Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường: Nghiên cứu, thiết kế cảm biến quang tích hợp sử dụng cấu trúc plasmonic lai ghép vật liệu silic

Tong kết kết quả nghiên cứu 4.1 Thiết kế cấu trúc cảm biến Hydro Trong phần này đề tài đề xuất một cấu trúc cảm biến hydro mới có độ nhạy cao dựa trên Bộ cộng hưởng vòng RR được hỗ trợ b

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

BAO CAO TONG KET

KET QUA THUC HIEN DE TAI KH&CN

CAP ĐẠI HỌC QUOC GIA

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế cảm biến quang tích hợp sử dụng cấu trúcplasmonic lai ghép vật liệu silic

Mã số đề tài: QG.19.58

Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Anh Tuấn

Hà Nội, 2024

PHAN I THONG TIN CHUNG

1.1 Tên dé tài: Nghiên cứu, thiết kế cảm biến quang tích hợp sử dung cấu trúc

plasmonic lai ghép vật liệu silic

1.2 Mã số: QG.19.58

1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

hoạch và Đầu tư

TT tên Đơn vị công tác tài

1 [NCS Nguyễn Anh Tuan Trường Quốc tế, Chủ nhiệm đề tài

ĐHQGH *

ˆ ` Trường Quốc tế, Thành viên thực hiện

2 |PGS.TS Lê Trung Thanh DHOGH chinh

PGS.TS Nguyễn Thanh Trường Quốc tế, an

3 Ting ĐHQGH Thành viên

x 1.8 Trường Quốc tế, ,

4 |ThS Đô Hoang Nam ĐHQGH Thư ký khoa học

5 |TS Nguyễn Văn Tánh Trường Quốc té, Thành viên

¬~ ĐHQGH

^ wk Truong Quốc tế, Thành viên thực hiện

6 |TS Lê Duy Tiên DHOGH chinh

7 |ThS Nguyễn Mạnh Cường |Bệnh viện Tim Hà Nội |Thành viên

8 [TS Bùi Thị Thùy Trường Đại học FPT [Thành viên

9 NCS Nguyễn Thi Hồng Truon DH Tài nguyên [Thành viên thực hiện

Loan và Môi trường Hà Nội |chinh

1.4 Don vị chủ trì: Trường Quốc tế, DHQGHN

1.5 Thời gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: 24 tháng từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 12 năm 2020

1.5.2 Gia hạn (nếu có): 3 lần (từ tháng 12/2020 đến 10/2021; 10/2022; 10/2023) 1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 10 năm 2023

1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): Không

1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 400 triệu đồng.

PHAN II TONG QUAN KET QUA NGHIÊN CUU

1 Dat van dé

Trước đây, kỹ thuật do, cảm biến sử dung sợi quang đã được nghiên cứu

ứng dụng rộng rãi vì cảm biến dựa vào sợi quang có độ chính xác, miễn nhiễm

điện từ, có độ bền cao và dễ chế tạo Tuy nhiên, nhược điểm của cảm biến dùng

sợi quang là kích thước lớn, không có khả năng tích hợp và chỉ đo được một

tham số ở một thời điểm Gần đây, việc nghiên cứu thiết kế các bộ cảm biến

quang tích hợp thay vì sợi quang đã được chú ý bởi nhiều nhà khoa học trên

toàn thé giới bởi ưu điểm của nó là kích thước nhỏ, dé dàng chế tạo hàng loạt, có

khả năng tích hợp, có độ nhạy và độ chính xác cao.

Đề phát triển kỹ thuật cảm biến quang, một số khía cạnh được quan tâm

đặc biệt đó là việc thiết kế các bộ bién năng (Transducer) nhằm tăng tín hiệu cần

đo, giảm ảnh hưởng của nhiễu, thiết kế cấu trúc tiếp xúc để giảm thời gian đo,

phân tích dữ liệu khi đo Trong đó, cấu trúc cảm biến dé có độ nhạy cao và giới

hạn đo thấp là vấn đề được quan tâm nhiều nhất và quan trọng nhất Với cảm

biến quang, tham số đánh giá quan trọng là độ nhạy (Sensitivity) và giới hạn đo

(Detection limit) Độ nhạy là biên độ sự thay đổi của tín hiệu chuyên đối tương

ứng với sự thay đổi của chất cần đo Về cơ bản, độ nhạy được xác định băng

cường độ tương tác giữa ánh sáng và vật chất Cảm biến có độ nhạy cao chophép phát hiện nhanh các chất ở nồng độ siêu nhỏ và cho phép chuẩn đoán đượcbệnh trong thời gian tiền nhiễm bệnh

Trong mấy chục năm qua, cảm biến khí H2 được ứng dụng rộng rãi như

ứng dụng trong vận chuyên, lưu trữ khí H2 và các tế nao năng lượng, pin năng

lượng Khí H2 có đặc điểm không màu, không mùi, dé bắt cháy nên kỹ thuậtcảm biến khí H2 thương khác so với các kỹ thuật cảm biến truyền thống Các kỹthuật cảm biến khác nhau được sử dụng gần đây dé đo và phát hiện khí H2 như

cảm biến sử dụng oxit kim loại, cảm biến điện hoá, cảm biến điện nhiệt và cách

tử Bragg sử dụng các chất nhạy H2 như WO3 va Pt

Tuy nhiên, yêu cầu về cảm biến H2 cần có độ nhạy cao, có đặc tính lựa

chọn, đặc hiệu tốt và dải đo rộng thì chỉ có thể thực hiện được băng công nghệ

cảm biến quang tích hợp.

Trong nghiên cứu này, đề tài thiết kế một số cấu trúc cảm biến quang tíchhợp mới đo khí H2 có độ nhạy, dải đo rộng và kích thước nhỏ Cấu trúc cảm

biến được thiết kế trên ống dẫn sóng nano silic (Silicon nanowire) nên tương

thích với công nghệ chế tao CMOS (Complementary Metal Oxide

Semiconductor) hiện nay Bởi vay, thiết bị cảm biến có ưu điểm là kích thước

2

cực nhỏ, rẻ tiền, dé dang đóng gói va có khả năng chế tạo hàng loạt dùng côngnghệ chế tạo mạch vi điện tử Cảm biến quang trong nghiên cứu này có thê tíchhợp trên một chip duy nhất và có thé xem như là một ứng cử viên cho nền tang

phòng thí nghiệm trên một chip (Lab on chip).

1.2 Giới thiệu chung về cấu trúc và nguyên lý của cảm biến quang

Dé có cái nhìn khái quát về công nghệ cảm biến quang, trong Hình 1 dé

tài chỉ ra sơ đồ tổng quát của một hệ thống cảm biến quang Nguồn phát tín hiệu

quang được đưa vào bộ cảm biến qua sợi quang đầu vào Đầu ra của bộ cảm

biến được nối với một bộ thu quang Cường độ, bước sóng, pha hay độ phân cực

của tín hiệu ra sẽ thay đổi phụ thuộc vào môi trường cần đo Băng cách đo sự

thay đôi của các tham số đó, tham số môi trường cần đo có thê được xác định.

khác như tránh được nhiễu điện từd, có độ nhạy cao, tương thích với hệ thống

thông tin quang, phản ứng nhanh và băng thông cực lớn Cảm biến quang đượcứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y sinh, môi trường và

quân sự.

Các loại cảm biến ứng dụng trong y sinh và môi trường như cảm biếnphân tử, DNA, độ pH, các chất kim loại nặng, v.v thường yêu cầu đạt được mộtvài tham số hiệu năng cao hơn so với các loại cảm biến khác Đặc biệt, tronglĩnh vực y sinh, cảm biến y sinh thường yêu cầu phải có độ nhạy cực cao và

không bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh như nhiệt độ và áp suất Điều

này chỉ có thé đạt được khi dùng cảm biến quang Các cảm biến quang có théđạt được độ nhạy cao, kích thước nhỏ va giá thành rẻ.

Hình 1.2 chỉ ra cấu trúc và nguyên tắc chung của cảm biến quang không

dùng nhãn (label-free) dựa vào thay đổi chiết suất Khi xuất hiện chất cần đo,

chiết suất của vỏ ông dẫn sóng thay đổi do vậy đặc tính truyền dẫn của ánh sáng

qua cấu trúc thay đổi Nếu ta đo được sự thay đổi này, ta sẽ biết được chat cầnđo.

Target molecule

Buffer solution

Light intensity

Biorecognition molecule

Hình 1.2 Nguyên tắc chung của cảm biến quang không dùng nhãn

Hình 1.3 là sơ đồ tổng quát của một hệ thong cam bién quang với một SỐ

ứng dụng cu thé Nguồn phat tín hiệu quang được đưa vào bộ cảm biến qua sợi

quang đầu vào Đầu ra của bộ cảm biến được nối với một bộ thu quang Cường

độ, bước sóng, pha hay độ phân cực của tín hiệu ra sẽ thay đôi phụ thuộc vào

chat và môi trường cần đo Bằng cách đo sự thay đổi của các tham số đó, tham

số môi trường va chất cần đo có thé được xác định Khi môi trường cần đo baophủ xung quanh lớp vỏ của ống dan sóng, chiết suất hiệu dụng của ống dan sóng

sẽ thay đổi Bằng cách đo sự thay đổi của chiết suất hiệu dụng trong ống dẫn

sóng, các tham số cần đo có thể được xác định

Targets Biorecognition molecules Optical transducers Signal processing

Hình 1.3.Cau trúc chung và ứng dung của hệ thong cảm biến quang

Yêu cầu về phân tích, định lượng nhanh, chính xác các chất sinh học như

glucose, protein, DNA, virus, ở nồng độ siêu nhỏ là một yêu cầu quan trọng

trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng của các ngành y tế, môi trường,

thực phẩm, nông nghiép, Lay vi dụ thông qua việc phat hiện các protein đặc

trưng, đột biến gen, kháng nguyên và kháng thể trong bệnh phẩm, cho phép

chuẩn đoán nhanh, chính xác nhiều bệnh nguy hiểm như ung thư, lây nhiễm

4

virus, sản phẩm đột biến gen, tiêu đường, Những thành tựu đột phá trong lĩnhvực sinh học phân tử và y sinh, hóa học đến nay đã xác định được khoảng gần

200 chất đánh dấu sinh học (biological maker) [5] Như vậy mở ra khả năng mớicho nghiên cứu và ứng dụng trong các ngành liên quan như sinh học, y học,dược phẩm, nông nghiệp, môi trường

Các loại cảm biến ứng dụng trong y sinh và môi trường như cảm biến

phân tử, DNA, độ pH, các chất kim loại nặng, v.v thường yêu cầu đạt được một

vài tham số hiệu năng cao hơn so với các loại cảm biến khác Đặc biệt, trong

lĩnh vực y sinh, cảm biến y sinh thường yêu cầu phải có độ nhạy cực cao và

không bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh như nhiệt độ và áp suất Điều này chỉ có thé đạt được khi dung cảm biến quang tích hợp.

Cảm biến quang có thể được chia ra làm hai kiểu dựa vào cơ chế cảm biến

và cau trúc cảm biến.

1.3 Cơ chế cảm biến quang

Dựa vào các hiện tượng vật lý ứng dụng trong các bộ cảm biến, người ta

chia ra các loại cảm biến sau:

a) Cảm biến huỳnh quang

Khi ánh sáng truyền qua sợi quang được bao phủ bởi môi trường (ví dụ

như phân tử y sinh) cần đo, các phân tử của môi trường sẽ được kích thích từ

trạng thái có mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hơn Các phân tử ở

trạng thái này không bên, có xu hướng chuyền về các mức năng lượng thấp hơn

và phát ra photon Hiện tượng này gọi là hiện tượng kháng thé huỳnh quang và

có thé được sử dụng dé phát hiện sự có mặt của phân tử y sinh nào đó Sơ đồ của

một hệ thông cảm biến huỳnh quang được chỉ ra ở Hình 1.4 Trong đó, tín hiệu

quang được cung cấp bởi một laser đưa vào sợi quang Tín hiệu truyền đi trong sợi quang đến khi gặp môi trường cần đo sẽ phản xạ trở lại hệ thống phát hiện

do hiện tượng kháng thể huỳnh quang Cảm biến huỳnh quang thường được sử

dụng dé phát hiện sự có mat cua BaP, BPT, DNA, v.v

Bo chia công suất

sóng plasma bề mặt (SPW-surface plasmon wave) Khi SPW tiếp xúc với môi

trường cần do (analyte) thì pha của sóng SPW phân cực TM (transverse

magnetic field) sẽ thay đổi Bang cách đo sự thay đổi về pha trên, sự xuất hiện

và nồng độ của môi trường cần đo được xác định

c) Cảm biến hấp thụ quang

Định luật Beer chứng tỏ rằng hệ số hấp thụ quang tỷ lệ với mật độ của

môi trường cần đo và chiều dải quang Dựa vào định luật Beer, tham số môi

trường có thể được xác định bằng cách đo hệ số hấp thụ quang Đây là phương

pháp đơn giản và hiệu quả vì hầu hết các chất cần đo có tính chất hấp thụ quang

d) Cảm biến thay đổi chiết suấtKhi môi trường cần đo bao phủ xung quanh lớp vỏ của ống dẫn sóng,

chiết suất hiệu dung của ống dẫn sóng sẽ thay đổi Bang cách đo sự thay đổi của

chiết suất hiệu dụng trong ống dẫn sóng, các tham số của môi trường có thê

được xác định Hình 1.5 thé hiện cau trúc của ống dẫn sóng quang có thêm lớp

bao phủ của môi trường (adlayer) trên bề mặt ống dẫn sóng Chiết suất hiệu

dụng của ông dẫn sóng thay đổi theo hai cơ chế:

- Bang cách hấp thụ chất cần đo vào bề mặt của ống dẫn sóng dé làm cho

chiều day của nó (p) thay đổi, chiết suất hiệu dụng của ống dẫn sóng thay đổi

theo chiều dày này Do đó, mật độ của chất cần đo phụ thuộc vào chiết suất hiệu

vỏ của ống dẫn sóng Do đó, chat cần đo được xác định bang cách đo sự thay đôi

của chiét suât hiệu dụng.

Y

Võ ông dẫn sóng Lop bao phủ của môi tường

Mode Đề

Hình 1.5 Thay đổi chiết suất hiệu dụng trong ống dẫn sóng quang

Sự thay đổi của chiết suất hiệu dung An,, trong trường hợp này là:

An _ 2An,n, [fi E02 y ) Paxay

1.4 Cấu trúc cảm biến quang

Có một vài cau trúc cảm biến quang thông dụng được sử dụng như cấu

trúc giao thoa Mach Zehnder, cấu trúc vi cộng hưởng, cấu trúc cách tử Bragg,

7

v.v Sau đây đề tài trình bày nguyên lý hoạt động của một vài cấu trúc, cụ thể

như sau:

a) Cau trúc giao thoa

Kiểu cấu trúc ống dan sóng thông dụng nhất là cau trúc giao thoa MachZehnder (MZI- Mach Zehnder Interferometer) Sự tương tác giữa chất cần đo vàtín hiệu quang truyền trong cảm biến tạo ra sự thay đổi chiết suất hiệu dụng và

do vậy dẫn đến tạo ra sự thay đổi về pha tín hiệu Đề biến đổi sự thay đôi về pha

thành sự thay đôi về biên độ hay cường độ tín hiệu, cau trúc MZI được sử dụng

Hình 1.6 là sơ đồ cấu trúc của cảm biến dùng MZI Hàm truyền ở cổng ra của

cảm biến được tính theo công thức:

P Ao

Ty = tt = cos” (— MZI P ( 2

in

(1.3)

trong đó P, và P,, là công suât vao và ra của cảm biên; Ag là sự khác

pha giữa hai ống dẫn sóng của MZI.

Ong dẫn sóng tham chiếu

Miễn trong tác

Chat cần do

(b) Cấu trúc cảm biến MZI

Hình 1.6 Cau trúc cảm biến MZI (a) Lý thuyết và (b) Thực tếb) Cau trúc ống dẫn sóng rỗng (hollow waveguides)

Ông dẫn sóng rỗng cho phép tín hiệu quang được giữ trong lõi ống dẫn

sóng có chiết suất thấp Hình 1.7 là cấu trúc của ống dẫn sóng rỗng được dùng

làm cảm biến quang Chất cần đo dùng làm lõi của ống dẫn sóng Do đó, bằng

cách đo sự thay đổi chiết suất hiệu dụng của chất lỏng làm lõi, người ta có thé

xác định được chất cần đo

Lối ong dan song

Hình 1.7 Ong dẫn sóng rỗng c) Cau trúc cách tử Bragg

Cách tử Bragg (Hình 1.8) là một cấu trúc tuần hoàn trong đó đường bao

chiết suât của nó thay đôi theo phương trình:

(X,Y, Z) = My (x, y) + An(*X, y, 4)

(1.4)

Ở đây n,(x,y) là phân bố chiết suất ống dẫn sóng va An(x, y,z) là sự thay

đổi của chiết suất doc theo chiều dài z với chu kỳ A, được tính theo công thức:

trong đó, m là bậc cách tử va 4, là bước sóng trung tâm đáp ứng của cách

tử Khi cách tử được dùng làm cảm biến, sự xuất hiện của chất cần đo làm vỏ ống dẫn sóng của cách tử sẽ làm thay đôi chiết suất hiệu dụng Do vậy, bước

sóng trung tâm trong đặc tuyến truyền dẫn và phản xạ của cách tử sẽ thay đổi

Bằng cách đo độ dịch bước sóng trung tâm, chất cần đo có thé được xác định.

Lõi ông dan sóng

Hình 1.8 Cách tu Bragg

d) Cấu trúc khe ống dẫn sóng (slot waveguides)

Gần đây các ống dẫn sóng khe (slot waveguides) đã được chế tạo trên

công nghệ silic (Hình 1.9) Ong dẫn sóng nay bao gồm hai ống dẫn sóng Si đặt

rất gần nhau Ông dẫn sóng khe hỗ trợ các mode được truyền trong khe có chiết suất thấp nằm giữa hai ống dẫn sóng Si Bằng cách cho chất cần đo bao phủ trong khe ống dẫn sóng và đo sự thay đổi chiết suất hiệu dụng, người ta a có thé

xác định được chất cần đo

h

(a) (b)

Hình 1.9 Ong dan sóng khe (a) Cấu trúc và (b) Mode quang

đ Cấu trúc vi công hưởng MRR

Bộ vi cộng hưởng MRR được xem là thiết bị quang đa năng và được ứngdụng rất rộng rãi trong lĩnh vực thông tin quang vì chúng có kích thước nhỏ Rất

nhiều thiết bị chức năng như bộ điều chế, giải điều chế, tách/ghép kênh, logic

quang và lọc quang đã được thiết kế và chế tạo dựa vào MRR

Các bộ cảm biến dựa vào cấu trúc MRR có ưu điểm là kích thước nhỏ, độ

nhạy cao Hình 1.10 thé hiện so đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động của một bộ

cảm biến dựa vào MRR Khi xuất hiện chất cần đo (làm vỏ của ống dẫn sóng),

chỉ số chiết suất hiệu dụng của mode trong ống dẫn sóng thay đồi làm cho bước

sóng cộng hưởng của MRR bị dịch Bằng cách đo độ dịch của bước sóng cộng

hưởng, ta có thể xác định được chất cần đo

10

Thay đôi chiết suất vo ống dẫn sóng

Vi cong huong vùng Vi cộng hưỡng hình đường dua

Hình 1.10 Cau trúc cảm biến dựa vào bộ vi cộng hưởng

Mỗi một cấu trúc và nguyên lý cảm biến quang có ưu nhược điểm riêng.

Tuy nhiên, công nghệ cảm biến quang tích hợp sử dụng vật liệu silic có ưu điểm

nổi bật với khả năng chế tạo hàng loạt có giá thành rẻ, sử dụng công nghệ chế tạo vi mạch CMOS, kích thước cảm biến nhỏ và có khả năng tích hợp trên chip Cảm biến dựa vào plasmonic có độ nhạy cao nhưng nhược điểm là suy hao cũng cao Do vậy trong nghiên cứu của đề tài sẽ tích hợp các ưu điểm của cả hai loại trên Bảng so sánh đưới đây thể hiện một vài đặc điểm của các cơ chế cảm biến

một số cấu trúc đã biết

11

3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng:

- Phuong pháp phân tích, tổng hợp

- Nghiên cứu lý thuyết, phân tích thiết kế dùng mô hình toán học: Phương

pháp ma trận truyền dẫn, tính toán giải tích sử dụng các mô hình toán học

- Mô hình hóa, mô phỏng dùng các thuật toán chuyên dụng

- Khao sát thực nghiệm.

4 Tong kết kết quả nghiên cứu

4.1 Thiết kế cấu trúc cảm biến Hydro

Trong phần này đề tài đề xuất một cấu trúc cảm biến hydro mới có độ

nhạy cao dựa trên Bộ cộng hưởng vòng (RR) được hỗ trợ bởi cấu trúc giao thoa

Mach Zehnder (MZI) trong éng dẫn sóng silicon Dựa trên hiệu ứng giống Fano

được tạo ra từ cấu trúc bộ cộng hưởng, độ nhạy của cảm biến đạt được cao hơn

10 lần so với cảm biến thông thường dựa trên bộ vi cộng hưởng đơn và cau trúc

giao thoa Mach Zehnder (MZI) Thiết bị này rất nhạy cảm với sự thay déi nồng

độ hydro thấp từ 0-4% trong phạm vi giới hạn dễ cháy thấp hơn (EFL) của

hydro Đề tài cũng thiết kế tối ưu khoảng trống và chiều rộng của palladium (Pd) được bao phủ trong vùng cảm biến dé có mức suy hao thấp nhưng van đạt được giới hạn phát hiện thấp và độ nhạy cao Cảm biến hydro quang học này có thé

cung cấp các kha năng dễ chế tạo, dé chế tao, sai số chế tạo thấp so với cảm biếnquang học chỉ dựa trên các bộ ghép định hướng.

(4%) của hydro có thé gây ra vụ nỗ nghiêm trọng Do đó, việc phát triển cảm

biến khí dé phát hiện hydro nhanh và đáng tin cậy là rat quan trọng dé bảo quan,

xử lý và sử dụng an toàn.

Ngày nay có nhiều cảm biến hydro có sẵn trên thị trường và nhiều cảm

biến trong số này dựa trên các nguyên tắc phát hiện hydro đã được thiết lập

trong nhiều thập ky Tuy nhiên, dé theo đuôi việc phù hợp với nhu cầu của nền

kinh tế tập trung vào hydro mới noi, những nỗ lực nghiên cứu quan trong dang

12

diễn ra tập trung vào việc liên tục nâng cao hiệu suất của cảm biến Cải tiến này

bao gồm các khía cạnh như độ chọn lọc, độ nhạy và thời gian phản hồi, bên cạnh

mục tiêu giảm kích thước cảm biến, chi phí va mức tiêu thụ điện năng

Nhiều loại cảm biến hydro khác nhau đã được phát triển bao gồm cảm

biến xúc tác, điện hóa, chất bán dẫn oxit kim loại và cảm biến hydro quang học

Trong số đó, loại thứ hai cung cấp một số lợi thế nhờ kích thước nhỏ gọn, độ an

toàn và khả năng miễn nhiễm khỏi nhiễu điện từ Đặc biệt, cảm biến hydro dựa

trên sợi quang là một trong những thiết bị mới nỗi Chúng có độ nhạy và khả

năng ghép kênh tốt Ngoài ra, chúng ít phù hợp hơn dé tích hợp do kích thước

lớn, do đó hạn chế tiềm năng của chúng trong các ứng dụng tích hợp dày đặc

trên chip Khả năng tích hợp cam biến mang lại nhiều ưu điểm hơn như độ nén

cao và chế tạo tích hợp quy mô lớn giá rẻ.

Ngoài ra, các cảm biến hydro gần đây dựa trên công nghệ bộ vi cộng

hưởng đơn trên silicon trên chất cách điện (SOI) với lớp phủ Pd/Pt, lớp phủ ZnO

hoặc cấu trúc MZI với lớp phủ WO3/Pt Những cau trúc này bị hạn chế về độ

nhạy Mục đích của nghiên cứu này là tìm ra một cấu trúc mới nhằm mang lại

độ nhạy cao Trong phan này, dé tài trình bày một cấu trúc MZI có bộ cộng

hưởng vòng để tạo ra hiệu ứng Fano áp dụng cho phát hiện hydro Hai bộ ghép

nhiễu đa mode (MMI) được sử dụng Điều đó đã chỉ ra răng các cảm biến dựa

trên MMI có ưu điểm là nhỏ gon, dung sai chế tao lớn, it nhay cam voi bién

động nhiệt độ va dễ chế tạo Cấu trúc này có thể tạo ra hình dạng đường Fano.

Kết quả là nó có thể cung cấp độ nhạy cực cao so với các cấu trúc thông thường

Mô phỏng 3D EME (Mở rộng chế độ riêng) và FDTD (Chênh lệch thời gian saiphân hữu hạn) được sử dụng cho toàn bộ thiết kế của cảm biến

4.1.2 Đề xuất cảm biến hydro mới có độ nhạy cao

Cấu trúc đề xuất dựa trên hai bộ ghép MMI được tích hợp với một bộ vicộng hưởng đơn được trình bày trong Hình 4.1 (a) Trong thiết kế này, đề tài sử

dụng ống dẫn sóng SOI với các thông số sau: chiều cao 220nm và chiều rộng 500nm Ở bước sóng hoạt động khoảng 1550nm, ống dẫn sóng là ống dan sóng

chế độ đơn Các tham số cấu trúc của bộ cộng hưởng vòng được tích hợp vớimột nhánh của MZI được hién thi trong Hình 4.1 (b)

13

—e “4.

(b)

Hình 4.1 Cau trúc cảm biên hydro

Đề tạo hiệu ứng Fano, tại một công đầu ra khác của Hình 11 (a), đề tài sử

dụng dich pha dựa trên ống dẫn sóng rộng hơn dé tạo ra độ lệch pha 0,5(rad) z.

Trong nghiên cứu này, dé tài sử dụng bộ cộng hưởng vòng được phủ hoàn

toàn bằng lớp Pd như trong Hình 4.1 (b) Chỉ số khúc xạ phức tạp của Pd ở

1550nm là n=3,605 + 8,498i [9] Sự biến đổi của phần thực và phần ảo của Pd

RI theo bước sóng được cho trong Hình 4.2 Phần thực và phần ảo của chiết suất

Pd thay đôi theo độ dày của lớp Với sự hiện diện của hydro, chiết suất của lớp

Pd thay đổi, dẫn đến thay đổi đặc tính cộng hưởng của bộ cộng hưởng vòng và

do đó tạo chuỗi công suất đầu ra chuẩn hóa của Hình 11 (a) Các báo cáo thực nghiệm cho thấy rằng cả phần thực và phần ảo của độ thấm của màng Pd đều

giảm khi hấp phụ hydro [9] Phần thực và phan ảo của RI (n và k) là hàm của

phan thực va phan ảo của hăng số điện môi (el và z2) được cho là:

Như vậy khi el và 2 giảm thì phần thực n cũng sẽ giảm va phan ảo k có

thé tăng hoặc giảm tùy theo giá trị độ thấm Do đó phan thực của chiết suất Pd

giảm khi hấp phụ hydro.

14

Hình 4.2 Phan thực và phan ao cua Pd

Do sự có mặt của lớp Pd xung quanh ống dẫn sóng SOI nên hệ số ton thất

sẽ tăng lên đáng kê Do đó, chúng ta cần thiết kế tối ưu khoảng cách giữa lop Pd

và ống dan sóng SOI dé giảm ton thất nhưng vẫn giữ được độ hap thu hydro đủ

lớn Bằng cách sử dụng mô phỏng EME 3D, đề tài tính toán chỉ số hiệu quả

phức tạp của chế độ giống TE ở các khoảng trồng khác nhau chang hạn như 0%

H2 và 2% H2 Phan thực của chỉ số hiệu dụng và hệ số tôn that lần lượt được théhiện trong Hình 4.2 (a) và (b) Do đó, chúng ta có thể chọn khoảng cách 10nm

dé giảm tồn that.

Ở khoảng cách tối ưu là 10nm, cấu hình chế độ của ống dẫn sóng trong bộcộng hưởng vòng được hiển thị trong Hình 4.3 (a) và Hình 4.3 (b) cho thấy sựlan truyền trường qua bộ cộng hưởng vòng ở bước sóng hoạt động 1550nm Bán

kính vòng là bước sóng 1550nm Bán kính vòng là bước sóng 1550nm.

15

Hình 4.3 (a) Chỉ số khúc xạ hiệu dung thực và (b) hệ số ton thất ở các

khoảng trồng khác nhau giữa lop Pd và ống dẫn sóng SOI

Đối với bộ cộng hưởng vòng đơn, đề tài sử dụng vùng này cho vùng cảm

nhận trong Hình 4.4 (a) Phần tử ghép cho bộ cộng hưởng vòng là bộ ghép định

hướng, trong đó © và T là hệ số ghép chéo và hệ số ghép truyền của bộ ghép

cộng hưởng vòng vi mô; % là hệ số suy giảm của trường sau một chuyến đi vòng qua ống dẫn sóng vòng Điện trường phức tạp ở đầu ra của bộ cộng hưởng vòng trong vùng cảm biến của Hình 13(b) được biểu thị bằng mô hình Yariv:

Ea) Lên We) |

16

Hình 4.4 (a) Cấu hình trường và (b) sự truyền trường qua vùng cảm bién

Trong đó, 72 expt jo) t2, Nev là chỉ so hiệu quả và 'x là độ dài của bộ

cộng hưởng microring Hệ sô tôn thât của bộ cộng hưởng microring được phủ

Pd có thê được biêu thị băng

a = exp(—0.5apqgL pq )exp[—0.5ag; (2#R —Lpg)] (3)

x Ge: [dB/em] px +A 4£ Jk k +sil Ma hệ sô tôn that cua

Trong đó R là bán kính của microring và

ông dẫn sóng Si Trường dau ra và trường dau vào của bộ cộng hưởng microring

Dé đơn giản, đề tài chọn khoảng cách của bộ ghép định hướng 90nm déthiết kế bộ ghép 3dB Công suất truyền chuẩn hóa ở ống dẫn sóng dau ra của bộcộng hưởng vòng đơn được biểu thi bằng [10]:

Từ phương trình (4), pha của bộ cộng hưởng vòng đơn là

$2 ¡2 = A = artan a),single (1+ a” )e-(1+17 cos (a)

Trong đó ® là tan sô góc Dựa vào phương pháp tính toán ma trận, chúng ta có thê tìm ra cường độ của câu trúc cảm biên là

2

2 (1+.07}r-(1+-2Jacos (a)

I= on œk Sin()

(8)

4.1.3 Kêt quả mô phỏng và thảo luận

Trong nghiên cứu nay, đề tài sử dung cơ chế cường độ dé phát hiện hydro

Với sự có mặt của H2, chỉ số hiệu dụng "+t sẽ bi thay đôi do có sự hiện diện của

lớp Pd xung quanh ống dẫn sóng SOI Điều này dẫn đến sự thay đổi cường độ

đầu ra.

Độ thắm phức của Pd sau khi hấp thu hydro có thé được biểu thi bang

[11]:

e(Pd,%H, ) = h(%H,)xe(Pd,0%H, ) (9)

Trong đó °4.9H;) là độ thắm phức của lớp Pd tinh khiết và PCa hàm

phụ thuộc vào nồng độ hydro.

Độ nhạy của cảm biến hydro trong Hình 4.1(a) được biểu thị bằng:

On ^À

Ew

S, =

Mere nạp là phạm vi bước sóng cộng hưởng được kích hoạt bởi

hình dạng đường cộng hưởng Trong cơ chế cường độ, nó gần như là một hằng

số và được xác định bởi bước sóng làm việc Trong thiết kế của đề tài, đề tài

chọn bước sóng làm việc 1550nm để tương thích với các hệ thống truyền thông

cáp quang Do đó, cảm biến có thể được kết nối với các hệ thống thông tin

cảm nhận và có thê được tối ưu hóa băng thiết kế mặt cắt ống dẫn sóng.

Vì vậy, mục đích của hầu hết các nghiên cứu quan trọng là tìm cách tăng

o%, Cau trúc dé xuât của dé tài có thê tạo ra đường nét Fano, do đó hệ sô có

thé tăng lên nhiều so với cấu hình MZI hoặc bộ cộng hưởng microring đơn

Trong tài liệu, giao thoa kế Mach Zehnder và bộ cộng hưởng vòng có thể được

sử dụng, nhưng độ dốc của các cấu trúc này thấp Ví dụ: phản hồi của cấu trúc cảm biến ở 0%H2 và 1%H2 được hiển thi trong Hình 15.

Hình 4.5 Độ dốc của đường truyén

Đề tai so sánh cau trúc được dé xuất với các cau trúc thông thường dựatrên bộ cộng hưởng MZI và microring như trong Hình 4.6 Cho thấy độ dốc củakết cau đề xuất cao hơn 10 lần so với kết câu thông thường Nhờ đó, cảm biến

này có thé cung cap độ nhạy cao hơn 10 lần so với cấu trúc cảm biến dựa trên bộ

cộng hưởng MZI và microring thông thường.

19

Slope of the Transmission (dl)

\| —®— Our proposed sensor design 4 |

Í — & —Ring resonator based sensor Í

—#—MZl based sensor

-1500

1.545 1.55 1.555 1.56 1.565

Wavelength À (um)

Hình 4.6 Độ dốc của đường truyén

Cuối cùng, đề tài sử dụng FDTD để mô phỏng phản hồi của cảm biến cho %H2

khác nhau Các mô phỏng được hiên thị trong Hình 4.7 cho 0%H2, 1%H2,

2%H2 va 3%H2 tương ứng Cac mô phỏng FDTD cũng cho thay có thê dat được độ nhạy cao.

Hình 4.7 Mô phỏng FDTD cho nguyên lý làm việc của cảm biến

20

Đối với cảm biến dựa trên cường độ, LOD (Giới hạn phát hiện) biểu thị lượng

%H2 tối thiểu có thé phát hiện được Trong phát hiện dựa trên cường độ, LOD

có thé được biéu thị dưới dạng:

LOD= uh

51)

Trong đó Š là độ không đảm bảo về cường độ của cảm biến bị giới hạn bởi

nhiễu hệ thống, bao gồm nhiễu nhiệt, nhiễu cường độ và nhiễu quang phô [13]:

LOD = J LOD Shermal + LOD Spectral + LOD intensity

(12)

4.1.4 Tiểu kết

Phần này đã trình bày cấu trúc cảm biến hydro mới dựa trên cơ chế cường

độ cho độ nhạy cực cao sử dụng MZI tích hợp với bộ cộng hưởng microring.Cảm biến có thể cung cấp độ nhạy cao hơn gấp 10 lần so với cấu trúc thông thường của bộ cộng hưởng vòng và MZI Cảm biến được thiết kế sử dụng ống

dẫn sóng silicon có giá thành rẻ và tương thích với công nghệ CMOS hiện có

Cấu trúc cảm biến được đề xuất có thé được tích hợp với truyền thông cáp

quang cho các ứng dụng trực tuyến và thời gian thực trong tương lai.

Như vậy khi el và e2 giảm thi phan thực n cũng sẽ giảm va phan ảo k cóthé tăng hoặc giảm tùy theo giá trị độ thấm Do đó phan thực của chiết suất Pdgiảm khi hấp phụ hydro

4.2 Cấu trúc vỉ vòng dựa trên nhiễu đa mode 4x4 (MMI) trên chất cách

điện silicon đề phát hiện hydro có độ nhạy cao

Đề tài đề xuất cảm biến hydro có độ nhạy cao dựa trên giao thoa đa mode4x4 (MMI) được tích hợp với một bộ cộng hưởng vòng vi mô đơn (MRR) trongống dẫn sóng silicon Dựa trên hiệu ứng giống Fano được tạo ra từ cấu trúc bộcộng hưởng MMI 4x4, sự dịch chuyển bước sóng cộng hưởng khi có mặt hydro

đạt được cao hơn 40 bậc so với cảm biến thông thường dựa trên bộ cộng hưởng vòng vi mô đơn và Giao thoa kế Mach Zehnder (MZI) Thiết bị này rất nhạy

cảm với sự thay đổi nồng độ hydro thấp từ 0-4% trong phạm vi giới hạn dé cháythấp hơn (EFL) của hydro Đề tài cũng thiết kế tối ưu khoảng trống và chiềurộng của palađi (Pd) được bao phủ trong vùng cảm biến dé có mức suy hao thấp

nhưng vẫn đạt được giới hạn phát hiện thấp và độ nhạy cao Cảm biến hydro

quang học này có thé cung cấp các kha năng dễ chế tao, dé chế tạo, sai số chế

tạo thấp so với cảm biến quang học chỉ dựa trên các bộ ghép định hướng.

21

4.2.1 Tính cấp thiết

Hydro đã được sử dụng rộng rãi làm nguồn nhiên liệu trong nhiều ngành

công nghiệp khác nhau, bao gom sản xuất hóa chất, nhà máy lọc dầu, nhà máy

lọc khí, hàng không vũ trụ và lĩnh vực ô tô Khi hydro tự hào có giá trị nhiệtlượng đủ cao, nó có thé nổi lên như một phương tiện vận chuyền năng lượng

cạnh tranh Tuy nhiên, điều quan trọng cần phải thừa nhận là việc sử dụng và

lưu trữ hydro công cộng có những rủi ro cố hữu Nồng độ hydro tăng cao vượt quá giới hạn dé cháy thấp hơn (4%) có thé dẫn đến vụ nỗ nghiêm trọng Do đó,

việc phát triển cảm biến khí nhanh và đáng tin cậy dé phát hiện hydro là rất quan

trong dé đảm bảo lưu trữ, xử lý va sử dụng an toàn.

Một loạt các cảm biến hydro đã được tạo ra, bao gồm cảm biến xúc tác,

điện hóa, chất bán dẫn oxit kim loại và cảm biến hydro quang học Trong số

này, cảm biến quang học có một số ưu điểm do kích thước nhỏ gọn, tính năng an

toàn và khả năng chống nhiễu điện từ Cụ thể, cảm biến hydro dựa trên sợi

quang đại điện cho các công nghệ mới nổi có độ nhạy và khả năng ghép kênh

đáng chú ý Tuy nhiên, độ lớn của chúng hạn chế tính phù hợp của chúng dé tíchhợp liền mạch, hạn chế tiềm năng của chúng trong các ứng dụng tích hợp dàyđặc trên chip Khả năng tích hợp các cảm biến này mang lại nhiều lợi ích, bao

gồm tăng cường độ nén và sản xuất tích hợp quy mô lớn tiết kiệm chi phí.

Nền tảng Silicon-on-Insulator (SOI) nôi bật như một sự lựa chọn đặc biệt

để tích hợp các cảm biến quang học nhờ tính nhỏ gọn vượt trội và khả năng

tương thích với các công nghệ chế tạo chất bán dẫn oxit kim loại (CMOS) bổ

sung [5] Khả năng tương thích này hứa hẹn sẽ tích hợp liền mạch các thiết bị

điện tử và quang tử trên một nền tảng duy nhất Hơn nữa, SOI

cung cấp nên tảng tuyệt vời để hợp nhất nhiều thành phần cảm biến vào một vimạch duy nhất

Nhiều cảm biến hydro quang học dựa trên công nghệ Silicon-on-Insulator(SOI) đã được tạo ra, kết hợp các thành phần cảm biến chính như bộ cộng

hưởng vòng vi mô, Giao thoa kế Mach Zehnder Một ví dụ đáng chú ý là cảm biến hydro quang ống dẫn sóng sườn dựa trên Pd đã được ghi nhận rộng rãi

trong tài liệu khoa học Cảm biến này hoạt động bằng cách phát hiện sự hiện

diện của hydro và định lượng nồng độ của nó bằng cách theo dõi sự thay đổi cường độ ánh sáng ở một bước sóng cụ thé Hoạt động đơn giản và đáng tin cậy của nó là do phép đo cường độ trực tiếp, loại bỏ sự cần thiết phải có thêm máy

phân tích phô

22

Điều đáng nhắn mạnh là trong các nỗ lực nghiên cứu trước đây, ánh sáng

phân cực chế độ điện ngang (TE) độc quyền từ tia laser có thể điều chỉnh đã

được sử dung và các nguyên tắc cơ bản chi phối phương pháp cảm biến dựa trên

chế độ TE này chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng Trong nghiên cứu hiện tại của

dé tài, mục tiêu của dé tài là nâng cao hiệu suất của cảm biến, chăng hạn như độ

nhạy cao Đề thực hiện điều này, đề tài đã giới thiệu một cấu hình cảm biến cải

tiễn đồng thời trình bày nội dung khám phá chuyên sâu về các nguyên tắc cảmbiến cốt lõi có liên quan

Trong thiết kế hiện tại của đề tài, thành phần cảm biến cơ bản được sử

dụng là Giao thoa kế Plasmon bề mặt (SPI), kết hợp một lớp Pd mỏng được

nhúng trong ông dẫn sóng của bộ cộng hưởng vòng silicon-on-Insulator (SOI)

Nhờ khả năng tích hợp và nhỏ gọn đặc biệt, cảm biến hydro SPI có lợi thế cạnh

tranh khi so sánh với các cảm biến hydro khác dựa trên công nghệ SOI Đề tải

dự đoán rằng phương pháp tiên phong này sẽ mở đường cho những khả năng

mới và nâng cao đáng ké khả năng thích ứng của cảm biến hydro dựa trên côngnghệ SOI.

Ngoại trừ cảm biến sợi quang, nhiều cảm biến hydro đã thảo luận trước

đó phải đối mặt với những hạn chế về tuổi thọ hoạt động do các vấn đề liên quanđến ăn mòn điện Hơn nữa, một số cảm biến nhất định trong số này có thé gâyrủi ro trong môi trường có khả năng gây né do khả năng tạo ra tia lửa Mặc du

các cảm biến sợi quang giảm thiểu hầu hết những thiếu sót này một cách hiệu

quả nhưng chúng bị cản trở bởi những hạn chế về mặt tích hợp, chủ yếu xuất

phát từ kích thước vật lý tương đối lớn của chúng.

Hơn nữa, các vật liệu nhạy cảm với hydro như palladi (Pd) và bạch kim(Pt) thể hiện đặc tinh bám dính đặc biệt khi được tích hợp với bộ cộng hưởng

vòng silicon Những cảm biến quang siêu nhỏ gon này không chỉ thể hiện khả năng tương thích với môi trường mà còn vượt trội trong môi trường đầy thách thức và dễ cháy Trong lĩnh vực cảm biến hydro, vật liệu được lựa chọn phải đáp ứng ba tiêu chí cơ bản: độ nhạy, độ chọn lọc và độ đặc hiệu, tất cả đều được đáp

ứng bởi palladium (Pd) và bạch kim (Pt) Cả Pd và Pt đều là những lựa chọn lý

tưởng cho cảm biến hydro do chúng có xu hướng tham gia phản ứng với hydro,

dẫn đến cảm biến hydro dựa trên Pd hydrua được tích hợp với bộ cộng hưởng

vòng vi mô Những cảm biến này có khả năng vượt trội để phát hiện nồng độ

hydro thấp từ 0% đến 4%

Hơn nữa, cấu trúc cảm biến của đề tài dựa trên lý thuyết nhiễu đa chế độ(MMI) và được tích hợp liền mạch với các bộ cộng hưởng vòng vi mô Do đó,

23

thiết kế này đạt được hệ SỐ dạng nhỏ gọn, dung sai chế tạo tuyệt vời, dải phổ tự

do (FSR) cao và tôn thất quang học tối thiêu Cốt lõi của thiết kế này có lớp Pd

nhạy cảm với hydro được đặt bên trong lớp bên trong của bộ cộng hưởng vòng

vi mô, dam bao phát hiện hydro chính xác và hiệu quả.

Trong nghiên cứu này, lần đầu tiên một cấu trúc cảm biến quang học mớichỉ dựa trên một bộ ghép MMI 4x4 được tích hợp với hai bộ cộng hưởng vòng

vi mô (MRR) với Pd được phủ cho cảm biến hydro được đề xuất [9] Câu trúc

cấu trúc của dé tài có thé tạo ra hình dạng đường Fano Do đó, nó có thé cung

cấp độ nhạy rất cao, giới hạn phát hiện (DL) thấp và giá trị tốt (FOM) Cau trúc

đề xuất được áp dụng cho các ứng dụng phát hiện hydro Trong nghiên cứu hiện

tại, đề tài đang giới thiệu một giải pháp cải tiến bộ cộng hưởng vòng vi quang

trên chip dựa trên silicon dựa trên cảm biến hydro 4x4 MMI Cảm biến này có

khả năng giải quyết nhiều hạn chế liên quan đến các cảm biến hiện có Đáng chú

ý, nó có kích thước siêu nhỏ gọn, cho phép tích hợp dễ dàng và mang lại độ

nhạy cao Sự tiến bộ này hứa hẹn sẽ cách mạng hóa công nghệ cảm biến hydro,

nâng cao cả tính an toàn và hiệu suất trong các ứng dụng khác nhau.

4.2.2 CÁU TRÚC THIẾT BỊ VÀ NGUYÊN TAC CẢM BIEN

Sơ đồ cấu trúc được hiến thị trong Hình 4.8 (a) Cau trúc đề xuất chứa

một bộ ghép MMI 4x4, trong đó 3z b, ft 1-4} có các biên độ phức tạp ở các ống

dẫn sóng đầu vào và đầu ra Bộ cộng hưởng vòng microring được sử dụng trong

cánh tay của bộ ghép MMI Trong thiết kế của dé tài, Ống dẫn sóng silicon có

chiều cao 220nm, chiều rộng 500nm được sử dụng dé vận hành ở chế độ đơn.Bước sóng là 1550nm Silica được sử dụng làm lớp phủ cho bộ cộng hưởngtham chiếu Chất phân tích được sử dụng làm lớp phủ ở vùng cảm biến Cấu trúc

lõi bao gồm một bộ cộng hưởng vi vòng dựa trên silicon có một lớp mỏng vật

liệu nhạy cảm với hydro (palađi trong thiết kế này), được phủ lên bề mặt bên

trong của nó Một bộ cộng hưởng vòng micro được phủ băng vật liệu Pd được

đặt ở cánh tay của bộ ghép MMI như trong Hình 4.8 (b).

Bộ cộng hưởng vòng vi mô được ghép nối liền với ống dẫn sóng thắng và

đường kính của vòng vi mô là 5,0 wm Ánh sáng được đưa vào công đầu vào và được thu tại công đầu ra của ống dẫn sóng thắng, có chiều rộng 500 nm và chiều

cao 220 nm dé duy tri trang thái chế độ dẫn hướng sóng đơn

Lớp màu đỏ là lớp vật liệu nhạy cảm với hydro Pd có chiều rộng 400nm,lắng đọng trên bề mặt bên trong của bộ cộng hưởng vòng Vật liệu cốt lõi của bộcộng hưởng vòng vi mô trong mô phỏng EME (Phương pháp mở rộng mã riêng)

là silicon Đối với ống dẫn sóng thang và bộ cộng hưởng vòng vi mô sử dụng

24

chiết suất Si 3,45 ở bước sĩng 1550 nm, lớp bọc phía dưới là SiO2 cĩ chiết suất

1,45.

Trong nghiên cứu này, các ống dẫn sĩng đầu vào và đầu ra của bộ ghép

MMI 4x4 được đặt ở các vị trí đặc biệt dé đạt được các đặc tinh mong muốn:

Sử dụng Phương pháp truyền chùm tia (BPM), vị trí của các ống dẫn sĩng đầu

3L

Lym =—” > ,

vào và độ dài của bộ ghép 2x4 MMI của `” 2 Dé tao ra một thiết bị nhỏ

gọn, dé tài đã chỉ ra rang chiêu rộng của MMI là “mM= 6um Độ dài tơi ưu của

bộ ghép 4x4 MMI là Là = 138.9 pm

trận truyền Ma trận chuyên giao này là một cơng cụ rất hữu ích đề phân tích cáccấu tric MMI xếp tầng Giai đoạn # liên quan đến việc chụp anh đầu vào i với

đầu ra j trong bộ ghép MMI Các giai đoạn # này tạo thành một ma trận 4x4

với i dai điện cho số hang va j đại diện cho số cột [10] Một bộ ghép MMI 4x4

3L„

2, trong đĩ !z là độ dai nhịp của MMI, được mơ tả

z x Ỏ+ Evi =

don co chiéu dai

bang ma tran truyén sau [14]

25

Khi nồng độ hydro trong môi trường xung quanh tăng lên, paladi trải qua

quá trình biến đổi hóa học, dẫn đến sự hình thành palladium hydrua Sự biến đôi

nay gây ra những thay đổi về chiết suất hiệu dụng của lớp palladium Đáng chú

ý, cả thành phần thực và thành phan ảo của chiết suất đều biến đổi phan ứng với

sự dao động nồng độ hydro trong môi trường xung quanh Khi đo chiết suất của palladium hydrua, người ta thấy rõ rằng cả thành phần thực và thành phần ảo của chỉ số này đều thay đổi khi nồng độ khí hydro dao động từ 0% đến 4% Điều

đáng chú ý là cứ mỗi 1% thay đổi nồng độ hydro thì sự điều chỉnh tương ứng về

chỉ số khúc xạ của palađi hydrua tuân theo một mô hình gần như tuyến tính.

Đề phù hợp với dữ liệu đã được xác minh bằng thực nghiệm, độ dày màng

Pd lắng đọng chùm tia điện tử là khoảng 60nm trong mô phỏng của đề tài Cấu

hình trường của ống dẫn sóng được hiển thị trong Hình 4.9(a) được tinh bang

phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) Hình 4.9(b) cho thấy sự truyền tín hiệu

thông qua bộ cộng hưởng vi vòng được phủ bằng vật liệu Pd.

Hình 4.9 Cau hình chế độ của ống dẫn sóng được phủ vật liệu Pd và truyền qua

bộ cộng hưởng vi vòng

Ở độ dày palladium (Pd) quy định, chỉ số khúc xạ phức (RI) của lớp Pd ở bước sóng 1550 nm được xác định là 3,605 + j8,498 Hình 30 minh họa sự biến đổi của cả phần thực và phần ảo của chiết suất Pd đối với bước sóng Điều quan

trọng cần lưu ý là thành phần thực và thành phan ảo của chiết suất Pd thé hiện

sự đao động đáng kể khi thay đổi độ dày màng Hiện tượng này đặc biệt rõ rệt

đối với độ dày màng mà màng trở nên trong suốt một phần Trong những trường

hợp như vậy, phan ảo của chiết suất có xu hướng hướng tới '0', biểu thị sự hấp

thụ ánh sáng giảm, trong khi phần thực có xu hướng hướng tới 'I', biểu thị xu

hướng hướng tới độ trong suốt, khi độ dày màng đạt đến các giá trị rất nhỏ

Hành vi này phản ánh các tính chất quang học phức tạp của lớp Pd, đặc biệt là

trong bối cảnh nó tương tác với ánh sáng ở bước sóng cụ thé 1550 nm.

Hình 4.10 Chiết suất của vật liệu Pd ở các bước sóng khác nhau

Hình 4.10 thé hiện đồ thị gồm phan thực và phan ảo (n, k) của chiết suất

Pd theo độ dày đối với bước sóng 1550 nm.

= œ

27

ad œ wo lào œ

Hình 4.11 Chiết suất cua vật liệu Pd ở các độ dày khác nhau

Sự hấp phụ hydro lên lớp palladi (Pd) dẫn đến sự thay đổi chỉ số khúc xạ

(RI) của nó, từ đó gây ra sự thay đôi bước sóng cộng hưởng Tuy nhiên, ton tại nhiều báo cáo khác nhau về phần trăm thay đổi chỉ số khúc xạ của lớp Pd khi

phản ứng với sự hấp phụ hydro

Người ta xác định răng khi hydro được hấp phụ, cả phần thực (el) và

phan ảo (2) của độ thấm của màng Pd đều giảm Những thay đổi về độ thấm

này có liên quan trực tiếp đến sự thay đổi ở phần thực (n) và phần ảo (k) của

tùy theo giá trị độ thấm Phần thực của chiết suất Pd sẽ giảm khi hap phụ hydro

Độ thấm phức tạp của Pd sau khi tiếp xúc với hydro có thé được mô hình hóa

như phương trình đơn giản sau:

Hình 4.12 (a) Chiết suất của Pd với nông độ H2 khác nhau, (b) Hệ số ton hao

Khoảng cách giữa ống dẫn sóng silicon và lớp Pd ảnh hưởng mạnh đến

hiệu suất của cảm biến Nếu khe hở quá nhỏ thì tổn hao sẽ tăng nhưng độ nhạy

sẽ giảm Do đó, chúng ta cần toi ưu hóa khoảng cách Chỉ số hiệu quả được tính

toán bằng phương pháp EME ở các khoảng cách khác nhau được hiển thị trong

Hình 4.13(a) Hệ số ton thất ở các khoảng trống khác nhau được mô phỏng trongHình 4.13(b) Kết quả mô phỏng cho thấy khoảng cách tối ưu nên ở khoảng 10

nm.

29

bạ œ

5 2.6

=

5 224

Hình 4.13 Chỉ số khúc xạ hiệu quả cua cảm biến Pd với hydro và hệ số ton thất

ở khoảng cách khe khác nhau giữa ong dan sóng silicon và lop Pd Đối với bộ cộng hưởng vòng vi mô, các trường ở đầu ra của bộ cộng

hưởng vi vòng trong vùng cảm biến của Hình 4.13(b) được biểu thị bằng cách

trong đó « va + là các hệ số ghép chéo va ghép truyền của bộ ghép;

E., =œexp(I@)E,-, LA AGA Ấy, > ` ^ Ko 34* 117 A: R

2 POMEL) , # là hệ so ton that của trường sau một chuyên đi khứ hồi qua bộ

@=—[n¿rLpa + này (2zR —Lpa)]

cộng hưởng vi vòng; À là pha khứ hôi, "s# là chỉ sô hiệu

dụng và ' là độ dai của bộ cộng hưởng microring

Kêt quả là công suât truyén chuân hóa ở ông dân sóng đâu ra là:

Trong đó *là tân sô góc Khi ánh sáng truyền qua cong dau vào của bộ

cộng hưởng microring, tất cả các đèn đều được nhận ở công xuyên ngoại trừ

bước sóng thỏa mãn các điều kiện cộng hưởng:

MA, =n„yL„ = Neg (TR) (10:

Trong đó * là bước sóng cộng hưởng và m là số nguyên biểu thi thứ tự

cộng hưởng.

Hoạt động của cảm biến sử dụng bộ cộng hưởng vòng microring 4x4

MMI được đề xuất dựa trên sự dịch chuyển bước sóng cộng hưởng Trường phù

du, đại điện cho phần ánh sáng xuyên qua bên trong vật liệu xung quanh trong

vùng cảm nhận, có thể tương tác với chất phân tích Do đó, một nhiễu loạn yếu đối với trường phù du dẫn đến sự thay đổi chiết suất hiệu dụng và do đó dẫn đến

sự thay đôi điều kiện cộng hưởng hoặc sự dịch chuyên bước sóng Ví dụ, nếu

nồng độ muối trong nước thay đổi thì chiết suất và do đó điều kiện cộng hưởng

cũng thay đôi Một thay đổi nhỏ trong chỉ số hiệu quả chỉ số hiệu quả chỉ số hiệu

quả chỉ số hiệu quả.

31

s~ỐMk Oy OMe _ ỔM s (m/RTU)

on, ON ete on, ON ete q 1)

s,, = nett

wW z ~

Trong đó om, là độ nhạy của ông dân sóng, chỉ phụ thuộc vào các

thông số của ông dẫn sóng va là hăng số đối với câu trúc ống dẫn sóng SOI

(RIU là đơn vi chỉ sô khúc xạ).

Dựa trên phương pháp tính toán ma trận, chúng ta có thể tìm ra hệ số truyền qua chuẩn hóa của cau trúc cảm biến trong Hình 28(a) như sau:

2

ox2sin (œ)

1

Sử dụng phương trình (8), sự truyền quang pho của cảm biến bị thay đổi

khi chất phân tích được đưa vào Bằng cách đo sự dịch chuyển của bước sóng

cộng hưởng, có thể phát hiện được nông độ của dung dịch phân tích.

T=

yp 2)

4.2.3 Kết qua mô phóng và thảo luận

Các đặc tính truyền của cấu hình cảm biến trong Hình 1(a) được trình baytrong Hình 4.14 cho các hệ số ghép khác nhau của bộ cộng hưởng vòng vi mô

và Hình 4.15 cho các bán kính ống dẫn sóng vòng khác nhau tương ứng Đối với

hệ số ghép lớn hơn, có thể đạt được hình dạng Fano dốc hơn Tuy nhiên, việc

chế tạo bộ cộng hưởng vòng khó khăn hơn nhiều do yêu cầu khe hở nhỏ hơn của

bộ ghép định hướng Vì vậy, bộ ghép 3dB có thé được sử dụng cho các ứng

dụng thực tế.

Các mô phỏng FDTD về sự truyền trường qua thiết bị ở bước sóng cực đại và bước sóng nhúng của cộng hưởng Fano được hién thi trong Hình 5 (b) và (c), trong đó hình dạng cộng hưởng Fano có thé được biểu thi bằng công thức

phổ quát cho mặt cắt tan xa:

Fe) = ED"

bu +q (13)

Trong đó q là tham số hình dang, © là năng lượng giảm Cấu trúc đề xuất

có thé tạo ra cấu hình Fano (cổng đầu vào truyền 1, công dau ra 1) so với cấu hình cộng hưởng Fano cho q = +1 Bây giờ chúng ta xem xét bộ cộng hưởng

vòng Độ truyền qua của bộ cộng hưởng thu được bằng:

32

bad a

0 1.545 1.55 1.555 1.56 1.565

Wavelength \ (um)

Hình 4.14 Hình dang Fano cua cau hình cảm biên dat được ở các hệ sô ghép

khác nhau của bộ ghép định hướng tại bộ cộng hưởng microring

Transmission

ot — : ay?

1.545 1.55 1.555

Wavelength \ (um)

Hình 35 Hình dang Fano cua cau hình cảm biên dat được ở các ban kính khác

nhau của ông dân sóng vòng của bộ cộng hưởng microring

Các mô phỏng được trình bày trong Hình 4.15 cho thấy rằng khi bán kính

của cấu trúc vòng tăng lên, hình dang cộng hưởng Fano trở nên dốc hơn Hơn

nữa, bán kính vòng lớn hơn giúp giảm tổn thất quang học trong vòng, khiến việc

chế tạo thiết bị trở nên khả thi hơn Tuy nhiên, có một sự đánh đôi cần xem xét.

Trong khi bán kính vòng lớn hơn tạo ra cộng hưởng Fano đốc hơn và mang lại

lợi thế về mặt chế tạo cũng như giảm tổn thất quang hoc, chúng cũng dẫn đến

hạn chế trong phạm vi phát hiện Hạn chế này phát sinh từ việc giảm dai phổ tự

do (FSR) của thiết bị khi sử dụng cho các ứng dụng cảm biến Về cơ bản, FSR

đại diện cho phạm vi bước sóng mà thiết bị có thể hoạt động hiệu quả mà không

có sự cộng hưởng chồng chéo Đề đạt được sự cân băng giữa các yếu tố này, bánkính phù hợp (có thể không quá nhỏ cũng không quá lớn) được chọn cho cấutrúc vòng Lựa chọn này nhằm mục đích tối ưu hóa hiệu suất của thiết bị, có tính

đến các yếu tố như độ nhạy, tính khả thi trong chế tạo và phạm vi phát hiện

mong muốn cho các ứng dung cảm biến cụ thé

33

Trong hình 4.16, đặc tính truyền dẫn của thiết bị được mô phỏng Môphỏng này cung cấp thông tin có giá trị về mối quan hệ giữa nồng độ khí hydro(H2) và sự thay đổi bước sóng cộng hưởng Bằng cách phân tích cân thận dit

liệu từ mô phỏng này, có thê thiết lập mối quan hệ trực tiếp giữa nồng độ khí H2

trong môi trường và sự dịch chuyền tương ứng trong bước sóng cộng hưởng của

thiết bị Sự thay đổi bước sóng cộng hưởng này bị ảnh hưởng bởi sự tương tác

giữa khí H2 và thiết bị, gây ra những thay đổi về tính chất quang học của nó

Cuối cùng, đề tài so sánh thiết kế của mình với thiết kế thông thường dựa

trên cau trúc MZI trong Hình 4.17 Độ nhạy của cảm biến dựa trên bộ cộng

hưởng microring thông thường cũng được trình bày trong Hình 4.17 Chúng ta

có thé thấy độ nhạy của cau hình đề xuất cao hơn nhiều so với cấu hình thông

thường (khoảng 10 lần) Độ nhạy là khoảng 4nm trên 1% hydro so với 0,35nm

trên 1% hydro trong tải liệu.

Trong nghiên cứu này, đề tài sử dụng cơ chế dựa trên sự dịch chuyển

bước sóng cộng hưởng cho cảm biến, độ nhạy của cảm biến có thể được tính

băng.

S= ^Â ~ 295(nm/ RIU)

Cảm biến của dé tài cung cap độ nhạy 285 nm/RIU so với độ nhạy 170nm/RIU.

Nếu đề tài sử dụng khúc xạ kế quang học có độ phân giải 20 giờ chiều, giới hạnphát hiện của cảm biến của dé tài là khoảng 2,1x10-5, so với giới hạn phát hiện

là 1,78x10-5 của cảm biến cộng hưởng microring đơn.

34

Đề đánh giá hiệu suất của cau hình cảm biến được đề xuất, hệ số giá trị (FOM)

cũng được sử dụng FOM của cảm biến được thé hiện bằng

5 FOM =

FWHM (15)

Trong đó S độ nhạy của cảm biến va FWHM là toàn bộ băng thông ở mức tối da

một nửa Do đó, chúng ta có thể tính toán FoM=71 Giá trị FOM này lớn hơn

đáng kế so với các báo cáo trước đó [23]

5 10 3 |~ &-The proposed sensor

8 pet —®— MRR based conventional sensor

Hình 4.17 Sự dịch chuyển bước sóng cộng hưởng ở các nông độ H2 khác nhau

Các mô phỏng tổng thé của cau trúc cảm biến được hiển thị trong Hình 4.15 ở

các bước sóng khác nhau.

35

Chúng ta có thé sử dụng các quy trình phòng sạch tiêu chuan dé chế tạolớp phủ Pd trong bộ cộng hưởng vòng vi mô Cụ thể, đối với bộ cộng hưởng

được phủ một phần, sự lắng đọng chùm tia điện tử của màng mỏng P và sau đó

là quá trình nâng hạ có thé được sử dụng dé hiện thực hóa bộ cộng hưởng vòng

vi mô được phủ Pd một phần như sau: sau khi bộ cộng hưởng silicon được chế tạo, một lớp quang dẫn và quang khắc nano Các quy trình có thể được sử dụng

dé tạo khuôn cho lớp Pd được phủ một phan, sau đó sự bay hơi chùm tia điện tử

có thé được sử dụng dé lắng đọng lớp Pd mỏng, sau đó có thé sử dụng quy trình

nâng hạ dé loại bỏ phần chất cản quang không mong muốn để hoàn thiện lớp Pd được phủ một phần lớp Trong công việc mô phỏng này, trọng tâm chính của đề

tài là tiết lộ phần bao phủ lớp phủ Pd sẽ đóng vai trò quan trọng như thế nào

trong sự cân băng giữa hệ sỐ Q và sự dịch chuyển bước sóng, đặc biệt là đối với các tính chất quang học.

4.2.4 Tiểu kết

Nghiên cứu này đã trình bày một cau trúc mới cho cảm biến hydro chỉdựa trên một bộ ghép MMI 4x4 được tích hợp với bộ cộng hưởng microring

được phủ bang vật liệu Pd Có thé dat được độ nhạy cao 285 nm/RIU và giới

han phát hiện thấp 2,8x10-5 đối với glucose và 200pm/RIU đối với cảm biếnH2 Cảm biến được thiết kế sử dụng ống dẫn sóng silicon có giá thành rẻ vàtương thích với công nghệ CMOS hiện có.

5 Đánh giá về các kết quả đã đạt được và kết luận

Đề tài đã nghiên cứu được 2 kết quả chính về cấu trúc cảm biến quang sửdụng cấu trúc plasmonic lai ghép vật liệu silic Cụ thé gồm:

1 Cấu trúc cảm biến hydro mới dựa trên cơ chế cường độ cho độ nhạy

cực cao sử dụng MZI tích hợp với bộ cộng hưởng microring Cảm biến có thé

cung cấp độ nhạy cao hơn gấp 10 lần so với cấu trúc thông thường của bộ cộng

hưởng vòng và MZI Cảm biến được thiết kế sử dụng ống dẫn sóng silicon có

giá thành rẻ và tương thích với công nghệ CMOS hiện có Cấu trúc cảm biến

được dé xuất có thê được tích hợp với truyền thông cáp quang cho các ứng dụng

trực tuyến và thời gian thực trong tương lai.

2 Cấu trúc mới cho cảm biến hydro chỉ dựa trên một bộ ghép MMI 4x4

được tích hợp với bộ cộng hưởng microring được phủ bằng vật liệu Pd Có thể

đạt được độ nhạy cao 285 nm/RIU và giới hạn phát hiện thấp 2,8x10-5 đối với

glucose và 200pm/RIU đối với cảm biến H2 Cảm biến được thiết kế sử dụng

ống dẫn sóng silicon có giá thành rẻ và tương thích với công nghệ CMOS hiệncó.

6 Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

36

Tiếng Việt:

Đề tài đã nghiên cứu đề xuất 2 cấu trúc cảm biến mới sử dụng MZI tích

hợp với bộ cộng hưởng microring, cách tiếp cận mới đề triển khai tạo tín hiệu

PAM-4 dựa trên hiệu ứng Fano được tạo ra từ hai bộ ghép MMI 4x4 với ống

dẫn sóng phản hồi, cấu trúc mới cho cảm biến hydro chỉ dựa trên một bộ ghép

MMI 4x4 được tích hợp với bộ cộng hưởng microring được phủ băng vật liệu

Pd, kiến trúc mới dé đạt được tín hiệu PAM-4 chi bằng một bộ ghép 3x3 MMI

dựa trên công nghệ CMOS, cấu trúc dé triển khai các công logic XOR, XNORtoàn quang dựa trên ống dẫn sóng plasmonic lai silicon

Thiết bị được thiết kế trên ống dẫn sóng nano silic sử dụng công nghệ chế

tạo CMOS Do vậy, các cảm biến được thiết kế trong nghiên cứu này có độ

tương thích cao với công nghệ chế tạo mạch vi điện tử, có thể chế tạo hàng loạt

với giá thành rẻ Bên cạnh đó, đề tài đề xuất phương pháp chế tạo cảm biến sử

dụng công nghệ chế tạo CMOS hiện thời.

Tiếng Anh:

The project has researched and proposed 2 new sensor structures using MZI integrated with a microring resonator, a new approach to deploy PAM-4 signal generation based on the Fano effect created from two MMI couplers 4x4 with return waveguide, new architecture for hydrogen sensor only based on a 4x4 MMI coupler integrated with microring resonator coated with Pd material, new architecture to achieve PAM-4 signal only with a 3x3 MMI coupler based

on CMOS technology, the architecture to implement all-optical XOR, XNOR logic gates based on silicon hybrid plasmonic waveguides.

The device is designed on a silicon nano waveguide using CMOS

manufacturing technology Therefore, the sensors designed in this study are highly compatible with microelectronic circuit manufacturing technology and can be mass-produced at low cost In addition, the project proposes a method for

manufacturing sensors using current CMOS manufacturing technology.

37

PHAN III SAN PHAM, CONG BO VÀ KET QUÁ ĐÀO TẠO CUA DE

TAI

3.1 Kết quả nghiên cứu

Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu kinh tế - kỹ

TT Tên sản phầm thuật

Đăng ký Đạt được

1 | Bản thiết kê cảm biên Bản thiệt kê vi mạch Bản thiết kê vi mach

Hydro sử dụng các câu | cảm biên, sơ đô chê cảm biên, sơ đô chê trúc plasmonic lai phép | tạo; cảm biên có độ tạo; cảm biên có độ

vật liệu silic nhạy cao hơn so với nhạy cao hơn so với

công bố hiện nay, dịch | công bố hiện nay, dich

bước sóng cộng hưởng | bước sóng cộng hưởng

ít nhất 2nm ít nhất 2nm

2 | Báo cáo khoa học kiến | Báo cáo khoa học, Báo cáo khoa học,

nghị, tư vân chính sách | chính xác, cập nhật chính xác, cập nhật theo đặt hang của đơn vi | nhật nhật

sử dụng; 01 báo cáo sử dụng cho đảo tạo tại

TT chap nhận don hợp lệ/| ` trợ của (Đạt,

đã được cấp giấy xác | DHQGHN | khôngnhận SHTT/ xác nhận | đúng quy đạt)

sử dụng sản phẩm) định

1 Công trình công bố trên tạp chí khoa học quốc tế theo hệ thông

ISI/Scopus All-optical XNOR and XOR Logic Gates Based on

Ll Ultra-compact Multimode Đã in Đạt

Interference Couplers using Silicon Hybrid Plasmonic

Waveguides Ultra-compact all-optical NAND Logic Gates Based 1.2 jon 4x4 MMI Coupler Using} Đã in Dat

Silicon Hybrid Plasmonic

Waveguides 1.3 [Low-Power Generation of | Dain Dat

38

PAM-4 Signal based on Fano effect for Optical Interconnect Systems

1.4

A

SILICON-ON-INSULATOR RING RESONATOR ASSISTED MACH ZEHNDER

3x3 MMI Architecture for

Optical Interconnect and

lyếu hội nghị quốc tế

Bài báo trên các tạp chí khoa học của DHQGHN, tạp chí khoa học chuyên ngành quôc gia hoặc báo cáo khoa học đăng trong kỷ

5.1

5.2

6

don vi su dung

Bao cao khoa hoc kién nghi

» tư van chính sách theo đặt hàng của

6.1

6.2

7

sách hoặc cơ sở ứng dụng KH&CN

Kết quả dự kiến được ứng dụng tại các cơ quan hoạch định chính

7]

7.2

3.3 Kết quả đào tạo

Thời gian và

kinh phí tham Công trình công bố

or at Ore lién quan Đã bao

TT Ho va tén gia de tai , | (Sản ph ẩm KHCN, vệ

(sô tháng/sô mm ay

2 luận an, luận văn) tiên)

Nghiên cứu sinh

1 | Lê Duy Tiên Các công trình liệt xX

39