Bài giảng tinh thể photonic band gap công nghệ nano

Tinh thể Photonic Band Gap CÔ NG NGHỆ NA NO Những nội dung • Vật lý học tinh thể vùng trống lượng quang tử • Phân loại tinh thể quang tử • Chế tạo • Ứng dụng • Các thiết bị PBG đầu tiên/ nguyên mẫu ? • Những nghiên cứu • Xu hướng tương lai • Kết luận Nhóm 22/5/2014 Cấu trúc FCC • Hình dựng máy tính tinh thể ánh sáng chiều , đưa Joannopoulos nhóm ơng, cho thấy số chu kì ngang chu kì dọc lưới FFC lỗ khí (bán kính 0.293a, chiều cao 0.93a) chất điện môi Điều cho phép tận dụng lực lượng lớn phân tích, thí nghiệm hiểu biết cấu trúc đơn giản Cấu trúc có khoảng cách 21% cho số điện mơi 12 Nhóm 22/5/2014 Cấu trúc xoắn ốc vng • Mạng tinh thể tứ giác cột xoắn ốc vuông thể 3D PBG đầy đủ tổng hợp cách sử dụng phương pháp lắng đọng lướt góc (GLAD) Cấu trúc đối xứng bàn tay này, đề xuất John and Toader, gồm cột xoắn ốc chồng lấn nhẹ chất 2D, mà ban đầu hình thành với mạng vng trung tâm phát triển Máy tính điều khiển chuyển động bề mặt dẫn đến phát triển xoắn ốc cột Một PBG lớn mạnh xuất băng thứ băng thứ tán xạ photon Cấu trúc đảo ngược bao gồm cột khơng khí xuất rắn trưng bày 3D-PBG chí cịn lớn Nhóm 22/5/2014 Cấu trúc giàn • Cấu trúc giàn (vì trơng tương tự giàn giáo) ví dụ tinh thể quang tử có đối xứng khác biệt so với cấu trúc kim cương có lượng vùng cấm ánh sáng Năng lượng vùng cấm nhỏ chắn bị cấm Điều đề xuất Joseph Haus đồng nghiệp Nhóm 22/5/2014 Cấu trúc điều hướng 3D nghịch mờ • Sự kết hợp tinh thể lỏng tinh thể quang tử đưa theo ý tưởng Busch John Một cấu trúc tinh thể quang tử nghịch đảo mờ xâm nhập phần vào chất lỏng phân tử tinh thể Sự kết hơp Electrooptic gây lượng vùng cấm dẫn đến nhấp nháy vùng tồn Điều ảnh hưởng tới cơng nghệ tai thảo luận sau Nhóm 22/5/2014 Ứng dụng PBG Thiết bị Cáp quang Mô tả Vật liệu lượng vùng cấm 2D kéo giãn dọc theo chiều thứ Lỗ hổng quang học nhỏ giới laser nhỏ nhất, hình Cơng nghệ laser kích thước nano thành màng mỏng vật liệu lượng vùng cấm 2D Trạng thái Những phiên thương mại sẵn sàng Chứng minh phịng thí nghiệm Chất nhuộm siêu trắng Vật liệu cónăng lượng vùng cấm 3D khơng đầy đủ, thường theo cấu trúc mờ Đã chứng minh, phương pháp sản xuất giá thành thấp phát triển Anten tần số vô tuyến, phản xạ Sử dụng cuộn cảm tụ điện thay cho điện môi thông thường Chứng minh tạo ảnh cộng hưởng từ anten Diode phát xạ Cấu trúc vùng cấm lượng ánh sáng giải phóng ánh sáng hiệu (tốt 50%) Đã chứng minh, phải cạnh tranh với phương pháp khác có kết tương tự Mạch lượng tử tích hợp Màng mỏng 2D cấu trúc mạch tích hợp thông Đang phát triển thường để tạo nên lọc kênh, điều chế, ghép… Nhóm 22/5/2014 Sợi quang tinh thể - PCF • Sợi quang tinh thể (PCF) sợi quang sử dụng cấu trúc xếp vi mô vật liệu số thấp vật liệu chiết suất cao • Vật liệu silica không đặc vùng số thấp cung cấp đặc trưng khoảng trống khơng khí chạy dọc theo chiều dài sợi Nhóm 22/5/2014 Các dạng PCF • PCFs có dạng: • Sợi điều hướng số cao dựa theo nguyên tắc thay đổi tổng phản xạ nội (M-TIR) • Sợi điều hướng số thấp dựa theo hiệu ứng lượng vùng cấm ánh sáng (PBG) Nhóm 22/5/2014 Sợi M-TIR • Lỗ hình trụ nhỏ khơng khí ngăn cách khoảng trống theo cấu trúc sợi Chỉ số che phủ hiệu (của lỗ khoảng trống) thấp số lõi • Thoạt nhìn cho ánh sáng thoát sợi quang Nhưng thủ thuật hình học ngăn chặn điều Nhóm 22/5/2014 10 Sợi PBG • Trong sợi PBG, lỗ tuần hồn hoạt động lõi khuyết tật giới thiệu (một lỗ khơng khí thêm vào) hoạt động lớp phủ Vì khơng khí khơng thể truyền lớp phủ lượng vùng cấm ánh sáng, nhận hạn chế lõi, chí có số khúc xạ thấp • Trên thực tế, sợi thấp với mơi trường chân khơng hay khơng khí lõi tạo Nhóm 22/5/2014 13 Laser quang tinh thể • Kiến trúc cho vi laser quang tinh thể hình • (a) Mép dải vi laser sử dụng phản hồi đơn trị nhớ hiệu ứng kết hợp với mép dải ánh sáng kích thích phát xạ (phát sinh từ tái tổ hợp electrons-lỗ trống) từ nhiều khu vực lượng tử hoạt động tích cực xảy ưu tiên mép dải Khơng có chế độ khiếm khuyết thiết kế PBG – 2D (theo S Noda, Đại học Kyoto) Nhóm 22/5/2014 14 Laser quang tinh thể • Kiến trúc cho vi laser quang tinh thể hình • (b) Chế độ hạn chế vi laser yêu cầu thiết kế trạng thái ánh sáng cục bên 2D PBG Điều tạo thông qua khe khuyết tinh thể ánh sáng 2D Kích thích phát xạ từ nhiều khu vực lượng tử hoạt động tích cực xảy ưu tiên chế độ cục (theo Axel Scherer, California Institute of Technology) Nhóm 22/5/2014 15 Bộ lọc tinh thể ánh sáng • Bộ lọc tăng giảm cho hệ thống viễn thông quang Nhiều dòng liệu tần số khác F1, F2 (màu vàng) tiến vào micro-chip quang từ sợi quang bên ngồi chun chở thơng qua kênh hướng dẫn sóng ( thiếu hàng lỗ rỗng) Dòng liệu tần số F1 (màu đỏ) F2(màu xanh) băng vào chế độ khiếm khuyết cục gửi đến địa điểm khác Tần số lọc giảm định nghĩa đường kính lỗ rỗng khiếm khuyết, mà khác từ đường kính lỗ rỗng tinh thể ánh sáng Nhóm 22/5/2014 16 Ống dẫn sóng phẳng tinh thể quang • Tạo bán kính uốn cong khoảng vài mm khó khơng thỏa mãn điều kiện TIR nên dẫn đến suy hao • Ống dẫn sóng PC hoạt động sử dụng nguyên lý khác Đường vòng khuyết tạo đưa vào tinh thể mà gối tựa phương thức kẽ hở Phương thức bị ngăn từ truyền đưa vào tinh thể rơi kẽ hở Nhóm 22/5/2014 17 Ống dẫn sóng phẳng tinh thể quang • Khi chỗ cần đưa vào ống dẫn sóng, đường vòng khuyết dạng tương tự giới thiệu Ánh sáng khơng thể ( khơng thể truyền đưa vào tinh thể khối ) Khả dành cho phương thức để truyền qua đường vòng khuyết dẫn đến truyền khơng tổn hao Nhóm 22/5/2014 18 PIC vi mạch PBD 3D • Khái niệm cấu trúc 3D PBG: vi mạch laser mạch tích hợp (S Noda, Đại học Kyoto, Nhật Bản) Các mạch tích hợp quang tử số nguyên tố động lực cho thâm nhập sâu mạng quang vào viễn thơng Nhóm 22/5/2014 19 Định hướng tương lai • Thiết kế laser siêu nhỏ gọn với gần khơngvới • Terahertz tất - quang học cầu dao cho đường số liệu dọc mạng internet • Chuyển mạch tập thể nguyên tử hai cấp độ từ đất đến trạng thái kích động với cường độ thấp áp dụng lade dẫn đến quang học tranzito tác động • Bộ tách chùm siêu nhỏ, Mach-Zehnder giao thoa,và yếu tố vi quang học chức bước sóng lọc , đến lượng tử ánh sáng nhỏ gọn tích hợp mạch • Hiệu ứng nhớ nguyên tử đơn cho ứng dụng máy tính lượng tử Nhóm 22/5/2014 20 Tất Transistor quang • Micro-photonic tất - quang học tranzito bao gồm vùng hoạt động vào giao hai ống dẫn sóng kênh đưa vào trang bị vật chất 3D PBG Hệ thống hai cấp độ (" nguyên tử" ) đưa vào vùng hoạt động mạch lạc máy bơm kiểm soát chùm tia laze qua phận dẫn hướng sóng Ngồi ra, trang bị vật chất 3D PBG chọn để triển lãm khác bất ngờ đưa vào quang tử mật độ trạng thái gần tần số chuyển tiếp nguyên tử Nhóm 22/5/2014 21 Tất Transistor quang • Điều dẫn đến nguyên tử "đảo ngược dân số" thông qua bơm mạch lạc, hiệu ứng mà cấm chân khơng bình thường đảo ngược ngưỡng đặc trưng khu vực hẹp tăng quang học lớn khác biệt (rắn đường cong hình chữ nhật) Một thứ hai, "điều khiển laser" cho phép thiết bị để qua khu vực ngưỡng dẫn đến khuếch đại mạnh tín hiệu đầu bình thường đảo ngược chân khơng, dân số đạt (đường cong nét đứt hình chữ nhật) Nhóm 22/5/2014 22 Tất định tuyến quang • Sự miêu tả cách nghệ sĩ thiết bị định tuyến electron PBG cách chủ động Ở vật liệu PBG bị xâm nhập với vật liệu quang học đẳng hướng ( tinh thể lỏng ), biểu xuất phản ứng điện quang lớn Khi điện áp đưa vào electro PBG phương diện quang học, trạng thái phân cực ( mũi tên màu vàng ) quay, dẫn đến tương ứng dịch chuyển kẽ có chứa phơ ton cấu trúc Điều cho phép ánh sáng từ cáp quang để dẫn đường vào vài sợi cơng suất Nhóm 22/5/2014 23 Tính tốn quang • Với quang học mạch tổ hợp công nghệ học tranzito quang học trả tiền cao tinh thể quang tử, điện toán lượng tử với xác định vị trí ánh sáng cơng nghệ học hứa hẹn cho tương lai Song song rộng lớn, tốc độ chưa có, mật độ cất giữ cao, nhỏ xuyên âm giao thoa vài thuận lợi có di chuyển hướng quang học tính tốn Nhóm 22/5/2014 24 Mạch tích hợp quang • Hình ảnh 3D thiết bị tinh thể quang mạch tích hợp • Các tịa nhà với bóng màu xanh miêu tả cấu trúc metallo-điện mơi • Màu xanh hiển thị chiều định kỳ tinh thể quang tử • Các đường màu đỏ với lỗ hổng chiều định kỳ tinh thể quang tử Nhóm 22/5/2014 25 Kết luận • Định vị ánh sáng xảy việc xếp điện môi cách xác • Cấu tạo Photonic Band Gap ảnh hưởng lẫn kết hợp cộng hưởng vi mơ vĩ mơ • Tinh thể quang1D 2D dễ chế tạo • Vật liệu PBG 3D: kim cương nghịch, đống gỗ, opal nghịch, giàn xoắn ốc Nhóm 22/5/2014 26 Kết luận • Những sai hỏng mặt, đường điểm thâm nhập vào tinh thể quang tử dùng để chế tạo ống dẫn sóng, microcavities gương điện mơi lý tưởng xác định vị trí ánh sáng • Ứng dụng – sợi tinh thểquang, laze, ống dẫn sóng, bợlọc, tất - quang tranzito, khuếch đại, mạch tích hợp quang, bợđịnh tuyến, quang học tính tốn Nhóm 22/5/2014 27 ... nghịch mờ • Sự kết hợp tinh thể lỏng tinh thể quang tử đưa theo ý tưởng Busch John Một cấu trúc tinh thể quang tử nghịch đảo mờ xâm nhập phần vào chất lỏng phân tử tinh thể Sự kết hơp Electrooptic... định kỳ tinh thể quang tử Nhóm 22/5/2014 25 Kết luận • Định vị ánh sáng xảy việc xếp điện môi cách xác • Cấu tạo Photonic Band Gap ảnh hưởng lẫn kết hợp cộng hưởng vi mơ vĩ mơ • Tinh thể quang1D... Đường vòng khuyết tạo đưa vào tinh thể mà gối tựa phương thức kẽ hở Phương thức bị ngăn từ truyền đưa vào tinh thể rơi kẽ hở Nhóm 22/5/2014 17 Ống dẫn sóng phẳng tinh thể quang • Khi chỗ cần đưa