Tài liệu Nghiên cứu thiết kế và quy trình chế tạo chip chia công suất quang trên cơ sở vật liệu lai nanô asz

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Tất Thành NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ QUY TRÌNH CHẾ TẠO CHIP CHIA CÔNG SUẤT QUANG TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU LAI NANÔ ASZ LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội, 2006 4 MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang Lời cảm ơn i Lời cam đoan ........................................................................................... ii Mục lục..................................................................................................... iii Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt..................................................... v Danh mục các bảng ................................................................................. vi Danh mục các hình vẽ, đồ thị .................................................................. vii MỞ ĐẦU.................................................................................................. 1 Chương 1 VẬT LÍ, VẬT LIỆU VÀ QUY TRÌNH CHẾ TẠO DẪN SÓNG QUANG .........................................………………........... 4 1.1. Dẫn sóng quang tấng........................................................................ 4 1.1.1. Điều kiện giam giữ ánh sáng....................................................... 4 1.1.2. Điều kiện hình thành mode dẫn................................................... 6 1.2. Phương pháp lan truyền chùm tia BPM…....................................... 7 1.3. Vật liệu dẫn sóng quang …………..………………………............. 10 1.3.1. Vật liệu Sợi Silica (SiO2)............................................................ 13 1.3.2. Vật liệu Silica on Silicon (SOS).................................................. 13 1.3.3. Vật liệu Silicon on Insulator (SOI)............................................. 13 1.3.4. Vật liệu Silicon Oxynitride (SiON)............................................. 14 1.3.5. Vật liệu Indium Phosphide (InP)................................................. 14 1.3.6. Vật liệu Gallium Arsenide (GaAs).............................................. 14 1.3.7. Vật liệu Lithium Niobate (LiNbO3)............................................ 14 1.3.8. Vật liệu Polyme…………........................................................... 15 1.3.9. Vật liệu Sol-Gel........................................................................... 16 1.4. Quy trình chế tạo vi cấu trúc dẫn sóng (3D)..................................... 16 1.5. Kết luận............................................................................................. 17 Chương 2 TÍNH CHẤT VẬT LÍ CỦA VẬT LIỆU LAI ASZ......... 18 2.1. Thành phần vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ....................................... 18 2.2. Các tính chất vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ..................................... 19 2.2.1. Độ nhớt dung dịch vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ ..................... 19 2.2.2. Cấu trúc vi mô vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ............................ 20 2.2.3. Phổ hấp thụ vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ ................................ 20 2.3. Tính chất vật lí của dẫn sóng tầng ASZ............................................ 21 2.3.1. Chế tạo dẫn sóng tầng từ vật liệu ASZ....................................... 21 2.3.2. Đo chiều dày và độ gồ ghề của màng ASZ................................ 24 2.3.2.1.Thiết bị đo chiều dày màng và gồ ghề bề mặt................... 24 2.3.2.2. Đo chiều dày màng ASZ................................................... 24 5 2.3.2.3. Độ đồng đều chiều dày màng ASZ................................... 2.3.2.4. Độ ghồ ghề màng ASZ...................................................... 2.3.3. Đo tính chất quang màng vật liệu ASZ....................................... 2.3.3.1.Thiết bị đo Prism Coupler 2010......................................... 2.3.3.2. Đo chiết suất vật liệu ASZ................................................ 2.3.3.3. Đo tổn hao quang của dẫn sóng tầng ASZ……................ 2.3.3.4. Chiết suất vật liệu ASZ biến đổi theo nhiệt độ................. 2.3.3.5. Tính nhạy quang của vật liệu ASZ.................................... 25 26 26 26 28 31 33 35 2.4. Kết luận......................................................................................... 38 Chương 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CHIP CHIA CÔNG SUẤT QUANG.......................................................................……...... 39 3.1. Nguyên lí hoạt động linh kiện chia quang 1xN................................ 39 3.1.1. Dẫn sóng kênh thẳng................................................................... 39 3.1.2. Điều kiện chia công suất quang................................................... 40 3.1.2. Tổn hao trong dẫn sóng chia công suất quang 1x2 (PS1x2)....... 40 3.2. Thiết kế linh kiện chia quang 1x2 và chế tạo mặt nạ (Mask)........... 41 3.3. Chế tạo chip chia quang 1x2............................................................. 44 3.4. Đo các thông số chip chia quang 1x2................................................ 47 3.4.1. Hình thái bề mặt chip PS1x2...................................................... 47 3.4.2. Hiệu suất truyền dẫn ánh sáng.................................................... 48 3.4.3. Thảo luận kết quả........................................................................ 49 3.5. Kết luận............................................................................................. 50 KẾT LUẬN ………………...……………………………………................ 51 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ............................................ 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………........ 54 6 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt n1 n0  k β κ r  Chiết suất màng dẫn sóng Chiết suất lớp bao quanh màng dẫn sóng Bước sóng ánh sáng lan truyền trong dẫn sóng tầng   M H Số sóng ánh sáng bước sóng  (k=2/) Hằng số lan truyền ánh sáng theo phương ngang (oz) Hằng số lan truyền ánh sáng theo phương vuông góc (oy) Hệ số phản xạ ánh sáng tại biên giữa lớp dẫn sóng (giữa) và vỏ Độ lệch pha khi ánh sáng phản xạ tại biên giữa lớp dẫn sóng và vỏ Góc nghiêng của chùm tia lan truyền Góc đến chùm tia sáng từ lớp dẫn sóng đến lớp vỏ Chiết suất tỉ đối của lớp giữa và lớp vỏ Số mode của dẫn sóng tầng Bước tính số mô phỏng trường ánh sáng lan truyền trong dẫn sóng tầng  im Biên độ điện trường tại x  xi  ix và z  z m  mz BPM FFT FDM TBC ASZ n dn/dT MCF R W h Phương pháp lan truyền tia sáng (Beam Propagation Method) Phương pháp biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform) Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method) Điều kiện biên trong suốt (Transparent Boudary Condition) Viết tắt ba chữ cái đầu: Acrylic-Silica-Zirconia Gía trị thay đổi chiết suất Hệ số quang nhiệt Hệ số chuyển đổi mode (Mode Conversion Factor) Bán kính cong của dẫn sóng kênh Độ rộng kênh dẫn sóng Khoảng cách giữa hai kênh dẫn sóng song song  7 Danh mục các bảng Bảng 1.1 Các thuộc tính chính của các loại vật liệu quang........................... Bảng 1.2. Ứng dụng chính cho mỗi loại vật liệu quang.................... ............ Bảng 2.1. Chiết suất vật liệu lai hữu cơ-vô cơ cấu trúc nano ASZ............... Bảng 2.2. Hệ số tổn hao quang của dẫn sóng tầng ASZ............................... 11 12 28 32 Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1. Mô hình cấu trúc dẫn sóng tầng………………………………… Hình 1.2. Phân bố chiết suất của dẫn sóng tầng…………………............... Hình 1.3. Các tia sáng và các mặt pha trong dẫn sóng tầng……............... Hình 1.4. Qui trình chế tạo mạch quang tích hợp………………………… Hình 2.1. Độ nhớt vật liệu ASZ, ASZ(F) phụ thuộc vào thời gian lưu Hình 2.2. Ảnh của vật liệu loại chế tạo từ TEOS nguyên chất……………. Hình 2.3. Hạt nano zieconia trong vật liệu ASZ……………….………… Hình 2.4. Phổ hấp thụ của vật liệu ASZ và AFSZ ..……………………… Hình 2.5. Mô hình cấu trúc dẫn sóng tầng ASZ/SiO2……………………… Hình 2.6. Sơ đồ hệ thiết bị chế tạo dẫn sóng tầng ………………………… Hình 2.7. Hệ chế tạo dẫn sóng tầng Dip-Coating…………..……............... Hình 2.8. Lò nhiệt Venticell 111, MMM Germany............................ ........... Hình 2.9. Chế độ biến đổi nhiệt theo thời gian............................................. Hình 2.10. Các dẫn sóng tầng ASZ............................................................... Hình 2.11. Hệ đo Alpha-Step IQ – Surface Profiler ……………………… Hình 2.12. Định vị vị trí đo trên mỗi mẫu..................................................... Hình 2.13. Biểu diễn 8 đường đo cho 8 mẫu khác nhau................................ Hình 2.14. Chiều dày màng tại tốc độ kéo-nhúng V=1.5 mm/s.................... Hình 2.15. Độ gồ ghề 8 mấu tại các vị trí khác nhau trên mỗi mẫu............. Hình 2.16. Gồ ghề màng ASZF14/4/4........................................................... Hình 2.17. Hệ đo Prism Coupler 2010 (Metricon,US).................................. Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lí hệ đo Prism Coupler 2010................................. Hình 2.19. Chiết suất vật liệu ASZ tại bước sóng 632.8nm, phân cực TE Hình 2.20. Chiết suất vật liệu ASZ tại bước sóng 632.8nm, phân cực TM Hình 2.21. Chiết suất vật liệu ASZ tại bước sóng 1538 nm, phân cực TE… Hình 2.22. Chiết suất vật liệu ASZ tại bước sóng 1538 nm, phân cực TM Hình 2.23. Ánh sáng lan truyền trong dẫn sóng tầng ASZ............................ Hình 2.24. Cường độ ánh sáng lọt qua bề mặt dẫn sóng tầng ASZ dọc 5 5 6 17 20 20 20 21 21 22 22 22 23 23 24 25 25 25 26 26 27 27 30 30 30 31 31 8 theo phương truyền tại bước sóng 632.8 nm, phân cực TE.......................... Hình 2.25. Cường độ ánh sáng lọt qua bề mặt dẫn sóng tầng ASZ dọc theo phương truyền tại bước sóng 1538 nm, phân cực TE................................... Hình 2.26. Sơ đồ hệ đo Prism Coupler 2010 xác định hệ số quang nhiệt..... Hình 2.27. Sự thay đổi chiết suất theo nhiệt độ của màng ASZ................... Hình 2.28. Phổ MicroRaman của vật liệu ASZ pha DPA…...………… Hình 2.29. Phổ microraman của màng ASZ pha DPA (8%) …………… Hình 2.30. Phổ microraman của màng ASZ pha DPA (30%) ………….... Hình 2.31. Chiết suất màng ASZ phụ thuộc vào nồng độ chất khơi mào quang DPA và HCPK……………………………………………… Hình 2.32. Sự thay đổi độ dày màng chế tạo từ vật liệu ASZ vàDPA……… Hình 3.1. Mô hình chip chia công suất quang 1x2....................................... Hình 3.2. Ảnh thiết kế cấu trúc 2D linh kiện chia quang 1x2....................... Hình 3.3. Hình ảnh phân bố chiết suất của chip chia công suất 1x2........... Hình 3.4. Cường độ ánh sáng tại các đầu vào ra của chip......................... Hình 3.5. Trường ánh sáng 3D lan truyền trong chip chia công suất 1x2 Hình 3.6. Mặt nạ của chip chia công suất quang 1x2 trên file Autocad… Hình 3.7. Mặt nạ của chip chia công suất quang 1x2................................... Hình 3.8. Qui trình chế tạo chip chia công suất quang 1x2.............. ........... Hình 3.9. Sơ đồ hệ chiếu UV tạo cấu trúc dẫn sóng……………….. ……… Hình 3.10. Ảnh hệ chiếu UV tạo cấu trúc chip chia quang........................... Hình 3.11. Phổ quang của đèn Thuỷ ngân Xenon………………………… Hình 3.12. Chu trình xử lí nhiệt cho chip sau khi tạo cấu trúc…………… Hình 3.13. Mẫu chip chia công suất 1x2………………………….............. Hình 3.14. Cấu trúc chip phân chia công suất 1x2....................................... Hình 3.15. Tăng chiều dày kênh dẫn sóng.................................................... Hình 3.16. Sơ đồ nguyên lí đo thông số hoạt động của chip PS1x2.............. Hình 3.17. Hệ đo công suất ánh sáng đầu vào/ra........................................ Hình 3.18. Tín hiệu công suất ánh sáng đầu vào/ra của chip PS1x2……… 33 33 34 34 36 37 37 37 37 39 42 42 43 44 44 44 45 45 46 46 46 47 47 47 48 49 49 9 MỞ ĐẦU Hiện nay cáp quang đã trở thành một trong các vật liệu chủ chốt của công nghiệp thông tin hiện đại. Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế xã hội đã đặt ra nhu cầu cấp thiết phải xây dựng công nghệ truyền thông mới có đặc trưng truyền dẫn thông tin trên khoảng cách dài (hàng nghìn km hoặc xuyên lục địa), với băng thông rộng và tốc độ cao (hàng chục giga byte), đa năng, kết hợp qui mô lớn. Những thiết bị chủ chốt để tạo ra sự đột phá về tốc độ đường truyền cao là bộ ghép và gộp - tách kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing), bộ khuyếch đại hoàn toàn quang, bộ mạch quang tích hợp, bộ chuyển mạch hoàn toàn quang (xử lí tín hiệu theo nguyên tắc quang - quang thay cho nguyên tắc quang-điện) [26, 29, 34, 37, 50]. Linh kiện chia công suất quang 1xN (N = 2, 4, 8 16, 32,…) nằm trên tuyến đường truyền hoặc tại thiết bị đầu cuối có vai trò phân luồng công suất quang từ một kênh đường truyền sợi quang đến N kênh đường truyền quang khác. Cấu trúc chip chia công suất quang 1xN (power splitter) là một phần tử cấu thành nên trong các mạch quang tích hợp, trong bộ giao thoa kế Mach - Zehnder [16, 17, 30, 39]. Ngoài ra, linh kiện chia quang được sử dụng trong hệ thiết bị quang, hệ thiết bị sensor sợi [21,23]. Hiện nay linh kiện chia công suất quang 1xN được chế tạo chủ yếu sử dụng vật liệu Silica on Silicon đạt được chất lượng rất tốt và đã được thương mại hóa [2, 29, 44]. Tuy nhiên giá thành công nghệ chế tạo linh kiện quang từ vật liệu Silica on Silicon còn cao, đặc biệt trong một số vị trí trên hệ thống đường truyền thông tin quang như đầu cuối, các trạm sử dụng, thì yêu cầu về linh kiện chia công suất quang chất lượng cao không phải là yếu tố quan trọng mà là các linh kiện có giá thành thấp. Sự phát triển mở rộng mạng quang ngày càng lớn, đặc biệt trong hệ thống mạng quang được truyền dẫn đến từng hộ gia đình (FTTH) cần số lượng các linh kiện quang lớn và giá thành hạ. Hiện nay bên cạnh vật liệu sợi quang, vật liệu quang tử planar đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu. Vật liệu quang tử planar chế tạo được các cấu trúc dẫn sóng quang tích hợp làm cơ sở cho các hệ điều hành trong công nghệ thông tin tương lai. Trong lĩnh vực này, vật liệu vô cơ (như hợp kim bán dẫn, thủy tinh hay gốm), vật liệu hữu cơ cao phân tử và vật liệu lai hữu cơ-vô cơ đều đã và đang được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Phần lớn các nghiên cứu về vật liệu vô cơ tập trung vào hệ vật liệu bán dẫn trên cơ sở silic và A3B5. Sau một thời gian dài nghiên cứu, công nghệ chế tạo vật liệu dẫn sóng từ vật liệu oxit silic (SiO2) sử dụng oxit germani (GeO2) làm tác nhân điều chỉnh đã được xây dựng. Bằng công nghệ quang khắc đã chế tạo thành công một số loại linh kiện dẫn sóng làm cơ sở triển khai mạng thông tin thế hệ mới. Tuy nhiên, hướng nghiên cứu dựa trên vật liệu bán dẫn như vậy phải xuất phát từ nền 10 tảng khoa học công nghệ tiên tiến và đòi hỏi có sự đầu tư lớn về cơ sở vật chất. Trong những năm gần đây, xu hướng nghiên cứu về hệ vật liệu lai hữu cơ - vô cơ đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu cả trong và ngoài nước, do những ưu việt cả về công nghệ chế tạo vật liệu và linh kiện, cũng như khả năng tương thích với công nghệ vi điện tử sẵn có, đặc biệt là khả năng ứng dụng phát triển với đầu tư ban đầu thấp, gía thành sản phẩm hạ. Trong lĩnh vực vật liệu lai thì vật liệu lai hữu cơ và vô cơ được chế tạo bằng phương pháp solgel có ưu thế lớn và ngày càng được nhiều cơ sở nghiên cứu trên thế giới tập trung nghiên cứu. Phương pháp hoá học keo sol-gel được đánh giá là một trong những phương pháp quan trọng và đa năng trong việc tổng hợp các vật liệu mới có chất lượng cao, được sử dụng trong công nghệ điện tử, vi điện tử và gần đây là quang tử. Một điều rất đặc sắc của phương pháp này là có thể cho phép lắp ghép các phần vật liệu hữu cơ với các phần vật liệu vô cơ có tính chất hoá lý rất khác nhau ở mức độ trộn lẫn đến cỡ nanô mét thậm chí đến cả mức độ phân tử để thu được một vật liệu mới, vật liệu lai có độ đồng nhất cao và tính chất mong muốn. Một trong số các khả năng ứng dụng của vật liệu lai hữu cơ - vô cơ mà đang thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học là ứng dụng làm vật liệu dẫn sóng quang. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố cho thấy, những vật liệu cao phân tử lai hữu cơ-vô cơ không những có nhiều tính chất lý thú mà còn là những vật liệu có nhiều triển vọng cho việc chế tạo các linh kiện quang học như bộ nối quang, bộ nối định hướng, bộ dồn kênh/phân kênh cách tử dẫn sóng (AWG), bộ chuyển mạch, bộ lọc điều hướng, bộ làm suy yếu biến thiên (VOAs), bộ khuyếch đại. Những linh kiện dẫn sóng quang trên sẽ là các thành phần chủ chốt cho mạng truyền thông hiện đại dựa trên công nghệ gộp - tách sóng (WDM). Việc tìm kiếm các công nghệ mới, nhằm chế tạo ra những vật liệu với mong muốn giảm kích thước linh kiện, tăng mật độ, giảm giá thành. Chính các tiêu chí chiến lược nêu trên đã thúc đẩy các nghiên cứu tìm kiếm vật liệu mới và công nghệ chế tạo linh kiện mới cho hệ thống thông tin quang hiện nay. Trong vài năm gần đây, một số cơ sở nghiên cứu lớn và trường đại học trong nước đã bắt đầu tham gia vào hướng nghiên cứu nhiều triển vọng này. Chính vì vậy đề tài nghiên cứu được lựa chọn cho luận văn là: Nghiên cứu thiết kế và quy trình chế tạo chip chia công suất quang 1x2 từ vật liệu lai nanô ASZ. Mục tiêu nghiên cứu được đặt ra là thiết kế chip chia công suất quang 1xN (N = 2, 4, 8), nhằm tối ưu cấu trúc của chip theo hệ vật liệu lai nanô ASZ và chế tạo chip chia công suất quang 1x2 theo bản thiết kế và vật liệu lai nanô ASZ. Thiết kế chip 1xN bằng phần mềm chuyên dụng OptiWave7.0, và phương pháp chế tạo chip 1x2 là quang vi hình trực tiếp. Sử dụng các phương pháp nghiên cứu các tính chất quang tử của vật liệu và chíp dẫn sóng quang trên cơ sở các thiết bị 11 hiện đại mới được trang bị tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về ―Vật liệu và linh kiện điện tử‖. Nội dung của luận văn là một phần nhánh của đề tài nhà nước KC.02.14,và NCCB 801304 (2001-2005) thuộc chương trình nghiên cứu cơ bản (ngành Khoa học Vật liệu). Nội dung của luận văn được chia thành các chương như sau: Chương 1: Trình bày tổng quan về vật lí, vật liệu và quy trình chế tạo dẫn sóng quang phẳng. Chương 2: Nghiên cứu các tính chất vật lí của vật liệu dẫn sóng nano ASZ . Tiến hành đo các thông số chính vật liệu lai nano ASZ: chiết suất, hệ số tổn hao quang của vật liệu. Chương 3: Thiết kế chip chia công suất quang, triển khai thực nghiệm chế tạo chip chia công suất quang và tiến hành đo đạc các thông số của chip. 12 Chương 1 VẬT LÍ, VẬT LIỆU VÀ QUY TRÌNH CHẾ TẠO DẪN SÓNG QUANG PHẲNG Trong chương này, chúng tôi trình bày tổng quan về: 1) Dẫn sóng quang tầng và linh kiện chia quang 1xN, 2) Các phương pháp tính số dùng trong thiết kế, mô phỏng lan truyền ánh sáng trong linh kiện quang, 3) Các loại vật liệu dẫn sóng quang và kĩ thuật chế tạo dẫn sóng, 4) Vật lí các thông số của vật liệu dẫn sóng quang và linh kiện chia quang. Những kiến thức cơ bản này làm cơ sở lí luận liên quan trực tiếp đến nghiên cứu tính chất quang của vật liệu dẫn sóng quang ở chương 2 và nghiên cứu chế tạo chip chia công suất quang 1x2 ở chương 3. 1.1. Dẫn sóng quang tầng Dẫn sóng quang có chức năng điều khiển ánh sáng lan truyền, được phân loại theo nhiều cách khác nhau như chia theo chức năng năng, chia theo cấu trúc hình học, chia theo phương giam giữ ánh sáng. Tuy vậy, các dẫn sóng quang có đặc điểm chung nhất là: giam giữ ánh sáng và lan truyền theo phương một phương nhất định. Để mô tả hiện tượng vật lí ―giam giữ‖ và ―lan truyền‖ ánh sáng trong dẫn sóng quang ta chọn dẫn sóng cơ bản là dẫn sóng tầng. Hình 1.1 là cấu trúc dẫn sóng tầng, bao gồm một màng dẫn sóng (lõi) có chiết suất n1 và lớp vỏ chiết suất no bao quanh. Các hệ số vật lí cơ bản trong dẫn sóng quang tầng là: hằng số lan truyền và giam giữ ánh sáng, số mode dẫn, phân bố năng lượng, tổn hao quang, tốc độ nhóm. 1.1.1. Điều kiện giam giữ ánh sáng Trên hình 1.1 mô tả một chùm tia sáng bước sóng  từ một nguồn sáng (sợi quang, laser hoặc led) nằm trong các mặt phẳng khác nhau tạo với pháp tuyến của mặt lõi (trục Oz) các góc đến khác nhau. Có ba trường hợp xảy ra:  Với các tia sáng nằm trong mặt phẳng xOz và tạo với trục Oz một góc  thích hợp nhỏ hơn góc tới hạn max (góc được tính theo công thức 1.3.a) thì chúng lan truyền trong lõi.  Với các tia sáng không nằm trong mặt phẳng xOz và có góc tới  nhỏ hơn góc tới hạn max thì chúng sẽ khúc xạ tại mặt đầu vào của lõi và lan truyền trong màng dẫn sóng. Chùm tia khúc xạ này không được giam giữ theo phương Ox nên chúng truyền thẳng theo phương Oy hoặc bị khúc xạ đi vào vỏ.  Với các tia sáng có góc tới  lớn hơn góc tới hạn max thì chúng sẽ phản xạ hoàn toàn mặt đầu vào của lõi. 13 x y Vỏ n0  0 z Chùm tia sáng ra Lõi n1 Chùm tia sáng tới Đế n0 Hình 1.1. Mô hình cấu trúc dẫn sóng tầng Trong các dẫn sóng, chỉ quan tâm đến những chùm ánh sáng đồng thời phản xạ toàn phần tại mặt phân cách lõi - vỏ và giam giữ theo một phương nhất định, những chùm sáng như vậy thì có thể tạo ra mode dẫn sóng hay có thể trở thành sóng sáng mang thông tin. Sự phản xạ toàn phần tại mặt phân cách lõi - vỏ xảy ra khi các thông số thoả mãn biểu thức: (1.1) n1 sin( )  n0 Trong đó  góc tia sáng mặt biên hai môi trường,  = /2 - , với  là góc nghiêng của chùm tia so với trục Oz. Góc  liên hệ với  (góc tới tia sáng tại đầu vào lớp dẫn) theo biểu thức sin   n1 sin   n1 2  n0 2 . Góc tới hạn (max) tại đầu vào lớp dẫn để xảy ra phản xạ toàn phần tại mặt phân cách lõi - vỏ trong lõi dẫn:   sin 1 n12  n0 2   m· (1.2) Thông thường sự sai lệch về chiết suất giữa lõi và vỏ cỡ n1- n0 = 0.01, do vậy max trong biểu thức (1.2) có thể tính gần đúng bằng  max  n1 2  n0 2 (1.3) n12  n02  n1 (1.4) max max là góc nhận ánh sáng cực đại của dẫn sóng, max là góc nghiêng lớn nhất của phương truyền ánh sáng với trục lan truyền ánh sáng (Oz).  Lâi Vá Hình 1.2. Phân bố chiết suất của dẫn sóng tầng 14 Như vậy, điều kiện để chùm tia sáng giam giữ theo phương Ox và lan truyền theo phương Oz trong dẫn sóng tầng là tia sáng đến phải nằm trong mặt phẳng xOz và có góc đến nhỏ hơn góc nhận ánh sáng cực đại max. 1.1.2. Điều kiện hình thành mode dẫn Mode dẫn sóng là trường ánh sáng giữ nguyên tính phân cực và phân bố ngang tại mọi vị trí dọc theo trục dẫn sóng [12]. Mode dẫn sóng đóng vai trò là sóng mang thông tin trên đường sợi quang hoặc trong các linh kiện thụ động. Hình 1.3 mô tả các mode tạo thành trong dẫn sóng tầng. Trong đó, mặt pha của các sóng phẳng vuông góc với các tia sáng, bước sóng và số sóng của ánh sáng trong lõi tương ứng là /n1 và kn1 (k=2/),  là bước sóng ánh sáng trong chân không. Các hằng số truyền theo hướng z và x (hướng nằm ngang) cho bởi biểu thức (1.5), (1.6): (1.5)   kn1 cos   kn1 sin  (1.6) Mặt pha Tia sáng Hình 1.3. Các tia sáng và các mặt pha trong dẫn sóng tầng Hệ số phản xạ của ánh sáng phản xạ toàn phần phân cực vuông góc với mặt phẳng tới (mặt phẳng do tia tới và tia phản xạ tạo nên) cho bởi biểu thức [29]: r n1 sin   j n12 cos2   n02 (1.7) n1 sin   j n12 cos2   n02 Đặt hệ số phản xạ phức r  exp  j (với  là độ lệch pha khi ánh sáng phản xạ tại biên giữa lõi và vỏ), thay vào (1.7) tính  bởi phương trình sau : n1 cos 2   n0 2   2 tan n1  n 0 2 Trong đó   1 2n1 2 n1 sin  2  2  2 tan 1 2 1 sin 2  n1  n 0 là chiết suất tỉ đối giữa lõi và vỏ. n1 Khoảng cách giữa hai điểm P và Q: (1.8) 15 l1  ( 2a 1  2atg ) cos  2a(  2 sin  ) tg sin  (1.9) Khoảng cách giữa hai điểm R và S: l2  2a sin  (1.10) Tia sáng PQ truyền từ điểm P đến điểm Q không phản xạ, tia sáng RS truyền từ điểm R đến điểm S phản xạ 2 lần (ở mặt trên và mặt dưới của lớp tiếp giáp lõi - vỏ). Vì vậy các điểm P và R hay Q và S ở trên cùng một mặt pha, hiệu quang trình PQ và RS sẽ bằng số nguyên lần 2 hay kn1l2  2 - kn1l1  2m (1.11) trong đó m là số nguyên. Đưa các phương trình (1.8) - (1.10) vào (1.11) ta nhận được điều kiện cho góc truyền  là: m  2  tan kn1a sin   1  2  sin 2   (1.12) Phương trình (1.12) chứng tỏ rằng góc truyền của tia sáng là gián đoạn, được xác định bằng cấu trúc dẫn sóng (bán kính lõi a, chiết suất n1, hiệu chiết suất ) và bước sóng  của nguồn sáng (số sóng là k=2/). Ánh sáng lan truyền trong dẫn sóng và thỏa mãn phương trình (1.12) được gọi là mode dẫn sóng quang. Mode có góc  cực tiểu trong phương trình (1.12) (m=0) là mode cơ bản, các mode khác có góc lớn hơn là các mode bậc cao (m1). 1.2. Phương pháp lan truyền chùm tia BPM Phương pháp lan truyền chùm tia BPM (Beam Propagation Method) là kỹ thuật hữu hiệu để nghiên cứu truyền sóng sáng tuyến tính và phi tuyến trong các dẫn sóng thay đổi hướng trục, gồm các bộ ghép nối đường cong định hướng, các dẫn sóng nhánh và tổ hợp, các dẫn sóng uốn khúc dạng S và các dẫn sóng dạng côn [12,29]. Phương trình sóng vô hướng ba chiều (phương trình Helmholtz) là cơ sở của BPM, được viết dưới dạng 2E 2E 2E  2  2  k 2 n 2 x, y, z E  0 2 x y z (1.13) Điện trường E(x,y,z) được tách thành hai phần dưới dạng: Ex, y, z    x, y, z exp  jkn0 z  (1.14) 16 trong đó số hạng (x,y,z) và exp(-jkn0z) tương ứng là biến đổi chậm và biến đổi nhanh theo hướng trục. Thay (1.14) vào (1.13) thu được phương trình cho hàm (x,y,z):  2  j 2kn0 với    k 2 n 2  n02   0 z   (1.15) 2 2 2   2  2  2 x y z 2 (1.16)  2 2 Lấy gần đúng n  n0  2nn  n0  , phương trình (1.15) có thể viết lại như sau:  1   2  jk n 2  n02  z j 2kn0   (1.17) Trong (1.17) khi n = n0 thì chỉ còn số hạng thứ nhất ở vế bên phải. Suy ra số hạng thứ nhất vế bên phải của phương trình (1.17) biểu diễn sự truyền ánh sáng trong không gian tự do ở môi trường có chiết suất n0 và số hạng thứ hai mô tả ảnh hưởng của vùng có chiết suất n(x,y,z). Cả hai số hạng này tác động đồng thời lên sự truyền ánh sáng. Tuy nhiên, phương pháp BPM xem hai số hạng có thể tách rời nhau và mỗi số hạng tác dụng lên sự truyền ánh sáng một cách riêng rẽ trong một khoảng cách h hướng trục nhỏ. Qui trình cơ bản của phương pháp BPM là tìm mối liên hệ giữa (x,z+h) với trường ban đầu (x,z) trên một khoảng cách đường truyền nhỏ h. Sự truyền ánh sáng trong các loại dẫn sóng khác nhau có thể tính được bằng cách lặp lại qui trình này nhiều lần. Phương pháp BPM có hai dạng: dạng một dựa trên cơ sở biến đổi Fourier nhanh (FFT) và dạng hai dựa trên phương pháp sai phân hữu hạn (FDM). Trong luận văn này trình bày phương pháp BPM dựa trên biến đổi FDM[12,29]. Phương pháp tính FDM không liên quan đến định lý lấy mẫu nên nó có ưu thế hơn phương pháp tính FFT. Xét sự truyền sóng ánh sáng trong dẫn sóng tầng, giả sử  2   2kn0 2 z z khi đó phương trình 1.17 được viết lại:  1  2 k j   x, z   j n 2 x, z   n02  2 z 2kn0 x 2n0   (1.18) Giả sử (1.18) được viết lại dưới dạng:   2  Ax, z  2  Bx, z  z x (1.19) 17 Áp dụng phương pháp sai phân hữu FDM biến đổi hàm (x,z):  m1   im   i z z (1.20) Khi đó  2 1 m 12  im1  2 im   im1  im11  2 im1   im11  Ax, y  2  Ai    2 x x 2 x 2   Bx, z    1 m 12 m1 Bi  i   im 2  (1.21) (1.22) Trong đó x và z là các bước sóng tính theo các hướng x và z, ký hiệu i và m là các điểm lấy mẫu dọc trục x và z tương ứng, số điểm chia theo trục x và z tương ứng là N (i = 0,N) và M (m = 0,M). Khi đó số hạng  im biểu diễn biên độ điện trường tại x  xi  ix và z  z m  mz . So sánh các phương trình (1.18) và (1.19) thu được: Aj 1 2kn0 (1.23) B   x, y   j  1 2 n x, y   n02 2n 0  (1.24) Thay các phương trình (1.20) - (1.24) vào phương trình (1.18) nhận được phương trình sau:  im11  S imim1  im11  im1  qimim  im1  d im (1.25) trong đó: 4kn0 x   m 12  2 2 m 1 2 S  2  k x   ni  j 2kn0 x   i 2   n0   j  z   2 m i 2 2  2 2  m 1/ 2 2 q  2  k (x) n i m i  4kn0 x  2 n  j  j 2kn0 x   im1/ 2 (1.27) z 2 0 Khi biết sự phân bố điện trường ban đầu trường (1.26) 2  im0 (i = 0, N) thì tiết diện điện  im tại z  z m  mz (m = 1,M) được tính bằng phương trình (1.25). Phương trình (1.25) là cơ sở cho phương pháp tính số cho mô phỏng hoặc thiết kế trên máy tính cho linh kiện dẫn sóng. 18 1.3. Vật liệu dẫn sóng quang Hệ thống vật liệu chủ chốt sử dụng trong thiết bị viễn thông quang bao gồm silica fiber, silica on silicon, silicon on insulator, silicon oxynitride, sol-gel, màng mỏng điện môi, lithium niobate (LiNbO3), indium phosphide (InP), galium asenide (GaAs), magneto - optic và birefringent crystal. Bảng 1.1 tóm tắt các thuộc tính chính của các loại vật liệu tại bước sóng 1550 nm [20,12,25,27,38,53], bảng 1.2. tóm tắt ứng dụng mỗi loại vật liệu cho một số linh kiện quang [37]. 19 Bảng 1.1 Các thuộc tính chính của các loại vật liệu quang Propagation loss: hệ số tổn hao quang lan truyền trong dẫn sóng quang; Fiber Coupling loss: tổn hao quang khi ghép nối hai đầu dẫn sóng quang với sợi quang; Index Contrast: giá trị chênh lệch chiết suất giữa các lớp dẫn sóng; Birefringence: hệ số lưỡng chiết của vật liệu; dn/dT: hệ số quang nhiệt (độ tăng chiết suất của màng dẫn sóng khi nhiệt độ màng dẫn sóng tăng lên 1 độ); Maximum modulation frequency: tần số dao động lớn nhất của phân tử vật liệu đáp ứng tác động bên ngoài như nhiệt độ (T/O) hoặc điện trường (E/O); Passive/Active: linh kiện tích cực/linh kiện thụ động. 20 Bảng 1.2. Ứng dụng chính cho mỗi loại vật liệu quang 21 1.3.1. Vật liệu sợi Silica (SiO2) Công nghệ dựa trên vật liệu sợi quang silica là công nghệ dẫn sóng quang được ứng dụng nhiều nhất, vì công nghệ này thuận lợi cho việc ghép nối linh kiện (làm từ sợi silica) với sợi quang truyền dẫn [49,50,52]. Công nghệ quang sợi bao gồm sợi nóng chảy (fused fiber), sợi pha tạp (doped fiber), sợi tạo cấu trúc (patterned fiber), và sợi hoạt động (moving fiber). Sợi silica dùng chế tạo laser, bộ khuyếch đại, bộ điều khiển phân cực, bộ kết nối (coupler), bộ lọc (filter) bộ chuyển mạch (switch), bộ suy giảm (attenuator), bộ bù CD (CD compensator) và bộ bù phân cực PMD (PMD compensator). Công nghệ quang sợi không thuận lợi trong công nghệ chế tạo mạch tích hợp mật độ cao và kích thước nhỏ, hơn nữa sợi quang rất mỏng và nhạy cảm với các rung động cơ học. Do vậy linh kiện dựa trên sợi quang khó chế tạo, và như thế giá thành cao. 1.3.2. Vật liệu silica on silicon (SOS) Công nghệ dựa trên vật liệu silica on silicon được ứng dụng nhiều trong công nghệ phẳng (planar technology) [12,19,21,55]. Công nghệ này liên quan đến sự mọc lớp silica trên đế silicon bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hoá học CVD (Chemical Vapor Deposition-CVD) hoặc phương pháp lắng đọng thuỷ phân đốt cháy (Flame Hydrolysis Deposition – FHD). Lớp lõi (lớp dẫn ánh sáng) được tạo cấu trúc dẫn sóng và được đánh bóng bằng ăn mòn ion (RIE), nhưng còn xuất hiện độ gồ ghề bề mặt dẫn sóng, làm tăng tổn hao do tán xạ. Ngoài ra sự gồ ghề hai thành bên của kênh dẫn sóng làm xuất hiện sự phân cực. Năng lượng chuyển mạch cần thiết trong thiết bị chuyển mạch trên cơ sở silica cao, phạm vi điều chỉnh bước sóng thấp, sự phụ thuộc bước sóng trung tâm vào nhiệt độ của AWGs trên cơ sở silica là vấn đề chính cần được cải thiện của công nghệ này. Vì vậy công nghệ silica on silicon là phức tạp và giá thành cao. Hơn thế nữa, độ chênh lệch chiết suất cao nhất đạt được trong công nghệ này là 1.5% [53]. Silica on silicon được dùng để chế tạo laser, bộ khuyếch đại, bộ ghép (coupler), bộ lọc (filter), bộ chuyển mạch (switch), bộ suy giảm, bộ bù CD. 1.3.3. Vật liệu silicon on insulator (SOI) Công nghệ dựa trên vật liệu silicon on insulator được phát triển trong vài năm qua, có thể thay thế cho công nghệ silica on silicon [9,12]. Công nghệ này có thể chế tạo linh kiện nhanh hơn và hiệu suất cao hơn. Đế ban đầu là một tầng silicon có phủ lớp silica làm lớp đệm, tiếp theo lớp dẫn sóng là lớp silicon và lớp vỏ là silica. Độ chênh lệch chiết suất giữa lớp dẫn và lớp xung quang lớn của công nghệ này cho phép chế tạo cấu trúc dẫn sóng cong bán kính cong nhỏ. Tuy 22 nhiên, do chiết suất lớp dẫn (silicon) lớn (>3) so với lõi sợi quang (~1.48) nhiều nên dễ gây ra tổn hao do tan xạ tại vị trí ghép nối. 1.3.4. Vật liệu silicon oxynitride (SiON) Công nghệ SiON dựa trên vật liệu silicon oxynitride, liên quan đến công nghệ dẫn sóng phẳng, sử dụng SiO2 làm lớp vỏ, lớp lõi là hỗn hợp giữa SiO2 (chiết suất 1.45) và SiON (chiết suất 2) [24]. Ưu điểm chính của công nghệ này là điều chỉnh được độ tương phản chiết suất (có thể đạt đến 30%). Công nghệ này tạo màng bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD), phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học áp suất thấp (LPCVD), hoặc CVD hỗ trợ plasma (PECVD). 1.3.5. Vật liệu Indium phosphide (InP) Vật liệu InP – chiếm khoảng 25 % tổng vật liệu bán dẫn được dùng trong thiết bị dẫn sóng, vì khả năng tích hợp của chúng với các thiết bị hoạt động khác như laser và bộ tách quang hoạt động xung quanh bước sóng 1550nm [10,45]. Tuy nhiên, InP là vật liệu khó chế tạo và khó gia công, dễ vỡ, có hiệu suất thấp, giá thành đắt, có kích thước tiêu biểu từ 2 inch đến 4 inch. Vật liệu InxGa1-xAs1yPy có cùng hằng số mạng với InP và bức xạ bước sóng trong khoảng từ 1.0 µm đến 1.7 µm, có thể làm laser bán dẫn làm nguồn quang trong hệ viễn thông quang. 1.3.6. Vật liệu Gallium Arsenide (GaAs) Vật liệu GaAs thuộc loại vật liệu bán dẫn, có thể dùng chế tạo linh kiện tích cực hoặc thụ động, nhưng hạn chế chính giá thành cao [10,23,51]. Tuy vậy nó vẫn còn rẻ hơn InP và có thể sử dụng đế đến 6 inch hoặc 8 inch. Laser GaAs/GaxAl1-xAs phát vùng bước sóng 780-905 nm, và laser InP/InxGa1-xAs1-yPy phát vùng bước sóng 1.0-1.7µm. GaAs đáp ứng được tốc độ thông tin cao (lớn hơn 40 GHz) và biến điệu quang điện thế áp thấp (dưới 5 V). Nền GaAs dùng chế tạo laser, khuyếch đại, detector, modulator, bộ kết nối, chuyển mạch. 1.3.7. Vật liệu Lithium Niobate (LiNbO3) Vật liệu LiNbO3 có hệ số quang điện (r33 = 30.9 pm/V) và hệ số quang âm lớn, quá trình xử lí không phức tạp, ổn định với môi trường 11,22,26,39,44,47]. Vật liệu sử dụng để chế tạo biến điệu trong hệ thống thông tin tốc độ cao đến 10 GHz. Chế tạo dẫn sóng thường khuếch tán titanium và nickel vào LiNbO3. Trao đổi proton (sử dụng benzoic và axít khác) là kĩ thuật chế tạo dẫn sóng đã thu hút sự chú ý, vì nó cho phép tạo ra sự tương phản chiết suất lớn. Tuy nhiên, trong kĩ thuật trao đổi proton, sự ổn định dẫn sóng và giảm hiệu ứng điện - quang đang