Luận án tiến sĩ về thiết kế và mô phỏng mạch tích hợp quang băng rộng cho đa chế độ

• Tác giả: Tran Tuan Anh
• Người hướng dẫn: Prof. Tran Duc Han
• Trường học: Hanoi University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Telecommunications Engineering
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Thiết Kế Mạch Tích Hợp Quang Băng Rộng Cho Đa Chế Độ
• Loại tài liệu: doctoral dissertation
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hanoi

• DECLARATION OF AUTHORSHIP
• Acknowledgment
• INTRODUCTION
• 1. CHAPTER 1: SOI WAVEGUIDE STRUCTURE, ANALYSIS AND FABRICATION
• 1.1. Shapes and functions of silicon-on-insulator waveguide
• 1.2. Optical waveguide analysis and simulation methods
• 1.2.1. Effective index method
• 1.2.2. Finite difference method
• 1.2.3. Beam propagation method
• 1.2.4. Finite difference beam propagation method
• 1.3. Silicon-on-insulator waveguide fabrication
• 1.3.1. Separation by implanted oxygen (SIMOX)
• 1.3.2. Bond and Etch-back SOI (BESOI)
• 1.3.3. Silicon Epitaxial Growth
• 1.3.4. Fabrication of surface etched features
• 1.4. Silicon-on-insulator waveguide structure used for MDM functionality
• 1.5. Asymmetric Y-junction waveguide. MODE DIVISION MULTIPLEXER BASED ON ASYMMETRIC DIRECTIONAL COUPLER
• 2. Two mode division (De)multiplexer based on an MZI asymmetric silicon waveguide
• 2.1. Design and structural optimization
• 2.2. Simulation and performance analysis
• 2.3. Cascaded N x N general interference MMI analysis
• 3. Three-mode division (De)multiplexer based on a trident coupler and two cascaded 3×3 MMI silicon waveguides
• 3.1. Design and structural optimization
• 3.2. Simulation and performance analysis
• 4. MODE DIVISION MULTIPLEXER BASED ON TILT BRANCHED BUS STRUCTURE SILICON WAVEGUIDE
• 4.1. Three-mode multiplexed device based on tilt branched bus structure using silicon waveguide
• 4.2. Simulation and performance analysis
• 4.3. Four-mode multiplexed device based on tilt branched bus structure using silicon waveguide
• 4.4. Simulation and performance analysis
• 4.5. Proposal of experimental diagram
• 4.6. Conclusion
• DISSERTATION CONCLUSION AND FUTURE WORKS
• PUBLICATIONS DURING PHD COURSE
• UNDER REVIEW PAPER
• PUBLICATIONS BEFORE PHD COURSE
• REFERENCE

I. Cấu trúc và phân tích mạch quang

Nghiên cứu về mạch tích hợp quang băng rộng cho đa chế độ bắt đầu với việc phân tích cấu trúc của mạch quang. Cấu trúc mạch quang silicon trên cách điện (SOI) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng quang học hiện đại. Các phương pháp phân tích như phương pháp chỉ số hiệu quả, phương pháp sai phân và phương pháp lan truyền chùm sáng được áp dụng để tối ưu hóa thiết kế. Việc sử dụng các phương pháp này giúp xác định các thông số quan trọng như độ suy giảm và hiệu suất truyền dẫn của mạch quang. Đặc biệt, việc chế tạo các cấu trúc mạch quang như Y-junction và các cấu trúc phức tạp khác là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu cho các ứng dụng đa chế độ. Theo nghiên cứu, các cấu trúc này không chỉ cải thiện khả năng truyền dẫn mà còn giảm thiểu tổn thất quang học, từ đó nâng cao hiệu quả của hệ thống truyền thông quang.

1.1. Phân tích và mô phỏng mạch quang

Phân tích và mô phỏng là bước quan trọng trong thiết kế mạch tích hợp quang. Các phương pháp như phương pháp sai phân và phương pháp lan truyền chùm sáng được sử dụng để mô phỏng hành vi của mạch quang trong các điều kiện khác nhau. Kết quả từ các mô phỏng này cho thấy sự ảnh hưởng của các yếu tố như kích thước và hình dạng của mạch quang đến hiệu suất tổng thể. Việc tối ưu hóa các thông số này không chỉ giúp cải thiện độ tin cậy mà còn tăng cường khả năng xử lý tín hiệu quang. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp mô phỏng tiên tiến có thể dẫn đến những cải tiến đáng kể trong thiết kế mạch quang băng rộng.

II. Thiết kế và tối ưu hóa mạch phân chia chế độ

Thiết kế mạch quang băng rộng cho đa chế độ yêu cầu sự chú ý đặc biệt đến các yếu tố như cấu trúc và hiệu suất. Các thiết kế như bộ phân chia chế độ dựa trên coupler hướng không đối xứng và MMI (Multimode Interference) đã được nghiên cứu và tối ưu hóa. Các kết quả cho thấy rằng việc sử dụng cấu trúc MMI có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của mạch quang. Đặc biệt, các thiết kế này cho phép giảm thiểu độ suy giảm và crosstalk, từ đó nâng cao khả năng truyền dẫn của hệ thống. Việc tối ưu hóa cấu trúc và các thông số thiết kế là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu cho các ứng dụng trong lĩnh vực viễn thông.

2.1. Phân tích hiệu suất của mạch phân chia chế độ

Phân tích hiệu suất của các mạch quang phân chia chế độ cho thấy sự cần thiết phải tối ưu hóa các thông số thiết kế. Các yếu tố như độ dài, chiều rộng và góc phân nhánh của mạch quang ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất truyền dẫn. Kết quả từ các mô phỏng cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số này có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong độ suy giảm và crosstalk. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa có thể giúp đạt được hiệu suất cao hơn cho các ứng dụng đa chế độ trong hệ thống viễn thông.

III. Ứng dụng thực tiễn của mạch tích hợp quang

Các mạch tích hợp quang băng rộng cho đa chế độ có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực viễn thông. Chúng được sử dụng trong các hệ thống FTTH (Fiber to the Home) để cung cấp dịch vụ internet tốc độ cao. Các bộ chia quang và (de)multiplexer là những thành phần thiết yếu trong các mạng FTTH, giúp phân chia và kết hợp các tín hiệu quang. Việc sử dụng mạch quang tích hợp không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao hiệu suất của hệ thống. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ PLC (Planar Lightwave Circuits) có thể cải thiện đáng kể khả năng xử lý tín hiệu quang trong các ứng dụng thực tiễn.

3.1. Tương lai của công nghệ mạch quang

Tương lai của công nghệ mạch tích hợp quang băng rộng cho đa chế độ hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến đáng kể. Sự phát triển của công nghệ PLC và các phương pháp chế tạo tiên tiến sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các cấu trúc mạch quang mới với khả năng xử lý tín hiệu tốt hơn và độ tin cậy cao hơn. Điều này sẽ giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về băng thông trong các ứng dụng viễn thông hiện đại.