Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap
Tinh thể Photonic Band Gap Srivatsan Balasubramanian Tóm tắt • Tính chất vật lý của tinh thể PBG. • Phân loại tinh thể quang tử. • Chế tạo. • Các ứng dụng. • Thiết bị thử nghiệm PBG. • Nghiên cứu hiện tại. • Định hướng tương lai. • Kết luận. 1 PBG là gì ? • Một tinh thể PBG là một cấu trúc có thể điều khiển chùm ánh sáng giống như điều khiển dòng điện trong các chất bán dẫn • Một chất bán dẫn không thể hỗ trợ các điện tử có năng lượng nằm trong vùng cấm điện tử. Tương tự như vậy, một tinh thể quang tử không thể hỗ trợ các photon nằm trong khe hở lượng tử ánh sáng. Bằng cách ngăn chặn hoặc cho phép ánh sáng truyền qua một tinh thể, xử lý ánh sáng có thể được thực hiện. Điều này sẽ tạo ra cuộc cách mạng hóa lượng tử ánh sáng, cách mạng hóa các bóng bán dẫn điện tử. 1 PBG được chế tạo như nào? • Tinh thể quang tử thường bao gồm vật liệu điện môi, đó là vật liệu đóng vai trò là vật liệu cách điện hoặc trong đó có 1 trường điện từ có thể được lan truyền với tổn hao thấp. • Các lỗ (trong thứ tự của các bước sóng liên quan) được khoan vào điện môi trong một cấu trúc mạng tinh thể tương tự nhau và được lặp đi lặp lại. • Nếu được xây dựng đủ chính xác, kết quả các tinh thể holey sẽ như một PBG, một loạt các tần số mà trong đó một bước sóng riêng của ánh sáng sẽ bị chặn. Một PBG làm việc như nào? • Trong các chất bán dẫn, điện tử được phân tán bởi các hàng của các nguyên tử trong mạng, phân cách bằng một vài nano mét và do đó một vùng cấm điện tử được hình thành. Kết quả là cấu trúc băng tần có thể sửa đổi bằng cách pha trộn. • Trong một tinh thể quang tử, dãy lỗ là tương tự với các nguyên tử trong chất bán dẫn. Ánh sáng đi vào vật liệu đục lỗ sẽ phản xạ và khúc xạ ra khỏi mặt phân cách giữa kính và không khí. Các chùm tia phức tạp và chồng chéo sẽ dẫn đến hủy bỏ một dải bước sóng trong tất cả các hướng dẫn đến ngăn ngừa sự lan truyền của dải tần này vào tinh thể. Kết quả là cấu trúc dải quang tử có thể được thay đổi bằng cách điền vào một số lỗ hổng hoặc tạo ra các khiếm khuyết trong hệ thống chu kỳ hoàn toàn khác. Tính chất vật lý của PBG Sự hình thành PBG có thể được coi là sự tương tác hiệp lực giữa hai cơ chế cộng hưởng tán xạ khác nhau. Đầu tiên là cộng hưởng Bragg “vĩ mô” từ một mảng tuần hoàn của tán xạ. Điều này dẫn đến khoảng cách dừng điện tử khi sóng lan truyền theo hướng điều chế định kỳ theo một số nguyên lần nửa bước sóng (m=1,2,3…, trùng với khoảng cách mạng L, các vi cấu trúc điện môi. Thứ hai là một tán xạ cộng hưởng “vi mô” từ một tế bào đơn vị duy nhất của vật liệu. Trong hình minh họa, điều này (tán xạ ngược tối đa) xảy ra khi một phần tư bước sóng trùng với đường kính 2a của một giếng duy nhất của điện môi chiết suất n. Sự hình thành PBG được tăng cường bằng cách chọn những vật liệu có thông số a, L, và n sao cho cả hai cộng hưởng vĩ mô và vi mô xảy ra tại cùng một tần số. Tại sao làm 1 PBG khó khăn ? • Hình thành PBG được thuận lợi nếu các thông số hình học của các tinh thể quang tử được chọn sao cho cả cộng hưởng vi mô và vĩ mô xảy ra chính xác ở cùng một bước sóng. • Cả hai cơ chế tán xạ phải được phân biệt khá mạnh mẽ. Trong thực tế, điều này có nghĩa là các vật liệu rắn cơ bản phải có một chỉ số khúc xạ tương phản rất cao (thường là khoảng 3.0 hoặc cao hơn và để đạt được độ chính xác tương phản này, các lỗ được khoan vào môi trường ). • Các vật liệu nên hấp thụ ánh sáng không đáng kể ( hệ số suy giảm nhỏ hơn 1 dB/cm ). Các điều kiện về hình học, phát xạ năng lượng và độ tinh khiết của vật liệu điện môi hạn chế nghiêm trọng các thiết lập của chất điện môi để chế tạo một PBG. Các vật liệu PBG Vật liệu sử dụng để chế tạo một PBG: • Silicon • Germanium • Gallium Arsenide • Indium Phosphide Phân loại PBG Ví dụ đơn giản về tinh thể quang tử một, hai, ba chiều. Các màu sắc khác nhau đại diện cho các vật liệu có hằng số điện môi khác nhau. Các tính năng xác định của một tinh thể quang tử là chu kỳ của vật liệu điện môi dọc theo một hoặc nhiều trục. Mỗi cách phân loại sẽ được trình bày lần lượt trong các slide sau đây. [...]... giáo) là một ví dụ hiếm của một tinh thể quang tử có một đối xứng cơ bản rất khác biệt so với cấu trúc của kim cương có vùng cấm ánh sáng Vùng cấm nhỏ nhưng chắc chắn bị cấm Điều này được đề xuất bởi Joseph Haus và các đồng nghiệp Cấu trúc điều hướng 3D Opal đảo Sự kết hợp của tinh thể lỏng và tinh thể quang tử được đưa ra theo ý tưởng của Busch và John Một cấu trúc tinh thể quang tử nghịch đảo mờ xâm... trúc vùng cấm năng lượng ánh sáng có thể giải phóng ánh sáng rất hiệu quả (tốt hơn 50%) Đã được chứng minh, nhưng phải cạnh tranh với các phương pháp khác có kết quả tương tự Mạch lượng tử tích hợp Màng mỏng 2D có thể được cấu trúc như là mạch tích hợp thông thường để tạo nên bộ lọc kênh, điều chế, bộ ghép… Đang phát triển 1 Sợi quang tinh thể • • Sợi quang tinh thể (PCF) là sợi quang sử dụng một cấu.. .Tinh thể PBG 1 chiều Những lớp phim mỏng ở hình trên là một tinh thể ánh sáng một chiều Thuật ngữ “một chiều” thực tế có ý nghĩa là điện môi chỉ tuần hoàn theo một hướng Nó bao gồm các lớp vật liệu xen kẽ (màu xanh và xanh lá cây) với những hằng số điện môi khác nhau, cách nhau một khoảng a Vùng cấm ánh sáng thể hiện bởi vật liệu này tăng lên khi độ chênh... được thêm vào) hoạt động như là một lớp phủ Vì không khí không thể truyền trong lớp phủ vì vùng cấm ánh sáng, nó nhận được sự hạn chế trong lõi, thậm chí nếu nó có một chỉ số khúc xạ thấp hơn Thực tế, sợi mất rất thấp với môi trường chân không hay không khí như là cốt lõi để tạo ra 2 Laser tinh thể quang Kiến trúc cho vi laser quang tinh thể được chỉ ra ở hình trên (a) Mép dải vi laser sử dụng các phản... lớn của phân tích, thí nghiệm và sự hiểu biết về những cấu trúc đơn giản hơn Cấu trúc này có khoảng cách 21% cho hằng số điện môi bằng 12 Cấu trúc xoắn ốc vuông Mạng tinh thể tứ giác của cột xoắn ốc vuông thể hiện một 3D-PBG đầy đủ và có thể được tổng hợp bằng cách sử dụng phương pháp lắng đọng lướt góc (GLAD) Cấu trúc đối xứng bàn tay này, được đề xuất bởi John and Toader, gồm những cột xoắn ốc chồng... lẫn nhau (3) Ánh sáng truyền qua vật liệu chỉ hơi suy yếu Tinh thể PBG 2 chiều Bên trái: một mảng tuần hoàn của trụ điện môi trong không khí tạo thành một vùng băng cấm 2 chiều Bên phải: Dạng phổ truyền của mảng tuần hoàn Một vùng băng cấm 2 chiều đầy đủ được quan sát với bước sóng trong khoảng 0.22 µm đến 0.38 µm Khiếm khuyết trong tinh thể PBG 2D Bên trái: một lỗi được đưa vào hệ thống bằng cách... thể quang tử được đưa ra theo ý tưởng của Busch và John Một cấu trúc tinh thể quang tử nghịch đảo mờ xâm nhập từng phần vào chất lỏng phân tử tinh thể Sự kết hơp Electro-optic có thể gây ra vùng cấm dẫn đến nhấp nháy trong và ngoài vùng tồn tại Điều này có thể ảnh hưởng tới công nghệ hiện tại và sẽ được thảo luận sau Ứng dụng của PBG Thiết bị Mô tả Trạng thái Cáp quang Vật liệu vùng cấm 2D kéo giãn... hốc cộng hưởng Cấu trúc băng 2 chiều Một tinh thể quang tử 2 chiều với 2 đường cong 60º, đưa ra bởi nhóm của Susumu Noda Những cấu trúc này dễ chế tạo nhưng chúng cps vấn đề bởi các photon không bị giữ lại bởi mặt trước và mặt sau Bằng cách tạo ra các lỗ như tạo thành lỗ nhỏ hơn hoặc lớn hơn bình thường, các tấm có thể hoạt động được như hốc cộng hưởng và có thể sử dụng để làm bộ lọc xen rẽ quang Bước... hướng có thể cho 1 băng cấm 2 chiều đầy đủ Tinh thể PBG 3 chiều PBG 3D được quan sát trong : • Cấu trúc kim cương • Cấu trúc Yablonovite • Cấu trúc đống gỗ • Cấu trúc opal đảo • Cấu trúc FCC • Cấu trúc xoắn ốc vuông • Cấu trúc giàn • Cấu trúc điều hướng opal đảo Cấu trúc kim cương Cấu trúc kim cương đảo (ngược) là một trong những cấu trúc nguyên mẫu đầu tiên theo dự đoán của Chan và Soukoulis, thể hiện... kế của một trạng thái ánh sáng cục bộ bên trong 2D PBG Điều này được tạo ra thông qua một khe khuyết trong tinh thể ánh sáng 2D Kích thích phát xạ từ nhiều khu vực lượng tử hoạt động tích cực xảy ra ưu tiên ở chế độ cục bộ (theo Axel Scherer, California Institute of Technology) 3 Bộ lọc tinh thể ánh sáng Bộ lọc tăng giảm cho hệ thống viễn thông quang Nhiều dòng dữ liệu ở các tần số khác nhau F1, F2 . Tinh thể Photonic Band Gap Srivatsan Balasubramanian Tóm tắt • Tính chất vật lý của tinh thể PBG. • Phân loại tinh thể quang tử. • Chế tạo. • Các ứng dụng. •. vậy, một tinh thể quang tử không thể hỗ trợ các photon nằm trong khe hở lượng tử ánh sáng. Bằng cách ngăn chặn hoặc cho phép ánh sáng truyền qua một tinh thể, xử lý ánh sáng có thể được thực. luận. 1 PBG là gì ? • Một tinh thể PBG là một cấu trúc có thể điều khiển chùm ánh sáng giống như điều khiển dòng điện trong các chất bán dẫn • Một chất bán dẫn không thể hỗ trợ các điện tử có