóng quang được thực hiện trên phần mềm RSoft (Synopsys Inc.), sử dụng module BeamPROP (3D FD-BPM kết hợp EIM).
  • Các bước chia lưới tính toán ($\Delta x, \Delta y, \Delta z$) được thiết lập ở mức $0{,}05,\mu\text{m}$ để cân bằng giữa độ chính xác của phân bố trường và thời gian tính toán.
  • Tiêu chí định lượng đánh giá chất lượng linh kiện:
    • Suy hao chèn (Insertion Loss - I.L): $$I.L = 10 \log_{10}\left(\frac{P_{out}}{P_{in}}\right)$$
    • Nhiễu xuyên kênh (Cross-talk - Cr.T): $$Cr.T = 10 \log_{10}\left(\frac{P_{out}}{P_{unwanted}}\right)$$

Nội dung chính theo từng chương

CHAPTER 1. SOI WAVEGUIDE STRUCTURE, ANALYSIS AND FABRICATION

Chương 1 trình bày tổng quan cấu trúc, phương pháp phân tích, mô phỏng và công nghệ chế tạo ống dẫn sóng quang SOI:

  • Khảo sát các dạng ống dẫn sóng phi phẳng: Ống dẫn sóng kênh chìm (Buried channel), ống dẫn sóng có dải tải (Strip-loaded), ống dẫn sóng dạng sống (Ridge), ống dẫn sóng dạng gờ (Rib) và ống dẫn sóng khuếch tán (Diffused).
  • Hệ thống hóa các phần tử quang học cơ bản trong PLC: Ống dẫn sóng thẳng và cong (offset waveguide), bộ chia công suất $1\times 2$ (Y-branch, MMI, $1\times N$), gương phản xạ kim loại/điện môi đa lớp/cách tử Bragg, bộ ghép định hướng, bộ phân cực, bộ tách chùm phân cực (PBS), bộ điều chế pha quang điện, bộ giao thoa Mach-Zehnder (MZI), bộ chuyển đổi mode TE/TM, bộ dịch tần số quang-âm dựa trên hiệu ứng Doppler, cách tử ống dẫn sóng mảng (AWG) và bộ lọc quang-âm điều chỉnh được (AOTF).
  • Công nghệ chế tạo nền SOI:
    • Phương pháp cấy oxy SIMOX: Sử dụng năng lượng cấy ion lên đến 200 keV với liều lượng cấy $> 10^{18}\text{ cm}^{-2}$ ở nhiệt độ đế $600^\circ\text{C}$, sau đó ủ nhiệt tại $1300^\circ\text{C}$ trong nhiều giờ để hình thành lớp $\text{SiO}_2$ chôn vùi dày khoảng $0{,}5,\mu\text{m}$ và lớp silicon bề mặt dày $0{,}1 - 0{,}2,\mu\text{m}$.
    • Phương pháp liên kết và mài mòn hóa cơ BESOI (Bond and Etch-back SOI): Kết hợp oxy hóa nhiệt, liên kết ở nhiệt độ phòng và nâng nhiệt lên $1100^\circ\text{C}$, làm mỏng bằng kỹ thuật mài bóng hóa cơ CMP hoặc ăn mòn chọn lọc lớp pha tạp p nồng độ cao ($> 10^{19}\text{ cm}^{-3}$).
    • Phương pháp tách wafer (Wafer Splitting): Cấy ion Hydro liều lượng $\approx 10^{17}\text{ cm}^{-2}$, liên kết wafer và xử lý nhiệt tại $600^\circ\text{C}$ và $1100^\circ\text{C}$ để tách lớp silicon theo mặt phẳng đỉnh nồng độ ion H+.
    • Kỹ thuật tăng trưởng epitaxy silicon pha hơi (CVD): Sử dụng khí nguồn $\text{SiH}_2\text{Cl}_2$ ở nhiệt độ trên $1000^\circ\text{C}$ để tăng độ dày lớp silicon lên vài micromet với độ không đồng đều dưới $1%$.
  • Kỹ thuật tạo hình bề mặt: Quang khắc tia cực tím sâu (DUV photolithography) kiểm soát kích thước tới hạn dưới 10 nm; công nghệ ăn mòn khô bằng plasma xoay chiều (AC plasma tần số 13,56 MHz) sử dụng hỗn hợp khí hoạt hóa $\text{CF}_4 + \text{O}_2$.
  • Cơ sở lý thuyết ghép mode và giao thoa đa mode: Thiết lập các hệ thức toán học cho bộ ghép định hướng hai ống dẫn sóng, phân tích hiện tượng truyền công suất tuần hoàn theo chiều dài ghép $L_0 = \pi / (2\sqrt{\kappa_{12}\kappa_{21}})$ và sự phụ thuộc của tỷ số truyền công suất vào tham số lệch pha $\Delta\beta L_0$. Phân tích cơ chế tự tạo ảnh trong MMI giao thoa tổng quát (GI-MMI) và giao thoa giới hạn (RI-MMI).

CHAPTER 2. MODE DIVISION MULTIPLEXER BASED ON ASYMMETRIC DIRECTIONAL COUPLER

Chương 2 tập trung thiết kế, tối ưu hóa và đánh giá hiệu năng của bộ ghép/tách hai mode ($TE_0$ và $TE_1$) dựa trên cấu trúc bộ giao thoa Mach-Zehnder (MZI) kết hợp các ống dẫn sóng silicon ghép định hướng bất đối xứng (ADC):

  • Thiết kế hình học và tối ưu cấu trúc: Sử dụng phương pháp mô phỏng BPM để khảo sát mối quan hệ giữa chiều cao ống dẫn sóng, tỷ số công suất và chiều dài ghép nối của bộ ghép định hướng bất đối xứng.
  • Phân tích phân bố điện trường: Mô phỏng phân bố trường điện từ lan truyền qua cấu trúc ghép/tách hai mode, chứng minh khả năng tách biệt và tái tạo độc lập giữa mode cơ bản ($TE_0$) và mode bậc một ($TE_1$).
  • Đặc tính truyền dẫn và phổ bước sóng: Đánh giá đáp ứng bước sóng của bộ giải ghép kênh (DMUXer) trong toàn bộ dải băng C; khảo sát phổ chi tiết với độ phân giải bước sóng 1 nm.
  • Khảo sát dung sai chế tạo và suy hao vách:
    • Phân tích ảnh hưởng của dung sai độ sâu khắc ($H = h_1 = 500\text{ nm}$) đến mức xuyên kênh của các mode trong bộ MUXer và deMUXer.
    • Tính toán suy hao do độ nhám vách bên (sidewall roughness loss) cho hai trạng thái phân cực và hai mode sóng trong hai điều kiện độ nhám vách: trường hợp thứ nhất với độ lệch chuẩn $\sigma = 2\text{ nm}$, chiều dài tương quan $L_{cor} = 50,\mu\text{m}$; trường hợp thứ hai với thông số độ nhám thực tế.

CHAPTER 3. THREE-MODE DIVISION (DE)MULTIPLEXER BASED ON A TRIDENT COUPLER AND TWO CASCADED 3×3 MMI SILICON WAVEGUIDES

Chương 3 đề xuất và phân tích cấu trúc bộ ghép/tách ba mode ($TE_0, TE_1, TE_2$) kết hợp giữa bộ ghép dạng ba chĩa (trident coupler) và hai bộ ghép giao thoa đa mode $3\times 3$ (cascaded $3\times 3$ MMI) trên nền tảng SOI:

  • Phân tích lý thuyết MMI giao thoa tổng quát $N\times N$ ghép tầng ứng dụng trong chuyển mạch và định tuyến quang.
  • Thiết kế và tối ưu hóa bộ ghép trident: Khảo sát đặc tính truyền qua của bộ ghép trident theo chiều dài đường cong hình sin (sinusoidal length) và góc phân nhánh; xác định kích thước bộ dịch pha để đạt được góc dịch pha $\Phi$ chính xác thông qua việc điều chỉnh độ rộng vùng trung tâm.
  • Mô phỏng phân bố điện trường: Thực hiện mô phỏng 3D FD-BPM chứng minh sự kích thích và lan truyền riêng biệt của mode cơ bản (a), mode bậc một (b), mode bậc hai (c) và tổng hợp đồng thời cả ba mode (d).
  • Phân tích hiệu năng quang:
    • Đánh giá suy hao chèn ($I.L$) và nhiễu xuyên kênh ($Cr.T$) phụ thuộc vào bước sóng trong băng C.
    • Đánh giá ảnh hưởng của góc phân nhánh bộ ghép trident đến hiệu năng suy hao và xuyên kênh.
    • Phân tích dung sai chế tạo: Khảo sát dung sai chiều dài của bộ ghép MMI thứ hai ($L_{MMI2}$), dung sai độ rộng ống dẫn sóng vào ($W_0$) và dung sai độ sâu khắc của toàn bộ cấu trúc ba mode.

CHAPTER 4. MODE DIVISION MULTIPLEXER BASED ON TILT BRANCHED BUS STRUCTURE SILICON WAVEGUIDE

Chương 4 nghiên cứu cấu trúc phân loại và chuyển đổi mode đa kênh dựa trên thanh dẫn bus kết hợp các nhánh nghiêng (tilt branched bus structure):

  • Thiết bị ghép/tách ba mode (Mục 4.1):
    • Thiết kế trên nền ống dẫn sóng SOI có chiều cao $h = 220\text{ nm}$. Khảo sát sự thay đổi chiết suất hiệu dụng của thanh bus chính theo độ rộng $W_m$.
    • Tối ưu hóa độ rộng các nhánh nghiêng thứ nhất và thứ hai ($W_a$) để đáp ứng hệ số ghép chọn lọc mode dựa trên điều kiện phối hợp pha.
    • Mô phỏng phân bố điện trường của ba mode $TE_0, TE_1, TE_2$. Đánh giá đặc tính truyền dẫn quang ($I.L, Cr.T$) theo bước sóng băng C.
    • Khảo sát dung sai hình học: Đánh giá hiệu năng truyền dẫn theo dung sai độ rộng $\Delta W$ (nm), dung sai độ cao $\Delta h$ (nm), và biểu đồ đáp ứng công suất truyền qua tại ba cổng ra ($PO1, PO2, PO3$) dưới sự biến thiên đồng thời của cả hai tham số $(\Delta h, \Delta W)$ khi kích thích từng mode $TE_0, TE_1, TE_2$.
  • Thiết bị ghép/tách bốn mode (Mục 4.2):
    • Mở rộng cấu trúc cho 4 mode ($TE_0, TE_1, TE_2, TE_3$). Tính toán số chiết suất hiệu dụng theo độ rộng ống dẫn sóng để xác định kích thước tại các điểm tiếp xúc ghép chọn lọc mode $A_1, A_2, A_3$.
    • Mô phỏng phân bố điện trường và đặc tính truyền dẫn quang theo bước sóng cho cả 4 mode. Toàn bộ các mode bậc cao từ bus đầu vào được chuyển đổi thành mode cơ bản ($TE_0$) tại 4 cổng ra riêng biệt ($O_1, O_2, O_3, O_4$), bảo đảm tính tương thích với sợi quang đơn mode.
    • Phân tích dung sai đồng thời hai biến $(\Delta h, \Delta W)$ đối với công suất quang tại 4 cổng ra khi kích thích lần lượt 4 mode.
  • Đề xuất sơ đồ đo kiểm thực nghiệm cấp hệ thống (Mục 4.3):
    • Thiết lập mô hình đo kiểm mô phỏng hệ thống gồm: Nguồn laser đa mode điều chỉnh bước sóng, bộ tạo chuỗi bit giả ngẫu nhiên (PRBS), bộ phát mẫu xung (PPG), bộ điều khiển phân cực (PC), bộ khuếch đại quang sợi pha Erbium (EDFA với hệ số khuếch đại $\text{Gain}_1 = 10\text{ dB}, \text{Gain}_2 = 3\text{ dB}$), thiết bị cần đo (DUT - bộ giải ghép 4 mode), bộ lọc quang thông dải (BPF), bộ suy hao quang điều chỉnh (VOA), bộ tách sóng quang (PD), bộ tổng hợp xung nhịp (CLK) và bộ đo tỷ lệ lỗi bit (BERT).
    • Kết quả khảo sát hệ thống: Thu nhận giản đồ mắt (eye diagrams) mở rõ ràng tại 4 cổng ra tương ứng với 4 mode; xác định hệ số BER theo công suất phát $T_x$ của laser; khảo sát BER theo tốc độ bit khi công suất phát $T_x = -1\text{ dBm}$; và đánh giá BER theo bước sóng trong dải 100 nm thuộc cửa sổ viễn thông thứ ba.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được ba đóng góp khoa học và ứng dụng thực tiễn chính:

  1. Đề xuất cấu trúc bộ ghép/tách hai mode trên chip (TM-(de)MUXer) dạng bộ giao thoa Mach-Zehnder (MZI) sử dụng các ống dẫn sóng silicon ghép định hướng bất đối xứng (ADC), có khả năng ghép và tách mode cơ bản ($TE_0$) và mode bậc một ($TE_1$). Kết quả công trình đã được công bố tại Hội nghị Quốc tế về Công nghệ Tiên tiến trong Truyền thông (ATC 2016).
  2. Đề xuất thiết kế bộ ghép/tách ba mode dựa trên sự kết hợp giữa bộ ghép ba chĩa (trident coupler) và hai bộ ghép MMI $3\times 3$ ghép tầng trên nền ống dẫn sóng SOI, hỗ trợ xử lý đồng thời ba mode $TE_0, TE_1, TE_2$. Kết quả công trình đã được công bố trên tạp chí quốc tế Optical and Quantum Electronics.
  3. Đề xuất giải pháp phân loại và ghép/tách đa mode dựa trên cấu trúc ống dẫn sóng phân nhánh nghiêng từ thanh dẫn bus chính (tilt branched bus), hỗ trợ lên đến 4 mode ($TE_0, TE_1, TE_2, TE_3$). Cấu trúc này thực hiện đồng thời chức năng tách mode và chuyển đổi toàn bộ các mode bậc cao thành mode cơ bản tại các cổng ra, loại bỏ sự phụ thuộc vào các bộ dịch pha thụ động có dung sai thấp trong cấu trúc MMI. Kết quả công trình đã được công bố trên tạp chí quốc tế Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications.

Bảng tổng hợp so sánh các đề xuất của luận án với các công trình có cấu trúc tương tự:

Cấu trúc đề xuất trong luận án Số mode hỗ trợ Chức năng chuyển đổi mode về $TE_0$ Băng bước sóng hoạt động Đặc điểm cấu trúc và hiệu năng
ADC kết hợp MZI (Chương 2) 2 mode ($TE_0, TE_1$) Không Băng C ($1550\text{ nm}$) Dạng MZI nhỏ gọn, khảo sát chi tiết suy hao do nhám vách $\sigma = 2\text{ nm}$
Trident coupler + Cascaded $3\times 3$ MMI (Chương 3) 3 mode ($TE_0, TE_1, TE_2$) Có Băng C ($1550\text{ nm}$) Tích hợp bộ dịch pha tối ưu góc $\Phi$, suy hao chèn $< 5\text{ dB}$, xuyên kênh $< -15\text{ dB}$
Tilt branched bus waveguide (Chương 4) 3 mode và 4 mode ($TE_0 - TE_3$) Có (toàn bộ các cổng ra) Băng C (khảo sát dải $100\text{ nm}$) Phối hợp pha chọn lọc mode tại các điểm tiếp xúc $A_1, A_2, A_3$, chiều cao $h = 220\text{ nm}$ tương thích chuẩn CMOS, kiểm tra BER hệ thống

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong luận án:

  • Toàn bộ các kết quả khảo sát, tối ưu hóa cấu trúc và đánh giá dung sai hình học của các thiết bị đề xuất được thực hiện thông qua phương pháp mô phỏng số (3D FD-BPM kết hợp EIM trên phần mềm RSoft).
  • Đánh giá chất lượng truyền dẫn cấp hệ thống (giản đồ mắt, tỷ lệ lỗi bit BER) được thực hiện trong môi trường mô phỏng hệ thống viễn thông; luận án đã xây dựng sơ đồ nguyên lý đo kiểm chi tiết nhưng chưa tiến hành chế tạo thực nghiệm mẫu vật lý và đo kiểm thực tế trong phòng thí nghiệm do điều kiện trang thiết bị chế tạo.
  • Phạm vi thiết kế của luận án tập trung hoàn toàn vào các linh kiện quang thụ động trên nền tảng ống dẫn sóng silicon dạng rib/ridge hoạt động tại dải băng C; chưa mở rộng sang các cấu trúc điều khiển chủ động (active devices) sử dụng hiệu ứng nhiệt-quang hay điện-quang, cũng như chưa khảo sát hoạt động tại các băng sóng viễn thông khác như băng O, E, S, L.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Điện tử, Quang điện tử và Quang tử học tích hợp.
  • Giảng viên và các nhóm nghiên cứu về mạch tích hợp quang (PICs), mạch quang phẳng (PLCs), và các hệ thống truyền dẫn quang dung lượng siêu cao kết hợp kỹ thuật ghép kênh phân chia theo mode (MDM) và bước sóng (WDM).
  • Kỹ sư thiết kế linh kiện bán dẫn quang: Luận án cung cấp các thông số thiết kế chi tiết (kích thước hình học, chiều cao chuẩn CMOS 220 nm và 500 nm, góc nghiêng nhánh, chiều dài ghép MMI), quy trình mô phỏng số 3D FD-BPM với điều kiện biên trong suốt TBC, và phương pháp phân tích dung sai chế tạo hai biến $(\Delta h, \Delta W)$ cùng mô hình đo kiểm BER hệ thống.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng phương pháp và công cụ phần mềm nào để mô phỏng và tối ưu hóa các linh kiện quang SOI?
Luận án sử dụng phương pháp truyền chùm sai phân hữu hạn 3 chiều (3D FD-BPM) kết hợp phương pháp chiết suất hiệu dụng (EIM) và áp dụng điều kiện biên trong suốt (TBC) để triệt tiêu sóng phản xạ tại biên cửa sổ phân tích. Công cụ phần mềm được sử dụng là phần mềm RSoft do Synopsys Inc. phát triển, với bước lưới tính toán chuẩn $\Delta x = \Delta y = \Delta z = 0{,}05,\mu\text{m}$.

2. Ba cấu trúc ống dẫn sóng chính được tác giả nghiên cứu để thực hiện chức năng ghép/tách mode (MDM) là gì?
Ba cấu trúc ống dẫn sóng chính gồm: (1) Bộ ghép định hướng bất đối xứng (ADC) tích hợp trong cấu trúc giao thoa Mach-Zehnder; (2) Bộ ghép dạng ba chĩa (trident coupler) kết hợp hai bộ ghép giao thoa đa mode $3\times 3$ ghép tầng (cascaded $3\times 3$ MMI); và (3) Cấu trúc thanh dẫn bus kết hợp các nhánh phân kỳ nghiêng (tilt branched bus waveguide).

3. Các tiêu chí kỹ thuật cụ thể được đặt ra để đánh giá hiệu năng các thiết kế trong luận án là gì?
Các tiêu chí kỹ thuật bao gồm: Suy hao chèn ($I.L$) lớn hơn $-5\text{ dB}$ (độ lớn suy hao dưới $5\text{ dB}$), độ cách ly xuyên kênh ($Cr.T$) nhỏ hơn $-15\text{ dB}$, băng thông 3-dB lớn hơn $40\text{ nm}$ trong dải băng C, và dung sai kích thước hình học 3-dB lớn hơn $\pm 10\text{ nm}$.

4. Cấu trúc thanh dẫn phân nhánh nghiêng ở Chương 4 thực hiện việc chuyển đổi mode như thế nào?
Cấu trúc thanh dẫn phân nhánh nghiêng tận dụng điều kiện phối hợp pha cục bộ tại các vị trí tiếp xúc ($A_1, A_2, A_3$) giữa thanh bus chính và các nhánh nghiêng có độ rộng $W_a$ được tính toán chính xác. Khi các mode bậc cao ($TE_1, TE_2, TE_3$) lan truyền dọc theo thanh bus chính, chúng sẽ được ghép chọn lọc sang các nhánh nghiêng tương ứng và tự động chuyển đổi thành mode cơ bản ($TE_0$) tại các cổng ra riêng biệt ($O_1, O_2, O_3, O_4$).

5. Sơ đồ mô phỏng đo kiểm cấp hệ thống trong Chương 4 gồm những khối chức năng chính nào?
Sơ đồ gồm có: Nguồn laser đa mode điều chỉnh được, bộ tạo chuỗi bit giả ngẫu nhiên (PRBS), bộ phát mẫu xung (PPG), bộ điều khiển phân cực (PC), hai bộ khuếch đại quang EDFA ($\text{Gain}_1 = 10\text{ dB}, \text{Gain}_2 = 3\text{ dB}$), linh kiện DUT (bộ giải ghép 4 mode), bộ lọc thông dải (BPF), bộ suy hao quang điều chỉnh (VOA), bộ tách sóng quang (PD), bộ tổng hợp xung nhịp (CLK) và thiết bị đo tỷ lệ lỗi bit (BERT).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Tuấn Anh đã giải quyết bài toán thiết kế và mô phỏng các mạch tích hợp quang thụ động băng rộng thực hiện chức năng ghép, tách và chuyển đổi đa mode (từ 2 đến 4 mode) trên nền tảng ống dẫn sóng silicon trên đế cách điện (SOI). Bằng việc ứng dụng phương pháp 3D FD-BPM kết hợp EIM trên phần mềm RSoft, tác giả đã tối ưu hóa thành công ba cấu trúc linh kiện: bộ ghép ADC dạng MZI, bộ ghép MMI $3\times 3$ ghép tầng kết hợp trident coupler, và cấu trúc thanh bus phân nhánh nghiêng tương thích chuẩn CMOS ($h = 220\text{ nm}$). Các thiết kế đều đạt các chỉ tiêu kỹ thuật về suy hao chèn thấp, xuyên kênh thấp, băng thông rộng trong băng C, dung sai chế tạo lớn và có khả năng chuyển đổi mode bậc cao về mode cơ bản để tương thích với mạng truyền dẫn quang đơn mode hiện hành.