.

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
Môn: Thông tin quang
Đề tài:
Bộ lọc sử dụng buồng vi cộng hưởng tinh thể quang tử
một chiều với đặc tính ghép mode chuyển tiếp, ứng dụng
trong ống dẫn sóng ridge
Hà Nội, 11-2017
Giáo viên hướng dẫn: TS. Hoàng Phương Chi
Sinh viên thực hiện: Hoàng Tuấn Linh 20132263
Nguyễn Thành Đạt 20130848

2. 2
Lời mở đầu
Trong những năm trở lại đây khái niệm cách mạng công nghiệp 4.0 được nhắc
đến nhiều hơn trong phương tiện thông tin truyền thông và dành được sự quan tâm
của giới khoa học. Những yếu tố cốt lõi của kỹ thuật số trong cách mạng công
nghiệp 4.0 sẽ là: Trí tuệ nhân tạo (AI), vạn vật kết nối – Internet of Things (IoT) và
dữ liệu lớn (Big Data), tất cả đều đòi hỏi một lượng lớn dữ liệu được truyền đi,
được xử lí mỗi ngày. Bên cạnh đó việc bùng nổ các thiết bị cá nhân như điện thoại
thông minh, máy tính bảng.. cũng như các nhà cung cấp nội dung trực tuyến
(Youtube, Facebook, Netflix) đòi hỏi các nhà khoa học , giới nghiên cứu phải sáng
tạo ra nhiều thiết bị, giải pháp đáp ứng nhu cầu trao đổi và chia sẻ dữ liệu ngày nay.
Các kỹ thuật truyền thông cũ không thể đáp ứng được nhu cầu hiện tại, do đó
thúc đẩy hệ thống thông tin quang đã ra đời, nó đảm bảo cho tốc độ truyền dữ liệu
nhanh hơn; giảm số lượng an-ten cần thiết; giảm nhỏ kích thước, khối lượng của
thiết bị; bên cạnh đó là rất nhiều tiêu chí kỹ thuật khác được nâng cao. Một công
nghệ rất quang trọng trong hệ thống thông tin quang đó là WDM (Wavelength
Devision Multiplexing) – đây là kỹ thuật cho phép nâng cao khả năng của đường
truyền mà không cần thiết phải sử dụng thêm sợi quang. Một trong những thành
phần then chốt được sử dụng trong WDM là bộ lọc quang – thiết bị có nhiệm vụ
tách các mode sóng với các dải tần khác nhau trên cùng một đường truyền. Bộ lọc
quang đã được triển khai và sử dụng trên thị trường tuy nhiên vẫn tiếp tục được các
nhà khoa học nghiên cứu để cải tiến nhiều thông số chất lượng. Trong khuôn khổ
bài tập lớn, nhóm em xin được khảo sát bài báo “One-dimensional periodic
photonic crystal microcavity filters with transition mode-matching features,
embedded in ridge waveguides” của A.S. Jugessur, P. Pottier và R.M. De La Rue.
Chúng em xin chân thành cảm ơn TS Hoàng Phương Chi đã nhiệt tình hướng
dẫn, cung cấp tài liệu nghiên cứu giúp nhóm em hoàn thành bài tập lớn cũng như
tiếp thu kiến thức trong quá trình học trên lớp.

3. 3
Mục lục
Lời mở đầu.................................................................................................................2
Mục lục.......................................................................................................................3
Bảng chú thích thuật ngữ .........................................................................................4
Danh mục hình ảnh...................................................................................................5
I, Kiến thức lý thuyết ................................................................................................6
1. Tổng quan về bộ lọc quang ............................................................................6
1.1 Khái niệm..................................................................................................6
1.2 Các yêu cầu với bộ lọc quang..................................................................6
1.3 Các thông số cơ bản của bộ lọc quang........................................................7
1.4 Cách tử Bragg...........................................................................................8
2. Tinh thể quang tử ...........................................................................................10
2.1 Tinh thể quang tử.......................................................................................10
2.2 Dải chặn BandGap .....................................................................................12
II. Thiết kế và mô phỏng bộ lọc .............................................................................14
III. Chế tạo và kết quả thực nghiệm......................................................................16
IV. Kết luận..............................................................................................................18
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................19

4. 4
Bảng chú thích thuật ngữ
PC/PhC Phontonic Crystal Tinh thể quang tử
PBG Phontonic Band Gap Dải chặn của cấu trúc tinh thể
quang tử
FDTD Finite-difference time-domain Phương pháp mô phỏng cấu
trúc quang
WDM Wavelength Division Mutiplexing Ghép kênh phân chia theo bước
sóng
BUF Bandwidth-Utilization Factor Tỉ số của độ rộng kênh truyền
LW Line Width Độ rộng kênh truyền
1-D filter One-Dimension Filter Bộ lọc có cấu trúc tinh thể
quang tử tuần hoàn một chiều
GVD Goup-Velocity Dispersion Tán sắc vận tốc nhóm
IL Insertion Loss Suy hao xen
Ripple Độ gợn sóng của hàm truyền
đạt của bộ lọc
Q-factor Hệ số phẩm chất của bộ lọc
quang
MicroCavity Buồng vi cộng hưởng
Transision mode-matching Ghép mode chuyển tiếp
Epitaxy Phương pháp chế tạo màng
mỏng

5. 5
Danh mục hình ảnh
Hình 1. Quản lý độ tán sắc trong đường dây quang....................................................6
Hình 2. Các thông số đặc trưng của bộ lọc .................................................................7
Hình 3. Ống dẫn sóng mô tả công dụng của tinh thể quang tử...................................9
Hình 4. Cấu trúc của tinh thể quang tử 1 chiều, 2 chiều, 3 chiều ...............................9
Hình 5. Độ rộng vùng band gap thay đổi theo độ chênh lệch hằng số điện môi. .....10
Hình 6. Mật độ năng lượng điện trường dải tần phí dưới band gap .........................11
Hình 7. Mật độ năng lượng điện trường dải tần phía trên vùng band gap................11
Hình 8. Sơ đồ schematic của bộ lọc tinh thể quang tử 1 chiều.................................13
Hình 9. Mô phỏng 2-D FDTD...................................................................................14
Hình 10. Ảnh chụp tinh thể quang tử sau khi được chế tạo......................................15

6. 6
I, Kiến thức lý thuyết
1. Tổng quan về bộ lọc quang
1.1 Khái niệm
Bộ lọc quang là thiết bị dẫn quang chọn lọc bước sóng, nghĩa là chỉ cho một
số bước sóng ánh sáng thuộc dải thông đi qua, các bước sóng khác bị chặn lại. Bộ
lọc quang được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền tải quang cự li dài
(Hình 1) và trong hệ thống ghép quang phân chia theo bước sóng (WDM – Wave
Length Division Mutiplexing). WDM sẽ trộn nhiều bước sóng với nhau để truyền
trong một sợi quang, mỗi bước sóng mang một luồng thông tin riêng, do đó ở phía
thu bộ lọc quang được sử dụng để phân biệt các bước sóng mong muốn.
Hình 1. Quản lý độ tán sắc trong đường dây quang truyền tải tầm xa sử dụng bộ lọc
quang sau mỗi bộ khuếch đại. Các bộ lọc quang bù tán sắc vận tốc nhóm (GVD -
goup-velocity dispersion) và giảm nhiễu gây ra bởi bộ khuếch đại. [1]
1.2 Các yêu cầu với bộ lọc quang
Một bộ lọc quang tốt cần phải đảm bảo các yêu cầu sau [2]:
- Bộ lọc tốt phải có giá trị suy hao xen IL thấp (tỉ số công suất ngõ ra so với
ngõ vào tại một bước sóng cụ thể).
- Bộ lọc phải không phụ thuộc nhiều vào trạng thái phân cực của tín hiệu đưa
vào.
- Dải thông hoạt động của bộ lọc phải không nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt
độ của môi trường. Khoảng nhiệt độ hoạt động (thường là khoảng 1000C, độ

7. 7
dịch dải thông hoạt động phải không vượt quá khoảng cách giữa hai kênh
bước sóng hoạt động gần nhất.
- Khi ứng dụng ghép nối tiếp nhiều bộ lọc trong hệ thống WDM, băng thông
hoạt động sẽ bị thu hẹp lại. Để hạn chế tối đa điều này, các bộ lọc phải có
hàm truyền đạt trong khoảng bước sóng hoạt động là bằng phẳng.
- Hàm truyền đạt của bộ lọc phải có độ dốc lớn để tránh giao nhau ở phần vạt
của hai bước sóng lân cận, gây xuyên nhiễu giữa các kênh.
- Giảm chi phí sản xuất. Ta có 2 cách để giảm chi phí. Thứ nhất là dung công
nghệ ống dẫn sóng, cho phép sản xuất trên những vi mạch tích hợp quang
(bù lại hoạt động phụ thuộc vào trạng thái phân cực của sóng quang). Thứ
hai là dùng công nghệ sản xuất các thiết bị thuần quang, tuy khó khăn trong
tích hợp mạch nhưng có nhiều ưu điểm là không phụ thuộc và trạng thái
phân cực của sóng quang, ghép sóng từ sợi quang vào thiết bị dễ dàng.
1.3 Các thông số cơ bản của bộ lọc quang
Hình 2 mô tả các thông số của bộ lọc, bao gồm:
- Bước sóng trung tâm
- Độ rộng băng thông (Pass Bandwidth): là độ rộng của hàm truyền đạt tại
mức suy hao xen cách đỉnh 3dB.
- Độ rộng băng chặn (Stop Bandwidth): là độ rộng của hàm truyền đạt tại mức
suy hao xen cách đỉnh 20 dB. Dải chặn của bộ lọc phải cảng nhỏ càng tốt để
tránh hiện tượng xuyên nhiễu giữa các kênh.
- Độ cách li (Isolation): để chỉ công suất của một kênh bước sóng xuyên nhiễu
sang các kênh bước sóng lân cận.
- Độ gợn sóng (Ripple): là độ chênh lệch đỉnh – đỉnh trong phạm vi một kênh
bước sóng.

8. 8
- Hệ số sử dụng băng thông (BUF – Bandwidth-Utilization Factor): tỉ số của
độ rộng kênh truyền (LW – Linewidth) của ánh sáng được truyền đi so với
ánh sáng phản xạ tại một mức suy hao xác định. Bộ lọc lý tưởng có 𝐵𝑈𝐹 = 1.
Trên thực tế, khi suy hao xen 𝐼𝐿 = −25𝑑𝐵 thì 𝐵𝑈𝐹 ≈ 0.4.
Hình 2. (a) Các thông số đặc trưng của bộ lọc. (b) Độ gợn sóng của bộ lọc. [2]
1.4 Cách tử Bragg
a) Cách tử
Cách tử dùng để mô tả các thiết bị mà hoạt động của nó dựa trên hiện tượng
giao thoa giữa các tín hiệu quang xuất phát từ cùng một nguồn nhưng có độ lệch
pha tương đối với nhau.
Sóng ánh sáng lan truyền theo hướng z với tần số góc ω và hằng số pha là β sẽ
có độ dịch pha là (𝜔𝑡 − 𝛽𝑧). Do đó độ dịch pha tương đối giữa hai sóng phát sinh từ
một nguồn có thể được tạo ra bằng cách cho chúng truyền qua hai đường khác nhau.
b) Cách tử Bragg
Cách tử Bragg được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin quang. Mọi sự
biến đổi tuần hoàn trong môi trường truyền sóng (thường là biến đổi tuần hoàn chiết
suất môi trường) đều có thể hình thành cách tử Bragg.

9. 9
Xét hai sóng truyền theo hai chiều ngược nhau với hệ số pha là 𝛽0, 𝛽1. Năng
lượng của tín hiệu này được ghép sang tín hiệu kia nếu chúng thỏa mãn điều kiện về
pha:
|𝛽0 − 𝛽1| =
2𝜋
𝛬
với 𝛬 là chu kỳ cách tử.
Trong cách tử Bragg, năng lượng của sóng truyền theo hướng đến được ghép
vào sóng phản xạ tương ứng truyền theo hướng ngược lại. Xét sóng có hệ số pha 𝛽0
truyền theo chiều từ trái sang phải, năng lượng của sóng này sẽ được ghép vào sóng
phản xạ của nó (theo chiều từ phải sang trái, có cùng bước sóng với sóng tới) nếu
thỏa mãn điều kiện về pha:
|𝛽0 − (−𝛽0)| = 2𝛽0 =
2𝜋
𝛬
Gọi 𝛽0 = 2𝜋 𝑛 𝑒𝑓𝑓 𝜆0⁄ , 𝜆0 là bước sóng ánh sáng tới và 𝑛 𝑒𝑓𝑓 là chiết suất hiệu dụng của
sợi quang hoặc ống dẫn sóng (vật liệu làm cách tử Bragg). Khi đó điều kiện phản xạ
được viết lại là:
𝜆0 = 2𝑛 𝑒𝑓𝑓 𝛬
Công thức trên gọi là điều kiện Bragg. Trong đó 𝜆0 là sóng Bragg.
Hình 3 mô tả cơ chế hoạt động của phản xạ Bragg, trong đó các sóng phản xạ
sẽ cộng pha với nhau nếu bước sóng tuân theo điều kiện Bragg đã trình bày ở trên.

10. 10
Hình 3. (a) Các tử Bragg trong sợi quang chiết suất đồng nhất. (b) Cách tử Bragg
trong sợi quang chiết suất giảm dần. (c) Phổ công suất phản xạ của cách tử đồng
nhất. (d) Phổ công suất phản xạ của các tử giảm dần. [2]
Trong Hình 3.c và Hình 3.d: cách tử giảm dần sẽ giảm được công suất của
sóng phản xạ lân cận, nhưng đổi lại phải chịu băng thông hoạt động tăng lên. Theo
đồ thị: càng xa bước sóng Bragg, phổ của sóng phản xạ càng giảm. Có nghĩa là khi
hoạt động với các kênh bước sóng cách nhau một khoảng nhất định, chỉ có bước
sóng Bragg là phản xạ trở lại khi truyền qua cách tử Bragg, các bước sóng khác sẽ
truyền đi xuyên qua. ∆ là độ rộng dải thông, tỷ lệ nghịch với chiều dài cách tử. ∆𝜆 là
độ lệch bước sóng so với bước sóng đồng pha.
Ứng dụng của cách tử Bragg: là thành phần cơ bản trong công nghệ chế tạo
bộ lọc, bộ ghép xen/rớt quang, dùng để bù suy hao tán sắc. [6]
2. Tinh thể quang tử
2.1 Tinh thể quang tử
Tinh thể quang tử là một cấu trúc được tạo ra nhờ sự sắp xếp lặp lại xen kẽ của
các lớp điện môi, những vật liệu siêu dẫn hay là cấu trúc nano. Trong thực tế các
mẫu tinh thể quang tử được tạo ra bằng cách lặp đi lặp lại các lỗ/cột điện môi nhằm

11. 11
đảm bảo được sự lặp lại xen kẽ về hằng số điện môi của các vật liệu trong cấu trúc
đó. Cấu trúc lặp lại này ảnh hưởng tới việc truyền sóng điện từ giống với sự lặp điện
thế trong tinh thể bán dẫn ảnh hưởng đến quá trình truyền của hạt electron bằng
cách định nghĩa vùng năng lượng cấm hay vùng năng lượng cho phép. Các hạt
photon được truyền qua cấu trúc tinh thể hay không tùy thuộc vào bước sóng của
chính nó.
Hình 4. Ống dẫn sóng mô tả công dụng của tinh thể quang tử. Tần số của sóng là
11.05 Ghz, cột điện môi được nhúng trong không khí với hằng số điện môi là
11.056, mỗi cột điện môi có kích thước 3.5 x 3.5 mm
Cấu trúc tuần hoàn của tinh thể quang tử có thể xảy ra ở một chiều (1-D), 2 chiều
(2-D) hay cả ba chiều (3 – D) như hình vẽ minh họa.
Hình 5. Cấu trúc của tinh thể quang tử 1 chiều (a), 2 chiều (b), 3 chiều (c)

12. 12
2.2 Dải chặn BandGap
Để hiểu rõ hơn khái niệm band gap, chúng ta sẽ phân thích cấu trúc tinh thể
quang tử một chiều của hai loại vật liệu có hằng số điện môi khác nhau (xanh lá cây
và xanh dương) với chu kỳ lặp lại là a.
Hình 6. Độ rộng vùng band gap thay đổi theo độ chênh lệch hằng số điện môi. [3]
Trong 3 trường hợp được thể hiện trên hình mỗi lớp vật liệu có độ dài 0.5a, k
là vector truyền sóng theo trục z, n là số dải tần. (a): các lớp có cùng hằng số điện
môi là 13, (b): các lơp có hằng số điện môi 13 và 12 được xếp xen kẽ, (c): hằng số
điện môi lần lượt 13 và 1.
Trong biểu đồ ở (b) và (c) có một dài tần mà không xuất hiện vector sóng, dải
tần này được gọi là band gap (vùng cấm). Cụ thể hơn, vùng cấp tinh thể quang tử
(PGB) là dải tần không cho phép một mode nào trong tinh thể quang tử có tần số
nằm trong dải đó. Biểu đồ (a) thể hiện độ chênh lệch hằng số điện môi tăng lên sẽ
dẫn đến sự nở rộng của vùng band gap. Để có thể hiểu được lý do vật lý xuất hiện
vùng band gap thì có thể giải thích dựa trên biểu đồ (b) như sau. Như chúng ta đã
biết những sóng có tần số thấp sẽ tập trung năng lượng ở những vùng có hằng số
điện môi cao và những sóng có tần số cao sẽ tập trung năng lượng ở vùng có hằng
số điện môi thấp. Do vậy những sóng có tần số ở dưới vùng cấm ( tần số thấp ) sẽ
phân bổ năng lượng ở vùng có hằng số điện môi cao như hình … và sóng có tần số
cao sẽ tập trung năng lượng ở vùng có hằng số điện môi là 12 như hình vẽ….

13. 13
Hình 7. Mật độ năng lượng điện trường dải tần phí dưới band gap. [3]
Hình 8. Mật độ năng lượng điện trường dải tần phía trên vùng band gap. [3]
Dải tần trên và dưới vùng cấm có thể được phân biệt bằng vùng năng lượng
mà mode đấy tập trung: trong vùng có hằng số điện môi cao hoặc thấp. Thông
thường đối với những cấu trúc tinh thể quang tử phức tạp hơn như 2-D hay 3-D thì
vùng có hằng số điện môi thấp chính là không khí, do đó dải tần nằm trên vùng cấm
được xem như là dải tần không khí và dải tần dưới vùng cấm được xem như dải tần
điện môi. Tính chất hoàn toàn tương tự như vùng cấm điện tử trong vật liệu bán
dẫn, là vùng nằm giữa vùng dẫn và vùng hóa trị.
Đối với cấu trúc tinh thể bán dẫn có độ chênh lệch hằng số điện môi lớn hơn
như đồ thị bên phải trong hình…. Thì sẽ có 1 dải tần vùng cấm rộng hơn so với dải
tần còn lại.
Như vậy chúng ta có thể kết luận được rằng: Band Gap là dải tần mà photon
thuộc dải tần đấy không thể truyền qua được tinh thể quang tử, Band Gap luôn xuất
hiện trong cấu trúc tinh thể quang tử có sự chênh lệch về hằng số điện môi giữa các
lớp (
𝜀1
𝜀2
≠ 1), sự chênh lệch càng lớn, độ rộng vùng band gap càng được nở rộng.

14. 14
II. Thiết kế và mô phỏng bộ lọc
Bộ lọc được lồng vào ống dẫn sóng ridge (ridge waveguide). Khi ghép nối tiếp
một ống dẫn sóng thông thường với phần tử là tinh thể quang tử sẽ xảy ra hiện
tượng ghép không đối xứng (mismatch) ở bề mặt chuyển tiếp, dẫn đến sự phản xạ
ánh sáng và do đó làm giảm khả năng truyền dẫn đối với vùng phổ hữu ích. Cơ chế
ghép mode chuyển tiếp có thể làm giảm đáng kể vấn đề này bằng cách kết hợp thêm
vào cấu trúc các lỗ (hole) tinh thể quang tử có kích thước theo nhiều mức.
Phương pháp FDTD (finite difference time domain) được sử dụng để mô
phỏng thiết kế mới. Đường kính và khoảng cách tuần hoàn giữa các hố tinh thể
quang tử (PhC hole) đượng chọn là 𝑑 = 134𝑛𝑚 và 𝑎 = 215𝑛𝑚 như trên Hình 9 để
đảm bảo khoảng bước sóng vùng bandgap, phân cực TE, trong khoảng từ 680 đến
1150 nm với ống dẫn sóng epitaxy AlGaAs/GaAs. Đầu tiên, vùng cộng hưởng
(cavity) được tạo ra bằng cách loại bỏ 2 lỗ (hole), để lại 3 lỗ ở mỗi bên có tác dụng
như gương phản xạ (như Hình 9-a). Hai bước sóng cộng hưởng xuất hiện trong
vùng bandgap (801nm và 965nm như Hình 9-a). Sau đó, 2 lỗ có tác dụng như thành
phần giúp chuyển tiếp mode được thêm vào mỗi bên ở bên ngoài vùng cộng hưởng.
Kích thước tối ưu của các lỗ này để có thông lượng ánh sáng truyền qua cao ở bước
sóng 801nm được tìm ra với đường kính là 90nm (đối với cả 2 lỗ). Hình 10-a thể
hiện kết quả mô phỏng khi có và không có chuyển tiếp mode. Bước sóng cộng
hưởng (tại 801nm) vẫn giữ nguyên vì chiểu dài vùng cộng hưởng không thay đổi.
Thông lượng ánh sáng truyền qua được cải thiện 47% (từ 66% lên 97%) trong khi
hệ số phẩm chất (Q-factor) giảm từ 250 xuống còn 180.

15. 15
Hình 9. Sơ đồ schematic của bộ lọc tinh thể quang tử 1 chiều (1-D PhC filter): (a)
không ghép mode chuyển tiếp, (b) ghép mode chuyển tiếp với các hốc (hole) bên
ngoài vùng cộng hưởng (cavity), (c) ghép mode chuyển tiếp với các hốc bên trong
vùng cộng hưởng. [4]
Một kỹ thuật ghép mode chuyển tiếp tương tự cũng được thực hiện bên trong
vùng cộng hưởng của bộ lọc tinh thể quang tử tuần hoàn một chiều. (Hình 9-c).
Trong trường hợp này, chiều dài vùng trống được thay đổi thành 485nm. Ở đây có 2
mode cộng hưởng bên trong dải chặn (Stop Band) (tại bước sóng 765nm và 961
nm) như trên Hình 9-b. Kích thước tốt nhất cho hai lỗ nhỏ trong vùng cộng hưởng
là với đường kính 40nm sau khi đã tối ưu với bước sóng cộng hưởng 961nm. Các lỗ
nhỏ thêm vào làm nhiệm vụ mode-matching được minh họa như trên Hình 9-c.
Thông lượng ánh sáng truyền qua được cải thiện 15% (từ 80% lên 92%) với hệ số
phẩm chất (Q-factor) tăng lên từ 190 lên 260. Các lỗ được thêm vào bên trong nên
làm giảm chiều dài vùng cộng hưởng, dẫn tới bước sóng cộng hưởng bị dịch xuống
giá trị thấp hơn (như trên Hình 10-b). Sự mất mát tín hiệu quang vẫn còn tồn tại
xuất phát từ sự mất mát ở phần biên trong vùng cộng hưởng và từ sự ghép bất đối
xứng (mismatch) tại mặt ghép ống dẫn sóng-tinh thể quang tử bên ngoài vùng cộng
hưởng. Có thể giảm sự mất mát tín hiệu do ghép bất đối xứng bằng cách thêm các lỗ
bên ngoài vùng cộng hưởng như đã trình bày ở phần trước.

16. 16
Hình 10. Mô phỏng 2-D FDTD biểu diễn phổ bước sóng của bộ lọc tinh thể quang
tử 1-D: (a) ghép mode chuyển tiếp bên ngoài vùng cộng hưởng, (b) ghép mode
chuyển tiếp bên trong vùng cộng hưởng. [4]
III. Chế tạo và kết quả thực nghiệm
Theo thiết kế ở phần trên, bộ lọc nhúng vào ống dẫn sóng ridge được chế tạo
trên kết cấu epitaxial AlGaAs/GaAs. Phương pháp là ăn mòn sâu, chiều rộng 2.5
um, ống dẫn sóng ridge được ăn mòn dần còn 260 nm. Cấu trúc epitaxial bao gồm 3

17. 17
lớp. Lớp phủ trên có độ dày 150 nm, được làm từ Al0.6Ga0.4As, Lớp phủ dưới dày
1.8 um, được làm từ Al0.6Ga0.4As. Ở giữa là lõi lớp dẫn làm từ Al0.19Ga0.81As
dày 320 nm. Mẫu được khắc trực tiếp trên lớp vật liệu phủ (resist) kép polymethyl
methacrylate với dòng khắc electron 50kV và được chuyển sang lớp mặt nạ dày
200nm nhờ ăn mòn ion. Cuối cùng vào vật liệu AlGaAs ( sử dụng SiCl4 ở tốc độ
dòng 15sccm, áp suất 5.5 mTorr và năng lượng rf ở mức 250 W trong vòng 17
phút). Vật liệu sau khi chết tạo ( hình 3a.3b) được đặc trưng bởi enfire coupling
technique sử dụng tunable Ti sapphire laser.
Hình 11. Ảnh chụp từ trên(a) và cạnh(b) của tinh thể quang tử sau khi được chế tạo
và kết quả hàm truyền đạt (c) trong 2 trường hợp có (nét đứt) và không có(nét liền)
mode-matching bên ngoài hốc[4]
Kết quả hàm truyền đạt của thiết bị với bước sóng trong vùng stopband được
so sánh với ống dẫn sóng không có mode-matching hole. Đỉnh của hàm truyền đạt
tương ứng với giá trị bước sóng là 810 và 814 nm cao hơn so với kết quả mô phỏng.
So sánh 2 trường hợp ống dẫn sóng có mode matching ở ngoài và trường hợp không
có mode matching ta có được một số kết quả sau:
- Throughput tăng lên gần gấp 2 lần ( từ 43% → 92%)

18. 18
- Hệ số phẩm chất Q tăng từ 320 lên 460
- Bước sóng cộng hưởng có giá trị cao hơn, nguyên nhân có thể là các vấn đề
gặp phải trong việc chế tạo như lỗ nhỏ hơn 5% so với thiết kế, độ rộng ống
dẫn sóng ridge lớn hơn 5% cùng với đó là một phần chiều dọc bị giảm bớt (
kết quả xác định từ kính hiển vi.
Sự chênh lệch về cường độ ánh sáng trong thực nghiệm và lí thuyết có thể dẫn
đến các vấn đề phát sinh khác và out of plane losses trong cấu trúc chế tạo.
Hệ số phẩm chất trong thực nghiệm trong trường hợp có sử dụng mode
matching lớn hơn so với tính toán (180) vì 2 nguyên nhân. Thứ nhất là do sự ăn
mòn nông (shallower etch) của những lỗ nhỏ hơn là những thông số không được sử
dụng trong khi tính toán theo mô hình FDTD. Thứ hai, chiều rộng của ridge không
được tính toán để tối ưu cho hệ số phẩm chất Q và một phần nào đó, măt cắt ngang
của thiết bị thực tế có thể hoạt động tốt hơn.trong đồ thi không chỉ có đỉnh cộng
hưởng cao mà còn có một đỉnh thấp hơn thuộc về hiệu ứng Fabry Perot tương ứng
với nhiều hốc yếu gây ra bởi sự phản xả từng phần trên nhiều đường truyền bên
trong thiết bị.
Rất khó để có thể xác định được vùng phổ của hiêu ứng Fabry Perot tại vì sự
chồng lên nhau của nhiều hốc. Ngoài ra đặc tính truyền đạt cũng được thể hiện
trong vùng stop band trong trường hợp có mode- matching trong khoảng bước sóng
810-821 nm. Phương pháp mô phỏng 2-D FDTD chỉ ra rằng lượng ánh sáng ứng
với một bước song trong khoàng nhất định (830-845) gần đỉnh của hàm truyền sẽ
tăng khi độ rộng ridge được tăng ( từ 270 -300 nm). Kích thước chiều rộng khi chế
tạo của ống dẫn sóng được ước lượng là 280 nm. Việc kết nối các mode subtrate sẽ
góp phần tăng hiệu suất đáng kể vì độ dày lớp phủ dưới là hữu hạn
IV. Kết luận
Trong báo cáo đã thể hiện được việc truyền ánh sáng qua bộ lọc tinh thể quang
tử một chiều có thể được nâng cao nhờ việc áp dụng các mức kích thước nhỏ hơn
cho các lỗ trong ông dẫn sóng tinh thể quang tử. Thiết bị có thể được đưa ra để giải
quyết các bài toán thực tế yêu cầu các bộ phận nhỏ gọn cho các mạch quang tích
hợp.

19. 19
Tài liệu tham khảo
[1] Govind P. Agrawal, Fiber- Optic Communications Systems (Third Edition),
John Wiley & Sons, Inc., 2002.
[2] Đỗ Việt Em, Kỹ thuật thông tin quang – tập 2, Trung tâm Đào tạo Bưu chính
VIễn thông, 2007.
[3] Book: Phontonic Crystal Molding the Flow of Light – Second edition, John D.
Joannopoulos, Steven G. Johnson, Joshua N. Winn, Robert D. Meade.
[4] A.S. Jugessu r, P. Po ttier and R.M. De La Rue, One-dimensional periodic
photonic crystal microca vity filters with transition mode-m atching features,
embedded in ridge waveguides, Feb 2003.
[5] Fiber Optical Filter, WikiPedia, 2012. Xem tại
https://en.wikipedia.org/wiki/Fiber_optic_filter, truy nhập cuối cùng 11/11/2017.
[6] Fundamentals of Fiber Bragg Grating (FBG) Optical Sensing [Online],
National Instruments, 2016. Xem tại http://www.ni.com/white-paper/11821/en/,
truy nhập cuối cùng ngày 12/11/2017.
[7] Palamaru M., Lalanne Ph., Photonic crystal waveguides: outof-plane losses and
adiabatic modal conversion, Appl. Phys. Lett., 2001, 78, pp. 1466–1468
[8] Lalanne Ph., Talneau A., Modal conversion with artificial materials for
photonic-crystal waveguides, Opt. Express, 2002, 10, pp. 354–359
[9] Reflactive Index Database [Online], BATOP optoelectronics. Xem tại
http://www.batop.com/information/n_AlGaAs.html, truy cập cuối cùng 12/11/2017.
[9] Y. Yi, L. Dal Negro, K. Chen, M. Lipson, S. Akiyama, X. Duan and L. C.
Kimerling, Photonic Crystal and Microcavity Devices [Online], EMAT@MIT.
Xem tại http://photonics.mit.edu/Photonic_Crystals.html, truy cập cuối cùng ngày
12/11/2017.