Bài Tập Lớn Công Nghệ Nano - Đề Tài : Truyền Dẫn Ánh Sáng Trong Các Tinh Thể Quang Tử Hai Chiều . Phân Tách Tia Sáng

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Viện Điện tử Viễn thông BÀI TẬP LỚN CÔNG NGHỆ NANO Đề tài Truyền dẫn ánh sáng trong các tinh thể quang tử hai chiều Phân tách tia sáng Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Viện Điện tử - Viễn thơng BÀI TẬP LỚN CƠNG NGHỆ NANO Đề tài: Truyền dẫn ánh sáng tinh thể quang tử hai chiều: Phân tách tia sáng Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Hưng Th.S Nguyễn Bích Huyền Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Hiếu Đặng Thế Hảo Nguyễn Hồng Minh Nguyễn Văn Tiến Nguyễn Hà Đức Chính Nguyễn Gia Lương Nguyễn Sỹ Kiên Hoàng Vũ Hiếu Hoàng Thế Sơn Nguyễn Văn Chiến 20131428 20131283 20132593 20133596 20130421 20132458 20132142 20121679 20122339 20111250 KT KT KT KT KT KT KT KT KT KT ĐTTT 05 K58 ĐTTT 04 K58 ĐTTT 07 K58 ĐTTT 01 K58 ĐTTT 02 K58 ĐTTT 09 K58 ĐTTT 09 K58 ĐTTT 05 K57 ĐTTT 07 k57 ĐTTT 05 K56 Hà Nội, 12/2017 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 1: Một Cell không gian mô FDTD .4 2: Cấu tạo lưới FDTD mặt phẳng Oxy 3: Trường điện từ truyền từ mơi trường có ℇ1 dang mơi trường có ℇ2 4: Mặt phẳng phân cách hai môi trường .8 5: Tinh thể quang tử tự nhiên .14 6: Tinh thể quang tử nhân tạo 14 7: Tinh thể quang tử chiều (1D), chiều (2D), chiều (3D) 15 8: Tinh thể quang tử chiều 15 9: Tinh thể quang tử chiều 16 10: Tinh thể quang tử chiều 16 11: Vùng cấm quang 17 12: Sai hỏng đường mạng tinh thể 18 13: Mơ hình tinh thể quang tử 2-D mạng vuông GaAs 20 14: Vùng cấm quang tinh thể có cấu trúc hình 13 21 15: Một khớp nối chữ T đơn giản 21 16: Kết mô 2D 22 MỤC LỤC I Phương pháp FDTD Giới thiệu chung Cơ sở thuật tốn FDTD cho phương trình Maxwell Phương pháp FDTD mô hai chiều II Điều kiện biên tuần hoàn điều kiện biên PML (Perfectly Matched Layer) Cơ sở lý thuyết .7 Điều kiện biên .7 Điều kiện biên PML 10 Phân tách vecto PML .11 Lớp PML không phân tách .11 III Tổng quan tinh thể quang tử 13 Giới thiệu chung 13 Tinh thể quang tử chiều (1D) 15 Tinh thể quảng tử chiều (2D) 16 Tinh thể quang tử chiều (3D) 16 IV Nguyên lý truyền dẫn điều khiển ánh sáng 17 Vùng cấm quang (photonic band gap) 17 Các sai hỏng đường tinh thể quang tử 18 Bộ chia quang .18 V Tài liệu tham khảo 23 I Phương pháp FDTD Giới thiệu chung FDTD phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (Finite Difference Time Domain) Phương pháp được đưa bởi Kane Yee người Nhật năm 1966 Trong thời gian đầu, phương pháp FDTD không được áp dụng rộng rãi hạn chế nhớ khả xử lý máy tính Tuy nhiên, thời gian gần với phát triển nhanh công nghệ máy tính, dung lượng nhớ tốc độ xử lý máy tính không còn vấn đề, phương pháp FDTD trở thành kỹ thuật mô tốn trường điện từ thơng dụng Phương pháp FDTD giải hệ phương trình Maxwell trực tiếp miền thời gian, vậy kết trải dải tần số rộng với tiến trình mơ Hình 1: Một Cell khơng gian mơ FDTD Cơ sở thuật tốn FDTD cho phương trình Maxwell - Thay tồn dẫn xuất luật Ampe Faraday với khác biệt hữu hạn Rời rạc không gian thời gian để trường từ điện được xen kẽ hai miền - Giải phương trình để thu được “phương trình mới” thể trường tương lai (chưa biết) lĩnh vực (đã biết) khứ - Đánh giá trường từ để chúng được biết đến (giờ trở thành lĩnh vực khứ) - Đánh giá điện từ để chúng được biết đến (giờ trở thành lĩnh vực khứ) - Lặp lại hai bước trường đã thu được khoảng thời gian mong muốn Phương pháp FDTD mô hai chiều - Xét phương trình Maxwell chuẩn hóa ur uur D =  H t  0 uur ur H = −  E t 0 ur ur D ( ) =   r ( ).E ( ) (1) (2) (3) - Xét tốn sóng điện từ ngang TM để mơ phỏng, ta có: uuur uuur uur   H y Hx   Dz = −   t y   0  x uur uur Dz ( ) =  r ( ) Ez ( ) uuur uur Hx  Ez =− t  0 y uuur uur H y  Ez =− t  0 x (4) (5) (6) (7) - Rời rạc phương trình thứ 4, ta có: Dzn +1/2 (i, j ) − Dzn −1/2 (i, j ) = t  H yn (i + 1/ 2, j ) − H yn (i − 1/ 2, j )    x  0    H xn (i, j + 1/ 2) − H xn (i, j − 1/ 2)  −  y  0   (8) H xn +1 (i, j + 1/ 2) − H xn (i, j ) =− t Ezn +1/2 (i, j + 1) − Ezn +1/2 (i, j ) x  0 (9) H yn +1 (i + 1/ 2, j ) − H yn (i, j ) Ezn +1/2 (i + 1, j ) − Ezn +1/2 (i, j ) x  0 (10) t =− 1 - Dựa vào phương trình ta thấy khơng gian mơ có dạng lưới Hình sau cho ta thấy cấu tạo lưới FDTD mặt phẳng Oxy E z ( x, y , t ) = E z ( nx , n y , nt ) = Ez( n ,nt ) (11) Hình 2: Cấu tạo lưới FDTD mặt phẳng Oxy II Điều kiện biên tuần hoàn điều kiện biên PML (Perfectly Matched Layer) Cơ sở lý thuyết a Toán tử laplace - 𝛻 được gọi tốn tử laplace hay kí hiệu ∆ ⃗⃗⃗ = ∆𝐸⃗ = 𝛻 (𝛻𝐸⃗ ) − 𝛻 × 𝛻 × 𝐸⃗ 𝛻2 𝐸 (12) - Trong tọa độ Descartes: ∆𝐸⃗ = ⃗⃗𝑖⃗𝑥 ∆𝐸𝑥 + ⃗⃗⃗ 𝑖𝑦 ∆𝐸𝑦 + ⃗⃗𝑖𝑧 ∆𝐸𝑧 (13) - Và hàm vô hướng: 𝜕2𝑦 𝜕2𝑦 𝜕2𝑦 ∆𝑓 = + + 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 (14) - Trong hệ tọa độ trụ: 𝜕𝐸 𝐸 𝜕𝐸𝛾 𝐸𝜑 ⃗⃗⃗ = (𝛻 𝐸𝛾 − × 𝜑 − 𝛾 ) ⃗⃗⃗ 𝛻2 𝐸 𝑖 + (𝛻 𝐸 + × − ) ⃗⃗⃗ 𝑖𝜑 + 𝛻 𝐸𝜁 𝑖𝜁 (15) 𝛾 𝜑 2 𝑟 𝜕𝜑 𝑟 𝑟 𝜕𝜑 𝑟 Điều kiện biên - Các thông số đặc trưng cho tính chất môi trường 𝜀, 𝜇, 𝛾 hàm số tọa độ Trong môi trường chúng hàm liên tục khơng có điểm nhảy vọt - Tại mặt biên phân chia môi trường chất khác nhau, đại lượng thay đổi đột ngột kéo theo đại lượng đặc trưng cho trường điện từ E, D, B, H thay đổi điều kiện xác định trạng thái vecto trường điện từ mặt biên phân chia hai môi trường khác gọi điều kiện biên - Trường điện từ truyền từ mơi trường có ℇ1 dang mơi trường có ℇ2 Hình 3: Trường điện từ truyền từ mơi trường có ℇ1 dang mơi trường có ℇ2 - Xét điều kiện biên B Hình 4: Mặt phẳng phân cách hai mơi trường - Xuất phát từ phương trình divB = Điểm khảo sát điểm M nằm mặt phân cách hai môi trường Chọn mặt Gauss mặt trụ chứa điểm M gồm mặt bên Sb hai đáy S1 S2 dủ nhỏ để coi vecto trường không đổi đáy - Từ định luật Gauss cho ta phương trình: (16) ̅̅̅ = ⇒ ∫ 𝐵 ̅̅̅ + ∫ 𝐵 ̅̅̅ + ∫ 𝐵 ̅̅̅ ⃗ ̅𝑑𝑆 ⃗ ̅𝑑𝑆 ⃗ ̅𝑑𝑆 ⃗ ̅𝑑𝑆 ∮ 𝐵 𝑆 𝑠1 𝑠2 𝑠3 - Khi cho ℎ → 𝑆𝑏 → 𝑆1 → 𝑆2 → thì: ∫ (17) ̅̅̅ = ⃗ ̅𝑑𝑆 𝐵 𝑠𝑏 →0 ̅̅̅ = 𝐵2 ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑛2 ⃗⃗⃗⃗ 𝑆2 = 𝐵2𝑛𝑆2 = 𝐵2𝑛𝑆0 ⃗ ̅𝑑𝑆 ∫ 𝐵 (18) 𝑠2 ̅̅̅ = −𝐵1 ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗ ̅𝑑𝑆 ∫ 𝐵 𝑛1𝑆1 = −𝐵1𝑛𝑆2 = −𝐵1𝑛𝑆0 (19) 𝑠1 - Trong đó, B1n B2n thành phần pháp tuyến B ở môi trường - Do ta có (B1n - B2n).S0 = - Nên B1n = B2n ➔ thành phần pháp tuyến B biến thiên liên tục ➔ μ1.H1n = μ2.H2n - Thành phần pháp tuyến H không biến thiên liên tục mặt phân cách môi trường - Tương tự ta có bảng điều kiện biên thành phần: Thành phần Công Thức Đặc tả E ⃗⃗⃗ -⃗⃗⃗⃗ 𝑛⃗ 2x (𝐸 𝐸 2) = E1t = E2t D ⃗ -⃗⃗⃗𝐷 2) = 𝜌s 𝑛⃗ 2x (𝐷 D1t - D2t = 𝜌s H ⃗⃗⃗ -⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑛⃗ 2x(𝐻 𝐻 1) = 𝐽⃗ s H2t = H1t + Js B ⃗⃗𝑛⃗ 2x(𝐵 ⃗⃗⃗ 1-𝐵 ⃗⃗⃗ 2) = B1n = B2n Điều kiện biên PML - Perfectly matched layer (PML) lớp hấp thụ nhân tạo cho phương trình sóng , thường được sử dụng để cắt vùng tính tốn phương pháp số để mô vấn đề với ranh giới mở, đặc biệt phương pháp FDTD FE - Kích thước không gian mô bị giới hạn dung lượng nhớ máy tính Giả sử, có sóng được tạo từ nguồn lan truyền không gian mơ Cuối đến bờ không gian được xác định bởi ma trận với kích thước đã được xác định chương trình Khi đó, hình thành sóng phản xạ ngược khơng gian mô Nếu điều không được quan tâm, khó xác định đâu sóng từ nguồn truyền đến đâu sóng phản xạ từ bờ khơng gian mô Đây lý để bờ hấp thu được xây dựng mô Một bờ hấp thu hiệu linh hoạt PML được phát triển bởi Berenger Ý tưởng là: Nếu sóng truyền mơi trường A truyền đến mơi trường B phản xạ nhiều hay ít phụ thuộc vào trở kháng sóng hai môi trường được thể qua hệ số phản xạ: 𝜂=√ 𝜇 𝜀0 𝜀′𝑟 (19) - Muốn cho tượng phản xạ xảy trở kháng sóng hai mơi trường bề mặt phân cách phải có giá trị - Cơng thức xác định hệ số phản xạ truyền qua: 𝐸𝑝ℎả𝑛 𝑥ạ 𝜂2 − 𝜂1 = 𝐸 𝑡ớ𝑖 𝜂2 + 𝜂1 𝐸𝑡𝑟𝑢𝑦ề𝑛 𝑞𝑢𝑎 2𝜂2 𝜏= = 𝐸𝑡ớ𝑖 𝜂2 + 𝜂1 𝛤= (20) (21) - Từ ý tưởng Berenger đã đưa kỹ thuật thiết kế biên hấp thụ cho trở kháng sóng bề mặt biên hấp thụ không gian biên không gian khảo sát 10 Phân tách vecto PML - Berenger đề nghị phân tách vecto thành phần điện trường từ trường thành hai vecto thành phần con: o Xét Hx ta xem được tổng hợp từ Hxy Hxz, tương tự Ex Ey o Do ta tách được hai phương trình: 𝜕𝐻𝑥𝑦 𝜕(𝐸𝑧𝑥 + 𝜕𝐸𝑧𝑦 ) 𝜕𝐻𝑥𝑧 𝜕(𝐸𝑧𝑥 + 𝜕𝐸𝑦𝑧 ) (22) = [ − 𝜎′𝑦 𝐻𝑥𝑦 ] = [ − 𝜎′𝑧 𝐻𝑥𝑧 ] 𝜕𝑡 𝜇 𝜕𝑦 𝜕𝑡 𝜇 𝜕𝑦 - Sau áp dụng phương pháp sai phân để rời rạc phương trình này, áp dụng điều kiện phối hớp trở kháng sóng Lớp PML khơng phân tách - Trong kỹ thuật thành phần trường được giữ nguyên mà không biến tiến hành phân tách tiến hành áp dụng phối hợp trở kháng sóng bề mặt đồng thời thiết kế thơng số làm suy hao lượng tín hiệu vào lớp PML - Phương trình Maxwell được viết dạng: 𝑗𝜔𝐷 = 𝑐0 𝛻 × 𝐻 𝐷 (𝜔 ) = 𝑒 ′ 𝑟 (𝜔)𝐸(𝜔 ) 𝑗𝜔𝐻 = −𝑐0 𝛻 × 𝐸 (23) (24) (25) - Khi áp dụng phương trình Maxwell lớp PML, ta cần phảo thêm vào phương trình hệ số điện mơi phức hệ số từ thẩm phức hệ số đóng vai trò phối hợp trở kháng sóng bề mặt làm suy hao lượng tín hiệu lan truyền tới Phương trình lan truyền theo phương x là: 𝜕𝐻𝑧 𝜕𝐻𝑦 𝑗𝜔𝐷𝑥 𝜀 ′ 𝐹𝑋 (𝑥 ) = 𝑐0 ( − ) 𝜕𝑦 𝜕𝑧 𝜕𝐸𝑦 𝜕𝐻𝑧 𝑗𝜔𝐻𝑧 𝜇′𝐹𝑋 (𝑥 ) = 𝑐0 ( − ) 𝜕𝑧 𝜕𝑥 𝜀 ′ 𝐹𝑋 (𝑥 ) = (𝜀𝐷𝑥 (𝑥 ) + 𝜎𝐷𝑥 (𝑥) ) 𝑗𝜔𝜀0 (26) (27) (28) (29) 11 𝜇′𝐹𝑋 (𝑥 ) = (𝜇𝐷𝑥 (𝑥) + 𝜎𝐻𝑥(𝑥) ) 𝑗𝜔𝜇0 - Các phương trình theo phương y z được định nghĩa cách tương tự - Theo điều kiện phối hợp trở kháng sóng PML có: +) Trị số trở kháng sóng từ mơi trường mô sang môi trường PML vùng bề mặt phân cách hai vùng không gian phải không đổi 𝜂0 = 𝜂𝑚 = √ 𝜇′𝐹𝑚 𝜀′𝐹𝑚 𝑚 = 𝑥, 𝑦 𝑣à 𝑧 (30) Trong 𝜂0 trở kháng sóng mơi trường FDTD 𝜂𝑚 trở kháng sóng lớp PML +) Khi xét dọc phương trực giao với biên, số điện môi hệ số từ thẩm theo phương phải giá trị nghịch đảo theo phương khác = 𝜀 ′ 𝐹𝑌 (𝑥 ) = 𝜀𝐹𝑍 (𝑥 ) ′ 𝜀 𝐹𝑋 (𝑥 ) = 𝜇 ′ 𝐹𝑌 (𝑥) = 𝜇𝐹𝑍(𝑥) ′ 𝜇 𝐹𝑋(𝑥) (31) 𝑚 = 𝑥, 𝑦 𝑣à 𝑧 (32) - Với giá trị thông số sau: 𝜀𝐷𝑚 = 𝜇𝐻𝑚 = 𝜎𝐷𝑚 𝜎𝐻𝑚 𝜎𝐷 = = 𝜀0 𝜇0 𝜀0 (33) (34) - Thay (33), (34) vào phương trình (28), (29) (30) ta được: 𝜂0 = 𝜂𝑚 = √ 𝜇′𝐹𝑀 + 𝜎(𝑥)/𝑗𝜔𝑒0 =√ =1 𝜀′𝐹𝑚 + 𝜎(𝑥)/𝑗𝜔𝑒0 (35) - Hệ số điện dẫn 𝜎(𝑥) phụ thuộc vào x có giá trị tăng dần sâu vào bên lớp PML, x tăng 𝜎(𝑥) tănghoặc giảm tùy thuộc vào vị trí lớp hấpp thụ PML - Từ (33) (34) (28), (29) thay vào phương trình (26), (27) ta được: 12 (36) (37) (38) (39) (40) (41) III Tổng quan tinh thể quang tử Giới thiệu chung - Tinh thể quang tử cấu trúc nanơ quang học có ảnh hưởng đến lan truyền hạt photon tương tự cách mà tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động electron Các tinh thể quang tử xuất cách tự nhiên vỏ Trái Đất ở nhiều dạng đã được nghiên cứu từ đầu kỷ 20 - Năm 1887, nhà vật lí người Anh Lord Rayleigh thử nghiệm ngăn điện mơi nhiều lớp t̀n hồn, cho thấy chúng có khoảng cách quang tử khơng gian chiều Sự quan tâm đề tài đã tăng lên với cơng trình vào năm 13 1987 Eli Yablonovitch Sajeev John cấu trúc quang học tuần hoàn nhiều chiều - được gọi tinh thể quang tử Hình 5: Tinh thể quang tử tự nhiên Hình 6: Tinh thể quang tử nhân tạo - Tinh thể quang tử chia làm tinh thể chiều, chiều chiều - Tinh thể quang tử chiều cấu tạo bởi lớp xen kẽ có số điện mơi khác xếp chồng lên - Tinh thể hai chiều được tạo cách chồng khối trụ lên phương pháp khắc, cách khoan lỗ bề mặt phù hợp 14 - Tinh thể ba chiều chế tạo cách khoan góc độ khác nhau, xếp chồng lên nhiều lớp chiều, dùng laze trực tiếp Hình 7: Tinh thể quang tử chiều (1D), chiều (2D), chiều (3D) Tinh thể quang tử chiều (1D) - Các tinh thể quang tử 1-D có hình dạng đơn giản Chúng gồm có tầng hai lớp điện mơi khác vậy chúng được gọi màng nhiều lớp Hình 8: Tinh thể quang tử chiều - Ngoài ra, tinh thể quang tử cịn xác định mode ánh sáng Thuộc tính tinh thể quang tử chiều làm cho chúng có ích chế tạo gương điện môi phân bố lọc quang học phản hồi (DFB) 15 Tinh thể quảng tử chiều (2D) - Tinh thể quang tử 2-D: Là tinh thể mà cấu trúc xếp t̀n hồn cuả vật liệu điện mơi theo trục (x,y) đồng theo trục thứ (z) Tinh thể quang tử 2-D có ba mơ hình thiết kế đặc trưng, mơ hình có tính chất riêng Hình 9: Tinh thể quang tử chiều - Sự phản xạ đối xứng gương tinh thể khiến mode được phân cấp vào hai phân cực riêng biệt, phân cực điện ngang (TE) mà vector điện trường nằm mặt phẳng tuần hoàn, vector từ trường trực giao với mặt phẳng trên; phân cực khác phân cực từ ngang (TM), chiều điện trường từ trường đối ngược với TE Tinh thể quang tử chiều (3D) - Tinh thể quang tử 3-D: Là tinh thể mà cấu trúc xếp t̀n hồn vật liệu điện mơi theo chiều khơng gian Hình 10: Tinh thể quang tử chiều 16 - Những thuộc tính thực tinh thể quang tồn ở dạng 3-D Do chế tạo phân tích cấu trúc khó, vậy tinh thể quang tử 2-D thường được sử dụng Thật ra, tinh thể quang tử 2-D có hầu hết thuộc tính PC 3-D chúng lại dễ dàng chế tạo Do vậy, ta tập trung vào dạng 2-D tinh thể quang tử IV Nguyên lý truyền dẫn điều khiển ánh sáng Vùng cấm quang (photonic band gap) - Thuộc tính quan trọng tinh thể quang tử vùng cấm quang tử, nghĩa ánh sáng với dải tần số đã biết không được phép lan truyền tinh thể Nhiều ứng dụng tinh thể quang tử, đặc biệt loại 2-D 3-D, phụ thuộc vào vị trí bề rộng vùng cấm chúng Ví dụ, tinh thể có vùng cấm hoạt động lọc băng hẹp, bỏ qua tất tần số vùng cấm được sử dụng tường phản chiếu, hình thành khoang cộng hưởng cho chế độ bên vùng cấm Có thể nói tinh thể quang tử, số điện môi khác nhiều vùng cấm rộng Hình 11: Vùng cấm quang - Vùng cấm quang tử loại bỏ xạ điện từ khoảng tần số Tần số trung tâm khoảng cách loại trừ xác định bởi thí nghiệm ở đâu từ quang sóng cực ngắn Chiều rộng khoảng cách lớn, 20% tần số trung tâm, xạ ngồi khoảng cách được truyền qua vật liệu, xạ khoảng cách được phản xạ Trong khoảng cách xạ được tạo bên vật liệu bị mắc kẹt Ứng dụng cho loại vật liệu vậy đa dạng: từ lọc tiếng ồn ức chế để sửa đổi chân không điện ngăn chặn xạ tự phát 17 Các sai hỏng đường tinh thể quang tử - Sự tồn sai hỏng cấu trúc mạng tuần hoàn tạo trạng thái vùng cấm quang tử - Khi tinh thể quang tử có sai hỏng, cấu trúc vùng bị thay đổi Trong vùng cấm quang tử lúc xuất tần số cho phép ánh sáng truyền qua Sự xuất tần số khiến cho tinh thể quang tử có tính chất vơ đặc biệt: khả chọn lọc, giam giữ ánh sáng, khả dẫn truyền khuếch đại ánh sáng Chính vậy, tinh thể quang tử có sai hỏng được quan tâm nghiên cứu ứng dụng nhiều thực tế - Sai hỏng đường tinh thể quang tử dãy sai hỏng điểm liên tiếp đường thẳng hay hướng Hiện tượng xảy - Sai hỏng đường tương tự sai hỏng điểm, ánh sáng chiếu đến có tần số nằm vùng cấm quang tử bị giữ lại bên sai hỏng đường - Nhờ vậy, photon ánh sáng được lan truyền theo đường dẫn sai hỏng mà xâm phạm phần khác cấu trúc, làm cho lượng tiêu hao ít, sai hỏng đường được ứng dụng ống dẫn sóng với ưu điểm hẳn so với sợi đồng sợi quang trước Hình 12: Sai hỏng đường mạng tinh thể Bộ chia quang 3.1 Giới thiệu chia quang - Trong thông tin quang, chia quang chia hay ghép quang được sử dụng để phân tách kết hợp tín hiệu quang hệ thống mạng quang khác 18 Là thiết bị thụ động không cần nguồn nuôi, cho phép chia đầu vào quang học thành nhiều đầu quang đồng với hiệu suất quang học cao, tính ổn định độ tin cậy cao đáp ứng yêu cầu ứng dụng khác - Việc sử dụng chia quang việc cần thiết Với giá thành rẻ so với cáp đồng, lắp đặt ở đâu, vị trí, khơng phụ thuộc vào điều kiện mơi trường, không cần phải cung cấp lượng cho thiết bị phòng máy trung tâm phía người dùng Ngồi ra, ưu điểm cịn giúp nhà khai thác giảm được chi phí bảo dưỡng, vận hành - Hiện chia quang được sử dụng rộng rãi lĩnh vực viễn thông, mạng cáp quang phát triển ngày mạnh nhu cầu sử dụng chia quang ngày lớn 3.2 Phân loại chia quang - Bộ chia quang được chia làm loại theo nguyên tắc quang phổ o Fused Biconical Taper (FBT) o Planar Lightwave Circuit (PLC): mạch chia sóng quang phẳng - FBT thiết bị gồm nhiều sợi quang kết hợp với Trong PLC thiết bị vi quang thích hợp với in thạch bản, tạo thành ống dẫn sóng quang học môi trường bán dẫn Về loại thiết kế dựa nguyên tắc quang phổ Cả được chế tạo cách thay đổi sợi quang học (mức độ ghép nối, chiều dài ghép nối) thay đổi bán kính sợi quang để đạt được kích thước phân nhánh khác 3.3 Đề xuất chia quang chữ T Xét mạng tinh thể chiều hình vng gồm chắn GaAs có số khúc xạ 3,4 bước sóng được nhúng khơng khí Bước sóng bước sóng bước sóng quan trọng quang tử học, hấp thụ ánh sáng lọc quang thông thường nhỏ ở bước sóng vậy hữu dụng cho việc truyền liệu sợi quang Bài báo cáo đề cập đến việc sử dụng với bán kính 0.18a (với a số mạng) cấu trúc tinh thể truyền ánh sáng cho kết tới 90% phản xạ khoảng 8% Vì vậy sử dụng tỉ số cho bán kính chắn 19 Hình 13: Mơ hình tinh thể quang tử 2-D mạng vng GaAs Hình 13 chứng minh tinh thể quang tử hai chiều đã được sử dụng cho thiết kế lọc Đường tròn đặc trưng cho GaAs có bán kính 0.18a Sử dụng phương thức PWE, cấu trúc băng tần TE mode chắn hình được tính tốn chứng minh hình Như đã minh họa, cung cấp vùng cấm băng tần dải rộng cho TM mode khoảng tỉ số a/λ 0,3 0,44 Do ưa thích truyền chia ánh sáng với bước sóng khoảng 1550nm, chọn số a=644,8nm Vì vậy tỉ số a/λ cho λ =1550nm 0.416 ở vùng cấm Do bán kính r có liên quan tới a bởi r= 0.18a, nên giá trị r 116.06 nm Một lọc lí tưởng cần chia chùm ánh sáng tới thành hai phần riêng biệt với 50% lượng truyền hướng (truyền 100%) phản xạ cho toàn dải tần số ống dẫn sóng tương ứng 20 ... được gọi tinh thể quang tử Hình 5: Tinh thể quang tử tự nhiên Hình 6: Tinh thể quang tử nhân tạo - Tinh thể quang tử chia làm tinh thể chiều, chiều chiều - Tinh thể quang tử chiều cấu tạo bởi lớp... 14 7: Tinh thể quang tử chiều (1D), chiều (2D), chiều (3D) 15 8: Tinh thể quang tử chiều 15 9: Tinh thể quang tử chiều 16 10: Tinh thể quang tử chiều ... laze trực tiếp Hình 7: Tinh thể quang tử chiều (1D), chiều (2D), chiều (3D) Tinh thể quang tử chiều (1D) - Các tinh thể quang tử 1-D có hình dạng đơn giản Chúng gồm có tầng hai lớp điện mơi khác