Phân Tích Crosstalk Giữa Các Dải Sóng Quang Trong Mạch Tích Hợp Quang

Luận án tiến sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật điện crosstalk analysis between optical waveguides in photonic integrated circuits pics by, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực

Trường đại học

Chulalongkorn University

Chuyên ngành

Electrical Engineering

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

dissertation

2018

104
1
0

Phí lưu trữ

35 Point

Tóm tắt

I. Phân Tích Crosstalk Quang

Phân tích crosstalk quang giữa các dải sóng quang trong mạch tích hợp quang (PIC) là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực quang học tích hợp. Crosstalk xảy ra khi hai hoặc nhiều dải sóng quang gần nhau tương tác và gây ra sự trao đổi năng lượng không mong muốn giữa chúng. Sự tương tác này có thể dẫn đến giảm hiệu suất của mạch quang. Đặc biệt, trong các ứng dụng như truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao, sự hiện diện của crosstalk có thể làm giảm đáng kể chất lượng tín hiệu. Nghiên cứu này sử dụng lý thuyết chế độ kết hợp để phân tích hiện tượng này, nhằm tìm ra các phương pháp giảm thiểu crosstalk và cải thiện hiệu suất của mạch quang.

1.1. Lý Thuyết Chế Độ Kết Hợp

Lý thuyết chế độ kết hợp là một công cụ mạnh mẽ trong việc mô tả và phân tích crosstalk quang. Thuyết này cho phép theo dõi sự tương tác giữa các chế độ sóng trong các mạch tích hợp quang. Khi hai dải sóng quang gần nhau, các chế độ sóng có thể tương tác và gây ra sự trao đổi năng lượng giữa chúng. Việc áp dụng lý thuyết này giúp xác định các thông số như hệ số kết nốichiều dài kết nối, qua đó tối ưu hóa thiết kế mạch quang. Một nghiên cứu điển hình đã chỉ ra rằng, việc giảm khoảng cách giữa các dải sóng quang sẽ làm tăng cường độ của crosstalk, do đó việc tối ưu hóa khoảng cách và thiết kế là rất cần thiết để giảm thiểu hiện tượng này.

II. Thiết Kế Mạch Tích Hợp Quang

Thiết kế mạch tích hợp quang yêu cầu sự hiểu biết sâu sắc về crosstalk và cách thức hoạt động của các dải sóng quang. Trong bối cảnh công nghệ hiện đại, việc tích hợp các thành phần quang học vào một mạch duy nhất giúp giảm kích thước và tăng hiệu suất. Tuy nhiên, vấn đề crosstalk giữa các dải sóng quang vẫn là một thách thức lớn. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc áp dụng các phương pháp như Muller’s Method trong việc tính toán các thông số của dải sóng quang có thể cải thiện độ chính xác và giảm thiểu thời gian tính toán. Điều này không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế mà còn nâng cao hiệu suất tổng thể của mạch tích hợp quang.

2.1. Các Giải Pháp Giảm Thiểu Crosstalk

Để giảm thiểu crosstalk, nhiều giải pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Một trong những phương pháp hiệu quả nhất là tạo ra khoảng cách không khí giữa các dải sóng quang. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc sử dụng khoảng trống không khí giữa hai dải sóng quang có thể giảm thiểu crosstalk lên đến -40 dB. Phương pháp này không chỉ giúp giảm thiểu sự tương tác giữa các chế độ sóng mà còn cải thiện độ ổn định của tín hiệu trong mạch tích hợp quang. Hơn nữa, việc tối ưu hóa thiết kế dải sóng quang cũng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và giảm thiểu crosstalk.

III. Kết Quả và Thảo Luận

Kết quả của nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng lý thuyết chế độ kết hợp cùng với các phương pháp tính toán chính xác đã cho phép xác định rõ ràng các thông số liên quan đến crosstalk trong các dải sóng quang. Các thí nghiệm thực nghiệm đã xác nhận rằng, khi khoảng cách giữa các dải sóng quang giảm xuống, crosstalk sẽ gia tăng. Điều này cho thấy rằng việc thiết kế các mạch tích hợp quang cần phải cân nhắc kỹ lưỡng về khoảng cách và cấu trúc của các thành phần. Bằng cách áp dụng các giải pháp giảm thiểu crosstalk, hiệu suất của các mạch quang có thể được cải thiện đáng kể, mở ra hướng đi mới cho công nghệ quang học tích hợp.

3.1. Ứng Dụng Thực Tiễn

Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại ứng dụng thực tiễn quan trọng trong thiết kế mạch tích hợp quang. Các phương pháp và kỹ thuật được phát triển có thể được áp dụng trong các lĩnh vực như truyền dẫn dữ liệu quang, viễn thông và các thiết bị quang học tiên tiến. Việc giảm thiểu crosstalk sẽ giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và tăng cường hiệu suất của các hệ thống quang học, từ đó đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong ngành công nghiệp quang học hiện đại.

11/01/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Crosstalk Analysis between Optical Waveguides in Photonic Integrated Circuits PICs by Hybrid Coupled Mode Theory 157173044 CU iThesis 5671443021 dissertation / recv: 31072562 13:33:19 / seq: 8 Mr. Quan Trong Le Hoang A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Electrical Engineering Department of Electrical Engineering Faculty of Engineering Chulalongkorn University Academic Year 2018 Copyright of Chulalongkorn University การวิเคราะห์สัญญาณแทรกข้ามระหว่างท่อนาคลื่นแสงในวงจรรวมโฟโต้นิกส์ด้วยวิธีผสมของระเบียบ วิธีเชิงตัวเลขและทฤษฎีโมดควบกลา 157173044 CU iThesis 5671443021 dissertation / recv: 31072562 13:33:19 / seq: 8 นายกวาน ตรอง เล ฮวาง วิทยานิพนธ์นีเป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรปริญญาวิศวกรรมศาสตรดุษฎีบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ปีการศึกษา 2561 ลิขสิทธิ์ของจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย Thesis Title Crosstalk Analysis between Optical Waveguides in Photonic Integrated Circuits PICs by Hybrid Coupled Mode Theory By Mr. Quan Trong Le Hoang Field of Study Electrical Engineering Thesis Advisor Tuptim Angkaew 157173044 Accepted by the Faculty of Engineering, Chulalongkorn University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Doctor of Philosophy CU iThesis 5671443021 dissertation / recv: 31072562 13:33:19 / seq: 8 Dean of the Faculty of Engineering (Professor SUPOT TEACHAVORASINSKUN, D.) DISSERTATION COMMITTEE Chairman (Professor Prayoot Akkaraekthalin, Ph.) Thesis Advisor (Tuptim Angkaew) Examiner (Associate Professor Somchai Ratanathammaphan, Ph.) Examiner (Associate Professor Duang-rudee Worasucheep, Ph.) External Examiner (Associate Professor Athikom Roeksabutr, Ph.ที่ปรึกษาหลัก : ทับทิม อ่างแก้ว ในวิทยานิพนธ์เล่มนี ได้นาเทคนิคการคานวณเชิงตัวเลขมาอธิบายรูปแบบของแม่เหล็กไฟฟ้าใน รูปแบบท่อนาคลื่นของพลานาร์หลายชันและรวมกับทฤษฏีของคัปเปลอร์โหมดในการตรวจสอบครอส 157173044 ทอล์ค(crosstalk) ระหว่างท่อนาคลื่นทังสองที่ขนานกัน ซึ่งในวิทยานิพนธ์นีได้เสนอการวิธีการคานวณเชิง ตัวเลขที่แม่นยาในการกาหนดค่าคงที่การกระจายตัวในท่อนาคลื่นแบบพลานาร์ ที่ไม่มีการสูญเสียพลังงาน และมีการสูญ เสียพลังงาน โดยใช้ วิธีการของมุลเลอร์ (Muller) เพื่ อแก้สมการดิ สเพอร์ชัน และสมการ CU iThesis 5671443021 dissertation / recv: 31072562 13:33:19 / seq: 8 อนุพันธ์ของดิสเพอร์ชันในโครงสร้างของท่อนาคลื่น โดยข้อดีของวิธีการนีช่วยในการเพิ่มความแม่นยาและ ลดเวลาการคานวณของซี พี ยู ซึ่ งได้ ผ ลลัพ ธ์การจาลองทั งแบบโหมดคี่และโหมดคู่จากการคานวณค่ า สัมประสิทธิ์การคัปปลิงและค่าระยะการคัปปลิง ในการตรวจสอบการถ่ายเทพลังงานจากท่อนาคลื่นหนึ่ง ไปยังอีกท่อนาคลื่นหนึ่ง โดยได้ครอสทอล์คระหว่างท่อนาคลื่นที่ขนานกัน ในปัจจุบันอุปกรณ์ทางแสงและท่อนาคลื่นที่มี การใช้งานร่วมกันบนวงจรรวมซิลิกอนโฟโตนิคต้องการท่อนาคลื่นยาวแบบขนาน ดังนันครอสทอล์คหรื อการสูญเสียพลังงาน ที่เกิดขึนจากการคัปปลิงของคลื่นแสง โดยครอสทอล์คจะมีค่าเพิ่มขึนเมื่อระยะ ระหว่างท่อนาคลื่นลดลง ในงานวิจัยนีได้ตรวจสอบเกี่ยวกับครอสทอล์คและการลดปัญหาของครอสทอล์ค ในท่อนาคลื่นของพลานาร์หลายชัน สาขาวิชา วิศวกรรมไฟฟ้า ลายมือชื่อนิสิต. iv # # 5671443021 : MAJOR ELECTRICAL ENGINEERING KEYWORD: Transfer Matrix Method, Muller's Method, Coupled Mode Theory, ABSTRACT (ENGLISH) Coupling Length, Coupling Coefficient, Crosstalk Quan Trong Le Hoang : Crosstalk Analysis between Optical Waveguides in Photonic Integrated Circuits PICs by Hybrid Coupled Mode Theory.

Tuptim Angkaew 157173044 In this thesis, a numerical method has been introduced to describe electromagnetic mode in multilayer planar slab waveguides and combine with Couple Mode Theory to investigate the crosstalk between two parallel waveguides. On this CU iThesis 5671443021 dissertation / recv: 31072562 13:33:19 / seq: 8 dissertation, our purpose aims to build a useful and accurate numerical method in order to determine the propagation constants in planar lossless, lossy and active optical waveguides. By using this method contributes to Muller’s method, we can solve the dispersion equations and derivative of dispersion equations in a guided waveguide structure. The benefits of these methods are improved accuracy and reduced CPU time.

The results have been checked with several results published in the papers. Furthermore, after mode field has been found, we can obtain the even and odd mode to calculate the Coupling Coefficient and Coupling Length in order to monitor power exchanges from one waveguide to another waveguide. Finally, we can understand the crosstalk between two parallel waveguides. Nowadays, many devices and waveguides stay close together on silicon photonic integrated circuits and some applications require long parallel waveguides up to several millimeters for connecting devices.

Therefore, crosstalk, or loss, is created by the interaction of coupling light combined back and forth between parallel waveguides. The waveguides are closer and more interaction between parallel waveguides. Because of the following reasons, this research investigates about crosstalk and have solutions to reduce crosstalk in multilayer planar slab waveguides. Field of Study: Electrical Engineering Student's Signature.

Academic Year: 2018 Advisor's Signature. v ACKNOWLEDGE MENTS ACKNOWLEDGEMENTS This work has been done at Telecommunications System Research Laboratory, Department of Electrical Engineering, Chulalongkorn University. The financial support by the 100th Anniversary Chulalongkorn University for Doctoral Scholarship. I am very thankful to Kingdom of Thailand and Chulalongkorn University for giving me an opportunity to do my Ph.

and to achieve one of my life goals. 157173044 I would like to express my deep appreciation for the invaluable guidance, continuous support and adequate patience I have received from my supervisor, CU iThesis 5671443021 dissertation / recv: 31072562 13:33:19 / seq: 8 Assistant Professor Dr. The research and thesis could never be completed without her precious advice and encouragement. I am truly thankful to all the Professors in Electrical Engineering department, Chulalongkorn University for sharing the useful background knowledge for me to understand the difficult theories and concepts very easily.

Many thanks to all the friends I met in TSRL lab and a special thanks goes to Dr.Thien Le, Dr. Son Nguyen, Dr. Do Tien Sy Dr. Pham Quang Hoa for their encouragement and support all the way through my study.

Most importantly, I will not complete or even start my study without the support of my father and my mother. It is impossible for me to reach this step without your love, caring, sacrifice and understanding. I am grateful to my parents and my brother for their unconditional support. Quan Trong Le Hoang TABLE OF CONTENTS Page ABSTRACT (THAI) .v 157173044 TABLE OF CONTENTS .vi LIST OF TABLES.

viii CU iThesis 5671443021 dissertation / recv: 31072562 13:33:19 / seq: 8 LIST OF FIGURES. ix LIST OF ABBREVIATIONS AND NOTATIONS .2 Motivations for the research .4 Outline of the dissertation. 9 CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW .2 Integrated photonics circuits.3 Integrated photonics circuits technology .4 Basic integrated photonic components.5 Silicon photonic waveguides. 16 CHAPTER 3 RESEARCH METHODOLOGY.1 Planar slab waveguide .2 Propagation characteristics of guided waves along with a dielectric guide .3 Transfer Matrix Method .1 Three-layer guiding structure for TE mode:.2 Maxwell’s Equations and TE field solutions .3 Maxwell’s Equations and TM field solutions: .5 Coupled mode theory.

42 CU iThesis 5671443021 dissertation / recv: 31072562 13:33:19 / seq: 8 3.2 The parallel directional coupler .3 Crosstalk between two parallel waveguides: .4 Power flow between waveguides: .6 Methodology in this research. 58 CHAPTER 4 RESULTS AND DISCUSSIONS ON INVESTIGATION .3 Coupling between two parallel dielectric slab waveguides. 66 CHAPTER 5 CONCLUSION AND RECOMMENDATION. 92 LIST OF TABLES Page Table 3-1 Refractive index and thickness of three layers waveguide structure.

32 Table 4-1 Structure with a six-layer lossless dielectric waveguide. 60 Table 4-2 Propagation constants of the lossless waveguide structure. 61 157173044 Table 4-3 Structure of a six-layer lossy dielectric waveguide. 62 Table 4-4 Propagation constants of a six-layer lossy dielectric waveguide structure 63 CU iThesis 5671443021 dissertation / recv: 31072562 13:33:19 / seq: 8 Table 4-5 Structure of a five-layer dielectric waveguide with both gain and losses.

64 Table 4-6 Propagation constants for a five-layer dielectric waveguide. 64 Table 4-7 Data of even and odd modes. 74 Table 4-8 Mode Coupling Coefficient and Coupling Length. 75 Table 4-9 Coupling Length and Coupling Coefficient with distance d.

82 Table 4-10 Output power of 1st core and 2nd core and values of crosstalk. 85 LIST OF FIGURES Page Figure 1-1 The crosstalk mitigation waveguide model with an air gap. (Angkaew, Umezawa et al. 5 Figure 2-1 (a) planar waveguide, (b) channel waveguide, (c) optical waveguide.

11 157173044 Figure 2-2 Cross-section of basic SOI waveguide structures: (a) planar waveguide, (b) strip waveguide, (c) rib waveguide. 15 CU iThesis 5671443021 dissertation / recv: 31072562 13:33:19 / seq: 8 Figure 2-3 Optical waveguide measurement 1. 16 Figure 2-4 Lensed fibers. 17 Figure 2-5 Optical waveguide measurement 2.

17 Figure 2-6 Optical waveguide measurement 3. 18 Figure 2-7 Waveguides with different length, bend radius and various shapes. 19 Figure 3-1 Basic structure of three-layer optical waveguide. 20 Figure 3-2 Slab Optical waveguide.

20 Figure 3-3 The field along the y-direction and  = 0. 22 y Figure 3-4 Structure of three layers waveguide. 26 Figure 3-5 Example of the first cutoff and second cut off. 26 Figure 3-6 At a normalized value V=12.065 there are three values of b = 0.

28 Figure 3-7 Simple structure of three layers waveguide. 30 Figure 3-8 Using MATLAB to solve the dispersion equation to find propagation constant. 32 Figure 3-9 Mode field of the three-layer waveguide structure. 33 Figure 3-10 Structure of the multilayer planer optical waveguide.

34 x Figure 3-11 Structure of multilayer waveguide. 44 Figure 3-12 Transmit power from guide 1 to guide 2. 55 Figure 3-13 Power exchange in couplers. 56 Figure 3-14 Directional Coupler rectangular waveguides.

57 Figure 3-15 Coupling Coefficient and Coupling Length with Distance between two parallel waveguides. 58 157173044 Figure 3-16 Flow Chart of summarizing research methodology. 59 Figure 4-1 TE mode field and Power for individual layers of TE 1 and TE 2. 61 CU iThesis 5671443021 dissertation / recv: 31072562 13:33:19 / seq: 8 Figure 4-2 TE mode field and Power for individual layers of TE 3 and TE 4.

61 Figure 4-3 TE mode field and Power for individual layers of TE 1 and TE 2. 63 Figure 4-4 TE mode field and Power for individual layers of TE 3 and TE 4. 63 Figure 4-5 TE mode field TE1 TE2 TE3 TE4 TE5 TE6 for individual layers. 65 Figure 4-6 TE mode field and Power for individual layers of TE 7 , TE 8 and TE 9.

66 Figure 4-7 Structure of lossless waveguide. 67 Figure 4-8 TE modes of structure with gap width = 1 micron. 68 Figure 4-9 TE modes of structure with gap width = 1. 69 Figure 4-10 TE modes of structure with gap width = 2.

70 Figure 4-11 TE modes of structure with gap width = 2. 71 Figure 4-12 TE modes of structure with gap width = 3. 72 Figure 4-13 TE modes of structure with gap width = 4. 73 Figure 4-14 Ratio between Power in each core with total Power.

76 Figure 4-15 Coupling Length = 300um with distance 1 micrometer. 77 Figure 4-16 Coupling Length = 500um with distance 2 micrometer. 77 Figure 4-17 Coupling Length = 900um with distance 3 micrometer. 78 xi Figure 4-18 Coupling Length = 1600um with distance 4 micrometer.

78 Figure 4-19 Coupling Length = 2800um with distance 5 micrometer. 79 Figure 4-20 Coupling Length = 4650um with distance 6 micrometer. 79 Figure 4-21 Coupling Length = 7950um with distance 7 micrometer. 80 Figure 4-22 Coupling Length = 13500um with distance 8 micrometer.

80 157173044 Figure 4-23 Coupling Length = 22800um with distance 9 micrometer. 81 Figure 4-24 Coupling Length = 38000um with distance 10 micrometer. 81 CU iThesis 5671443021 dissertation / recv: 31072562 13:33:19 / seq: 8 Figure 4-25 Structure of lossless waveguide. 82 Figure 4-26 Field mode of the waveguide.

83 Figure 4-27 Coupling with distance 8um. 83 Figure 4-28 Coupling with distance 10um. 84 Figure 4-29 Coupling with distance 15um. 84 Figure 4-30 The relationship between crosstalk and distance.

85 LIST OF ABBREVIATIONS AND NOTATIONS TE Transverse Electric TM Transverse Magnetic FDTD Finite Difference Time Domain Method FEM Finite Element Method TMM Transfer Matrix Method 157173044 CIM Cauchy’s Integral Method 1D One - dimensional CU iThesis 5671443021 dissertation / recv: 31072562 13:33:19 / seq: 8 2D Two - dimensional 3D Three - dimensional E Electric Field vector H Magnetic Field vector D Electric displacement vector B Magnetic flux density vector J Electric current density vector P Electric polarization vector  Multi – dimensional spatial partial derivative operator “del”  Partial derivative operator with respect to time t  Polar incident angle  Azimuthal incident angle  Kronecker delta function/vector  Electric charge density  Electric permittivity o Electric permittivity of free space, 8.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Bài luận văn mang tiêu đề Phân Tích Crosstalk Giữa Các Dải Sóng Quang Trong Mạch Tích Hợp Quang của tác giả Quan Trong Le Hoang, dưới sự hướng dẫn của Tuptim Angkaew tại Trường Đại Học Chulalongkorn, năm 2018, tập trung vào việc phân tích hiện tượng crosstalk giữa các dải sóng quang trong mạch tích hợp quang bằng lý thuyết chế độ kết hợp hybrid. Bài viết không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các vấn đề kỹ thuật trong lĩnh vực kỹ thuật điện mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong ứng dụng công nghệ quang học. Độc giả sẽ thu được nhiều lợi ích từ việc hiểu biết về cách thức hoạt động và ảnh hưởng của crosstalk trong các mạch quang, từ đó có thể áp dụng vào các nghiên cứu và phát triển sản phẩm trong tương lai.

Nếu bạn quan tâm đến các chủ đề liên quan, hãy khám phá thêm về Chế Tạo Vật Liệu Nano Tổ Hợp TiO2-Ag Ứng Dụng Trong Xử Lý Môi Trường, nơi đề cập đến việc chế tạo vật liệu mới có thể ứng dụng trong các công nghệ quang học. Ngoài ra, bạn cũng có thể tìm hiểu về Luận văn thạc sĩ về thương lượng tập thể: Thực trạng và giải pháp hoàn thiện, giúp mở rộng hiểu biết về các phương pháp phân tích và giải quyết vấn đề trong lĩnh vực kỹ thuật và pháp luật. Cuối cùng, bài viết Thực trạng và giải pháp hoàn thiện cho hoạt động kinh doanh ví điện tử ở Việt Nam cũng có thể cung cấp những kiến thức bổ ích về ứng dụng công nghệ trong kinh doanh, liên quan đến các công nghệ quang học trong truyền thông và xử lý dữ liệu.