phân tích và thiết kế bộ giao thoa mach-zehnder cho phân cực plasma bề mặt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: QUANG NGỌC HIẾU Số hiệu sinh viên: 20061173 Khoá:51 Viện: Điện tử - Viễn thông Ngành: Điện tử - Viễn Thông 1. Đầu đề đồ án: ……………………………………………… ……………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……… 2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: …………………………………… …………………………………………… …… …………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… ….… ……………………… ……………………………………………………………………………………. 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ……………………………………………………………………………………………………………… …. ……………………………………………………………………………………………………………………………… …… …. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……… ….…………………………………………………………………………………………… 4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ……………………………………………………………………………………………………………………… …. ………………………………………………………………………………………………………………………… ……….…………………………………………………………………………………………………………. 5. Họ tên giảng viên hướng dẫn:……………………………………………………… ………………… 6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….………… 7. Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………………………… ……… Ngày tháng năm Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán bộ phản biện 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: QUANG NGỌC HIẾU Số hiệu sinh viên: 20061173 Ngành: Điện tử - Viễn thông Khoá: 51 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. Đào Ngọc Chiến Cán bộ phản biện: 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: 2. Nhận xét của cán bộ phản biện: Ngày tháng năm Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) 2 Lời nói đầu Ngày nay, với sự phát triển bùng nổ của khoa học và công nghệ các thiết bị điện tử và thiết bị quang ngày càng nhỏ đi, các nhà khoa học luôn luôn không ngừng hướng tới các công nghệ mới để tối ưu và thu nhỏ kích thước của các thiết bị nhằm thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của con người. Vì thế những cấu trúc nhỏ hơn một nửa bước sóng (subwavelength) ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển, các khe subwavelength trong các tấm film kim loại mỏng (như vàng, bạc, đồng…) làm cho sự giam hãm ánh sang vượt qua giới hạn của sự nhiễu xạ trong quang học cơ bản. Điều này có vẻ vô lý vì theo lý thuyết nhiễu xạ hiệu suất năng lượng truyền qua khe suy giảm tỷ lệ với, trong đó là đường kính khe, còn là bước sóng. Như vậy phải có một hiệu ứng đặc biệt nào đó đã xảy ra trên bề mặt kim loại khi nó bị kích thích bởi sóng điện từ ở vùng tần số ánh sáng. Gần đây, người ta đã phát hiện và chứng minh được sự tồn tại của sóng phân cực plasmon (SPPs - Surface Plasmon Polaritons) trên bề mặt kim loại-điện môi, chính hiệu ứng này làm cho ánh sáng có thể truyền ở kích thước subwavelength. Phân cực plasmon bề mặt (SPPs) là sóng điện từ truyền lan dọc theo bề mặt tiếp xúc giữa kim loai và điện môi, nó được kích thích bởi chùm bức xạ điện từ có bước sóng trong vùng nhìn thấy và hông ngoại chiếu lên bề mặt tiếp xúc kim loại – điện môi với một số điều kiện nhất định. Mặc dù SPPs là sóng lan truyền suy hao rất nhanh theo hàm mũ với độ dài truyền dẫn khoảng vài , nhưng khoảng đó cũng đủ xa để truyền trong các mạch quang học tích hợp kích thướng nano. Hiệu ứng phân cực plasmon bề mặt được ứng dụng trong các mạch quang tích hợp (IOCs- Integrated Optical Circuits), hứa hẹn tạo ra một thế hệ các chíp máy tính mới hoạt động với tốc độ siêu nhanh, trên cơ sơ đó các máy tính quang học của tương lai sẽ ra đời. Trong máy tính quang học, các bus dữ liệu tín hiệu điện sẽ được thay thế bởi các bus dữ liệu tín hiệu quang, tuy nhiên các linh kiện tử chỉ có thể làm việc với tín hiệu điện, do vậy để máy tính có thể làm việc với bus dữ liệu quang cần có một linh kiện điều chế tín hiệu điện thành tín hiệu quang. Vì vậy nhiêm vụ của đồ án này là phân tích và thiết kế linh kiện kiện quang có khả năng điều chế tín hiệu điện thành tín hiệu quang với kích thước nano ứng dụng hiệu ứng phân cực bề mặt. 3 Tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới PGS-TS Đào Ngọc Chiến, người đã hướng dẫn, chỉ dạy tận tình và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đồ án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, thầy cô và bạn bè trong phòng nghiên cứu và phát triển truyền thông - những người đã luôn giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành đồ án. Sinh viên thực hiện Quang Ngọc Hiếu 4 Tóm tắt đồ án Trong đồ án này, một cấu trúc mới của bộ ghép định hướng và bộ giao thoa Mach-Zehnder được giới thiệu trên nền tảng đường truyền kim loại-điện môi-kim loại. Đồng thời khảo sát sự phụ thuộc của tín hiệu đầu ra của chúng theo các thông số kỹ thuật bằng phương pháp vi phân hữu hạn miền thời gian. Bộ giao thoa Mach- Zehnder với một nhánh ống dẫn sóng được điền đầy bởi vật liệu hiệu ứng Pockels được đưa ra để điều khiển ánh sáng theo điện trường ngoài. Kết quả cho thấy rằng: sử dụng vật liệu có hiệu ứng quang điện cao cho phép làm giảm kích thước của thiết bị rất nhiều. Abstract In this thesis, we present a novel directional coupler and Mach-Zehnder interferometer based on metal-dielectric-metal plasmonic waveguide. Dependence of output field intensity of these devices on their parameters is investigated by numerical simulation method using Finite-Difference Time-Domain method (FDTD). The Mach-Zehnder interferometer, with one branch arm filled with Pockels effect material, is proposed to control light by external electromagnetic field. It is found that by using the material with high electro-optic coefficient, size of device can be reduced significantly. 5 Mục lục 6 Danh mục hình vẽ Thuật ngữ viết tắt Từ viết tắt Từ gốc tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 7 DC Directional copler Bộ ghép định hướng DMD Dielectric-metal-dielectric Điện môi-kim loại-điện môi DLSPP W Dielectric-load SPPs wavegiude Ống dẫn sóng tải điện môi EO Electro-optic effect Hiệu ứng điện-quang FDTD Finite-Difference Time Domain Phương pháp vi phân hữu hạn miền thời gian FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hưu hạn MDM Metal-dielectric-metal Kim loại-điện môi-kim loại MZI Mach-Zehnder interferometer Bộ giao thoa Mach-Zehnder SPPs Surface Plasmon Polaritons Phân cực plasmon bề mặt 8 Giới thiệu đề tài Vài thập niên trở lại đây, các mạch quang tích hợp kích thước nano dựa trên cơ sở sóng SPPs được nghiên cứu và phát triển trong các phòng thí nghiệm trên thế giới hứa hẹn sẽ tạo ra một thế hệ các chip máy tính và máy tính quang học hoạt động ở tốc độ siêu nhanh trong tương lai gần. Với xu thế phát triển như vậy, trong các máy tính quang học của tương lai các bus dữ liệu tín hiệu điện thông thường sẽ được thay thế bởi các bus dữ liệu quang học. Tuy nhiên các hệ thống xử lý tín hiệu hiện nay chỉ có thể làm việc với các tín hiệu điện do vậy yêu cầu đặt ra là cần có nghiên cứu về các thiết bị với kích thước nano có khả năng biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để có thể thực hiện việc kết nối giữa hệ thống với các bus dữ liệu. Loại thiết bị được lựa chọn sử dụng để giải quyết vấn đề này là bộ giao thoa Mach-Zehnder. Bộ giao thoa này đồng thời còn có thể sử dụng như một chuyển mạch quang trong các hệ thống ghép kênh WDM. Với hệ thống thông thường, kích thước của chuyển mạch rất lớn so với kích thước của mạch tích hợp, như vậy sẽ rất khó khi tích hợp nó vào mạch quang tích hợp. Như vậy một bộ giao thoa với kích thước nano sẽ giải quyết tất cả các yêu cầu trên. Đồ án này trình bày phương pháp phân tích và kết quả đạt được trong thiết kế bộ giao thoa Mach-Zehnder với kích thước nano. Nội dung đồ án được trình bày làm 3 chương: Ở chương 1 giới thiệu công nghệ mạch quang tích hợp kích thước nano, tìm hiểu hiện trạng của bài toán các vấn đề gặp phải liên quan đến công nghệ nanooptic, động lực để phát triển nghiên cứu và thiết kế bộ giao thoa Mach-Zehnder và các kết quả mong muốn đạt được. Tiếp theo trong chương 2, các kiến thức cơ bản về lý thuyết trường điện từ (hệ phương trình Maxwell, các phương trình thế và điều kiện biên…), lý thuyết cơ bản về hiệu ứng phân cực plasmon bề mặt, lý thuyết mode sóng ghép, hiệu ứng điện quang, phương pháp tính toán trường điện từ và giới thiệu công cụ mô phỏng được mô tả một cách chi tiết. 9 Với những kiến thức cơ bản về trường điện từ, hiệu ứng phân cực plasmon bề mặt, nhu cầu nghiên cứu, ý tưởng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu phù hợp đã được trình bày trong chương 1 và chương 2, tại chương 3 sẽ đi sâu vào trình bày quá trình thiết kế bộ giao thoa Mach-Zehnder cũng như những kết quả đạt được. 10 [...]... điện từ trường phân cực và phân cực , thường quy cho là các mode bề mặt điện từ Điện trường của sóng điện từ phân cực với sóng điện từ phân cực song song với bề mặt tiếp xúc trong khi thì nó lại nằm trong mặt phẳng tới Như sẽ được đề cập chi tiết ở phần sau, trong trường hợp đặc biệt của SPP sóng phân cực mới sinh ra sóng truyền bề mặt bởi vì khi đó sự tich điện tương ứng với sự phân cực bề mặt mới có... ngoài Trên cơ sở bộ ghép và hiệu ứng điện-quang, nghiên cứu và thiết kế bộ giao thoa Mac-Zehnder ứng dụng sóng SPPs Với việc sử dụng vật liệu hiệu ứng Pockels, tín hiệu ánh sáng trong bộ giao thoa được điều khiển bằng điện áp bên ngoài Do đó, khi đặt tín hiệu điện vào bộ giao thoa, điện trường ngoài tác động lên bộ giao thoa thay đổi làm cho tín hiệu ánh sáng bên trong nó biến đổi theo tín hiệu điện... pháp vi phân hữu hạn miền thời gian (FDTD Trên nền tảng ống dẫn sóng MDM, phân tích và thiết kế bộ ghép định hướng (Directional coupler-DC) Từ đó thiết kế bộ ghép 3dB với mục đích chia tín hiệu đầu vào thành hai tín hiệu bằng nhau Nghiên cứu hiệu ứng điện-quang tuyến tính, hiệu ứng Pockels Phân tích sự thay đổi chiết suất của vật liệu theo tác động của điện trường ngoài Trên cơ sở bộ ghép và hiệu ứng... xảy ra trên bề mặt kim loại khi nó bị kích thích bởi sóng điện từ ở vùng tần số ánh sáng Gần đây, người ta đã phát hiện và chứng minh được sự tồn tại của sóng phân cực plasmon (SPPs Surface Plasmon Polaritons) trên bề mặt kim loại-điện môi, chính hiệu ứng này làm cho ánh sáng có thể truyền ở kích thước subwavelength Phân cực plasmon bề mặt (SPPs) là sóng điện từ truyền lan dọc theo bề mặt tiếp xúc... tạo khung cho việc việc khắc và lắng đọng Không giống như điện tử trong đó thiết bị chủ yếu là transitor mạch quang tích hợp không có một loại thiết bị đơn nổi trội Các thiết bị quang tích hợp yêu cầu sự kết nối suy hao thấp giữa các đường dẫn sóng, bộ chia năng lượng, bộ khuếch đại quang học và bộ điều chế quang học hình 1.1 Các thiết bị này đòi hỏi phải có nhiều loại vật liệu khác nhau và các kỹ... cực bề mặt Kết quả là các ion hay các hạt mang điện tự do chịu sự tác động của lực Coulomb tương tự như lực hấp dẫn đối với các phân tử nước Lực Coulomb tạo ra gia tốc cho các hạt mang điện và vì thế tạo ra sự dao động Hoàn toàn tương tự, sự di chuyển tuần hoàn của trạng thái bị phân cực đã tạo ra nguồn điện từ trường, sóng điện từ thay cho sóng nước bị giới hạn bởi bề mặt vật rắn và truyền dọc theo bề. .. véc-tơ pháp tuyến đơn vị của bề mặt trong hình 2.1, E1, D1, B1, H1, J1 và E2, D2, B2, H2, J2 là của trường ở 2 phía của bề mặt, đồng thời K và là mật độ của dòng mặt và thế mặt Hình 2- 1: Điều kiện biên của E và B Nếu véc-tơ thế điện vô hướng được coi như là một biến thì điều kiện biên giữa 2 mặt là: (1.34) Do sự dịch chuyển đối xứng đối với từ trường, điều kiện biên bề mặt là: (1.35) Nếu các bài toán... trường song song với bề mặt tiếp xúc) gây ra sự tích tụ điện tích ở bề mặt tiếp xúc, vector điện trường có các thành phần không bị triệt 25 tiêu vuông góc với bề mặt tiếp xúc, thực tế các hạt mang điện bị giữ lại bên trong vật rắn, chúng không thể thoát ra ngoài, kết quả là gây ra một phản lực tạo nên sự dao động cộng hưởng SPPs lan truyền dọc theo bề mặt tiếp xúc Ngược lại một sóng phân cực S (TE) có vector... độ điện trường song song với bề mặt tiếp xúc, do vậy gây nên sự chuyển động của các hạt mang điện song song với bề mặt và như vậy sẽ không có phản lực nào được tạo ra và kết quả là không tồn tại sự cộng hưởng SPPs Hình 2- 3: Dạng trường điện từ SPP truyền trên bề mặt 2 môi trường Vì SPP là sóng điện từ phân cực , nên véc-tơ cường độ từ trường vuông góc với mặt phẳng – mặt phẳng trong Hình 2.3 Vì thế... truyền dọc theo bề mặt của nó Thêm nữa, sự kích thích bề mặt điện từ trường có nguồn gốc vật lý là sự đổi chỗ cơ học của các hạt mang điện, nguyên tử, phân tử Sự đổi chỗ này dẫn đến hình thành sự phân cực phụ thuộc theo thời gian (P) hay sự từ hóa (M) và sự tạo thành trường điện từ phụ thuộc theo thời gian kết hợp gần bề mặt tiếp xúc Vì thế sự kích thích điện từ và cơ học không độc lập mà kết hợp với nhau . pháp phân tích và kết quả đạt được trong thiết kế bộ giao thoa Mach-Zehnder với kích thước nano. Nội dung đồ án được trình bày làm 3 chương: Ở chương 1 giới thiệu công nghệ mạch quang tích hợp. sử dụng phương pháp vi phân hữu hạn miền thời gian (FDTD. Trên nền tảng ống dẫn sóng MDM, phân tích và thiết kế bộ ghép định hướng (Directional coupler-DC). Từ đó thiết kế bộ ghép 3dB với mục đích. sở bộ ghép và hiệu ứng điện-quang, nghiên cứu và thiết kế bộ giao thoa Mac-Zehnder ứng dụng sóng SPPs. Với việc sử dụng vật liệu hiệu ứng Pockels, tín hiệu ánh sáng trong bộ giao thoa được điều