Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THANH HƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM Ngành: Khoa học vật liệu Mã số: 9440122 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2022 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS CHU MẠNH HOÀNG TS PHẠM ĐỨC THÀNH Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Nghiên cứu ứng dụng SPP kênh dẫn sóng plasmonic nhiều nhóm nghiên cứu triển khai Tùy thuộc vào hình dạng, kích thước vật liệu tạo nên mà kênh dẫn sóng có đặc tính khác phạm vi ứng dụng khác Các ứng dụng kênh dẫn sóng kể đến như: truyền dẫn ánh sáng kích thước nano, điều biến quang, cảm biến quang mạch quang tử cho xử lý thông tin tốc độ cao Vì vậy, NCS lựa chọn đề tài: "Nghiên cứu thiết kế, mô khảo sát hoạt động số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm" để nghiên cứu thực Mục đích nghiên cứu - Đạt thiết kế tối ưu kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm (wedge) với độ nhám bề mặt thấp dựa công nghệ vi khối ướt - Tăng cường khoảng cách truyền kênh dẫn sóng dựa giao diện điện môi/kim loại kim loại/kim loại cải tiến - Thiết kế thành cơng kênh dẫn sóng plasmonic lai cải thiện suy hao truyền diện tích mode truyền với kích thước nhỏ nhiều bước sóng ánh sáng - Phát triển thành cơng kênh dẫn sóng lai tùy biến, nhằm ứng dụng linh kiện mạch quang tử đa chức Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án kênh dẫn sóng plasmonic giới hạn phạm vi nghiên cứu kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm kênh dẫn sóng plasmonic lai Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu luận án dựa khảo sát kết nghiên cứu liên quan đến kênh dẫn sóng plasmonic, từ đề xuất ý tưởng nghiên cứu luận án phù hợp với điều kiện công nghệ Việt Nam - Luận án sử dụng phương pháp mô số, nghiên cứu đặc trưng kênh dẫn sóng sở phương pháp phần tử hữu hạn Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án - Ý nghĩa khoa học luận án: Luận án đưa số kết nghiên cứu về: giảm suy hao truyền tán sắc bề mặt; lựa chọn kim loại thiết kế cấu trúc giao diện dẫn sóng plasmon; đề xuất cấu trúc kênh dẫn sóng lai cải tiến tăng khả truyền dẫn suy hao thấp với kích thước mode truyền nhỏ kênh dẫn sóng lai tùy biến - Ý nghĩa thực tiễn luận án: Luận án phát triển cải thiện chiều dài truyền kênh dẫn sóng đơn dựa cơng nghệ vi khối ướt silíc đơn tinh thể Công nghệ vi khối ướt khả thi sử dụng chế tạo kênh dẫn sóng đơn cho ứng dụng cảm biến quang Các kênh dẫn sóng lai phát triển có suy hao truyền thấp với diện tích mode truyền nhỏ khả tùy biến dải rộng có tiềm phát triển linh kiện quang đa chức điều biến cường độ, truyền thông tin quang tốc độ cao Tính luận án Tính luận án thể kết sau đây: - Luận án đưa cấu trúc tối ưu kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm đơn - Luận án đưa cấu trúc giao diện điện môi/kim loại kim loại/kim loại có khả tăng cường dẫn sóng plasmon bề mặt - Luận án đưa hướng khắc phục giảm suy hao truyền kênh dẫn sóng diện tích mode truyền với kích thước nhỏ nhiều bước sóng ánh sáng - Luận án đề xuất số cấu trúc kênh dẫn sóng lai tùy biến Nội dung luận án Luận án có nội dung sau: Mở đầu: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô phương pháp phần tử hữu hạn Chương 3: Kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm dựa ăn mòn dị hướng ướt Chương 4: Kênh dẫn sóng plasmonic lai Chương 5: Kênh dẫn sóng plasmonic lai tùy biến Kết luận: Trình bày tóm lược kết luận án Các kết luận án cơng bố 14 cơng trình khoa học (trong có 04 báo đăng tạp chí chuyên ngành quốc tế ISI, 01 báo đăng tạp chí chuyên ngành nước, 08 báo cáo đăng kỷ yếu hội thảo nước quốc tế 01 Bằng sáng chế Giải pháp hữu ích) CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Nội dung chương tập trung vào số vấn đề sau: - Cơ sở lý thuyết polariton plasmon bề mặt, nguyên lý phương pháp kích thích kết cặp polariton plasmon bề mặt trình bày với mục đích cung cấp hiểu biết chế lan truyền polariton plasmon bề mặt kênh dẫn sóng plasmonic - Phân loại kênh dẫn sóng plasmonic, tập trung vào đặc điểm ứng dụng kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm Kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm có ưu điểm đạt kích thước kênh nhỏ bước sóng có nhiều ứng dụng như: tập trung lượng ánh sáng vào vùng nhỏ cỡ vài nm (nanofocusing), điều biến, tạo laze nano…Tuy nhiên, tổn hao Ohmic kim loại, kênh dẫn sóng dạng nêm thường có chiều dài lan truyền tương đối ngắn - Đánh giá phát triển gần kênh dẫn sóng plasmonic Trong đó, nghiên cứu liên quan đến kênh dẫn sóng plasmonic lai phát triển mạnh mẽ Các kênh dẫn sóng lai khắc phục nhược điểm kênh dẫn sóng đơn có nhiều ứng dụng mạch quang tích hợp vi hệ thống CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Chương trình bày sở tính tốn, xác định giá trị đặc trưng truyền kênh dẫn sóng plasmonic Để giải phương trình sóng, tìm số truyền thành phần trường kênh dẫn sóng plasmonic với cấu trúc phức tạp, luận án sử dụng phương pháp mơ số, tính tốn dựa phương pháp phần tử hữu hạn COMSOL Multiphysics Để làm sở tính tốn cho đề xuất cấu trúc cải tiến, chương nghiên cứu đặc trưng hoạt động kênh dẫn sóng phụ thuộc vào chia lưới chiều dày kim loại Với thông số cấu trúc, suy giảm chiều dài lan truyền sử dụng vàng mạnh gấp lần sử dụng bạc, đặc tính khác gần giống Vì vậy, chúng tơi chọn bạc để tạo thành giao diện kim loại/điện môi cho nghiên cứu sau Chương coi sở cho tính tốn khảo sát đặc trưng chế tạo kênh chương sau CHƯƠNG 3: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM DỰA TRÊN ĂN MỊN DỊ HƯỚNG ƯỚT Trong chương này, chúng tơi đề xuất kênh dẫn sóng dạng nêm SPP khảo sát đặc trưng truyền chúng Các kênh dẫn sóng dạng nêm SPP với bề mặt nhẵn mức nguyên tử chế tạo cách nghiên cứu tính chất ăn mịn dị hướng ướt si-líc đơn tinh thể dung dịch kali hydroxit (KOH) Bề mặt nhẵn đóng vai trị quan trọng kênh dẫn sóng dạng nêm SPP, bề mặt tổn hao thấp bước sóng truyền thơng quang nghiên cứu mơ số Chúng tơi phân tích so sánh đặc tính lan truyền kênh dẫn sóng dạng nêm SPP, từ đề xuất kênh dẫn sóng dạng nêm SPP với hoạt động tối ưu Cụ thể, đề xuất hai cấu trúc kênh dạng nêm cải tiến: cấu trúc kênh sử dụng thêm giao diện lớp oxit mỏng/kim loại cấu trúc kênh sử dụng thêm giao diện kim loại/kim loại (Au/Ag) 3.3 Các đặc trưng kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm Các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm bao gồm lớp kim loại phủ bề mặt kênh silíc dạng nêm, đặt khơng khí mơi trường khác Các góc nghiêng đề xuất dựa tính chất ăn mịn dị hướng ướt cơng nghệ vi khối ướt Các đặc trưng truyền kênh khảo sát theo tham số: góc mặt bên (Hình 3.5), độ rộng bề mặt đỉnh (Hình 3.6), chiều cao kênh (Hình 3.7), chiết suất mơi trường (Hình 3.8) 3.4.1 Tăng cường truyền sóng plasmon giao diện lớp oxit mỏng/kim loại 3.4.1.1 Mơ hình Hình 3.9: Sơ đồ hai cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic: (a) cấu trúc truyền thống (b) dạng nêm cải tiến với lớp giao diện ơxít mỏng/kimloại 3.4.1.2 Khảo sát đặc trưng mơ hình kênh tăng cường truyền sóng plasmon giao diện lớp ơxít mỏng/kim loại Hình 3.11: Độ dài truyền kênh sử dụng giao diện lớp ơxít mỏng/kim loại hàm tỉ số (t0/tm) với độ dày tm = 75 nm, 100 nm 125 nm Chúng khảo sát độ dài lan truyền mode SPP kênh dẫn sóng (LSPP) phụ thuộc vào tỷ lệ độ dày lớp SiO2 (to) kim loại (tm) Hình 3.11 cho thấy LSPP hàm tỷ lệ độ dày to/tm Kết khảo sát cho thấy tăng độ dày lớp bảo vệ SiO2, chiều dài truyền kênh dẫn sóng bị giảm mạnh Khi to/tm tăng đến 1, LSPP giảm lần Trong nghiên cứu này, tm cố định 75 nm, 100 nm 125 nm Trong trường hợp, tổng độ dày lớp SiO2 Ag không đổi, LSPP hàm tỷ lệ độ dày to/(tm + to) với ba giá trị khác tổng độ dày tm + to = 100 nm, 150 nm 200 nm thể hình 3.12 LSPP phụ thuộc mạnh vào to/(tm + to) Hình 3.13: So sánh đặc trưng kênh đề xuất với kênh dạng nêm đơn Au: (a) Chiều dài truyền phụ thuộc vào tm nêm kim loại Ag đặt môi trường SiO2 nêm kim loại Au đặt không khí, (b) Hệ số phẩm chất FoM nêm kim loại Ag đặt môi trường SiO2 nêm kim loại Au đặt khơng khí Để so sánh hoạt động kênh dẫn sóng đề xuất với kênh dẫn sóng dạng nêm kim loại khác, chúng tơi nghiên cứu đặc trưng truyền kênh dẫn sóng Đối với nêm Ag, hai lớp SiO2 mỏng chọn để lắng đọng nm nm Những giá trị độ dày phù hợp với công nghệ lắng đọng màng mỏng Kênh dẫn sóng dạng nêm Au sử dụng để nghiên cứu trơ với mơi trường có khả dẫn sóng SPP tốt Rõ ràng nêm Ag bao phủ lớp SiO2 màng mỏng có khả dẫn sóng SPP tốt nhiều so với kênh nêm Au khơng khí Ngay nêm Ag đặt môi trường SiO2, LSPP kênh dẫn sóng đề xuất lớn nhiều Đối với lớp SiO2 mỏng nm, LSPP kênh dẫn sóng đề xuất lớn lần so với nêm Au đặt khơng khí, Hình 3.13 (a) Mặc dù kênh nêm Ag nhúng môi trường SiO2 có LSPP thấp nhiều so với nêm Ag bao phủ lớp SiO2 mỏng (Hình 3.13a), giá trị FoM lớn lần so với nêm kim loại Au đặt mơi trường khơng khí (Hình 3.13b) Do đó, cách sử dụng nêm Ag bao phủ lớp ơxít mỏng bảo vệ, thu chiều dài truyền lớn gấp lần so với sử dụng kênh dẫn sóng SPP dạng nêm dùng kim loại khác Au 3.4.2 Tăng cường truyền sóng plasmon giao diện kim loại/kim loại 3.4.2.1 Mơ hình Hình 3.14: Sơ đồ cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm cải tiến với lớp giao diện kim loại/kimloại 3.4.2.2 Khảo sát đặc trưng mơ hình kênh tăng cường truyền sóng plasmon giao diện lớp kim loại/kim loại So với kênh dẫn sóng nêm làm Au, nêm Ag có khả dẫn sóng SPP tốt Trong phạm vi khảo sát ứng với độ dày lớp kim loại thay đổi từ 50 nm đến 250 nm, chiều cao kênh điện môi hDW = 0,5 m m, thấy tỷ lệ chiều dài chiều kênh nêm Ag/kênh nêm Au lớn lần (Hình 3.15) Hình 3.15: Sự phụ thuộc tỷ lệ độ dài truyền nêm Au/Ag vào độ dày lớp kim loại tương ứng, tAu tAg, trường hợp chiều cao kênh điện môi, hDW = 0,5 m m KẾT LUẬN CHƯƠNG Một số kết luận đạt chương gồm có: - Đã đề xuất kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm nghiên cứu từ đặc tính ăn mịn ướt dị hướng silíc đơn tinh thể - Kênh dẫn sóng SPP dạng nêm với góc mặt bên α = 54,74° thể hệ số phẩm chất FoM gần với giá trị tối ưu - Các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm đặt mơi trường điện môi chiết suất thấp cho thấy hiệu suất tốt - Khi lắng đọng lớp oxit lớp kim loại mỏng có khả trơ mặt hóa học lên lớp kim loại có khả dẫn sóng plasmon tốt Ag, dễ bị oxy hóa mơi trường, tạo kênh dẫn sóng plasmonic với đặc trưng truyền tốt kênh dẫn sóng plasmonic tạo từ kim loại có khả trơ hóa học, có tính chất dẫn sóng plasmonic CHƯƠNG 4: KÊNH DẪN SĨNG PLASMONIC LAI Trong chương này, chúng tơi đề xuất kênh dẫn sóng polariton plasmon bề mặt khe hẹp lai (HGSPPW) có ưu điểm suy hao lan truyền thấp khả giam hãm mode truyền cao Chúng đề xuất hai loại kênh HGSPPW Loại thứ bao gồm nêm kim loại hình chữ nhật kết hợp với kênh dẫn sóng điện mơi có chiết suất cao hình chữ nhật (Hình 4.1 a c) Loại thứ hai bao gồm nêm kim loại hình nón kết hợp với kênh dẫn sóng điện mơi có chiết suất cao hình chữ nhật (Hình 4.1 b d) Các nêm kim loại chế tạo giá đỡ điện môi tách khỏi kênh dẫn sóng điện mơi khe hẹp khơng khí g Chúng nghiên cứu dung sai chế tạo kênh lai như: Sai lệch nêm kim loại kênh điện môi; Độ xoay nêm kim loại; Độ trịn góc đỉnh nêm kim loại; Nhiễu chéo gây thành phần điện môi kết cặp với kênh điện mơi 4.1 Cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai Hình 4.1: Sơ đồ hai loại HGSPPW tùy biến với hình chữ nhật (a, c) với cặp nêm kim loại hình nón (b, d) kết hợp với kênh dẫn sóng điện mơi RDW 4.2 Các đặc trưng kênh HGSPPW-RMW-RDW Hình 4.3: Các đặc trưng LHGP, Aeff /A0, FOM HGSPPW-RMWRDW hàm khoảng cách, g, độ dày RMW, tm: (a - c) phụ thuộc vào g cho ba giá trị độ dày khác RMW, tm = 10, 12 15 nm; (d - f) độ dày RMW, tm , phụ thuộc vào ba khe khác tương ứng với g = 2,5 10 nm Hình 4.4: Các tính chất quang học mode HGP HGSPPWRMW-RDW hàm kích thước mặt cắt ngang DW, Hw (Ww ): (a) phần thực số mode hiệu dụng, Neff , (b) chiều dài, LHGP, (c) diện tích mode chuẩn hóa, A eff /A0 (d) FoM 10 Khi tm tăng, diện tích mode tăng chiều dài dẫn truyền giảm đơn điệu Hình 4.3 (d e) Sự biến đổi Aeff LHGP dẫn đến suy giảm đơn điệu FoM, Hình 4.3 (f) Khi tm = 10 nm g = nm, LHGP đạt mm, Aeff nhỏ 2 /(4x105 ) FoM đạt giá trị cao 1.6x105 Do đó, tổn hao dẫn truyền thấp giới hạn trường vùng khe hẹp với diện tích mode truyền nhỏ nhiều bước sóng ánh sáng đạt đồng thời giá trị tm nhỏ Bên cạnh đó, suy hao truyền hạn chế cách giảm tm thiết kế khe hẹp lớn (như quan sát thấy Hình 4.3 (a) (d)) Chúng nghiên cứu phụ thuộc đặc trưng truyền vào kích thước mặt cắt ngang DW Ở đây, xem xét hai trường hợp Trường hợp phụ thuộc đặc trưng truyền vào chiều cao Hw chiều rộng cố định Ww = 0,7 m DW Trường hợp ngược lại chiều cao Hw cố định 0,7 m chiều rộng Ww thay đổi Khi chiều cao chiều rộng DW giảm, lượng trường điện từ tập trung mạnh vào khe hẹp điện mơi Điều có nghĩa kích thước DW giảm, HGSPPW-RMW-RDW ưu tiên mode HGP, giống trường hợp giảm g thảo luận 4.3 Các đặc trưng kênh HGSPPW-TMW-RDW Hình 4.5 (a b) trình bày profile điện trường tương ứng với ba góc nêm dọc theo trục x y Biên độ trường có thay đổi khơng đơn điệu với E Như thấy hình 4.5(b), biên độ điện trường bên khe hẹp điện môi giảm với E, đạt đến giá trị tối thiểu vào khoảng 50o sau tăng góc lớn Để đồng thời đạt suy hao truyền thấp diện tích mode nhỏ, góc đỉnh nêm kim loại cần phải chọn nhỏ tốt Xu hướng biến đổi chiều dài dẫn truyền LHGP , diện tích mode hiệu dụng Aeff , chiều rộng nửa cực đại (FWHM), FoM nghiên cứu hàm E, Hình 4.5 (c d) Ở đây, FWHM tính cho profile điện trường dọc theo trục y cho thấy mở rộng điện trường dọc theo trục y giá trị E ngày lớn Những kết cho thấy HGSPPW-TMW-RDW có suy hao truyền thấp E nhỏ Đặc biệt, E 40o, HGSPPW-TMW-RDW trì đồng thời tổn hao dẫn truyền cực thấp (LHGP = 2mm) diện tích 11 mode nhỏ nhiều bước sóng ánh sáng (Aeff /A0 = 3.3x10 -4), FoM đạt giá trị siêu cao lên đến 1,3x105 Bản chất vật lý suy hao truyền thấp suy giảm tổn hao ohmic diện tích tiếp xúc giảm nêm kim loại DW E nhỏ Hình 4.5: Các profile điện trường HGSPPW-TMW-RDW tương ứng với trục x (a) trục y (b) Hình nhỏ (b) cho thấy biên độ điện trường cực đại hàm E (c) (d) LHGP, Aeff/A0, FOM, FWHM hàm E 4.4 Ảnh hưởng dung sai chế tạo Dung sai chế tạo xem xét sai lệch vị trí, y, nêm kim loại mặt phẳng trung tâm DW Các kết nghiên cứu xác nhận HGSPPW đề xuất có dung sai chế tạo tốt sai lệch nêm kim loại DW Dung sai chế tạo thứ hai ảnh hưởng đến đặc trưng truyền góc xoay, φ, nêm kim loại so với vị trí ban đầu Ở đây, khoảng cách điện mơi giữ mức nm Các sai số Neff , Aeff LHGP khảo sát theo góc xoay φ Trong phạm vi 12 góc xoay với sai số từ 0o - 10o, số mode hiệu dụng gần không bị ảnh hưởng, ngược lại diện tích mode Aeff tăng độ dài truyền giảm, LHGP giảm với φ tăng Ở góc xoay 10o, sai số Aeff LHGP 20% -20% Kết chứng tỏ suy hao mode tăng theo góc xoay khơng đáng kể sai số lớn góc xoay Các sai số Neff , LHGP Aeff khảo sát theo hàm bán kính trịn góc đỉnh nêm kim loại, Rw cho khoảng cách g = nm Kết Neff LHGP giảm đơn điệu với Rw Aeff tăng với Rw Giá trị sai số Aeff tăng nhanh với Rw so với Neff LHGP Các sai số lớn Rw dẫn đến thay đổi mạnh đặc trưng truyền kênh dẫn sóng Chúng tơi nghiên cứu ảnh hưởng nhiễu chéo gây thành phần điện mơi kết cặp với kênh dẫn sóng điện mơi Từ kết nghiên cứu, rút quy tắc thiết kế chung cho kênh dẫn sóng plasmonic lai Các vật liệu điện mơi phụ trợ nên lựa chọn loại vật liệu có chiết suất thấp, giao diện tiếp xúc điện môi phụ trợ DW nên thiết kế với khoảng cách đủ lớn khu vực tiếp xúc nên nhỏ tốt KẾT LUẬN CHƯƠNG Chúng đề xuất nghiên cứu kênh dẫn sóng SPP lai với suy hao truyền thấp cách làm giảm suy hao ohmic kênh dẫn sóng, đồng thời suy hao truyền tán xạ bề mặt khắc phục cách sử dụng kênh dẫn sóng điện mơi dựa ăn mịn dị hướng ướt Bằng cách chọn tham số thiết kế cách thích hợp, đạt độ dài truyền dẫn HGSPPWs tỷ lệ centimet cách sử dụng mode truyền hình thành kết cặp plasmon bề mặt mode quang điện môi, mode truyền trì kích thước nhỏ so với bước sóng (2/105) Kết nghiên cứu nhân tố ảnh hưởng sai lệch chế tạo, hiệu ứng kết cặp chiều dài kết cặp thể kênh dẫn sóng đề xuất chế tạo với sai số công nghệ mà khơng ảnh hưởng đáng kể tới tính chất truyền khảo sát lý thuyết 13 CHƯƠNG 5: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI TÙY BIẾN Trong chương này, nghiên cứu phương pháp điều khiển đặc trưng kênh dẫn sóng lai Trên sở đó, chúng tơi đưa hai mơ hình kênh dẫn sóng lai tùy biến: (1) Kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai tùy biến dựa chất lỏng; (2) Kênh dẫn sóng plasmonic tùy biến cách nhiễu loạn sóng rìa Một số kết khảo sát tùy biến đặc trưng truyền sóng hai mơ hình kênh đề xuất sau: 5.1 Các phương pháp điều khiển đặc trưng kênh dẫn sóng plasmonic lai Hình 5.1: Minh họa ba chế điều khiển kênh dẫn sóng HGP dựa trên: (a) điều khiển chiết suất môi trường khe điện môi, (c) điều khiển khe điện môi (e) điều khiển chiết suất kênh điện môi (b), (d) (f): phạm vi điều khiển đặc trưng kênh dẫn sóng HGP, LHGP (L) Aeff (A), cho ba trường hợp mô tả tương ứng (a), (c ) (e) 14 Có ba phương pháp để điều khiển đặc trưng kênh dẫn sóng plasmonic lai, bao gồm điều khiển chiết suất môi trường điện mơi khe, kênh dẫn sóng điện mơi khe hẹp điện môi Chiết suất môi trường khe điện mơi kênh dẫn sóng điện mơi điều khiển hiệu ứng quang nhiệt hiệu ứng quang điện, khoảng cách điện mơi thay đổi truyền động điện nano Ưu điểm nhược điểm chế điều khiển phân tích phần 5.2 Kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai tùy biến dựa chất lỏng Ở đề xuất loại kênh dẫn sóng plasmonic lai điều khiển dựa chất lỏng Linh kiện bao gồm nêm kim loại tách khỏi kênh dẫn sóng điện mơi kênh nano khơng khí Kết nghiên cứu khả tùy biến kênh dẫn sóng HGP đề xuất thể hiển Hình 5.2(b) Hình 5.2: Mơ hình kênh dẫn sóng plasmonic lai tùy biến dựa chất lỏng (a), (b) Khả tùy biến, L A , phụ thuộc vào chiết suất chất lỏng 15 Kết cho thấy độ dài dẫn truyền điều khiển lên tới 43% biến thiên chiết suất diện tích mode nhỏ lần Do đó, kênh dẫn sóng HGP điều khiển dựa chất lỏng hứa hẹn phát triển thành phần quang tử tích cực cho mạch tích hợp quang tử mật độ cao vi hệ thống chíp (labon-a-chip) 5.3 Tùy biến đặc trưng kênh dẫn sóng plasmonic lai cách nhiễu loạn sóng rìa Hình 5.3: Mơ hình hình học kênh dẫn sóng plasmonic lai: (a) hình ba chiều kênh; (b) mặt cắt ngang kênh αE góc đỉnh nêm kim loại g khoảng cách nêm kim loại kênh dẫn sóng điện mơi Hw Ww kích thước mặt cắt ngang kênh dẫn sóng điện mơi te we kích thước mặt cắt ngang điện cực điều biến chiết suất ge khoảng cách điện cực kênh dẫn sóng Điện cực điều biến di chuyển học dọc theo hướng x hướng y Các chuyển vị trục x y x y 16 Để điều khiển đặc trưng truyền kênh dẫn sóng plasmonic lai, chiết suất kênh dẫn sóng điện mơi có chiết suất cao điều khiển cách làm nhiễu trường sóng rìa điện cực điều biến chiết suất gần kênh dẫn sóng điện mơi Chúng tơi phân tích phụ thuộc đặc trưng vào tham số hình học thay đổi vị trí điện cực điều biến để thấy hiệu phương pháp Điện cực dịch chuyển phương pháp truyền động tĩnh điện, áp điện, lực quang Trong số đó, dẫn động tĩnh điện quan tâm công suất hoạt động không đáng kể khả tích hợp tương thích cao với linh kiện quang học khác Mode plasmon truyền kênh dẫn sóng plasmonic lai mode plasmon khe hẹp tạo kết cặp mode plasmon nêm kim loại mode quang tử kênh dẫn sóng điện mơi Do đó, cách sử dụng điện cực để làm nhiễu trường rìa kênh dẫn sóng điện mơi, kiểm sốt đặc trưng truyền mode plasmon khe hẹp lai (HGP) 5.3.2 Tùy biến đặc trưng truyền sóng Hình 5.6: Các đặc trưng kênh dẫn sóng plasmonic lai, Neff , LHGP , Aeff /A0 FoM , khảo sát theo y 17 Sự phụ thuộc đặc trưng truyền sóng vào y, với we = 200, 400 800 nm, thể Hình 5.6 (a) (d) Như thấy, Neff LHGP tăng điện cực di dời liền với kênh dẫn sóng điện mơi (y giảm) diện tích mode Aeff (= 2,44 2 /105 ) độc lập với y Tại giá trị lớn we , LHGP thay đổi mạnh theo y đạt giá trị tiệm cận, Hình 5.6 (b) Trường hợp đặc biệt, điện cực điều biến với we = 800 nm thay y = 100 nm, phạm vi điều khiển LHGP (L) điều biến lên đến 74%, từ 11,2 mm đến 19,6 mm Hơn nữa, kết cho thấy phương pháp tùy biến cho kênh dẫn sóng plasmon lai với LHGP (ở tỷ lệ cm) hiệu trì kích thước mode truyền nhỏ nhiều bước sóng ( 2/104 ) Hệ số phẩm chất FoM linh kiện đạt giá trị cao, 1,2x106, Hình 5.6(d), cao hai bậc độ lớn so với báo cáo [38] KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương này, chế tùy biến cho kênh dẫn sóng plasmonic lai nghiên cứu Một kênh dẫn sóng lai điều biến khoảng cách truyền đề xuất khảo sát Các kết đạt chương tóm tắt sau: - Cơ chế tùy biến dựa thay đổi chiết suất kênh điện môi thể ưu việt so với chế thay đổi chiết suất môi trường khe hẹp điện môi và khoảng cách khe hẹp Khi sử dụng chế này, chiều dài truyền sóng plasmon tỷ lệ cm điều biến diện tích mode truyền trì nhỏ (2 /105) - Đã đề xuất minh họa thành cơng kênh dẫn sóng lai tùy biến dựa điều khiển chiết suất kênh dẫn sóng điện mơi sử dụng phương pháp nhiễu loạn trường rìa - Khả năng điều biến khoảng cách truyền đạt tới 80%, diện tích mode truyền khơng bị thay đổi q trình điều biến (2,44 2/105) - Cơ chế điều khiển nhiễu loạn trường rìa kênh điện mơi thực dựa chấp hành tĩnh điện có tốc độ tương đối nhanh, cỡ µs, công suất tiêu thụ thấp hoạt động chấp hành dựa chế chấp hành kiểu điện dung, khơng có dịng điện 18 KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN Dựa kết nghiên cứu đạt luận án, số kết luận rút sau: - Luận án đưa cấu trúc hình học khác kênh dẫn sóng plasmonic đơn cấu tạo từ kênh dẫn sóng điện mơi silíc có độ nhám thấp mức nguyên tử phủ lớp kim loại mỏng dựa vào tính chất ăn mịn dị hướng ướt silíc đơn tinh thể Kênh dẫn sóng plasmonic đơn hoạt động tối ưu tìm thấy với góc mặt bên khoảng 60o, chiều dài truyền kênh dẫn sóng đạt 400 m, diện tích mode truyền 2/103 sử dụng kim loại Ag làm lớp phủ tạo giao diện điện mơi/kim loại dẫn sóng plasmonic - Luận án đề xuất thiết kế cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic, lớp kim loại Ag có tính chất dẫn sóng plasmon tốt dễ bị oxy hóa phủ lớp oxít kim loại mỏng có tính chất trơ với mơi trường để bảo vệ lớp màng mỏng Ag Kết khảo sát thể chiều dài truyền tăng cường lên gấp lần so với kênh dẫn sóng plasmonic sử dụng kim loại trơ với môi trường Au để tạo giao diện kim loại/điện môi cho dẫn sóng plasmonic - Luận án đề xuất kênh dẫn sóng plasmonic lai có độ suy hao truyền thấp với kích thước mode truyền nhỏ nhiều kích thước bước sóng ánh sáng truyền Kênh dẫn sóng có khoảng cách truyền tỷ lệ cm, diện tích mode truyền có kích thước nhỏ nhiều kích thước bước sóng ánh sáng (2/105) Các nhân tố ảnh hưởng sai số trình chế tạo thành phần kết cặp tới đặc trưng truyền kênh dẫn sóng khảo sát Qua kết khảo sát cho phép kênh dẫn sóng chế tạo với sai số công nghệ không làm thay đổi nhiều tính chất mode truyền kênh dẫn sóng thu từ thực nghiệm - Luận án đưa kênh dẫn sóng lai tùy biến Kênh dẫn sóng với cấu trúc tích hợp ứng dụng chế tùy biến để điều khiển đặc trưng truyền Các chế tùy biến ứng dụng kênh dẫn sóng lai điều khiển khoảng cách khe điện môi, chiết suất môi trường khe điện môi chiết suất kênh dẫn sóng điện mơi Dựa kết khảo sát thể chế tùy biến dựa điều khiển chiết suất kênh dẫn sóng điện 19 mơi thể ưu việt so với hai chế lại khả điều khiển khoảng cách truyền lớn, diện tích mode truyền giữ khơng đổi trình điều biến Dựa kết nghiên cứu so sánh vậy, luận án đưa chế tùy biến khả thi để điều khiển chiết suất kênh dẫn sóng điện mơi sử dụng điện cực nhiễu loạn sóng rìa kênh dẫn sóng điện mơi Kết khảo sát thể rằng, điều khiển khoảng cách truyền tới 100%, diện tích mode truyền (2/105) khơng bị thay đổi q trình điều khiển chiều dài truyền Định hướng nghiên cứu - Xây dựng hệ thống đo lường để khảo sát thực nghiệm đặc trưng truyền kênh dẫn sóng plasmonic chế tạo Mặt khác, nhóm nghiên cứu kết hợp với nhóm nghiên cứu khác để tiến hành khảo sát đặc trưng truyền thực nghiệm - Tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu tương lai, đặc biệt ứng dụng kênh dẫn sóng plasmonic cảm biến quang 20 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyen Van Chinh, Nguyen Thanh Huong, and Chu Manh Hoang (2015), “Design and simulation of triangular wedge surface plasmon polariton waveguide”, The 9th Vietnam National Conference of Solid Physics and Materials Science , pp 314-317, ISBN: 978-604-938-722-7 Nguyen Van Chinh, Nguyen Thanh Huong, Vu Ngoc Hung, Chu Manh Hoang (2015), “Fabrication of triangular-shaped plasmonic waveguide based on wet bulk micromachining”, International Conference on Applied & Engineering Physics, pp 124-127, 2015, ISBN: 978-604-913-232-2 Nguyen Van Chinh, Nguyen Thanh Huong, Chu Manh Hoang (2016), “Wedge Mode Propagation Characteristics of Triangular–shaped Surface Plasmon Waveguide”, VNU Journal of Science: Mathematics – Physics, Vol 32, No 3, pp 41-48 Nguyen Van Chinh, Nguyen Thanh Huong, Vu Ngoc Hung, Chu Manh Hoang (2016), “Characteristics of Trapezoidal-Shaped Plasmonic Waveguide”, The 3rd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, pp 111-114, ISBN: 978604-95-0010-7 Nguyen Thanh Huong, Nguyen Van Chinh, Vu Ngoc Hung, Chu Manh Hoang (2016), “Design and simulation of channel surface plasmon polariton waveguide”, The 3rd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, ISBN: 978-604-95-0010-7 Nguyen Thanh Huong, Nguyen Van Chinh, Vu Ngoc Hung, Chu Manh Hoang (2016), “Surface Plasmon Polariton Modes in VShaped Groove”, The 3rd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, ISBN: 978-604-95-0010-7 Nguyen Thanh Huong, Nguyen Van Chinh, Chu Manh Hoang (2016), “Guiding mode characteristics of hybrid V-grooved surface plasmon waveguide”, The 9th Vietnam National Conference on Optics & Spectroscopy, ISBN: 978-604-913-578-1, pp 189-192 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyen Van Chinh, Nguyen Thanh Huong, Chu Manh Hoang (2016), “A study on direct coupling between photonic and wedge surface plasmon waveguides”, The 9th National Conference on Optics & Spectroscopy, ISBN: 978-604-913-578-1, pp 224227 Huong, Nguyen T.; Chinh, Nguyen V.; Hoang, Chu M (2019), "Wedge Surface Plasmon Polariton Waveguides Based on Wet-Bulk Micromachining." Photonics 6, no 1: 21 https://doi.org/10.3390/photonics6010021 (ISI) 10 Huong Thanh Nguyen, Son Ngoc Nguyen, Minh Tuan Trinh, Kazuhiro Hane, Hoang Manh Chu (2019), "Tunable hybrid gap surface plasmon polariton waveguides with ultralow loss deepsubwavelength propagation", Plasmonics, DOI: 10.1007/s11468019-00971-4 (ISI) 11 Nguyen Thanh Huong, Nguyen Manh Duong, Nguyen Van Chinh, Vu Ngoc Hung, Chu Manh Hoang (2019), “Wedge plasmonic waveguides for light wave propagation at the nanoscale”, Vietnam – Japan Science and Technology Symposium (VJST2019) 12 Thành viên Bằng độc quyền Giải pháp hữu ích số 2363: “Kênh dẫn sóng plasmon lai”, Quyết định số 7472w/QĐ-SHTT, ngày 16/06/2020 13 Nguyen Thanh Huong, and Chu Manh Hoang (2020), “Modal characteristics and the tunability of horizontal hybrid gap plasmonic waveguide”, AIP advances - Journal of Applied Physics B, DOI: https://doi.org/10.1007/s00340-020-7378-6 (ISI) 14 Nguyen Thanh Huong, Nguyen Duy Vy, Minh Tuan Trinh, Chu Manh Hoang (2020), “Tuning SPP propagation length of hybrid plasmonic waveguide by manipulating evanescent field”, Optics Communications, DOI: https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.125335 (ISI) ... vi nghiên cứu kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm kênh dẫn sóng plasmonic lai Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu luận án dựa khảo sát kết nghiên cứu liên quan đến kênh dẫn sóng plasmonic, ... mặt kênh dẫn sóng plasmonic - Phân loại kênh dẫn sóng plasmonic, tập trung vào đặc điểm ứng dụng kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm Kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm có ưu điểm đạt kích thước kênh. .. giá phát triển gần kênh dẫn sóng plasmonic Trong đó, nghiên cứu liên quan đến kênh dẫn sóng plasmonic lai phát triển mạnh mẽ Các kênh dẫn sóng lai khắc phục nhược điểm kênh dẫn sóng đơn có nhiều