MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài luận án Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ viễn thông, internet nhƣ hiện nay, nhƣ truy nhập internet tốc độ cao, truy nhập video có độ phân giải cao hay các dịch vụ điện toán đám mây,… Do đó, yêu cầu nâng cấp tốc độ truyền dẫn trong các mạng thông tin cáp sợi quang là hết sức cần thiết. Có một số phƣơng pháp để nâng cao dung lƣợng của các lƣu lƣợng sóng mang trong các mạng thông tin cáp sợi quang bởi các cấu trúc ghép kênh, chẳng hạn ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng (WDM) [1], điều chế đa mức [2], ghép kênh phân chia theo phân cực (PDM) [3]. Gần đây, một số cách tiếp cận mới đã đƣợc đề xuất bằng các hệ thống truyền dẫn đa sóng mang để nâng cao tốc độ lên cỡ Terabit/s [4], [5]. Tuy vậy, công nghệ WDM vẫn đóng vai trò quan trọng để nâng cao dung lƣợng truyền dẫn các kênh quang.
Các lƣu lƣợng sóng mang trong các hệ thống WDM cần đƣợc phối ghép và kết cuối tại các thiết bị đầu cuối nhƣ các đi ốt laser, các bộ tách sóng quang hoặc đƣợc xử lý tại các thiết bị chuyển mạch (nhƣ bộ ghép kênh xen rẽ quang và bộ chuyển mạch lựa chọn bƣớc sóng). Một số cấu trúc quang tử silic đƣợc sử dụng để thiết kế các bộ ghép/phân kênh bƣớc sóng gồm các bộ lọc màng mỏng, các bộ cộng hƣởng vòng hay các cách tử ống dẫn sóng đƣợc xếp mảng (AWG). Tuy nhiên, những thiết bị nhƣ vậy không hỗ trợ hoạt động tại các cấu trúc cỡ nano, trong khi các mạch kích thƣớc nano lại đang là một khuynh hƣớng đầy hứa hẹn và sẽ bùng nổ cho các mạch và cấu kiện quang tử tích hợp trong tƣơng lai [6]. Để khắc phục nhƣợc điểm này, một trong những phƣơng pháp tối ƣu và mới nhất hiện nay là dựa vào hiệu ứng plasmonic để tạo ra các ống dẫn sóng trong cấu kiện tách/ghép kênh quang tốc độ cao có kích cỡ dƣới bƣớc sóng để bắt giữ và dẫn các mode plasmonic [7], [8].
Plasmonic học giờ đang trở thành một chủ đề sôi động của các nghiên cứu liên ngành, tụ hợp vật lý, hóa học, khoa học vật liệu, khoa học năng lƣợng và hứa hẹn cho nhiều ứng dụng trong tƣơng lai gần [9]. Trải qua hàng thập kỷ, quang tử học silic đã đóng vai trò chính trong các thiết bị xử lý thông tin và sự phát triển của các cấu kiện quan trọng nhằm khai thác 2 tính chất vật lý độc đáo của nó. Ngoài ra, cấu kiện chính trong điện tử học bán dẫn ô xít kim loại bù (CMOS) có vai trò lớn trong các cấu kiện quang tử silicon [10]. Tuy nhiên, kích thƣớc tối thiểu của thiết bị quang tử silicon bị hạn chế bởi giới hạn nhiễu xạ sóng ánh sáng là lớn khi so sánh với các thiết bị CMOS.
Để giảm kích thƣớc của các thiết bị quang tử, cần quan tâm đến các cấu kiện dựa trên cấu trúc kim loại kích thƣớc nano có khả năng hỗ trợ các mode plasmonic [10, 11, 12]. Khi thiết kế các cấu kiện quang, cụ thể ở đây là ống dẫn sóng quang có cấu trúc hình học và kích thƣớc nano thì có một sự đánh đổi giữa việc bắt giữ mode và chiều dài truyền. Lƣu ý rằng, sự phát triển của nền tảng plasmonic dựa trên lớp điện môi silic cho phép tích hợp hiệu quả công nghệ CMOS với các cấu kiện plasmonic kích cỡ nano. Nền tảng nhƣ vậy cho phép phát triển các chíp xử lý gồm các ống dẫn sóng plasmonic có khả năng truyền đồng thời cả tín hiệu điện và quang.
Hơn thế nữa, sự nâng cao đáng kể và định xứ của các trƣờng điện từ trong các mode plasmonic cho phép tích hợp cực cao các mạch plasmonic lai ghép CMOS. Các mạch điện tử và quang tử silic dựa trên công nghệ chế tạo CMOS có thể đƣợc chế tạo tại các kích thƣớc dƣới 100nm. Ngƣợc lại, bƣớc sóng ánh sáng đƣợc sử dụng trong các mạch quang tử có kích thƣớc cỡ 500nm đến 1000nm, chẳng hạn nhƣ các cửa sổ bƣớc sóng của các hệ thống viễn thông quang 1310nm, 1550nm hoặc trong thông tin ánh sáng khả kiến (VLC). Khi kích thƣớc của một thành phần quang gần với bƣớc sóng ánh sáng, sự truyền ánh sáng bị che khuất bởi hiện tƣợng nhiễu xạ sóng ánh sáng [13], do đó các cấu trúc quang gồm thấu kính, sợi quang, các mạch tích hợp quang bị giới hạn kích thƣớc tối thiểu.
Các mode plasmon bề mặt (SPs) cung cấp khả năng bắt giữ ánh sáng với kích thƣớc rất nhỏ và nó đƣợc dẫn trong cấu kiện có cấu trúc cỡ nano. Tƣơng tác cộng hƣởng giữa điện tử - dao động điện tích gần bề mặt của kim loại và trƣờng điện từ của ánh sáng tạo ra các plasmon bề mặt và kết quả thành các thuộc tính khá độc đáo. Các SP bị ràng buộc giữa bề mặt kim loại - điện môi, ở đó trƣờng điện từ bị suy giảm theo hàm mũ trong cả môi trƣờng xung quanh. Chiều dài suy giảm của các SP vào trong kim loại đƣợc xác định bởi độ sâu vỏ bề mặt (skin 3 depth).
Tính chất này của các SP cung cấp khả năng định xứ và dẫn ánh sáng trong các cấu trúc kim loại dƣới bƣớc sóng và nó có thể đƣợc sử dụng để tạo ra các mạch quang - điện tử thu nhỏ với các cấu kiện dƣới bƣớc sóng [14]. Những mạch quang - điện tử nhƣ ống dẫn sóng [15], các bộ chuyển mạch [16], các bộ điều chế [17], các bộ phối ghép [18] có thể truyền các tín hiệu quang tới các phần khác nhau của mạch. Những đặc tính đáng quan tâm này làm cho plasmonic có tiềm năng ứng dụng lớn trong các mạch tích hợp quang tử kích cỡ nano cũng nhƣ các thiết bị quang - điện tử. Qua nghiên cứu, tổng hợp các kết quả nghiên cứu về cấu kiện quang tử xử lý ghép/phân kênh bƣớc sóng dựa trên ống dẫn sóng sử dụng hiệu ứng plasmonic đã đƣợc chỉ ra ở trên vẫn còn một số vấn đề tồn tại cần khắc phục và cải thiện.
Đó là: các cấu trúc đã đề xuất chỉ đƣợc nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số với ống dẫn sóng kim loại - điện môi - kim loại trong không gian hai chiều (2D) trong khi thực tế các cấu trúc đó là không gian ba chiều (3D), một số cấu trúc sử dụng bộ cộng hƣởng vòng plasmonic lại chỉ hỗ trợ số ít các bƣớc sóng, kích thƣớc của cấu kiện còn tƣơng đối lớn. Bên cạnh đó, một số vấn đề của đề tài nghiên cứu xử lý tín hiệu tách ghép các bƣớc sóng sử dụng ống dẫn sóng plasmonic hoặc lai ghép plasmonic đã đƣợc nghiên cứu gần đây cũng không giải quyết triệt để các mặt còn hạn chế, nhƣ vấn đề về ghép nối giữa ống dẫn sóng silic và ống dẫn sóng plasmonic; vấn đề về chuyển đổi trạng thái phân cực và vấn đề về lọc trạng thái phân cực. Điều này là do chỉ mode từ ngang TM đƣợc bắt giữ hiệu quả gần với giao diện kim loại/điện môi trong khi mode TE không đƣợc dẫn trong cơ chế giả hạt plasmon bề mặt SPP. Do đó, đề xuất này đƣợc xây dựng các tiếp cận mới để cải thiện các mặt còn hạn chế nêu trên.
Mục ti u nghi n cứu Mục tiêu của luận án là: Thiết kế các cổng logic quang có chức năng ghép/tách tín hiệu quang lựa chọn bƣớc sóng và cấu kiện có khả năng quay phân cực mode sóng dựa trên ống dẫn sóng plasmonic kích thƣớc nano; Thiết kế cấu kiện ghép/tách kênh phân chia theo bƣớc sóng dựa trên ống dẫn sóng plasmonic có kích thƣớc nano mét với các bƣớc sóng trong cửa sổ bƣớc sóng viễn thông và trong thông tin 4 ánh sáng khả kiến. Các cấu kiện đề xuất có ƣu điểm về hiệu suất truyền cao, kích thƣớc nhỏ gọn, nhiễu xuyên kênh nhỏ, tầm truyền dài, cho phép dung sai chế tạo của bộ lọc bƣớc sóng phù hợp. Các cấu trúc đề xuất có khả năng ứng dụng cho hệ thống WDM. Nội dung nghiên cứu của luận án Nghiên cứu mạch quang tử đƣợc phối ghép hiệu quả giữa một ống dẫn sóng silic và ống dẫn sóng lai ghép plasmonic, bộ phân cực thông mode TM và chắn mode TE; nghiên cứu các cổng logic quang sử dụng để tách/ghép bƣớc sóng trong kỹ thuật WDM; nghiên cứu các cấu trúc mạch plasmonic lọc bƣớc sóng ở cửa sổ bƣớc sóng viễn thông và thông tin ánh sáng khả kiến.
Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu bộ quay phân cực dựa trên ống dẫn sóng plasmonic; các cổng logic quang XOR, OR, NOT và cổng Feynman quang; các bộ lọc bƣớc sóng ở của sổ bƣớc sóng viễn thông và thông tin ánh sáng khả kiến dựa trên ống dẫn sóng plasmonic có kích thƣớc nano đƣợc ứng dụng trong kỹ thuật WDM. Phƣơng pháp nghi n cứu Nghiên cứu các công trình khoa học có liên quan đến nội dung, đối tƣợng nghiên cứu của luận án đã đƣợc công bố trên các tạp chí khoa học có uy tín trong nƣớc và trên thế giới; sử dụng các công cụ phân tích và mô phỏng có độ chính xác cao, đƣợc cộng đồng khoa học trên thế giới sử dụng trong nghiên cứu và đã đƣợc thƣơng mại hóa nhƣ FDTD, EME, FEM. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Các đóng góp của luận án có tiềm năng ứng dụng trong các mạch tích hợp quang tử kích cỡ nano mét cũng nhƣ các thiết bị quang - điện tử. Bố cục của uận án Nội dung luận án đƣợc trình bày trong 3 chƣơng.
Các kiến thức cơ sở liên quan đến nội dung của luận án đƣợc trình bày trong Chƣơng 1. Các đóng góp khoa học của luận án đƣợc trình bày trong Chƣơng 2, Chƣơng 3. Cụ thể: 5 Chƣơng 1. Cơ sở lý thuyết về ống dẫn sóng plasmonic và công cụ thiết kế, mô phỏng ống dẫn sóng plasmonic.
Chƣơng này trình bày và tổng hợp một cách hệ thống, ngắn gọn về kỹ thuật WDM, plasmonic và ứng dụng của nó trong WDM. Các cấu trúc của ống dẫn sóng plasmonic và vấn đề truyền sóng trong ống dẫn sóng, các mô hình tính toán tham số của sóng truyền lan trong ống dẫn sóng. Các công cụ phân tích và mô phỏng ống dẫn sóng plasmonic đƣợc phân tích chi tiết. Ống dẫn sóng lai ghép plasmonic - silic có chức năng quay phân cực và các cổng logic toàn quang kích thƣớc nano mét.