Luận án nghiên cứu, thiết kế cấu trúc tinh thể quang tử 1d và 2d ứng dụng cho linh kiện lưỡng trạng thái ổn định

1 MỞ ĐẦU Các linh kiện quang tử quang-điện tử cấu trúc micro nano gần quan tâm nghiên cứu nhiều ứng dụng tính vượt trội mạch vi quang-điện tử tích hợp, có tốc độ xử lý nhớ khơng tn theo định luật Moore Các tính chất đặc biệt linh kiện quang tử quang-điện tử cấu trúc micro nano hy vọng thực hóa hệ linh kiện với kích thước trọng lượng nhỏ ánh sáng, có hiệu suất cao, giá thành rẻ tiêu hao lượng…[1-5] Có hai phương pháp tiếp cận chủ yếu để nâng cao hiệu suất, tính giảm giá thành linh kiện quang tử quang-điện tử: (i) thứ sử dụng cấu trúc cho phần tử tạo nên linh kiện đó; (ii) phương pháp tiếp cận lại việc sử dụng vật liệu tiên tiến với nhiều tính đặc biệt Trong khuôn khổ luận án tiến sỹ ngành khoa học vật liệu, chuyên ngành vật liệu quang học, quang điện tử quang tử, sâu nghiên cứu trình bày việc sử dụng cấu trúc cho vật liệu linh kiện quang tử (cấu trúc nhân tạo) khơng có sẵn tự nhiên, ứng dụng cho thông tin, truyền thông xử lý quang học Ngành khoa học quang tử (Photonics) đời từ năm 80 kỷ XIX [6] phát triển sôi động kỷ XX, đặc biệt từ khám phá số loại vật liệu có cấu trúc nhân tạo cấu trúc tinh thể quang tử (Photonic Crystals-PhCs), cấu trúc plasmonics cấu trúc siêu vật liệu (Metameterials-MMs) [7-9] Cấu trúc PhCs cấu trúc tuần hồn khơng gian phần tử có số điện mơi khác xếp tuần hồn xen kẽ Tính tuần hồn chiết suất vật liệu điện môi làm cho PhCs giam giữ ánh sáng mà khơng bị tiêu hao lượng Ánh sáng/sóng điện từ truyền cấu trúc PhCs tương tác với tuần hồn phần tử có điện mơi khác làm xuất vùng cấm quang (Photonic Band Gap - PBG) Các sóng ánh sáng/sóng điện từ có tần số nằm vùng PBG truyền qua cấu trúc PhCs Như vậy, hai thuật ngữ “cấu trúc tinh thể quang tử” hay “vật liệu có vùng cấm quang” đồng Ngồi ra, dễ dàng giam giữ, điều khiển, định hướng sóng ánh sáng/sóng điện từ theo phương truyền xác định mà mong muốn Có thể tạo dẫn truyền sóng ánh sáng/sóng điện từ vùng PBG cách tạo khuyết tật điểm khuyết tật hàng cấu trúc PhCs Khuyết tật điểm khuyết tật hàng sử dụng để tạo cộng hưởng kênh dẫn sóng quang học Đây phần tử tạo nên linh kiện quang tử quang-điện tử tích hợp chuyển mạch xử lý quang học mà luận án đề cập Cấu trúc tinh thể quang tử nghiên cứu phát triển rộng khắp giới, bật nhóm nghiên cứu cấu trúc PhCs mà tơi biết, nhóm nghiên cứu khoa học giáo sư J.D Joannopoulos Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) [10,11] Thành viên nghiên cứu chủ chốt nhóm đến từ khoa như: Vật lý, Khoa học vật liệu, Cơng nghệ Điện tử-Máy tính, Tốn học…Hàng năm, nhiều cơng trình cơng bố xuất sắc đăng tải tạp chí khoa học uy tín hàng đầu Science, Nature, Physical Review Letters…Nhiều sản phẩm phần mềm khoa học tính tốn, mơ giới biết đến sử dụng rộng rãi MIT Photonic Bands (MPB), MIT Electromagnetic Equation Propagation (MEEP) [10,11] Nhiều ứng dụng vật liệu linh kiện phát triển chế tạo dựa kết tính tốn mô tối ưu Trên giới, đặc biệt Mỹ, cịn có nhiều Tập thể nghiên cứu (Viện nghiên cứu, Phịng thí nghiệm, Nhóm nghiên cứu) nghiên cứu cấu trúc PhCs cho ứng dụng khác từ thông tin, cảm biến xử lý ô nhiễm môi trường [12,13] Tại Việt Nam, hướng nghiên cứu linh kiện quang tử quang-điện tử sử dụng cấu trúc PhCs vấn đề thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học Viện Nghiên cứu, Trường Đại học: nhóm nghiên cứu Viện Khoa học vật liệu, Viện Vật lý (Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam), Đại học Bách Khoa, Học viện Bưu chính-Viễn thơng, Đại học Vinh, Đại học Khoa học Huế [14] Tại Viện Khoa học vật liệu, nhóm nghiên cứu PGS.TS Phạm Văn Hội, PGS.TS Phạm Thu Nga chế tạo thành công cấu trúc PhCs 1D 3D [15-17] vật liệu silic xốp silica ứng dụng cho cảm biến đo chất lỏng Tuy nhiên, nghiên cứu linh kiện nói chung linh kiện quang- điện tử cấu trúc micro nano nói riêng cịn khiêm tốn, rời rạc chưa có tính hệ thống Với lý đó, mục tiêu nhóm nghiên cứu tơi Viện Khoa học vật liệu kết hợp nghiên cứu tính tốn, mơ số linh kiện quang tử micro nano sử dụng cấu trúc PhCs 1D 2D, cấu trúc buồng vi cộng hưởng, cấu trúc cộng hưởng plasmon bề mặt định hướng ứng dụng cho linh kiện thông tin quang, linh kiện chuyển mạch xử lý quang học Để tạo thành hệ thống hóa kết từ lý thuyết, mơ tới thực nghiệm Nhóm nghiên cứu thu số kết tốt đăng tải tạp chí khoa học quốc tế có uy tín [18-26] Hai phương pháp để tính tốn mơ cấu trúc PhCs 1D 2D ứng dụng cho thông tin truyền thông quang học đặc biệt linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định: (i) đạo hàm hữu hạn miền thời gian FDTD (ii) khai triển sóng phẳng PWE Đây hai phương pháp tốn đại, có độ xác cao cho phép giải tốn cụ thể có sử dụng hệ phương trình Maxwell hai miền thời gian miền tần số Hai phương pháp toán nhúng hai phần mềm mã nguồn mở miễn phí, có độ tin cậy cao MEEP MPB, phát triển Viện Công nghệ Massachusetss (Hoa Kỳ) để tính tốn, mơ vật liệu cấu trúc linh kiện quang tử Cả hai phần mềm MEEP MPB cài đặt hệ thống tính tốn song song hiệu cao phịng thí nghiệm Các kết tính tốn, mơ khẳng định đắn xác việc xây dựng mơ hình lý thuyết Dựa kết tích cực có thời gian qua gồm lý thuyết, tính tốn mơ [18-26], luận án với tiêu đề: “Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc tinh thể quang tử 1D 2D ứng dụng cho linh kiện lưỡng trạng thái ổn định” nghiên cứu cách có hệ thống ảnh hưởng tham số cấu trúc đến đặc tính hiệu linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sử dụng cấu trúc PhCs 1D 2D Đề xuất cấu trúc PhCs có hệ số phẩm chất Q cao cường độ quang đầu vào thấp ứng dụng cho kênh dẫn sóng cộng hưởng quang học, linh kiện chuyển mạch xử lý quang học Mục tiêu nghiên cứu luận án: Luận án đặt mục tiêu nghiên cứu xây dựng mơ hình vật lý, đề xuất cấu trúc, tính tốn mơ linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sử dụng cấu trúc PhCs 1D 2D Ảnh hưởng cấu hình tham số cấu trúc PhCs lên đặc tính hiệu làm việc linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định nghiên cứu cách có hệ thống Các vấn đề mà luận án tập trung giải là: + Tổng quan vật liệu có vùng PBG hay cấu trúc PhCs tính chất đặc trưng linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định + Đề xuất mơ hình cấu trúc linh kiện quang tử mới, tính tốn lý thuyết tham số đặc trưng so sánh với kết mơ + Nghiên cứu tính tốn mơ cách có hệ thống để xác định tham số tối ưu cấu trúc PhCs 1D 2D ứng dụng cho linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định: hệ số phẩm chất Q cao, cường độ quang cho chuyển mạch thấp thời gian chuyển mạch nhanh + Đề xuất thiết kế số cấu trúc kết hợp để nâng cao hiệu suất đặc tính linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định Đối tượng nghiên cứu luận án: + Các phương pháp tính tốn, mơ để định lượng, phân tích tham số vật liệu linh kiện quang tử + Dẫn sóng cộng hưởng cấu trúc PhCs 1D 2D + Linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sử dụng cấu trúc PhCs 1D 2D, ứng dụng cho thông tin quang: chuyển mạch xử lý quang học Nội dung phương pháp nghiên cứu: Luận án kết hợp xây dựng mơ hình lý thuyết, thiết kế, tính tốn mơ linh kiện quang tử sử dụng cấu trúc PhCs 1D 2D, ứng dụng cho thông tin quang: chuyển mạch xử lý quang học Các kết tính tốn mô luận án so sánh với cơng trình cơng bố trước để kiểm chứng Ý nghĩa khoa học luận án: + Nâng cao hiểu biết linh kiện quang tử hệ sử dụng vật liệu có vùng cấm quang (cấu trúc PhCs) + Đề xuất cấu trúc có tính chất đặc biệt cho phần tử linh kiện chuyển mạch quang có hiệu suất cao sử dụng cấu trúc PhCs 1D 2D + Là tài liệu tham khảo cho nghiên cứu đào tạo sau đại học lĩnh vực quang tử cấu trúc micro nano Việt Nam + Là tài liệu có giá trị cho nhà sản xuất linh kiện quang tử quang-điện tử tích hợp Điểm khác biệt nội dung nghiên cứu luận án: + Hiện Việt Nam, có đề tài, luận án sâu nghiên cứu vật liệu có vùng cấm quang (cấu trúc PhCs) ứng dụng cho thông tin quang học, thiếu trang thiết cần thiết để chế tạo mẫu Luận án xem đầu nghiên cứu tính tốn, mơ linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sử dụng cấu trúc PhCs 1D 2D Việt Nam + Luận án sử dụng phương pháp tính tốn mơ đại, có độ xác cao để kiểm chứng kết mơ hình lý thuyết, luận án góp phần làm tăng thêm tính học thuật nghiên cứu trình độ cao Luận án chia làm chương sau: Chương Tổng quan Chương Phương pháp tính tốn mơ Chương Tối ưu hóa hệ số phẩm chất phổ cộng hưởng cấu trúc cách tử dẫn sóng Chương Lưỡng trạng thái quang ổn định cấu trúc cách tử dẫn sóng Chương Lưỡng trạng thái quang ổn định dựa tương tác cộng hưởng dẫn sóng khe hẹp cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc tinh thể quang tử 1.1.1 Tổng quan cấu trúc tinh thể quang tử Khái niệm cấu trúc PhCs đưa hai nhà khoa học Yablonovitch John năm 1987 [7] Hình 1.1 Ba loại cấu trúc PhCs (a) 1D, (b) 2D (c) 3D [27] PhCs cấu trúc tuần hoàn khơng gian vật liệu có số điện môi khác xếp xen kẽ Do tính chất tuần hồn chiết suất dẫn tới cấu trúc PhCs xuất vùng PBG Tùy thuộc vào số chiều tuần hoàn mà cấu trúc PhCs chia thành ba loại: PhCs 1D, 2D 3D trình bày Hình 1.1 Cấu trúc PhCs đặc trưng số đặc tính sau: Số chiều: 1D, 2D 3D tùy thuộc vào tuần hoàn chiết suất theo chiều không gian Hệ số lấp đầy (f): Là tỷ lệ thể tích đơn thể tạo nên cấu trúc PhCs so với tồn thể tích vật liệu Chiết suất hiệu dụng (neff): Là bậc hai số điện môi hiệu dụng (εeff) Hằng số điện môi hiệu dụng định nghĩa số điện môi trung bình vật liệu tạo thành cấu trúc PhCs εeff = (1-f)ε1 + fε2 (1.1) f hệ số lấp đầy, ε1 ε2 tương ứng số điện môi hai vật liệu tạo nên cấu trúc PhCs có đơn vị Tính đối xứng: Các cấu trúc PhCs nói chung có tính đối xứng Cách xếp đơn thể cấu trúc PhCs xác định tính đối xứng mạng tinh thể Hình 1.2 minh họa đối xứng ba chiều thấy mạng Bravais cấu trúc PhCs Hình 1.2 Minh họa cách xếp đơn tinh thể tạo nên cấu trúc PhCs với đối xứng khác a) lập phương đơn, b) lục giác đơn, c) lập phương tâm thể, d) lập phương tâm mặt, e) lục giác xếp chặt, f) mạng kim cương [27] Hằng số mạng (a): Được định nghĩa chu kỳ không gian đơn thể cấu tạo nên cấu trúc PhCs tương tự số mạng tinh thể thông thường cấu tạo nên dãy đặn nguyên tử Trong trường hợp mạng lập phương số mạng thường lấy cạnh hình lập phương Hình 1.3 Hai loại mạng tinh thể cấu trúc PhCs 2D (a) Mạng tinh thể hình vng, (b) Mạng tinh thể hình lục giác [28] 1.1.2 Cấu trúc tinh thể quang tử chiều cách tử dẫn sóng 1.1.2.1 Khái niệm cấu trúc tinh thể quang tử chiều Cấu trúc PhCs 1D cấu trúc đơn giản bao gồm lớp vật liệu có chiết suất khác xếp xen kẽ Lúc chiết suất tuần hoàn theo hướng đồng theo hai hướng lại Ví dụ cấu trúc PhCs 1D đưa Hình 1.4 [7] Hình 1.4 Màng đa lớp, cấu trúc PhCs 1D gồm lớp vật liệu có chiết suất khác nằm xen kẽ tuần hoàn (chu kỳ a) theo trục z [7] Giản đồ vùng PBG cấu trúc PhCs 1D có ý nghĩa quan trọng, có nhiều ứng dụng phụ thuộc vào độ rộng vùng PBG Ví dụ, cấu trúc PhCs sử dụng làm lọc sóng quang học dải hẹp loại bỏ tất (hoặc số) tần số ánh sáng nằm vùng PBG 1.1.2.2 Giản đồ vùng cấm quang Vùng PBG vùng tần số mà tất sóng ánh sáng có tần số nằm vùng PBG truyền qua cấu trúc Giản đồ vùng PBG kiểu cấu trúc PhCs 1D đưa Hình 1.5 Hình 1.5a cấu trúc đồng có số điện mơi ε = 13; Hình 1.5b cấu trúc PhCs 1D với lớp có số điện mơi ε = 13 12; Hình 1.5c cấu trúc PhCs 1D với lớp có số điện môi ε = 13 Chúng ta thấy Hình 1.5c có độ rộng vùng PBG rộng Do kết luận số mạng, chênh lệch chiết suất hai lớp điện môi có độ dày lớn độ rộng vùng PBG rộng Hình 1.5 Giản đồ vùng PBG cấu trúc Hình (a) cấu trúc đồng có số điện mơi ε = 13, (b) số điện môi lớp ε = 13 12, (c) số điện môi lớp ε = 13 [7] Độ rộng vùng PBG cấu trúc PhCs 1D mơ tả thơng qua độ rộng dải tần số Δω Với dải tần số vùng PBG khác nhau, tỷ số Δω/ωm (tính phần trăm), ωm tần số trung tâm vùng PBG, tiêu chí xác định kích thước vùng PBG Cũng lý mà biểu đồ Hình 1.5 biểu đồ cấu trúc vùng tần số véc tơ sóng tính theo đơn vị khơng thứ ngun ωa/2πc ka/2π Tần số không thứ nguyên tương đương với tỷ số a/λ, λ bước sóng ánh sáng chân khơng (λ=2πc/ω) Cấu trúc PhCs 1D với tính tuần hồn yếu, đề xuất cơng thức đơn giản cho kích thước vùng PBG Theo đó, giả sử hai vật liệu cấu tạo nên màng đa lớp có số điện mơi ε ε+Δε bề dày tương ứng (a-d) d Nếu độ tương phản số điện môi yếu (Δε/ε