Vật liệu tinh thể photonic dùng cho quang học vùng gần 1,5 ứng dụng cho thông tin quang

Vật liệu tinh thể photonic dùng cho quang học vùng gần 1,5 ứng dụng cho thông tin quang

ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Khố luận tốt nghiệp đại học năm 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ==================== Họ tên: Lê Văn Luật VẬT LIỆU TINH THỂ PHOTONIC DÙNG CHO QUANG HỌC VÙNG GẦN 1,5 µm ỨNG DỤNG CHO THƠNG TIN QUANG KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử Viễn thông HÀ NỘI - 2005 SV LÊ VĂN LUẬT ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Khố luận tốt nghiệp đại học năm 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Họ tên: Lê Văn Luật VẬT LIỆU TINH THỂ PHOTONIC DÙNG CHO QUANG HỌC VÙNG GẦN 1,5 µm ỨNG DỤNG CHO THƠNG TIN QUANG KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử Viễn thông Cán hướng dẫn: PGS.TS Phạm Thu Nga Cán đồng hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Hội HÀ NỘI - 2005 SV LÊ VĂN LUẬT ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Khố luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Mục lục Mở đầu Chương Các sở lý thuyết tinh thể photonic 1.1 Giới thiệu tinh thể photonic Các yếu tố “lý thuyết” tinh thể photonic 1.1.1 Sự tương tự phương trình Schrodinger Maxwell 1.1.2 Sự giải số tốn 1.1.2.1 Các sóng phẳng 1.1.2.2 Phương pháp tính đến chiều xác định tinh thể 1.1.2.3 Phương pháp tính phần đến chiều xác định tinh thể 1.1.3 Quy luật chiều dài bước sóng 1.1.4 Các tính chất 1.1.4.1 Sự tuần hoàn theo chiều 1.1.4.2 Sự tuần hoàn theo chiều 1.1.4.3 Sự tuần hoàn theo chiều 1.1.5 Các khuyết tật 1.2 Các tinh thể photonic 1.2.1 Các phương pháp chế tạo tinh thể photonic 1.2.2 Phương pháp điện hoá 1.2.3 Phương pháp oxy hoá chọn lọc theo chiều thẳng đứng 1.2.4 Các tinh thể photonic tự tổ chức từ opal (self-organised photonic crystals) 1.3 Sự phát xạ tự nhiên 1.4 Các ion erbium dịch chuyển phát xạ 1,530 µm Chương Phương pháp chế tạo kỹ thuật nghiên cứu 2.1 Phương pháp nuôi từ dung dịch màng mỏng SiO2 từ Si(C2H5O)4 2.1.1 Giới thiệu phương pháp 2.1.2 Thực nghiệm chế tạo màng mỏng: 2.1.2.1 Tự tập hợp hạt cầu SiO2 2.1.2.2 Tự tập hợp hạt hình cầu SiO2 cấy ion erbium 2.2 Các kỹ thuật đặc trưng tinh thể photonic SV LÊ VĂN LUẬT ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Khố luận tốt nghiệp đại học năm 2005 2.2.1 Kết qua ảnh TEM SEM kích thước, tính trật tự tuần hồn theo chu kỳ 2.2.2 Phép đo với ánh sáng trắng: phổ phản xạ vùng nhìn thấy tinh thể làm từ hạt cầu SiO2 2.3 Kỹ thuật quang huỳnh quang từ mẫu tinh thể làm từ hạt SiO2:Er3+ Chương Các kết thảo luận 3.1 Kết chế tạo mẫu đặc trưng chúng 3.2 Kết chế tạo tinh thể photonic dạng màng đế Si 3.3 Phép đo với ánh sáng trắng: phổ phản xạ 3.4 Phép đo huỳnh quang Kết luận Tài liệu tham khảo SV LÊ VĂN LUẬT ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Các từ viết tắt sử dụng luận văn D dimension chiều, hướng fcc face centre cubic lập phương tâm mặt BIP bande interdite photonique vùng cấm quang TEOS tetra-ethoxy-silane SEM scanning electro microscopy kính hiển vi điện tử quét TEM transmission electron microscopy kính hiển vi điện tử truyển qua LDOS Local density of states Mật độ cục trạng thái SV LÊ VĂN LUẬT ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khố luận tốt nghiệp đại học năm 2005 TĨM TẮT Các nghiên cứu tinh thể photonic nhằm mục đích ứng dụng cho viễn thơng trình bầy nội dung luận văn Một số kiến thức vật lý vật liệu tinh thể có cấu trúc tuần hồn theo số điện mơi trình bầy chương Các đặc trưng vùng cấm quang tinh thể photonic nêu Chúng sử dụng phương pháp tự tập hợp để chế tạo nên mẫu tinh thể photonic từ hạt cầu SiO2 Một số phương pháp tạo mẫu màng tinh thể photonic kỹ thuật thực nghiệm liên quan trình nghiên cứu trình bầy Một số kết bước đầu nhận nhiễu xạ phản xạ theo góc định theo kích thước hạt (hay theo chu kỳ mạng tinh thể) trình bầy luận văn Do đặc trưng cấu trúc tuần hoàn tinh thể liên quan tới khả định hướng ánh sáng vùng ánh sáng nhìn thấy, nên chúng tơi quan sát cách rõ ràng ánh sáng phản xạ theo góc Phổ phản xạ đặc trưng quan trọng để nghiên cứu tinh thể photonic, trình bầy, với vùng cấm quang mẫu mà chế tạo Khả tạo tinh thể có cấu trúc tuần hoàn với vùng cấm quang hoàn toàn rộng bước sóng 1,5 µm tạo ứng dụng viễn thông SV LÊ VĂN LUẬT ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Khố luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Mở đầu Cuộc cách mạng điện tử với 50 năm qua có gốc rễ hai lĩnh vực khoa học cơng nghệ Một mặt, có nhiều tiến vượt bậc hiểu biết cúng ta vật lý chất kim loại, điện môi chất bán dẫn, dẫn đến phát triển linh kiện transistor… Mặt khác, vơ số q trình cơng nghệ nuôi lắng đọng để chế tạo màng mỏng, cấy ion quang khắc cho phép tích hợp khối chức điện tử diện tích nhỏ, đẫn đến microprocessor, hay microcontroler… nhớ mật độ cao đổi cải tiến công nghệ khác Sự truyền dẫn điện tử chất bán dẫn theo tuần hoàn bắt nguồn từ cấu trúc mạng nguyên tử tuần hồn chất rắn Chính nhờ điều mà có vùng dẫn vùng cấm xuất chất bán dẫn Khả để kiểm sốt photon, nhiều trường hợp, cịn non trẻ, so với việc kiểm soát điện tử Các linh kiện thụ động sợi quang, linh kiện dẫn sóng, tách sóng ghép đa bước sóng phát triển tốt Nhưng cấu trúc phức tạp tích hợp địi hỏi, giải pháp quang học cịn chưa xuất Ví dụ, chuyển mạch tồn quang cịn to thơ, mạch tích hợp quang (IC) thường có kích thước cỡ milimet kích thước micromet công nghệ điện tử [1] Tuy nhiên, rõ ràng cần thiết để phát triển vật liệu quan điểm mới, với chức quang tăng lên cho nhiều ứng dụng khác Thị trường viễn thơng tồn cầu phát triển theo đường cong lạ thường dẫn dắt khai thác mạng internet cách vơ rộng lớn, thâm nhập ngày tăng vào sống hàng ngày Sự đòi hỏi mạng băng thông rộng ngày tăng năm tới Các tiếp cận việc điều khiển photon phát triển thập niên tới, để chế tạo linh kiện quang học cần thiết cho mạng Các tinh thể photonic đóng vai trị quan trọng phát triển [1] Tinh thể photonic vật liệu có cấu trúc tuần hồn, mà biểu lộ tương tác mạnh với ánh sáng Một ví dụ đơn giản quan điểm loại vật liệu chồng nhiều lớp vật liệu có số điện môi cao thấp xếp liền kề SV LÊ VĂN LUẬT ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Khố luận tốt nghiệp đại học năm 2005 Có tương tác mạnh với ánh sáng xày vật liệu nhờ giao thoa chùm ánh sáng mà chúng phản xạ khúc xạ tất mặt tiếp giáp bên vật liệu Sự đáp ứng quang học cuối xác định chồng chập pha toàn sóng quang Đã biết từ lâu rằng, đống xếp chồng nhiều lớp điều khiển việc chế tạo để có, ví dụ sợi phản xạ gần hoàn hảo dãy bước sóng (hẹp rộng), cịn gọi vùng cấm (stop band) Các ví dụ tinh thể photonic 1D gương điện mơi, kính lọc, cách tử sợi, cấu trúc distributed-feedback laser phát xạ cộng hưởng thẳng đứng bề mặt (vertical-cavity sưrface-emitting lasers) Trong năm gần đây, có nhiều nghiên cứu triển khai từ quan điểm cấu trúc lớp tuần hoàn, đơn giản tinh thể photonic 1D tới cấu trúc nhiều chiều Đầu tiên đề nghị E.Yablonovite John [2,3], theo hai ơng này, tính chất quang vật liệu miêu tả "cấu trúc vùng quang học" Quan điểm có tương tự với cấu trúc vùng vật liệu điện tử, nghĩa vật liệu với cấu trúc đặc biệt này, tiên đốn tồn vùng cấm quang, hay là, dãy tần số quang học lan truyền vật liệu Quan điểm đặc biệt đáng tò mò tinh thể photonic 3D, bao hàm dải tần số đặc biệt, phát xạ tự nhiên loại bỏ hồn tồn Các nghiên cứu ban đầu cấu trúc vùng có vùng cấm hoàn toàn dẫn đến cấu trúc tinh thể lập phương tâm diện (fcc), chúng sinh kết qủa dương Soukoulis cộng có phát quan trọng đối xứng kim cương loại bỏ suy biến giản đồ vùng, mở vùng cấm hướng tinh thể Trong năm gần đây, nhiều cố gắng đạt kết chế tạo cấu trúc Các tinh thể photonic 2D hấp dẫn khó kiểm sốt quang học theo chiều thứ ba chúng lại có nhiều ưu điểm khả thích hợp với cơng nghệ dẫn sóng quang theo mặt phẳng Thêm nữa, đầu dị hồng ngoại dùng để xác định tính chất bên tinh thể Cũng cần phải nói thêm khuyết tật vài điểm trật tự đóng vai trị quan trọng nghiên cứu tinh thể photonic, chúng điều khiển tính chất đặc biệt bước sóng đặc biệt Hiển nhiên có nhiều ứng dụng tinh thể photonic vùng ánh sáng nhìn thấy vùng hồng ngoại tương ứng với cửa sổ viễn thông SV LÊ VĂN LUẬT ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Khố luận tốt nghiệp đại học năm 2005 1,3 µm 1,5 µm độ phân giải micromet cần đòi hỏi cho công nghệ sản xuất Các chất bán dẫn Si GaAs có độ tương phản chiết suất cao hấp thụ thấp yêu cầu cần cho tinh thể photonic có vùng cấm quang hồn tồn hai ba chiều Cũng vậy, tinh thể photonic làm từ vật liệu điện môi với chiết suất thấp hơn, SiO2, TiO2 polymer, khơng có vùng cấm quang hồn tồn, tương tác mạnh với ánh sáng, có tính chất photonic thú vị [1] Các sợi quang học xương sống toàn mạng quang Knight cộng tổng quát nên quan điểm sợi quang vi cấu trúc tích hợp cấu trúc 2D hình thành từ việc kéo preform sợi quang có cấu trúc Trong sợi này, ánh sáng truyền lõi gồm không khí, có số tính chất phi tuyến [1] Sự đóng góp nhóm Colvin bao phủ tiếp cận để xây dựng nên mẫu có cấu trúc chu kỳ 3D với kích thước theo micromet cách dùng hạt hình cầu tự tập hợp Các tinh thể photonic lặp lại cách dùng kỹ thuật khác nhau, đặc trưng cấu trúc quang học thảo luận đến Trong thập kỷ gần đây, nghiên cứu tinh thể photonic có tính thời cao, số lượng nghiên cứu lĩnh vực ngang với nghiên cứu carbon nanotube Cần lưu ý rằng, chương trình việc tổng hợp tinh thể photonic xuất từ năm 1997 Hiện nghiên cứu liên quan tới tinh thể photonic tìm thấy trang web: http://home.earthlink.net/~jpdowling/pbgbib.html#y Việc nghiên cứu tinh thể photonic sở tương tự điện tử photon, tương đồng hai phương trình Maxwell Schrodinger Sự tuần hoàn tinh thể rắn gây phân chia thành vùng điện tử chất rắn, tương ứng với tuần hồn mạng tinh thể photonic vùng cấm quang xuất Trong chất bán dẫn vùng cấm liên quan trực tiếp tới mức lượng electron, tinh thể photonic vùng cấm quang liên quan trực tiếp tới bước sóng hay tần số Nghiên cứu luận văn liên quan đến tinh thể photonic chế tạo từ hạt silica hình cầu với kích thước từ 300 nm – 400 nm, số mẫu tinh SV LÊ VĂN LUẬT ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005 thể photonic chế tạo từ hạt cầu SiO2 pha tạp ion erbium, kỹ thuật tự tập hợp, phát triển dựa theo cơng trình J.D Joannopoulos A Blanco et al, đăng tạp chí Nature, số vol 414, Nov 2001, p.257-258 Vol.405, May 2000, p.437-439 Các mẫu chế tạo được nghiên cứu tính chất quang tính chất đặc biệt nhằm cho ứng dụng viễn thông quang Bố cục luận văn bao gồm ba chương Ngồi ra, cịn có phần mở đầu kết luận vấn đề nghiên cứu tồn Phần tài liệu tham khảo đưa phần cuối luận văn Cụ thể là: Chương Các sở lý thuyết tinh thể photonic Chương Phương pháp chế tạo đặc trưng quang học Chương Các kết thảo luận SV LÊ VĂN LUẬT 10 ...ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Khố luận tốt nghiệp đại học năm 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Họ tên: Lê Văn Luật VẬT LIỆU TINH THỂ PHOTONIC DÙNG CHO QUANG HỌC VÙNG GẦN 1,5 µm ỨNG DỤNG CHO. .. loại vật liệu Các tinh thể photonic cấu trúc tuần hoàn vật liệu với số điện môi khác Các tinh thể photonic 1D, 2D hay 3D tuỳ theo giả thiết không gian chiều, chiều hay chiều Các tinh thể photonic. .. hình học tinh thể photonic đề cấp đến Đặc tính nhân tạo vật liệu với vùng cấm quang cho ta phép tưởng tượng nhiều cấu trúc Có cách để phân loại tinh thể photonic theo số hướng tuần hồn mà vật liệu