Bộ tách ghép kênh RGB quang kích thước nano dựa trên các ống dẫn sóng MIM-Plasmonic
Nguyễn Văn Tài, Trương Cao Dũng, Đặng Hoài Bắc
BỘ TÁ CH GHÉ P KÊNH RGB QUANG KÍ CH
THƯỚC NANO DỰA TRÊN CÁ C ỐNG DẪN
SÓ NG MIM-PLASMONIC
Nguyễn Văn Tài, Trương Cao Dũng, Đặng Hoài Bắc
Học viện Cô ng nghệ Bưu chính Viễn thô ng
Để tăng hơn nữa tốc độ bit truyền trong hệ thống
VLC, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng
(WDM) có thể được sử dụng. Kỹ thuật WDM cho phép
kết hợp một số tín hiệu với nhau và truyền chúng đồng
thời trong khi mỗi tín hiệu được mang bởi một bước sóng
khác nhau. Theo các nghiên cứu công bố gần đây, hệ
thống sẽ có thể hỗ trợ tốc độ truyền bitrate lên đến 8 Gb/s
[12],[13] và có thể đạt được tốc độ cao hơn [14],[15]. Bộ
tách/ghép kênh RGB là một phần quan trọng cốt yếu của
hệ thống WDM/VLC cho phép tách các bước sóng từ một
đầu vào thành nhiều đầu ra nhưng cần yêu cầu có độ trễ
lan truyền thấp, tốc độ truyền dữ liệu cao và tỷ lệ lỗi bit
thấp [16][17]. Một hệ thống LED ánh sáng trắng của hệ
thống VLC có thể được tổng hợp từ các LED phổ hẹp của
các ánh sáng đỏ (Red), xanh lá cây (Green) và xanh lam
(Blue).
Tóm tắt - Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một đề
xuất về bộ lọc bước sóng RGB nhỏ gọn và thiết bị tách
bước sóng dựa trên cấu trúc kim loại-cách điện-kim loại
nanoplasmonic. Các kết quả đã được nghiên cứu chính
xác bằng cách sử dụng lý thuyết ghép mode theo thời
gian. Phương pháp mô phỏng số triển khai mode riêng
EME cũng đã được sử dụng cho quá trình thiết kế tổng
thể. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất truyền của bộ
lọc rẽ kênh RGB có thể đạt hiệu quả đáng kể bằng cách
áp dụng ống dẫn sóng khoang cộng hưởng Fabry-Perot
kích thước nano được tối ưu hóa. Hiệu năng quang học là
tương đối tốt với suy hao truyền < 8 dB, mức tín hiệu trên
nhiễu quang lớn hơn 10 dB trong 30-nm băng thông cho
ba dải RGB. Cấu trúc được đề xuất có tiềm năng mạnh
mẽ cho việc thiết kế các mạch tích hợp siêu nhỏ gọn hiệu
quả cao cũng như các hệ thống truyền thông quang học ở
kích thước nano.1
Có nhiều cách để tổng hợp nên các ánh sáng phổ hẹp
ở các màu riêng rẽ như vậy. Chẳng hạn, có thể sử dụng
mạch điện tử để điều khiển thu chọn lọc các tần số quang
của vùng nhìn thấy tương ứng các màu R, G, B riêng
thông qua các mạch lái điều khiển bằng điện áp [18] hoặc
thông qua các mạch logic có thể đảo ngược (reversible
logic gates) [19]. Tuy nhiên, những kiến trúc sử dụng
mạch điều khiển điện tử tuy linh hoạt nhưng cần phối
ghép với vi mạch điện tử nên tốc độ hoạt động bị giới hạn
bởi đáp ứng điện tử thấp cũng như không thuận lợi cho
tích hợp trên miền quang. Mặt khác, bộ ghép kênh RGB
nhỏ gọn dành cho điốt laser rất hấp dẫn để sử dụng trong
các màn hình bằng kính, màn hình gắn trên đầu và các
thiết bị thu nhỏ gọn. Các ứng dụng hình ảnh laser như vậy
sử dụng nhiều nguồn laser và ghép chúng thành một chùm
tia duy nhất, sau đó được quét lên màn hình bằng máy
quét chùm chẳng hạn như gương hệ thống vi cơ điện tử.
Bộ ghép kênh RGB thường được xây dựng bằng cách sử
dụng lăng kính gương [20], phim nhiều lớp và các loại sợi
quang như sợi PCF (photonic crystal fiber) đa lõi, sợi
polymer đa lõi [21]–[23] nhưng kích thước là khá lớn và
không thể tích hợp đơn khối và nhỏ gọn với các thành
phần quang khác được. Bộ ghép kênh RGB dựa trên mạch
quang tử phẳng PLC (planar lightwave circuit) hứa hẹn sẽ
giảm kích thước xuống một chip duy nhất tích hợp các
chức năng được sử dụng trong bộ ghép kênh RGB thông
thường [24],[25]. Tuy vậy, công nghệ PLC dựa trên hiện
tượng phản xạ toàn phần quang học hiện nay đã đạt đến
giới hạn nhiễu xạ nên kích thước không thể vượt qua kích
thước dẫn sóng tối thiểu ở cỡ vài trăm nm đến vài µm. Do
đó, bộ tách kênh RGB cần đạt được các yêu cầu về khả
năng tích hợp đơn khối, xử lý toàn quang và đặc biệt là
kích thước phải rất nhỏ (cỡ nano) và hiệu suất tương đối
cao nhằm đáp ứng những yêu cầu tốc độ thông tin cao
[26]. Các phân cực plasmonic bề mặt SPP (surface
Từ khóa - các phân cực plasmon bề mặt (SPP), bộ lọc
bước sóng RGB, cộng hưởng nano Fabry-Perot, kim
loại-cách điện-kim loại (MIM), mô phỏng triển khai
mode riêng (EME).
1. GIỚI THIỆU
Thông tin ánh sáng khả kiến VLC (visible light
communication)là một hình thức giao tiếp không dây
trong đó thông tin diễn ra bằng cách sử dụng vùng quang
phổ của ánh sáng khả kiến [1]. Thông thường, đi ốt phát
quang LED trong phạm vi nhìn thấy và đi ốt tách sóng
quang được sử dụng làm bộ phát và bộ thu tương ứng
trong hệ thống VLC. VLC đang được phát triển nhanh
chóng ngày nay do sự phát triển của đèn LED trắng hiệu
suất cao mới để giảm tắc nghẽn trong băng tần 2,4 GHz
[2],[3]. Kỹ thuật VLC được ứng dụng trong nhiều hệ
thống thông tin và các ứng dụng như: tích hợp trong các
phương tiện di chuyển hiện đại với nhiều cảm biến điện tử
để theo dõi tốc độ, vị trí, hướng đi, gia tốc ngang và dọc
của xe [4]; truyền dữ liệu âm thanh, hình ảnh [5]–[7]; các
hệ thống truy nhập internet dựa trên công nghệ Lifi
[8],[9]. So với thông tin liên lạc bằng tần số vô tuyến,
VLC có nhiều ưu điểm và đặc tính hữu ích, trong đó bao
gồm: băng thông không bị điều chỉnh, khả năng truyền
dẫn cao với tốc độ bức xạ thấp [10], không bị ảnh hưởng
bởi nhiễu điện từ, cho phép thiết lập các hệ thống thông
tin liên lạc an toàn [11].
Tác giả liên hệ: Nguyễn Văn Tài
Email: tai2006vn@gmail.com
Đến tòa soạn: 10/2020, chỉnh sửa: 11/2020, chấp nhận đăng 12/2020
SOÁ 04A (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
47
BỘ TÁCH GHÉP KÊNH RGB QUANG KÍCH THƯỚC NANO DỰA TRÊN CÁ C ỐNG DẪN SÓ NG MIM-PLASMONIC
p2
plasmon polariton) là sóng điện từ bị giữ lại trên các mặt
m () = −
phân cách kim loại-điện môi và kết hợp với sự lan truyền
dao động của điện tử tự do trong kim loại. SPP được coi
là cách hứa hẹn nhất để hiện thực hóa các mạch quang
tích hợp cao vì chúng có thể vượt qua đáng kể giới hạn
nhiễu xạ cổ điển của ánh sáng và điều khiển ánh sáng trên
thang bước sóng [27].
(1)
( +i)
trong đó
đại diện cho hằng số điện môi ở tần số vô
lần lượt là hệ số va chạm electron và tần số
p
hạn,
và
plasma mở rộng,
là tần số góc của ánh sáng tới trong
chân không. Trong hầu hết các nghiên cứu về ống dẫn
sóng MIM ở phổ tần số vùng cửa sổ 1550 nm thì kim loại
được chọn là kim loại bạc (Ag). Bởi vì kim loại này có
phần ảo của hằng số điện môi nhỏ không đáng kể ở dải
tần cửa sổ telecom thứ ba nên suy hao do hấp thụ hạt dẫn
đối với sóng quang là rất nhỏ. Với kim loại bạc, các thông
p = 9.1
số từ (1) cho bạc có thể được đặt là = 3.7 ,
eV, và = 0.018 eV [39]. Sóng phân cực TM được phát
Q
S-2
S
-2
Ey
Hz
Ex
t
Khoang cộng hưởng b
(Cavityb)
Ống dẫn sóng
d1
S+1
w1
chí nh
O
S
+1
S
+3
g1
SPP
wt
S-3
mode
g2
S -3
S
-1
S-1
Khoang cộng hưởng b
Ag
Air
P
(Cavitya)
ra từ P và truyền đến Q. Sự truyền qua khoang rẽ (drop
cavity) ở đầu ra được định nghĩa là PP/PQ, ở đây PP và PQ
lần lượt là viết tắt của dòng công suất tới công suất rẽ ra
cổng ra. Có hai loại mode SPP trong ống dẫn sóng MIM.
Một là mode đối xứng, và mode kia là mode phản đối
xứng. Thuật ngữ này dựa trên điện trường dọc. Do đó, cả
thành phần trường điện ngang (TE) (Ey) và trường từ
trường ngang (TM) (Hz) đều thể hiện phân bố phản đối
xứng ở mode đối xứng và phân bố đối xứng ở mode phản
đối xứng. Chế độ đối xứng thực hiện một điểm cắt khi w
giảm xuống dưới độ rộng khoảng hàng trăm nanomet
[40]. Vì chiều rộng của ống dẫn sóng trong cấu trúc của
chúng tôi đề xuất thấp hơn chiều rộng ngưỡng, nên chỉ có
mode phản đối xứng được xem xét ở đây. Khi một sóng
phẳng phân cực TM cản trở đến cấu trúc MIM, sóng tới
được ghép vào ống dẫn sóng và sóng SPP hình thành trên
các giao diện kim loại. Công suất tới một phần được kết
hợp vào trọng lực nano gần ống dẫn sóng dạng bus (ống
dẫn sóng ngang chính trong Hình 1). Khoang nano hoạt
động như một chức năng của bộ cộng hưởng có thể dừng
tín hiệu ánh sáng có bước sóng cộng hưởng. Để khám phá
sự truyền của cấu trúc, biên độ của sóng đến và sóng đi trong
ống dẫn sóng được mô tả bằng các tham số tán xạ S+i, S’+i và
S-i, S’-i (i = 1,2,3) theo lý thuyết ghép mode theo thời gian bởi
các quan hệ sau:
d2
w2
Các mặt phẳng
tham chiếu
D
Hình 1. Sơ đồ của bộ lọc plasmonic dựa trên hiệu ứng đào
hầm cộng hưởng của khoang nano trong ống dẫn só ng
MIM.
Với sự phát triển của các công nghệ chế tạo kỹ thuật
cao hiện đại, các thiết bị này có thể được chế tạo và ứng
dụng trong truyền thông toàn quang và mạch quang tích
hợp trong tương lai [27],[28]. Là một ống dẫn sóng
plasmonic quan trọng, cấu trúc kim loại-điện môi-kim
loại MIM (metal-insulator-metal) có khả năng hạn chế
ánh sáng mạnh với độ dài chấp nhận được để truyền SPP.
Ống dẫn sóng MIM hứa hẹn cho việc thiết kế các thiết bị
quang toàn phần nhỏ gọn do chế tạo tương đối dễ dàng đã
và đang được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ cho nhiều
thành phần quang khác nhau như các bộ điều chế tốc độ
cao [29][30], các thiết bị chuyển mạch plasmonic [31],
đặc biệt là các thiết bị ghép/tách kênh phân chia theo
bước sóng [32],[33]. Tuy nhiên, các nghiên cứu sử dụng
ống dẫn sóng plasmonic chủ yếu là ứng dụng cho các bộ
ghép kênh phổ hồng ngoại và phổ telecom và không nhiều
công bố cho các bộ ghép kênh RGB. Một vài nghiên cứu
về lọc màu RGB cho ánh sáng trắng sử dụng cách tử
nhiễu xạ (gratings) [34] sử dụng vật liệu Si3N4 và ống dẫn
sóng MIM dùng hốc cộng hưởng hình lục giác đều [37]
và vật liệu Ag/LiNbO3 hay có hiệu suất truyền đạt không
cao, hoặc cách tử dựa trên MIM với vật liệu Al có băng
thông bộ lọc mỗi màu tương đối thấp (chỉ cỡ 12 nm)
[35][36].
da/ dt =[ j −1/Q −1/(2Q )]oaa+ oa /(2Q )ej3 S+' 3
oa
3
3
(2)
db/ dt =[ j −1/ Qob −1/ (2Q2 )−1/ (2Q1)]
(3)
obb+ ob / (2Q )ej (S+1 + S+1)
'
1
1
S−3 = S+3 − oa /(2Q )e− j
a
'
3
(4)
3
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày thiết kế và tối
ưu hóa dựa trên phương pháp mô phỏng số khai triển
mode riêng EME (eigenmode expansion method) để thiết
kế một bộ lọc ba phổ kênh quang RGB của ánh sáng khả
kiến với kích thước cực nhỏ và hiệu năng quang học
tương đối cao. Cấu trúc cộng hưởng sử dụng là các buồng
cộng hưởng Fabry-Perot hình chữ nhật đơn giản.
'
S−3 = − oa / (2Q )e− j
a
3
(5)
(6)
(7)
(8)
3
S+' 3 = S−' 1e− jDspp
S+' 1 = S−' 3e− jDspp
S−1 = S+1 − ob /(2Q )e− j
b
b
'
1
1
2. MÔ HÌ NH VÀ NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ
S−1 = S+1 − ob /(2Q )e− j
'
1
(9)
1
Hình 1 cho thấy cấu trúc bộ lọc rẽ kênh plasmonic ba
cổng bao gồm ống dẫn sóng hình cái và ống dẫn sóng
cũng như hai hốc nano hình chữ nhật trong lớp phủ kim
loại. Chất cách điện trong các khe và hốc kim loại là
không khí. Kim loại được giả định là bạc, có hằng số điện
môi tương đối có thể được mô tả theo mô hình Lorentz -
Drude nổi tiếng [38]:
S−2 = ob /Q e− j
b
2
(10)
2
Trong đó Qoa và Qob đại diện cho các hệ số chất lượng
của các khoang cộng hưởng Cavitya và Cavityb do mất
mát nội tại, ωoa và ωob đại diện cho các tần số cộng hưởng
của Cavitya và Cavityb, tương ứng. Q2 là hệ số chất
SOÁ 04A (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
48
Nguyễn Văn Tài, Trương Cao Dũng, Đặng Hoài Bắc
lượng của khoang cộng hưởng rẽ do sự phân rã công suất bộ lọc dừng băng tần quang học. Bằng cách thay đổi tham
vào ống dẫn sóng rẽ. Q1 và Q3 lần lượt là hệ số chất lượng số hình học d, đại diện cho chiều dài của khoang, bước
của Cavityb và Cavitya do sự phân rã thành ống dẫn sóng sóng hoạt động (cộng hưởng) có thể được điều khiển một
bus. θ1 và θ3 lần lượt là các pha ghép từ Cavityb và cách hiệu quả. Tại các khoảng cách hình học khác nhau
Cavitya đến ống dẫn sóng bus, θ2 là pha ghép giữa cho vài giá trị của d từ 120 nm đến 180 nm, các đỉnh cộng
Cavityb và ống dẫn sóng rẽ, βspp đại diện cho hằng số hưởng nằm trong dải phổ ánh sáng nhìn thấy từ 500 nm
truyền của sóng SPP trong ống dẫn sóng MIM. D là đến 700 nm.
khoảng cách giữa các mặt phẳng tham chiếu của hai hốc.
Pha φ giữa hai mặt phẳng tham chiếu có thể được biểu thị
bằng:
(a)
= Dspp = Dneff k0
(11)
neff biểu thị chỉ số khúc xạ hiệu dụng ERI (effective
refractive index) của mode SPP. Chỉ số neff có liên quan
đến bước sóng λ và chiều rộng wt của ống dẫn sóng bus.
Mối quan hệ tán sắc của chúng được chi phối bởi phương
trình tán sắc sau đây[41]:
w k0 ne2ff −d
t
2
2
m neff −d tan h
+d neff −m = 0 (12)
2
Bước sóng,
Ở đây εd và εm là hằng số điện môi của ống dẫn sóng
bus và lớp kim loại, k0 = 2π/λ là vectơ sóng (wave
number) của ánh sáng tới trong chân không, biểu thị cho
mô men của sóng. Hiệu suất truyền của tách kênh được
biểu thị bằng [32]:
(b)
−2 j
1−r exp
2 / 2QQ
(
)
)
1
2
Td =
/ −1+ rsin2 / 2Q 2 + 1/ Q +1/ 2Q + 1−rcos2 / 2Q 2
(
)
(
(
) (
)
b
1
b
2
1
(13)
x-(µm)
Hì nh 3. (a) Quang phổ truyền qua với sự phâ n tá ch
khoang-khoang khá c nhau trong hệ thống ống dẫn só ng
ghép đôi khoang với d = d2 = 180 nm, g = 10 nm và w = 50
nm. (b) Hì nh ảnh mô phỏng sự phâ n bố trường của bước
sóng đỉnh trong suốt trong ống dẫn só ng ghé p khoang ké p
với D = 110 nm.
Đối với hệ thống ống dẫn sóng ghép hai khoang
(cavity), phổ truyền qua với sự phân tách khoang -
khoang D được tính toán và thể hiện trong Hình 3(a). Ở
đây, chiều dài của hai khoang được cố định là d = d2=
180nm. Các ánh sáng tới ở bước sóng cộng hưởng của các
lỗ sâu sẽ bị phản xạ và dẫn hướng trong cực hấp dẫn, như
thể hiện trong Hình 3(a). Chúng ta cũng có thể thấy rõ
rằng có một đỉnh truyền giữa các điểm lõm truyền qua,
điều này là tương đối với sự phân tách D. Khi cộng hưởng
Fabry-Perot (FP) hình thành trong ống dẫn sóng bus giữa
hai khoang, phổ đặc tính truyền theo bước sóng thể hiện
tính chất của hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ EIT
(electromagenically induced transparency). Sự tách biệt
được tối ưu hóa giữa hai khoang có thể được biểu thị như
sau:
Bước sóng
Hì nh 2. Phổ truyền qua của cấu trúc ống dẫn só ng MIM
cho cá c chiều dài khoang khá c nhau d với g = 10 nm và w
= 50 nm.
Ở đây,
r =[1/ (2Q )]/[j( /oa −1)+1/ (2Q ) +1/ Qoa ]
(14)
3
3
3. THIẾT KẾ TỐI ƯU VÀ MÔ PHỎNG
Chúng tôi sử dụng phương pháp EME là phương pháp
mô phỏng hiệu quả và chính xác cao đối với các cấu trúc
ống dẫn sóng plasmonic để khảo sát các đặc tính truyền
dẫn của ống dẫn sóng plasmonic MIM kết hợp với các
hốc [42]. Như trong Hình 2, khi ta chọn các giá trị ban
đầu của g1=g2=g = 10 nm, w = wt= 50 nm ống dẫn sóng
MIM kết hợp với một khoang có thể hoạt động như một
D =
(15)
2Re(neff ())
SOÁ 04A (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
49
BỘ TÁCH GHÉP KÊNH RGB QUANG KÍCH THƯỚC NANO DỰA TRÊN CÁ C ỐNG DẪN SÓ NG MIM-PLASMONIC
Hiệu quả truyền của bộ lọc kênh rẽ (drop channel) có phản xạ ghép đôi. Bên cạnh đó, hình ảnh mô phỏng ở
thể được nâng cao bằng cách thiết lập pha giữa hai mặt Hình 4(e) cho thấy phổ 3-dB cho mỗi kênh là khá rộng
phẳng tham chiếu là Δφ=(2m+1)π/2. Để nhận ra bộ tách (hơn 30nm cho mỗi tín hiệu R, G, B) với suy hao khoảng
RGB kích thước siêu nhỏ gọn, ta chọn m = 0. Để thiết kế 8dB tại đỉnh của ba bước sóng RGB và chênh lệch giữa
cấu trúc bộ lọc RGB bằng cách sử dụng tách kênh hiệu tín hiệu trên nhiễu quang trong dải 3-dB băng thông luôn
quả cao, chúng tôi chọn bộ phân kênh ba bước sóng với lớn hơn 10dB. Đây là các kết quả hiệu năng quang học
ba bộ lọc rẽ kênh để khảo sát phản ứng truyền, như được tương đối tốt. Mặc dù suy hao 8dB là khá lớn so với suy
thể hiện trong Hình 4(a).
hao của các mạch quang tử dựa trên ống dẫn sóng phản xạ
toàn phần chẳng hạn như dựa trên công nghệ quang tử
silic (khoảng 2dB) [24] tuy nhiên điều này là dễ hiểu vì
mạch quang tử plasmonic bị suy hao do hấp thụ của kim
loại là không thể tránh khỏi mà lợi thế của của các mạch
plasmonic dựa trên ống dẫn sóng MIM là các mode quang
được bắt giữ trong kích thước chỉ vài chục nano mét và
kích thước toàn mạch chỉ vài µm2. Kích thước nhỏ gọn và
diện tích mode cực nhỏ cho phép vi mạch tích hợp với
mật độ rất cao với đáp ứng xung quang cực nhanh và hứa
hẹn cho các vi mạch xử lý tín hiệu toàn quang tích hợp
trên chip trong các hệ thống thông tin quang thế hệ mới.
B
G
R
Cổng ra1
Cổng ra2
Cổng ra3
(a)
λB
λG
λR
Ey
Hz
Ex
Khoang
cộng
Khoang
cộng
Khoang
cộng
hưởng3
hưởng1
hưởng2
O
λB,G,R
D2
D1
D3
SPP modes
Khoang
cộng
Ag
Air
Khoang
cộng
hưởng5
Khoang
cộng
hưởng6
hưởng4
4. KẾT LUẬN
(c)
(b)
Hy
Hy
Tóm lại, chúng tôi đã đề xuất và nghiên cứu kỹ thuật
số một hệ thống ống dẫn sóng plasmonic để tạo ra đáp
ứng giống như hiệu ứng EIT trong hệ thống ống dẫn sóng
plasmonic MIM bao gồm một ống dẫn sóng bus được
ghép nối với một loạt các hốc khe cho truyền thông ánh
sáng khả kiến VLC cũng như các ứng dụng hiển thị bằng
cách ghép kênh RGB. Kết quả mô phỏng của chúng tôi
cho thấy bước sóng cộng hưởng của khoang rãnh có thể
được điều khiển bằng cách điều chỉnh chiều dài khoang.
Rõ ràng độ trong suốt do plasmon gây ra sẽ xuất hiện khi
ống dẫn sóng plasmonic giữa các khoang liền kề thỏa mãn
điều kiện cộng hưởng. Độ trong suốt cảm ứng đa điểm có
thể được thực hiện bằng cách xếp tầng nhiều khoang có
độ dài và độ phân tách khác nhau. Hệ thống ống dẫn sóng
plasmonic được đề xuất sẽ tìm thấy những ứng dụng tiềm
năng trong các thiết bị quang tích hợp cao, chẳng hạn như
bộ lọc RGB hoặc WDM plasmonic đa kênh kích thước
nano, chuyển mạch quang và các thành phần ánh sáng
chậm.
λG=520 nm
Cổng ra2
λB=465 nm
Cổng ra1
x-(µm)
x-(µm)
(e)
(d)
Hy
λR=640 nm
Cổng ra3
Cổng ra1
Cổng ra3
,Cổng ra2
x-(µm)
Bước sóng
Hình 4. (a) Sơ đồ nguyên lý của một bộ tá ch kênh ba
bước só ng plasmonic, cá c tham số được tối ưu D1 = 209
nm, D2 = 241 nm và D3 = 304 nm. (b,c,d) Phâ n bố trường
của | Hy | tương ứng với các bước só ng 465 nm, 520 nm
và 640 nm. (e) Đặc tí nh truyền dẫn của quang phổ truyền
qua của ống dẫn sóng tách ba kênh có (đường cong đặc)
và không có (đường cong đứt né t) cá c hốc nano phản xạ.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ phát triển Khoa
học và Công nghệ Quốc gia Việt Nam (Nafosted) cho
chương trình Nghiên cứu cơ bản trong KHTN&KT năm
2017 với Mã số 103.03-2017.61.
Bước sóng lần lượt là 465nm, 520nm, 640nm của các
ánh sáng đỏ, lục, lam. Kết quả có thể được mở rộng cho
các cấu trúc phân kênh đa bước sóng khác. Chiều rộng
của ống dẫn sóng và các khoang được cố định là 50 nm.
Chiều dài của cặp khoang 1-4, 2-5 và 3-6 lần lượt được
đặt là 245, 291 và 162 nm. Khoảng cách ghép nối giữa tất
cả các khoang và ống dẫn sóng là 10 nm. Do đó, trong
ống dẫn sóng bus, công suất truyền ở các bước sóng hoạt
động được phản xạ một cách hiệu quả bởi các khoang
tách đôi này. Khoảng cách tối ưu D1, D2 và D3 để truyền
cực đại ở bước sóng 465nm, 520nm, 640nm lần lượt là
209nm, 241nm và 304nm. Hình 4(b,c,d) mô tả các phân
bố trường của |Hy| với việc phóng sóng liên tục ở bước
sóng 465nm, 520nm, 640nm tương ứng thông qua mô
phỏng EME. Các phân bố trường phù hợp tốt với phổ
truyền qua trong Hình 4(b,c,d). Hình 4(e) cho thấy đặc
tính truyền qua của đáp ứng phổ quang đối với ba cổng ra
của ba ống dẫn sóng rẽ kênh tương ứng với ba cổng ra
Ouput1, Output2, Output3 cho lần lượt ba phổ màu R, G,
B là 465nm, 520nm và 640nm. Hiệu quả được cải thiện
hơn 50% khi so sánh với trường hợp không có lỗ nano
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] S.-H. Chen and C.-W. Chow, “Color-filter-free spatial
visible light communication using RGB-LED and mobile-
phone camera,” Opt. Express, vol. 22, no. 25, p. 30713,
2014.
[2] A. M. Khalid, G. Cossu, R. Corsini, P. Choudhury, and E.
Ciaramella, “1-Gb/s transmission over a phosphorescent
white LED by using rate-adaptive discrete multitone
modulation,” IEEE Photonics J., vol. 4, no. 5, pp. 1465–
1473, 2012.
[3] G. Naik, J. Liu, and J. M. J. Park, “Coexistence of wireless
technologies in the 5GHz bands: A survey of existing
solutions and a roadmap for future research,” IEEE
Commun. Surv. Tutorials, vol. 20, no. 3, pp. 1777–1798,
2018.
[4] M. A. Vieira, M. Vieira, P. Louro, and P. Vieira,
“Vehicular Visible Light Communication I2V2V2I
SOÁ 04A (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
50
Nguyễn Văn Tài, Trương Cao Dũng, Đặng Hoài Bắc
connected cars,” in SENSORDEVICES 2018ꢀ: The Ninth
International Conference on Sensor Device Technologies
and Applications VehicularVisible, 2018, pp. 175–180.
converter based on reversible logic,” IET Image Process.,
vol. 11, no. 8, pp. 646–655, 2017.
[20] W. O. Davis, R. Sprague, and J. Miller, “MEMS-based Pico
projector display,” in 2008 IEEE/LEOS International
Conference on Optical MEMS and Nanophotonics, OPT
MEMS, 2008, vol. 1, pp. 31–32.
[5] A. Baklanov, S. Grigoryeva, A. Alimkhanova, and E.
Grigoryev, “Audio Transmission System Using White
LEDs,” 2019 Int. Sib. Conf. Control Commun., pp. 1–4,
2019.
[21] R. Dadabayev and D. Malka, “A visible light RGB
wavelength demultiplexer based on polycarbonate
multicore polymer optical fiber,” Opt. Laser Technol., vol.
116, no. February, pp. 239–245, 2019.
[6] S. Liang, Y. Zhou, M. Zhang, and N. Chi, “Experiment of
Audio Visual Communication System Based on White LED
and Intelligent Mobile Terminal,” in 2016 15th
International Conference on Optical Communications and
Networks (ICOCN) Experiment, 2016, pp. 1–3.
[22] R. Dadabayev, N. Shabairou, Z. Zalevsky, and D. Malka,
“A visible light RGB wavelength demultiplexer based on
silicon-nitride multicore PCF,” Opt. Laser Technol., vol.
111, no. October 2018, pp. 411–416, 2019.
[7] Y. Zhang, J. Wang, W. Zhang, S. Chen, and L. Chen,
“LED-based visible light communication for color image
and audio transmission utilizing orbital angular momentum
superposition modes,” Opt. Express, vol. 26, no. 13, p.
17300, 2018.
[23] J. K. Kim, H. R. Kim, A. Tünnermann, and K. Oh,
“Synthesis of pure white color and its equal power, equal
chromatic splitting through a novel 3×3 fiber optic visible
multiplexer,” Opt. Express, vol. 16, no. 22, p. 17319, 2008.
[8] A. Sewaiwar, P. P. Han, and Y. H. Chung, “3-Gbit/s Indoor
Visible Light Communications Using Optical Diversity
Schemes,” IEEE Photonics J., vol. 7, no. 6, pp. 1–9, 2015.
[24] J. Sakamoto and T. Hashimoto, “Recent progress in
applications of optical multimode devices using planar
lightwave circuits,” NTT Tech. Rev., vol. 17, no. 5, pp. 40–
44, 2019.
[9] L. Ding, F. Liu, Z. Yu, and Y. Wang, “The demonstration
of wireless access via visible light communications,” in
2013
International
Conference
on
Wireless
[25] R. Dadabayev and D. Malka, “RGB wavelength
demultiplexer based on PCF/POF structure,” in Proc. SPIE
11029, Micro-structured and Specialty Optical Fibres VI,
2019, no. April 2019, p. 30.
Communications and Signal Processing, WCSP 2013,
2013, pp. 1–4.
[10] H. Le Minh et al., “100-Mb/s NRZ visible light
communications using a postequalized white LED,” IEEE
Photonics Technol. Lett., vol. 21, no. 15, pp. 1063–1065,
2009.
[26] M. Salsi et al., “Transmission at 2×100Gb/s, over two
modes of 40km-long prototype few-mode fiber, using
LCOS-based mode multiplexer and demultiplexer,” Opt.
InfoBase Conf. Pap., no. October 2014, pp. 2–5, 2011.
[11] C. W. Chow, Y. Liu, C. H. Yeh, C. Y. Chen, C. N. Lin, and
D. Z. Hsu, “Secure communication zone for white-light
LED visible light communication,” Opt. Commun., vol.
344, pp. 81–85, 2015.
[27] S. A. Maier, “Plasmonicsꢀ: The Promise of Highly
Integrated Optical Devices,” IEEE J. Sel. Top. Quantum
Electron., vol. 12, no. 6, pp. 1671–1677, 2006.
[12] Y. Wang, L. Tao, X. Huang, J. Shi, and N. Chi, “8-Gb/s
RGBY LED-Based WDM VLC System Employing High-
Order CAP Modulation and Hybrid Post Equalizer,” IEEE
Photonics J., vol. 7, no. 6, pp. 7–12, 2015.
[28] E. Li, B. Zhou, Y. Bo, A. X. Wang, and S. Member, “High-
Speed Femto-Joule per Bit Silicon- Conductive Oxide
Nanocavity Modulator.”
[29] M. Ayata et al., “High-speed plasmonic modulator in a
single metal layer,” Science (80-. )., vol. 632, no.
November, pp. 630–632, 2017.
[13] Y. Wang, L. Tao, X. Huang, J. Shi, and N. Chi, “Enhanced
Performance of a High-Speed WDM CAP64 VLC System
Employing Volterra Series-Based Nonlinear Equalizer,”
IEEE Photonics J., vol. 7, no. 3, 2015.
[30] C. Haffner et al., “All-plasmonic Mach-Zehnder modulator
enabling optical high-speed communication at the
microscale,” Nat. Photonics, vol. 9, no. 8, pp. 525–528,
2015.
[14] T. C. Wu, Y. C. Chi, H. Y. Wang, C. T. Tsai, Y. F. Huang,
and G. R. Lin, “Tricolor R/G/B laser diode based eye-safe
White lighting communication beyond 8 Gbit/s,” Sci. Rep.,
vol. 7, no. 1, pp. 1–10, 2017.
[31] V. A. Aksyuk, “Design and modeling of an ultra-compact
2x2 nanomechanical plasmonic switch,” Opt. Express, vol.
23, no. 9, p. 11404, 2015.
[15] L.-Y. Wei, C.-W. Hsu, C.-W. Chow, and C.-H. Yeh,
“20.231 Gbit/s tricolor red/green/blue laser diode based
[32] H. Lu, X. Liu, Y. Gong, D. Mao, and L. Wang,
“Enhancement of transmission efficiency of nanoplasmonic
wavelength demultiplexer based on channel drop filters and
reflection nanocavities,” Opt. Express, vol. 19, no. 14, pp.
12885–12890, 2011.
bidirectional
signal
remodulation
visible-light
communication system LIANG-YU,” Photonics Res., vol.
6, no. 5, pp. 422–426, 2018.
[16] P. Berlioz, J. L. Perbos, and J. Charlier, “Multi
/Demultiplexer And Spectral Isolator For Optical Inter -
Satellites Communications,” in Proc. SPIE 1131, Optical
Space Communication-International Congress on Optical
Science and Engineering, 1989, vol. 1131.
[33] Y. Xu, J. Xiao, and X. Sun, “Design of a compact
polarization demultiplexer for silicon-based slot
waveguides,” Appl. Opt., vol. 53, no. 35, pp. 8305–8312,
2014.
[17] L. V. Bartkiv and Y. V. Bobitski, “Fiber Optic
Transmission of RGB-signals using a WDM system,” in
CAOL 2005, 2005, pp. 257–259.
[34] M. J. Uddin, T. Khaleque, and R. Magnusson, “Guided-
mode resonant polarization-controlled tunable color filters,”
Opt. Express, vol. 22, no. 10, p. 12307, 2014.
[18] A. Sabne, A. Panda, and V. More, “Simplified Wavelength
Division Multiplexing in Visible Light Communication by
Using RGB LED as Frequency Selective Receiver,” 2019
10th Int. Conf. Comput. Commun. Netw. Technol. ICCCNT
2019, pp. 1–5, 2019.
[35] D. Fleischman, L. A. Sweatlock, H. Murakami, and H.
Atwater, “Hyper-selective plasmonic color filters,” Opt.
Express, vol. 25, no. 22, p. 27386, 2017.
[36] C. Jiang et al., “Plasmonic color filter based on a hetero-
metal-insulator-metalgrating,” Appl. Opt., vol. 59, no. 14,
[19] L. Touil and B. Ouni, “Design of hardware RGB to HMMD
SOÁ 04A (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
51
BỘ TÁCH GHÉP KÊNH RGB QUANG KÍCH THƯỚC NANO DỰA TRÊN CÁ C ỐNG DẪN SÓ NG MIM-PLASMONIC
pp. 4432–4436, 2020.
Nguyễn Văn Tài, nhận bằng tốt
nghiệp đại học Giao thông vận tải
Hà Nội năm 2006, nhận bằng thạc sỹ
Đại học Bạch Khoa Hà Nội năm
2010. Anh bắt đầu làm nghiên cứu
sinh tại Học viện Công nghệ Bưu
chính viễn thông vào năm 2017.
Hướng nghiên cứu của anh bao gồm
ống dẫn sóng nano plasmonic,
trường điện từ và truyền sóng.
[37] K. Diest, J. A. Dionne, M. Spain, and H. A. Atwater,
“Tunable color filters based on metal-insulator-metal
resonators,” Nano Lett., vol. 9, no. 7, pp. 2579–2583, 2009.
[38] A. B. Djuris, J. M. Elazar, and M. L. Majewski, “Optical
properties of metallic films for vertical-cavity
optoelectronic devices,” Appl. Opt., vol. 37, no. 22, pp.
5271–5283, 1998.
[39] X. M. Geng, T. J. Wang, D. Q. Yang, L. Y. He, and C.
Wang, “Tunable Plasmonic Wavelength Demultiplexing
Device Using Coupled Resonator System,” IEEE Photonics
J., vol. 8, no. 3, pp. 1–8, 2016.
Email: [email protected]
[40] H. Lu, X. Liu, D. Mao, L. Wang, and Y. Gong, “Tunable
band-pass plasmonic waveguide filters with nanodisk
resonators,” Opt. Express, vol. 18, no. 17, p. 17922, 2010.
Trương Cao Dꢀng, nhận các bằng
Đại học, Thạc sĩ và Tiến sĩ của
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,
Việt Nam, lần lượt vào các năm
2003, 2006 và 2015. Anh hiện là
Giảng viên khoa Kỹ thuật điện tử,
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn
thông (PTIT), Hà Nội, Việt Nam.
Các nghiên cứu của anh bao gồm các
mạch tích hợp photonic, plasmonics
và hệ thống thông tin quang.
[41] X.-S. Lin and X. G. Huang, “Tooth-shaped plasmonic
waveguide filters with nanometric sizes,” Opt. Lett., vol.
33, no. 23, pp. 2874–2876, 2008.
[42] Y. Xiong, R. B. Priti, and O. Liboiron-Ladouceur, “High-
speed two-mode switch for mode-division multiplexing
optical networks,” Optica, vol. 4, no. 9, p. 1098, 2017.
NANOSCALE OPTICAL RGB FILTER BASED ON MIM
PLASMONIC WAVEGUIDES
Email: [email protected]
Abstract: In this paper, we present a proposal for compact
RGB filters wavelength and wavelength separators based on
nanoplasmonic metal – insulator - metal structures. The results
have been accurately investigated using the temporal coupled-
mode theory. Numerical simulation method eigenmode
expansion (EME) propagation simulation has been also used for
the overall design process. The simulation results show that the
transmission efficiency of the RGB drop filter can be achieved
significantly efficient by applying specifically optimized of nano
Fabry-Perot resonance cavity waveguide. Optical performance is
good with transmission loss is less than <8 dB, signal-to-noise
level is greater than 10 dB in 30-nm bandwidth for three RGB
bands. The proposed structure has strongly potential for the
design of highly efficient ultra-compact integration circuits as
well as nanoscale optical communication systems.
Đꢁng Hoài Bắc, nhận bằng Đại học
từ trường Đại học Bách khoa Hà
Nội, Việt Nam, vào năm 1997, các
bằng Thạc sĩ và Tiến sĩ của Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn thông
(PTIT), Hà Nội, Việt Nam, lần lượt
vào các năm 2004 và 2010. Năm
2007, Anh là thực tập sinh tại Viện
nghiên cứu Điện tử và Viễn thông,
Daejeon, Hàn Quốc. Từ năm 2009
đến 2010, anh làm Nghiên cứu viên
tại Orange Lab, France Telecom R
& D, Paris, France. Anh hiện là Phó
giáo sư /Phó giám đốc tại PTIT. Các
nghiên cứu hiện tại của anh bao gồm
các lĩnh vực điều khiển tự động, xử
lý tín hiệu, hệ thống nhúng và mạch
tích hợp.
Keywords: Surface plasmon polarizations (SPP),
frequency filter RGB, nano resonance Fabry - Perot, Metal -
Insulation - Metal (MIM)
Email: [email protected]
SOÁ 04A (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
52
6 trang
14180
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bộ tách ghép kênh RGB quang kích thước nano dựa trên các ống dẫn sóng MIM-Plasmonic", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bo_tach_ghep_kenh_rgb_quang_kich_thuoc_nano_dua_tren_cac_ong.pdf
