Thiết kế bộ ghép/phân kênh phân chia theo mode sử dụng cấu trúc chữ Y bất đối xứng ứng dụng trong hệ thống MDM

úc ống dẫn sóng hình dạng 
chữ Y thì được ứng dụng khá rộng rãi trong các ứng dụng. Cụ thể chúng được sử 
dụng làm bộ chia công suất băng thông rộng [9], bộ ghép kênh bước sóng [10] hoặc bộ 
chia công suất biến đổi [11]. Chúng đôi khi được sử dụng làm bộ tách phân cực, bộ sắp 
xếp mode và bộ ghép kênh phân chia mode không gian (MDM) của sợi quang [12]–
[18]. Các mối nối Y không đối xứng cũng được đề xuất cho việc ghép kênh không gian 
của sợi quang duy trì phân cực để truyền dữ liệu dung lượng cực cao [19]. 
 Tận dụng ưu điểm băng thông rộng của cấu trúc ống dẫn sóng chữ Y, chúng tôi 
đề xuất một bộ ghép kênh phân chia mode với khả năng ghép 5 luồng tín hiệu mode 
cơ bản TE0 và chuyển đổi thành 1 luồng tín hiệu với 5 mode trực giao từ TE0 đến TE4. 
Quá trình tối ưu hóa v| mô phỏng hoạt động được thực hiện bằng phương ph{p tính 
toán số truyền chùm tia 3D (BPM -3D) v| phương ph{p chỉ số hiệu dụng (EIM). Qua 
quá trình mô phỏng và khảo sát, bộ ghép kênh phân chia mode này đạt được kết quả 
với hiệu suất ở các cổng đầu ra lên đến 98% trong một dải băng rộng từ 1.05 µm đến 
1.6 µm, đồng thời nhiễu xuyên kênh luôn thấp hơn -10 dB trong toàn bộ băng được xét. 
 86 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số 1 (2019) 
2. THIẾT KẾ THIẾT BỊ 
2.1. Tổng quan thiết bị 
 Cấu trúc của bộ ghép/phân kênh phân chia 5 mode được ghép từ 4 tầng của 
cấu Y – Junction bất đối xứng. Các tầng thứ ( = 1,2,3,4) được hình thành bằng cách 
ghép thêm một ống dẫn sóng truy cập đầu vào hẹp để kích thích các mode bậc cao 
trong ống dẫn sóng trung tâm. Liên kết giữa các tầng là các ống dẫn sóng hình búp 
măng, mục đích của việc thêm các ống dẫn sóng búp măng n|y để tăng cường hiệu 
suất ghép quang giữa các tầng. Để thiết kế bộ ghép/phân kênh phân chia mode thì các 
ống dẫn sóng truy cập đủ nhỏ để đảm bảo rằng các mode khi truyền trên đường đi qua 
thiết bị không bị ảnh hưởng bởi các ống dẫn sóng khác. Mỗi ống dẫn sóng truy cập chỉ 
hỗ trợ mode cơ bản (mode TE0) và ống dẫn sóng trung tâm có kích thước lớn có thể hỗ 
trợ đa mode. Khi ph{t mode cơ bản vào một trong những ống dẫn sóng truy cập, tín 
hiệu sẽ lan truyền giao thoa tới ống dẫn sóng trung tâm làm xuất hiện các mode bậc 
cao hơn. 
 Bộ ghép/phân kênh phân chia mode với cấu trúc ống dẫn sóng dạng kênh được 
hiển thị như hình 1, với độ cao thiết bị là h = 0.22 µm. Vật liệu của lớp vỏ và lớp phủ là 
SiO2 có chiết suất là 1.44. Trong khi đó, vật liệu của lớp lõi được làm bằng Si với chiết 
suất là 3.47. 
 Hình 1. (a) Sơ đồ của bộ ghép/phân kênh phân chia theo mode, (b) Mặt cắt ngang của thiết bị. 
 87 
Thiết kế bộ ghép/phân kênh phân chia theo mode sử dụng cấu trúc chữ Y bất đối xứng  
2.2. Mô tả và phân tích cấu trúc thiết bị 
 Hình 2. Khảo s{t độ rộng ống dẫn sóng theo chiết suất hiệu dụng. 
 Hình 2 mô tả sự hỗ trợ các mode theo độ rộng ống dẫn sóng của thiết bị, ống 
dẫn sóng đầu vào với độ rộng được lựa chọn là 0.2 µm để hỗ trợ mode cơ bản TE0 và 
độ rộng ống dẫn sóng bằng 1.6 µm sẽ hỗ trợ tối đa được 5 mode TE0, TE1, TE2, TE3 và 
TE4. 
 Đối với tầng 1, để tránh sự xuất hiện của các mode bậc cao không mong muốn 
trong ống dẫn sóng, chúng tôi tiến hành khảo s{t độ rộng của ống dẫn sóng truy cập 
đầu vào bao gồm một ống dẫn sóng rộng ở trung tâm với độ rộng là W1 và một ống 
dẫn sóng uốn cong hẹp với độ rộng là W2. Độ rộng n|y được chọn thích hợp sao cho 
chỉ hỗ trợ mode cơ bản (mode TE0). Để tạo ra các mode mong muốn thì hiện tượng 
ghép ánh sáng giữa các ống dẫn sóng sẽ được thực hiện. Độ rộng đầu ra là W1 + W2, 
nó chính là tổng độ rộng của hai ống dẫn sóng truy cập đầu vào và chỉ hỗ trợ tối đa hai 
mode TE0 và TE1. Dựa vào sự khảo sát chiết suất hiệu dụng của thiết bị, chúng tôi 
chọn chiều rộng của ống dẫn sóng trung tâm là W1 = 0.35 µm sao cho khi phát mode 
TE0 v|o đầu vào này, tại đầu ra thì cũng thu được mode TE0. Tương tự, độ rộng của 
ống dẫn sóng truy cập của đầu vào 2 là W2 = 0.2 µm, tức là khi phát mode TE0 vào ống 
dẫn sóng hẹp thì một phần năng lượng của mode TE0 này sẽ ghép qua ống dẫn sóng 
trung tâm và tạo ra mode TE1 (hình 3). Đ}y l| hiện tượng ghép ánh sáng của các ống 
dẫn sóng khi chúng được đặt cạnh nhau tại một khoảng cách thích hợp. Dựa vào hiện 
tượng này, chúng tôi sẽ tiến hành ghép tầng để tạo ra các mode bậc cao hơn. 
 88 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số 1 (2019) 
 (a) (b) 
Hình 3. Sự hình thành mode TE0 (a) và TE1 (b) khi phát các mode TE0 ở đầu vào 1 v| 2, tương ứng. 
 Cũng như tầng 1, tầng 2 cũng có hai ống dẫn sóng đầu vào với một ống dẫn 
 sóng rộng đặt ở vị trí trung tâm có độ rộng là W4 và một ống dẫn sóng uốn cong hẹp 
 có độ rộng là W2. Độ rộng đầu ra của tầng n|y l| W2 + W4, nó cũng chính l| tổng độ 
 rộng của hai ống dẫn sóng đầu vào hỗ trợ tối đa ba mode TE0, TE1, TE2. Dựa vào hình 
 2, chiều rộng W4 được chọn là 0.7 µm để dẫn hai mode TE0 và TE1 của tầng 1 (hình 4). 
 Độ rộng của ống dẫn sóng hẹp của tầng 2 cũng được chọn là W2 = 0.2 µm sao cho khi 
 ph{t mode TE0 v|o đầu vào này, một phần năng lượng của mode TE0 sẽ ghép với ống 
 dẫn sóng rộng trung tâm và kích thích tạo ra mode TE2. 
 Hình 4. Sự hình thành mode TE2 khi phát mode TE0 ở đầu vào 3 tương ứng. 
 Tương tự với hai tầng ở trên, tầng 3 được hình thành bởi một ống dẫn sóng 
 rộng có độ rộng là W5 nằm chính giữa trung tâm và một ống dẫn sóng hẹp uốn cong 
 có độ rộng W2. Tổng độ rộng của hai ống dẫn sóng này hỗ trợ tối đa bốn mode TE0, 
 TE1, TE2 và TE3. Chúng tôi chọn độ rộng W5 = 1.1 µm đảm bảo dẫn đồng thời ba 
 mode TE0, TE1 và TE2 của tầng 2. Khi phát mode TE0 vào ống dẫn sóng hẹp uốn cong 
 có độ rộng W2 = 0.2 µm này, thì một phần năng lượng của mode TE0 sẽ ghép nối lại 
 với ống dẫn sóng trung tâm và phát triển tạo ra mode TE3 (hình 5). 
 Hình 5. Sự hình thành mode TE3 khi phát mode TE0 ở đầu vào 3 tương ứng. 
 89 
Thiết kế bộ ghép/phân kênh phân chia theo mode sử dụng cấu trúc chữ Y bất đối xứng  
 Tầng 4 là tầng cuối cùng của thiết bị, gồm một ống dẫn sóng uốn cong hẹp với 
độ rộng là W3 và một ống dẫn sóng rộng đặt tại vị trí trung tâm với độ rộng là W6. 
Tổng độ rộng đầu ra W6 + W3 của tầng 4 chỉ hỗ trợ tối đa năm mode l| TE0, TE1, TE2, 
TE3 và TE4. Theo khảo sát, chúng tôi chọn độ rộng ống dẫn sóng W6 = 1.45 µm để có 
thể dẫn bốn mode TE0, TE1, TE2 và TE3 của tầng 3 cùng một lúc. Độ rộng của ống dẫn 
sóng truy cập đầu vào W3 = 0.15 µm sao cho khi phát mode TE0 vào ống dẫn sóng uốn 
cong hẹp này, một phần năng lượng của mode TE0 này ghép qua ống dẫn sóng trung 
tâm tạo ra mode TE4 (hình 6). 
 Hình 6. Sự hình thành mode TE4 khi phát mode TE0 ở đầu vào 3 tương ứng. 
3. MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 
 Phương ph{p mô phỏng truyền chùm tia BPM – 3D v| phương ph{p EIM được 
sử dụng để đ{nh gi{ công suất chuyển đổi quang của thiết bị ghép/phân kênh phân 
chia mode. Chúng tôi thực hiện khảo sát các mode TE0 khi chúng được truyền vào bộ 
ghép kênh và giải ghép kênh tại đầu ra. 
 Hình 7. Phân bố trường của thiết bị khi phát mode TE0 ở đầu vào và nhận được mode TE0 ở 
 đầu ra. 
 Để đ{nh gi{ hiệu năng của thiết bị chúng tôi sử dụng hai thông số Suy hao chèn 
(IL) và Nhiễu xuyên kênh (CT), nó được định nghĩa như sau: 
 90 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số 1 (2019) 
 ( ) (1) 
 (2) 
 ( ) 
 Hình 8. Suy hao chèn và nhiễu xuyên kênh như một hàm của bước sóng. 
 Trong đó Pvào là công suất phát ở ngõ vào, Pra mong muốn là công suất đo được tại 
ngõ ra mong muốn nhận tín hiệu và Pra không mong muốn là công suất ảnh hưởng lên các ngõ 
ra không mong muốn. Hình 8 thể hiện sự suy hao chèn và nhiễu xuyên kênh của bộ 
ghép kênh mode khi phát lần lượt các mode TE0 vào các ống dẫn sóng đầu vào tương 
ứng. Trong toàn bộ dải tần số 550 nm (từ 1.05 µm đến 1.6 µm) suy hao chèn luôn nhỏ 
hơn 0.1 dB và nhiễu xuyên kênh luôn nhỏ hơn -10 dB, đặc biệt tại hai bước sóng 1.15 
µm và 1.55 µm thì suy hao chèn và nhiễu xuyên kênh của cả 5 mode có hiệu suất 
chuyển đổi quang và nhiễu lên các kênh là nhỏ nhất. Tuy nhiên, tại bước sóng 1.65 µm 
thì suy hao đạt giá trị lớn nhất, suy hao chèn gần bằng -3.8 dB và nhiễu xuyên kênh 
quá lớn, thậm chí có với ngõ ra 4 thì giá trị còn đạt giá trị dương, điều n|y có nghĩa l| 
tín hiệu nhận được ở cổng không mong muốn còn cao hơn công suất ở công mong 
muốn nhận. 
4. KẾT LUẬN 
 Trong bài báo này, chúng tôi đã thiết kế v| đề xuất một bộ ghép/phân kênh 
phân chia mode với tổn thất suy hao chèn thấp v| băng thông hoạt động lên đến 550 
 91 
Thiết kế bộ ghép/phân kênh phân chia theo mode sử dụng cấu trúc chữ Y bất đối xứng  
nm, đồng thời nhiễu xuyên kênh cho bộ ghép/phân kênh phân chia mode nằm trong 
khoảng -10 dB đến -38 dB trong dải tần được xét ở trên. Chúng tôi cũng mô tả quá 
trình chuyển đổi c{c mode cơ bản đầu vào thành các mode bậc cao ở đầu ra của bộ 
ghép kênh 5 mode từ TE0 đến TE4. Với các kết quả đạt được về băng thông, suy hao 
chèn, nhiễu xuyên kênh, kích thước nhỏ gọn, chúng tôi hy vọng thiết bị sẽ là một ứng 
cử viên đầy hứa hẹn cho hệ thống WDM – MDM tốc độ cao cũng như c{c mạch tích 
hợp quang tử trên chip. 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. N. S. Bergano and C. R. Davidson (1996), “Wavelength Division Multiplexing in Long-
 Haul Transmission Systems,” J. Light. Technol., vol. 14, no. 6, pp. 1299–1308. 
[2]. R. Ryf et al. (2012), “Mode-division multiplexing over 96 km of few-mode fiber using 
 coherent 6×6 MIMO processing,” J. Light. Technol., vol. 30, no. 4, pp. 521–531. 
[3]. S. Randel et al. (2011), “6×56-Gb/s mode-division multiplexed transmission over 33-km 
 few-mode fiber enabled by 6×6 MIMO equalization,” Opt. Express, vol. 19, no. 17, pp. 
 16697–16707. 
[4]. M. Salsi et al. (2012), “Mode-division multiplexing of 2 × 100 Gb/s channels using an LCOS-
 based spatial modulator,” J. Light. Technol., vol. 30, no. 4, pp. 618–623. 
[5]. N. Bai et al. (2012), “Mode-Division Multiplexed Transmission with Inline Few-Mode Fiber 
 Amplifier,” Opt. Express, vol. 20, no. 3, pp. 2668. 
[6]. T. Uematsu, Y. Ishizaka, Y. Kawaguchi, and K. Saitoh (2012), “Design of a Compact Two-
 Mode Multi / Demultiplexer Consisting of Multimode Interference Waveguides and a 
 Wavelength-Insensitive Phase Shifter for Mode-Division Multiplexing Transmission,” J. 
 Light. Technol., vol. 30, no. 15, pp. 2421–2426. 
[7]. J. B. Driscoll, R. R. Grote, B. Souhan, J. I. Dadap, M. Lu, and R. M. Osgood (2013), 
 “Asymmetric Y junctions in silicon waveguides for on-chip mode-division multiplexing,” 
 Opt. Lett., vol. 38, no. 11, pp. 1854. 
[8]. D. Dai (2012), “Silicon mode-( de )multiplexer for a hybrid multiplexing system to achieve 
 ultrahigh capacity photonic networks-on-chip with a single-wavelength-carrier light,” ACP 
 Tech. Dig., pp. 7–9. 
[9]. H. Qiu et al. (2013), “Silicon mode multi / demultiplexer based on multimode grating-
 assisted couplers,” Opt. Express, vol. 21, no. 15, pp. 6–8. 
[10]. M. Izutsu, Y. Nakai, and T. Sueta (1982), “Operation mechanism of the single-mode optical-
 waveguide Y junction,” Opt. Lett., vol. 7, no. 3, pp. 136–138. 
[11]. J. . L. and A. Ankiewicz (2003), “Purely geometrical coarse wavelength multiplexer/ 
 demultiplexer,” Electron. Lett., vol. 39, no. 19, pp. 898–899. 
[12]. K. Shirafuji and S. Kurazono (1991), “Transmission Characteristics of Optical Asymmetric 
 Y Junction with a Gap Region,” J. Light. Technol., vol. 9, no. 4, pp. 40–40. 
 92 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số 1 (2019) 
[13]. N. Riesen and J. D. Love (2012), “Design of mode-sorting asymmetric Y-junctions,” Appl. 
 Opt., vol. 51, no. 15, pp. 2778. 
[14]. T. Diffusion (1991), “A Polarization Splitter on L i m o 3 Using Only Titanium Diffusion,” J. 
 Light. Technol., vol. 9, no. 7, pp. 879–886. 
[15]. W. Chen, P. Wang, and J. Yang (2013), “Mode multi/demultiplexer based on cascaded 
 asymmetric Y-junctions,” Opt. Express, vol. 21, no. 21, pp. 25113. 
[16]. W. M. Henry and J. D. Love (1997), “Asymmetric multimode Y-junction splitters,” Opt. 
 Quantum Electron., vol. 29, no. 3, pp. 379–392. 
[17]. J. M. Castro, D. F. Geraghty, B. R. West, and S. Honkanen (2004), “Fabrication and 
 comprehensive modeling of ion-exchanged Bragg optical add – drop multiplexers,” Appl. 
 Opt., vol. 43, no. 33. 
[18]. J. M. Castro, D. F. Geraghty, S. Honkanen, C. M. Greiner, D. Iazikov, and T. W. Mossberg 
 (2006), “Optical add – drop multiplexers based on the antisymmetric waveguide Bragg 
 grating,” Appl. Opt., vol. 45, no. 6. 
[19]. N. Riesen, J. D. Love, and J. W. Arkwright (2012), “Few-mode elliptical-core fiber data 
 transmission,” IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 24, no. 5, pp. 344–346. 
 FIVE-MODE MULTIPLEXER AND DEMULTIPLEXER UTILIZING ASYMMETRIC 
 Y - JUNCTION COUPLERS IN MDM SYSTEMS 
 Dao Duy Tu, Nguyen Chanh Tin, Ho Duc Tam Linh* 
 Faculty of Electronics and Telecommunications, University of Sciences, Hue University 
 *Email: hdtlinh@hueuni.edu.vn 
 ABSTRACT 
 We propose an optical chip based on silicon material that is capable of 
 multiplexing/demultiplexing five mode by cascading asymmetric Y - Junction 
 couplers. The input signal is the fundamental modes of transverse electric (TE) 
 polarization which is multiplexed and converted into higher order modes from 
 TE0 to TE4 at the output ports. The device is designed, optimized and based on 3-
 dimensional beam propagation method (BPM - 3D) combined with effective 
 indexing method (EIM). The device successfully performs five-mode multiplexing 
 on a wide band between 1.05µm and 1.6µm with insertion loss always less than 
 0.1dB and crosstalk below -10dB. With the above outstanding features, we hope the 
 device will be widely used in high-speed mode division multiplexing (MDM) 
 systems as well as in photonic integrated circuits on the chip. 
 Keywords: BPM, EIM, Mode (de)multiplexer, Silicon, Y – Junctions. 
 93 
Thiết kế bộ ghép/phân kênh phân chia theo mode sử dụng cấu trúc chữ Y bất đối xứng  
 Đào Duy Từ sinh ngày 04/09/1996 tại L}m Đồng. Năm 2019, ông tốt 
 nghiệp kỹ sư ng|nh Công nghệ kỹ thuật điện tử - viễn thông tại Trường 
 Đại học Khoa học, Đại học Huế. 
 Lĩnh vực nghiên cứu: mạng máy tính và mạch tích hợp quang tử. 
 Nguyễn Chánh Tín sinh ngày 21/06/1996 tại Huế. Năm 2019, ông tốt 
 nghiệp kỹ sư ng|nh Công nghệ kỹ thuật điện tử - viễn thông tại Trường 
 Đại học Khoa học, Đại học Huế. 
 Lĩnh vực nghiên cứu: mạng máy tính và mạch tích hợp quang tử. 
 Hồ Đức Tâm Linh sinh ngày 03/02/1986 tại Huế. Năm 2009, ông tốt 
 nghiệp kỹ sư ng|nh Công nghệ kỹ thuật điện tử - viễn thông tại trường 
 Đại học Khoa học, Đại học Huế. Năm 2014, ông tốt nghiệp thạc sĩ chuyên 
 ngành Kỹ thuật điện tử tại trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia 
 Hà Nội. Từ năm 2014 đến nay, ông là giảng viên tại trường Đại học Khoa 
 học, Đại học Huế. 
 Lĩnh vực nghiên cứu: xử lý tín hiệu toàn quang, mạch tích hợp quang tử. 
 94