CỘNG HƯỞNG DẪN SÓNG VÀ LINH KIỆN QUANG TỬ LƯỠNG TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH SỬ DỤNG CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- HOÀNG THU TRANG CỘNG HƢỞNG DẪN SÓNG VÀ LINH KIỆN QUANG TỬ LƢỠNG TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH SỬ DỤNG CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- HOÀNG THU TRANG CỘNG HƢỞNG DẪN SÓNG VÀ LINH KIỆN QUANG TỬ LƢỠNG TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH SỬ DỤNG CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. NGÔ QUANG MINH Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành Phòng Vật liệu Ứng dụng quang sợi – Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, hướng dẫn TS. Ngô Quang Minh. Đầu tiên xin bày tỏ lòng bi ết ơn sâu sắc tới TS. Ngô Quang Minh, người thầy dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu giúp hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn thầy cô giáo, anh chị bạn học Khoa Vật lý – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, tận tình giảng dạy bảo cho năm học qua. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất thầy/cô anh/chị phòng Vật liệu Ứng dụng quang sợi, người nhiệt tình đóng góp ý kiến giúp đỡ trình nghiên cứu. Luận văn hoàn thành với hỗ trợ kinh phí từ đề tài Nghiên cứu khoa học tự nhiên (NAFOSTED) mã số 103.03-2013.01. Cuối cùng, xin cảm ơn bạn bè người thân tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập nghiên cứu. Hà Nội, ngày tháng Học viên Hoàng Thu Trang năm 2014 MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Mục lục Danh mục hình vẽ Danh mục ký hiệu viết tắt MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tinh thể quang tử………………………………………………… . 1.1.1. Khái niệm tinh thể quang tử………………………………. 1.1.2. Tinh thể quang tử chiều…………………………………. 1.2. Cộng hưởng dẫn sóng lọc quang học……………………… 1.2.1. Cộng hưởng dẫn sóng………………………………………… 1.2.2. Bộ lọc quang học…………………………………………… 1.3. Linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định………………………. 10 1.3.1. Chuyển mạch quang………………………………………… 10 1.3.2. Nguyên lý lưỡng ổn định quang học………………………… 11 1.3.3. Hệ lưỡng ổn định quang học………………………………… 14 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 2.1. Lý thuyết dẫn sóng cộng hưởng (Rigorous coupled-wave theory – RCWT)……………………………………………………………………… 17 17 2.2. Lý thuyết dao động quang học………………………………. 19 2.3. Lý thuyết ghép cặp trực tiếp hai cộng hưởng…………………… 25 2.4. Lý thuyết ghép cặp gián tiếp hai cộng hưởng………………… . 27 2.5. Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian……………… 28 CHƢƠNG 3: CỘNG HƢỞNG DẪN SÓNG SỬ DỤNG CẤU TRÚC ĐƠN CÁCH TỬ VÀ GHÉP CẶP CÁCH TỬ 38 3.1. Cộng hưởng dẫn sóng sử dụng cấu trúc đơn cách tử………………. 38 3.2. Cộng hưởng dẫn sóng cấu trúc ghép cặp cách tử……………. 40 CHƢƠNG 4: LINH KIỆN QUANG TỬ LƢỠNG TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH DỰA TRÊN HIỆU ỨNG CỘNG HƢỞNG DẪN SÓNG TRONG 45 CẤU TRÚC ĐƠN CÁCH TỬ 4.1. Linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định cấu trúc đơn 45 cách tử………………………………………………………………………. 4.2. Nâng cao hiệu suất linh kiện quang tử sử dụng màng mỏng kim loại để tăng hệ số phẩm chất giảm cường độ quang đầu vào linh kiện 47 chuyển mạch………………………………………………………………… KẾT LUẬN 55 KẾ HOẠCH TIẾP THEO 56 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Phụ lục 62 Danh mục hình vẽ Trang Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D, 3D…………………… Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể 1D. Cấu trúc gồm lớp vật liệu với chiết suất khác có giá trị không đổi nằm xen kẽ với chu kỳ tuần hoàn a…………………………………………………………… Hình 1.3. Vùng cấm quang tinh thể quang tử chiều với số mạng a, độ rộng lớp điện môi 0.2a độ rộng lớp không khí 0.8a……………………………………………………………………. Hình 1.4. Phản xạ Bragg………………………………………………… Hình 1.5. (a) Tia phản xạ tia truyền qua trường hợp màng đơn lớp (b) trường hợp màng đa lớp………………………………… Hình 1.6. (a) x chuyển mạch hai đường kết nối không kết nối, (b) x chuyển mạch đường kết nối với hai đường khác, (c) x chuyển mạch hai đường kết nối với hai đường. (d) N x N chuyển mạch 10 N đường kết nối với N đường……………………………………………. Hình 1.7. Giới hạn lượng chuyển mạch, thời gian chuyển mạch công suất chuyển mạch thiết bị………………………………… 11 Hình 1.8. Quan hệ vào-ra hệ lưỡng ổn định quang học 12 Hình 1.9. Nguyên lý hoạt động thiết bị lưỡng ổn định quang học . 12 Hình 1.10. Đồ thị f(Ira) có dạng hình chuông 13 Hình 1.11. Mối quan hệ vào-ra hàm truyền qua có dạng hình chuông 13 Hình 1.12. Mối quan hệ vào-ra hệ lưỡng ổn định. Đường đứt nét biểu diễn trạng thái không ổn định………………………………………. 14 Hình 1.13. Mối quan hệ vào-ra hệ lưỡng ổn định . 15 Hình 1.14. Quá trình flip - flop hệ lưỡng ổn định . 15 Hình 2.1. Cách tử dẫn sóng. θ i θ’i góc tới góc phản xạ bề mặt thứ nhất, θ’’i góc ló đầu cấu trúc cách tử dẫn sóng…… 17 Hình 2.2. Mạch dao động LC (C điện dung L độ tự cảm)………. 20 Hình 2.3. Mô hình cấu trúc ghép cặp trực tiếp hai cộng hưởng……… 25 Hình 2.4. Mô hình cấu trúc ghép cặp gián tiếp hai cộng hưởng…………………………………………………………………… Hình 2.5. Mô hình minh họa việc tính toán E H thời điểm khác không gian……………………………………………… 27 29 Hình 2.6. Minh họa ô Yee hệ tọa độ Đề-các sử dụng với thành phần điện trường từ trường phân bố ô sở phương 30 pháp FDTD………………………………………………………………. Hình 2.7. Các tham số tương ứng với lớp hấp thụ hoàn hảo (PML)……. Hình 3.1. (a) Cấu trúc linh kiện sử dụng cách tử dẫn sóng. (b) Phổ phản xạ độ ăn mòn cách tử khác nhau…………………………… Hình 3.2. Minh họa cấu trúc ghép cặp hai GMRs cấu trúc cách tử dẫn sóng…………………………………………………………………. Hình 3.3. Tính toán hệ số phản xạ……………………………………… Hình 3.4. Minh họa cấu trúc ghép cặp hai GMRs cấu trúc cách tử dẫn sóng………………………………………………………………… 37 39 40 41 42 Hình 3.5. (a) (b) phổ phản xạ hai cách tử có độ ăn mòn cách tử ( 1    50 nm ) hai cách tử có độ ăn mòn cách tử khác 43 ( 1  50 nm ,   90 nm )………………………………………………… . Hình 3.6. Phổ phản xạ hai cách tử có độ ăn mòn với độ lệch s khác nhau………………………………………………………… 44 Hình 3.7. (a) (b) phổ phản xạ hai cấu cách tử giống khác đặt cách khoảng d có giá trị từ 1000 nm tới 44 2500 nm………………………………………………………………… Hình 4.1. Đặc trưng lưỡng trạng thái linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định với độ ăn mòn cách tử khác nhau…………………… Hình 4.2. (a) Cấu trúc MaGMR. (b) Phổ truyền qua phổ phản xạ độ dày lớp Ag d khác nhau…………………………………………. Hình 4.3. Lưỡng trạng thái quang cấu trúc cách tử phi tuyến MaGMR bề dày lớp Ag khác nhau…………………………… Hình 4.4. (a) Cấu trúc MaGMR với ánh sáng tới. (b) Phổ phản xạ bề dày lớp Ag khác nhau…………………………………………… 46 48 49 52 Hình 4.5. Lưỡng trạng thái ổn định cấu trúc MaGMR bề dày lớp Ag khác (a) d =20 nm, (b) d = 30 nm, (c) d = 50 nm, (d) d = 100 nm…………………………………………………………… 53 Danh mục ký hiệu viết tắt Ký hiệu viết tắt Tên đầy đủ FDTD Finite-difference time-domain GMRs Guided-mode resonances LEDs Light emitting diodes MaGMR Metal-layer-assisted GMR 1D One dimensional PML Perfectly matched layers PCs Photonic crystals 3DPCs Three dimensional photonic crystals TE Transverse electric 2DPCs Two dimensional photonic crystals RCWT Rigorous coupled-wave theory MỞ ĐẦU Vật liệu linh kiện quang tử sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử nghiên cứu sôi động lý thuyết, mô thực nghiệm thời gian gần đây. Các cấu trúc tinh thể quang tử chiều (1D), chiều (2D), chiều (3D) thiết kế để điều khiển, dẫn sóng quang học chuyển đổi lượng quang tử vùng ánh sáng khả kiến thông tin quang mở nhiều ứng dụng quan trọng có nhiều triển vọng. Đây hướng nghiên cứu tạo nên cách mạng công nghệ quang tử học sử dụng cấu trúc cho phần tử tạo nên linh kiện, đánh giá có tầm quan trọng đơn tinh thể bán dẫn siêu công nghệ điện tử giai đoạn đầu phát triển. Các linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định quan tâm nghiên cứu nhiều ứng dụng tính vượt trội mạch vi quang điện tử tích hợp, có tốc độ xử lý chuyển mạch nhanh. Bên cạnh có nhiều ứng dụng nhớ quang học [2, 7], làm tảng cho siêu nhớ tương lai [21-37]. Linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định xử lý tín hiệu nhanh tiêu thụ lượng. Các tính chất đặc biệt linh kiện quang tử nói chung linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định nói riêng hy vọng thực hóa hệ linh kiện quang tử với kích thước trọng lượng nhỏ, có hiệu suất cao, giá thành rẻ, tiêu hao lượng. Nhưng đặc trưng (cả tuyến tính phi tuyến) linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định chưa ý quan tâm rộng rãi. Việc nâng cao hiệu suất linh kiện quang tử sử dụng công nghệ màng mỏng nhà khoa học quan tâm nghiên cứu…Đây vấn đề mà luận văn tập trung sâu nghiên cứu. Với lý đó, lựa chọn luận văn với tiêu đề là: “Cộng hƣởng dẫn sóng linh kiện quang tử lƣỡng trạng thái ổn định sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử chiều”. Mục đích nghiên cứu luận văn là: 1. Thiết kế mô cấu trúc tinh thể quang tử chiều bao gồm cấu trúc đơn cách tử cấu trúc ghép cặp cách tử. 10 2. Nghiên cứu khảo sát đặc trưng cộng hưởng dẫn sóng hai cấu trúc đơn cách tử ghép cặp cách tử. 3. Khảo sát đặc trưng lưỡng trạng thái ổn định cấu trúc đơn cách tử. 4. Nâng cao hiệu suất linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định. Phương pháp nghiên cứu luận văn kết hợp mô tính toán. Bố cục luận văn gồm phần: PHẦN 1: MỞ ĐẦU PHẦN 2: NỘI DUNG  Chương 1: Tổng quan  Chương 2: Phương pháp tính toán mô  Chương 3: Cộng hưởng dẫn sóng sử dụng cấu trúc đơn cách tử ghép cặp cách tử.  Chương 4: Linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định dựa hiệu ứng cộng hưởng dẫn sóng cấu trúc đơn cách tử. PHẦN 3: KẾT LUẬN CHƢƠNG TỔNG QUAN Trong chương này, trước hết giới thiệu cách khái lược tinh thể quang tử 1D, 2D 3D. Tiếp theo, trình bày chi tiết đặc trưng tinh thể quang tử 1D loại tinh thể chọn làm đối tượng nghiên cứu Luận văn. Bên cạnh đó, khái niệm cộng hưởng dẫn sóng lọc quang học đưa ra. Phần cuối chương trình bày linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định bao gồm chuyển mạch quang, nguyên lý lưỡng ổn định quang học hệ lưỡng ổn định quang học. 1.1. Tinh thể quang tử 1.1.1. Khái niệm tinh thể quang tử 11 Tinh thể quang tử (photonic crystals - PCs) cấu trúc tuần hoàn không gian vật liệu với số điện môi khác xếp xen kẽ nhau, có chiết suất thay đổi theo chu kỳ thang chiều dài so sánh với bước sóng ánh sáng sử dụng. Các photon chuyển động tinh thể qua vùng có chiết suất cao xen kẽ với vùng có chiết suất thấp. Đối với photon tương phản chiết suất giống tuần hoàn mà electron bị tác dụng qua tinh thể điện tử. Do tính tuần hoàn dẫn đến PCs xuất vùng cấm quang: tức có dải tần số photon truyền qua cấu trúc này. PCs chặn ánh sáng với bước sóng nằm vùng cấm quang, cho phép bước sóng khác truyền qua tự do. Bằng ngăn chặn cho phép ánh sáng truyền qua tinh thể quang tử việc điều khiển bước sóng ánh sáng thực hiện. Sự truyền sóng điện từ bên môi trường tuần hoàn nghiên cứu Lord Reyleigh năm 1887 [30]. Đây cấu trúc 1D có tuần hoàn chiết suất thiết lập theo hướng đồng theo hai hướng lại. Năm 1987, hai nhà khoa học Eli Yablonovitch Sajeev John đưa cấu trúc điện môi tuần hoàn 2D 3D [39, 14]: Tinh thể quang tử 2D cấu trúc tuần hoàn dọc theo hai trục đồng dọc theo trục thứ ba. Cấu trúc tinh thể quang tử có vùng cấm quang mặt phẳng xy, đồng dọc theo trục z. Trong vùng cấm quang, trạng thái phép tồn ánh sáng tới bị phản xạ ngược trở lại mặt phân cách môi trường cấu trúc tinh thể quang tử [30]. Không giống trường hợp tinh thể quang tử 1D, tinh thể quang tử 2D ngăn chặn ánh sáng truyền tới từ hướng mặt phẳng. Tinh thể quang tử 3D cấu trúc có tuần hoàn chiết suất theo ba hướng. Cấu trúc tinh thể quang tử 3D biết đến nhiều tự nhiên đá quý Opal. Các loại đá quý biết đến tính chất quang độc đáo chúng quay viên đá có màu sắc khác nhau. 12 Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D, 3D. 1.1.2. Tinh thể quang tử chiều Tinh thể quang tử đơn giản tinh thể quang tử chiều. Hình 1.2 hệ thống bao gồm lớp vật liệu với số điện môi khác gọi màng đa lớp. Sự tương tác với ánh sáng xảy bên cấu trúc mạnh giao thoa chùm ánh sáng mà chúng phản xạ khúc xạ tất mặt tiếp giáp bên vật liệu. Ngày nay, cấu trúc tinh thể quang tử 1D sử dụng nhiều laser phát xạ bề mặt, cách tử Bragg sợi lọc quang học. Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể 1D. Cấu trúc gồm lớp vật liệu với chiết suất khác có giá trị không đổi nằm xen kẽ với chu kỳ tuần hoàn a. Chúng ta quan tâm kỹ đến vùng cấm quang nhiều ứng dụng đầy tiềm tinh thể quang tử phụ thuộc vào vị trí độ rộng vùng cấm quang. Ví dụ tinh thể có vùng cấm quang làm lọc quang học dải hẹp loại bỏ tất tần số nằm vùng cấm quang. 13 Hình 1.3. Vùng cấm quang tinh thể quang tử chiều với số mạng a, độ rộng lớp điện môi 0.2a độ rộng lớp không khí 0.8a. Vùng cấm quang tinh thể mô tả thông qua độ rộng tần số  nó. Nếu giả sử hai vật liệu cấu tạo nên màng đa lớp có số điện môi ε  bề dày tương tự (a-d) d. Nếu độ tương phản số điện môi yếu (  /   1) tỷ lệ d/a nhỏ tỷ số  / m với m tần số trung tâm tính [8]:  m     sin( d / a)  (1.1) Công thức cho thấy tuần hoàn dù yếu nguồn gốc để tạo vùng cấm quang tinh thể quang tử chiều. 1.2. Cộng hƣởng dẫn sóng lọc quang học 1.2.1. Cộng hƣởng dẫn sóng Cộng hưởng dẫn sóng (Guided-mode resonances - GMRs) ghép cặp cộng hưởng xạ bên với mode dẫn sóng phiến cách tử dẫn sóng (slab waveguide grating) nghiên cứu nhiều [19, 5]. GMRs ứng dụng việc thiết kế điốt phát quang [4], laser [22], cảm biến sinh học [17] lọc sóng 14 quang học với hệ số phẩm chất cao[35]. Hiện tượng cộng hưởng dẫn sóng nghiên cứu cấu trúc tinh thể quang tử 1D 2D. Nhưng cấu trúc 1D cấu trúc đơn giản, có ghép cặp vào-ra dễ dàng nên luận văn chọn nghiên cứu tượng cộng hưởng dẫn sóng dựa cấu trúc tinh thể quang tử 1D. Khi chùm ánh sáng chiếu tới phiến cách tử, phần ánh sáng truyền qua phiến cách tử, phần ánh sáng bị nhiễu xạ phần ánh sáng bị giữ lại bên khe cách tử. Tại bước sóng góc tới đặc biệt ánh sáng không bị truyền qua phiến cách tử mà phản xạ hoàn toàn. Sự phản xạ hoạt động dựa định luật phản xạ Bragg. Phản xạ Bragg xảy bề mặt tiếp giáp hai môi trường có chiết suất khác nhau, chiếu sáng xuất phản xạ có tính chu kỳ gọi phản xạ Bragg. Hiện tượng phản xạ xảy bề mặt lớp vật liệu với chiết suất khác nhau. Trong trường hợp có lớp đế, tia phản xạ kết giao thoa hai tia: tia phản xạ mặt màng mỏng (mặt phân cách màng mỏng không khí) tia phản xạ mặt màng mỏng (mặt phân cách màng mỏng đế ). Bằng cách lựa chọn giá trị thích hợp chiết suất độ dày lớp, tạo phổ phản xạ khác nhau. Tia Tia Tia a a θ Λ θ Λ i Hình 1.4. Phản xạ Bragg Gọi khoảng chênh lệch hai tia phản xạ liên tiếp a. Góc hợp tia tới tia vuông góc với tia phản xạ θ. Hiệu quang trình số nguyên lần bước sóng. Ta có:   a  mn (1.2.1) 15 Trong m bậc nhiễu xạ, n   n bước sóng môi trường truyền dẫn, λ bước sóng chân không, n chiết suất môi trường. Ta thấy: sin   a    1  sin    mn (1.2.2) Công thức (1.2.2) gọi điều kiện phản xạ Bragg. * Điều kiện bƣớc sóng Bragg Bước sóng Bragg phải thoả mãn hai định luật sau: - Định luật bảo toàn lượng: Tần số sóng tới sóng phản xạ phải lượng ánh sáng   hf ( h số Plank). - Bảo toàn xung lượng: Véc tơ sóng tới cách tử véc tơ sóng khỏi cách tử véc tơ sóng bị phản xạ. K f  Ki  K Trong đó: K f Véc tơ sóng tới cách tử K i Véc tơ sóng khỏi cách tử K Véc tơ sóng bị phản xạ Trong cấu trúc cách tử dẫn sóng tia phản xạ ngược với tia tới nên :   900  sin   Xét bậc tia phản xạ m=1 bậc lượng tập trung lớn 16 Kết hợp với điều kiện phản xạ Bragg ta o  2neff (1.2.3) neff chiết suất hiệu dụng môi trường bước sóng o o bước sóng cộng hưởng Công thức (1.2.3) điều kiện bước sóng Bragg. 1.2.2. Bộ lọc quang học Bộ lọc quang học hệ gồm nhiều lớp điện môi hoạt động dựa tượng nhiễu xạ Bragg chùm ánh sáng sau phản xạ mặt phân cách lớp điện môi. Mô hình đơn giản tượng nhiễu xạ trình bày hình 1.5 màng mỏng bao gồm nhiều cặp lớp giống hệt nhau, cặp lớp gồm hai lớp có chiết suất n1 n2 khác tương ứng với độ dày d1, d2. Hiện tượng phản xạ xảy bề mặt lớp vật liệu với chiết suất khác nhau. Hình 1.5. (a) Tia phản xạ tia truyền qua trường hợp màng đơn lớp (b) trường hợp màng đa lớp. 17 Phổ phản xạ có dạng cực đại phản xạ trung tâm (cực đại chính). Vùng cực đại có bước sóng trung tâm λo. Các bước sóng quanh bước sóng trung tâm λo nằm cực đại bước sóng tương ứng với cường độ phản xạ cao có nghĩa ánh sáng có bước sóng nằm dải bị phản xạ qua lọc, tức bị “cấm”truyền qua cấu trúc, vùng bước sóng gọi vùng cấm chúng bị lọc khỏi dải tần. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Avrutskii I. A., and Sychugov V. A. (1990), “Optical bistabiliy in an excited nonlinear corrugated waveguide”, Sov. J. Quant. Elect, 20, pp. 856. [2]. Barnes T. H., Eiju T., Kokaji S., Matsuda K., and Yoshida N. (1995), “Bistable optically writable image memory using optical feedback”, Optical Review, 2(2), pp. 103-105. [3] Beheiry M. E., Liu V., Fan S., and Levi O. (2010), “Sensitivity enhancement in photonic crystal slab biosensors”, Opt. Express, 18, pp. 22702-14. [4] Boroditsky M., Vrijen R., Krauss T. F., Coccioli R , Bhat R , and Yablonovitch E. (1999), “Spontaneous emission extraction and Purcell enhancement from thin-film 2-D photonic crystals”, J. Lightwave Technol, 17, pp. 2096-2112. [5] Fan S., and Joannopoulos J. D. (2002), “Analysis of guided resonances in photonic crystal slabs”, Phys. Rev. B, 65(23), pp. 235112. [6] Foteinopoulou S., Vigneron J. P., and Vandenbem C. (2007), “Optical near-field excitations on plasmonic nanoparticle-based structures”, Opt. Express, 15, pp. 425367. [7] Gao J. Y., Huang J. H., Zheng Z. R., Jiang Y., Zhang Y., and Jin G. X. (1995), “Hybrid bistable system and its application to dynamic memory”, Optical Engineering, 34(3), pp. 790-794. [8] Gibbs H. M. (1985), Optical Bistability, Controlling Light with Light, Academic Press, New York. [9] Gibbs M. H. Optical Bistability: Controlling Light with Light. 18 [10] Hoang T. T., Cam H. T. H., Ngo Q. M., and Pham V. H. (2013 ), “Optical filters based on guided-mode resonance in coupled gratings”, the 4th International Workshop on Nanotechology and Application IWNA, pp. 355-358. [11] http://www.edmundoptics.com/optics/optical-filters/. [12] Imada M., Noda S., Chutinan A., Tokuda T., Murata M., and Sasaki G. (1999), “Coherent two-dimensional lasing action in surface-emitting laser with triangularlattice photonic crystal structure”, Appl. Phys, 75, pp. 316. [13] Jans S., He J., Wasilewski Z. R., and Cada M. (1995), “Low threshold optical bistable switching in an asymmetric λ/4-shifted distributed-feedback heterostructure”, App. Phys. Lett, 67, pp. 1051. [14] John S. (1987), “Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices”, Phys. Rev. Lett, 58, pp. 2486–2489. [15] Kanskar M., Paddon P., Pacradouni V., Morin R., Busch A., Young J. F., Johnson S. R., MacKenzie J., and Tiedje T. (1997), “Observation of leaky slab modes in a airbridged semiconductor waveguide with a two-dimensional photonic lattice”, Appl. Phys. Lett, 70, pp. 1438. [16] Laniel J. M., Ho N., and Vallee R. (1978), “Nonlinear-refractive-index measurement in As2S3 channel waveguides by asymmetric self-phase modulation”, J. Opt. Soc. Am, 68, pp. 437-45. [17] Lin S. F., Wang C. M., Ding T. J., Tsai Y. L., Yang T. H., Chen W. Y., and Chang J. Y. (2012), “Sensitive metal layer assisted guided mode resonance biosensor with a spectrum inversed response and strong asymmetric resonance field distribution”, Opt. Express, 20, pp. 14584-14595. [18] Magnusson R., and Gaylord T. K. (1978), “Diffraction efficiencies of thin phase gratings with arbitrary grating shape”, J. Opt. Soc. Am, 68, pp. 806-9. [19] Magnusson R., and Wang S. S. (1992), “New principle for optical filters”, Appl. Phys. Lett, 61(9), pp. 1022-1024. 19 [20] McCall S. L., Gibbs H. M., Churchill G. G., Venkatesan T. N. C. (1974), Bull. Am. Phys. Soc, 20, pp. 636. [21] McCall S. L., Gibbs H. M., and Venkatesan T. N. C. (1975), “Optical transistor and bistability”, Journal of the Optical Society of America, 65(10), pp. 1184-1184. [22] Meier M., Mekis A., Dodabalapur A., Timko A., Slusher R. E., and Joannopoulos J. D. (1999), “Laser action from two-dimensional distributed feed back in photonic crystals”, Appl. Phys. Lett. 74, pp. 7-9. [23] Min C., Wang P., Chen C., Deng Y., Lu Y., Ming H., Ning T., Zhou Y., and Yang G. (2008), “All-optical switching in subwavelength metallic grating structure containing nonlinear optical materials”, Opt. Lett, 33, pp. 869. [24] Ngo Q. M., Hoang T. T., Nguyen D. L., Lam V. D., and Pham V. H. (2013), “Metallic assisted guided-mode resonances in slab waveguide gratings for reduced optical switching intensity in bistable device”, Journal of Optics, pp. 15055503. [25] Ngo Q. M., Le Q. K., and Lam V. D. (2012), “Optical bistability based on guidedmode resonance in photonic crystal slabs”, J. Opt. Soc. Am. B, 29(6), pp. 1291-5. [26] Ngo Q. M., Kim S., and Lim H. (2012), “All-optical switches based on multiple cascaded resonators with reduced switching intensity-reponse time products”, J.Linghtwave. Technol, 30, pp. 3525-31. [27] Pendry J. B. (2000), “Negative refraction makes a perfect lens”, Phys. Rev. Lett, 85, pp. 3966 [28] Peng S., Morris G. M. (1996), “Resonant scattering from two-dimensional gratings”, J. Opt. Soc. Am. A, 3, pp. 993-1005. [29] Radic S., George N. and Agrawal G. P. (1994), “Optical switching in λ/4-shifted nonlinear periodic structures”, 19, pp. 1789-91. [30] Reyleigh L. (1887), “On the maintenance of vibrations by forces of double frequency, and on the propagation of waves through a medium endowed with a periodic structure”, Philosophical Magazine, 24, pp. 145-159. 20 [31] Sacks Z. S., Kingsland D. M., Lee R., and Lee J. F. (1995), “A perfectly matched anisotropic absorber for use as an absorbing boundary condition”, IEEE Trans. Antennas Propag, 43 (12), pp. 1460-1463. [32] Saleh B. E. A. (1991), Fundametals of Photonic. [33] Smith D., Padilla W., Vier D., Nemat-Nesser S., and Chultz S. (2000), Phys. Rev. Lett, 84, pp. 4184. [34] Soljacic M., Luo C., Joannopoulos J. D., and Fan S. (2003), “Nonlinear photonic crystal microcavities for optical integration”, Opt. Lett, 28, pp. 637. [35] Song H. Y., Kim S., and Magnusson R. (2009), “Tunable guided-mode resonances in coupled gratings”, Opt. Express, 17, pp. 23544-23455. [36] Sz¨oke A., Daneu V., Goldhar J., and Kurnit N. A. (1969), “Bistable optical element and its applications”, Appl. Phys. Lett, 15, pp. 376. [37] Vigoureux J. M., and Raba F. (1991), “A model for the optical transistor and optical switching”, Journal of Modern Optics, 38(12), pp. 2521-2530. [38] Vincent P., Paraire N., Neviere M., Koster A., and Reinisch R. (1985), “Grating in nonlinear optics and optical bistability”, J. Opt. Soc. Am. B, 2, pp. 1106. [39] Yablonovitch E. (1987), “Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics”, Phys. Rev. Lett, 58, pp. 2059–2062. [40] Yablonovitch E., (1987), “Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics”, Phys. Rev. Lett. 58, pp. 2059. [41] Yee K. (1996), “Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 14 (3), pp. 302-307. 21 [...]... của tinh thể quang tử 1D là loại tinh thể được chọn làm đối tượng nghiên cứu của Luận văn Bên cạnh đó, các khái niệm về cộng hưởng dẫn sóng và bộ lọc quang học cũng được đưa ra Phần cuối của chương trình bày về linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định bao gồm chuyển mạch quang, nguyên lý lưỡng ổn định quang học và hệ lưỡng ổn định quang học 1.1 Tinh thể quang tử 1.1.1 Khái niệm về tinh thể quang tử. .. Chương 2: Phương pháp tính toán và mô phỏng  Chương 3: Cộng hưởng dẫn sóng sử dụng cấu trúc đơn cách tử và ghép cặp cách tử  Chương 4: Linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định dựa trên hiệu ứng cộng hưởng dẫn sóng trong cấu trúc đơn cách tử PHẦN 3: KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN Trong chương này, trước hết chúng tôi giới thiệu một cách khái lược về tinh thể quang tử 1D, 2D và 3D Tiếp theo, chúng tôi trình... sinh học [17] và bộ lọc sóng 14 quang học với hệ số phẩm chất cao[35] Hiện tượng cộng hưởng dẫn sóng được nghiên cứu đối với cấu trúc tinh thể quang tử 1D và 2D Nhưng do cấu trúc 1D là một cấu trúc đơn giản, có sự ghép cặp vào-ra dễ dàng nên luận văn đã chọn nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng dẫn sóng dựa trên cấu trúc tinh thể quang tử 1D Khi một chùm ánh sáng chiếu tới phiến cách tử, một phần ánh sáng... cứu và khảo sát các đặc trưng cộng hưởng dẫn sóng đối với hai cấu trúc đơn cách tử và ghép cặp cách tử 3 Khảo sát đặc trưng lưỡng trạng thái ổn định trong cấu trúc đơn cách tử 4 Nâng cao hiệu suất của linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định Phương pháp nghiên cứu của luận văn là kết hợp giữa mô phỏng và tính toán Bố cục của luận văn gồm 3 phần: PHẦN 1: MỞ ĐẦU PHẦN 2: NỘI DUNG  Chương 1: Tổng quan... 12 Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D, và 3D 1.1.2 Tinh thể quang tử một chiều Tinh thể quang tử đơn giản nhất là tinh thể quang tử một chiều Hình 1.2 là một hệ thống bao gồm các lớp vật liệu với hằng số điện môi khác nhau còn được gọi là một màng đa lớp Sự tương tác với ánh sáng xảy ra bên trong cấu trúc này mạnh là do sự giao thoa giữa các chùm ánh sáng mà chúng được phản xạ và được khúc... cấu trúc điện môi tuần hoàn 2D và 3D [39, 14]: Tinh thể quang tử 2D là một cấu trúc tuần hoàn dọc theo hai trục của nó và đồng nhất dọc theo trục thứ ba Cấu trúc tinh thể quang tử này có vùng cấm quang trong mặt phẳng xy, và đồng nhất dọc theo trục z Trong vùng cấm quang, không có trạng thái nào được phép tồn tại và ánh sáng tới sẽ bị phản xạ ngược trở lại tại mặt phân cách giữa môi trường và cấu trúc. .. cấm quang trong tinh thể quang tử một chiều 1.2 Cộng hƣởng dẫn sóng và bộ lọc quang học 1.2.1 Cộng hƣởng dẫn sóng Cộng hưởng dẫn sóng (Guided-mode resonances - GMRs) là sự ghép cặp cộng hưởng của bức xạ bên ngoài với những mode dẫn sóng của phiến cách tử dẫn sóng (slab waveguide grating) như đã được nghiên cứu nhiều trong [19, 5] GMRs được ứng dụng trong việc thiết kế điốt phát quang [4], laser [22],... trúc tinh thể quang tử [30] Không giống như trường hợp tinh thể quang tử 1D, tinh thể quang tử 2D có thể ngăn chặn ánh sáng truyền tới từ bất kỳ hướng nào trong mặt phẳng Tinh thể quang tử 3D là cấu trúc có sự tuần hoàn về chiết suất theo cả ba hướng Cấu trúc của tinh thể quang tử 3D được biết đến nhiều nhất trong tự nhiên chính là các đá quý Opal Các loại đá quý này được biết đến bởi tính chất quang. .. Ngày nay, cấu trúc tinh thể quang tử 1D được sử dụng nhiều trong các laser phát xạ bề mặt, cách tử Bragg trong sợi và bộ lọc quang học Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể 1D Cấu trúc này gồm các lớp vật liệu với chiết suất khác nhau có giá trị không đổi nằm xen kẽ nhau với chu kỳ tuần hoàn là a Chúng ta sẽ quan tâm kỹ hơn đến vùng cấm quang bởi vì rất nhiều ứng dụng đầy tiềm năng của tinh thể quang tử cho đến... đến nay vẫn phụ thuộc vào vị trí và độ rộng của vùng cấm quang Ví dụ như một tinh thể có một vùng cấm quang có thể làm bộ lọc quang học dải hẹp khi loại bỏ tất cả các tần số nằm trong vùng cấm quang 13 Hình 1.3 Vùng cấm quang của tinh thể quang tử một chiều với hằng số mạng a, độ rộng của lớp điện môi là 0.2a và độ rộng của lớp không khí là 0.8a Vùng cấm quang của tinh thể có thể được mô tả thông qua