Khả năng tạo ảnh của siêu thấu kính vật liệu tinh thể quang 2d tam giác không bị hạn chế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ====o0o==== BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN: THÔNG TIN QUANG Giáo viên hướng dẫn: TS Hoàng Phương Chi Mục lục Lời nói đầu Tinh thể quang tử loại vật liệu có nhiều nét tương đồng tinh thể bán dẫn - vật liệu làm nên cách mạng phát triển công nghiệp vi điện tử (IC) Chính nhờ phát triển ngành công nghiệp chế tạo máy tính cá nhân gọn, nhẹ với tốc độ cao, hệ thống thông tin viễn thông siêu tốc băng thông rộng Tinh thể quang tử cấu trúc không gian tuần hoàn vật liệu có số điện môi khác Sự biến đổi tuần hoàn số điện môi làm xuất vùng cấm quang (photonic bandgap PBG) cấu trúc vùng (được hiểu mối liên hệ tần số số sóng) tinh thể quang tử PBG tinh thể quang tử có vai trò giống vùng cấm lượng tinh thể điện tử Nhờ có nghiên cứu không ngừng nghỉ phát quan trọng mang lại cho phương tiện truyền dẫn tốt Và phát quan trọng thông tin quang “ tinh thể quang tử ” – loại vật liệu cho phép ảnh hưởng đến lan truyền hạt photon nó, tương tự cách mà tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động electron Một ứng dụng tinh thể quang tử tạo ảnh vật thể có kích thước bước sóng (subwavelenth) Để làm rõ điều này, tập lớn, chúng em tìm hiểu “Khả tạo ảnh siêu thấu kính vật liệu tinh thể quang 2D tam giác không bị hạn chế ” nghiên cứu X.Wang Nghiên cứu nhằm tìm hiểu cấu trúc tinh thể quang tử 2D tam giác, tìm vật liệu phù hợp cho khả tạo ảnh kích thước bước sóng mà không bị giới hạn dựa tượng khúc xạ ngược – tính chất có nhờ cấu trúc đặc biệt cảu tinh thể quang Bài tập lớn kết tìm hiểu nhóm tinh thể quang tử lọc Bragg Quá trình tìm hiểu cho chúng em biết thêm nhiều kiến thức bổ ích vật liệu tinh thể quang, ứng dụng thực tiễn … Đây thực kiến thức bổ ích, giúp đỡ chúng em nhiều trình học tập nghiên cứu sau Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Hoàng Phương Chi – người tận tình dạy chúng em kiến thức lớp, dành thời gian hướng dẫn, giúp đỡ chúng em đề tài này, thực tiễn hỗ trợ chúng em nhiều tài liệu kiến thức phụ trợ để chúng em hoàn thành tập lớn cách tốt Phân công công việc Thành viên Công việc Nguyễn Xuân Trọng Dịch phần mở đầu phần cuối, tổng hợp dịch, viết báo cáo Phạm Quang Huy Dịch phần 2, làm slide Phùng Ngọc Dương, Nguyễn Ngọc Dịch phần 3, tìm hiểu kết thí Tùng Dương nghiệm mô Đoàn Văn Thanh Dịch phần 4, tìm hiểu kết chế tạo thử nghiệm I Giới thiệu chung Tinh thể quang tử Tinh thể quang tử cấu trúc nanô quang học có ảnh hưởng đến lan truyền hạt photon tương tự cách mà tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động electron Tinh thể quang tử đăc trưng số thông số sau: Số chiều, đối xứng, số mạng (a), hệ số lấp đầy (f), chiết suất hiệu dụng (neff), tương phản chiết suất (δ) 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 PCs chặn ánh sáng với bước sóng nằm vùng cấm quang, cho phép bước sóng khác truyền qua tự Bằng ngăn chặn cho phép ánh sáng truyền qua tinh thể quang tử việc điều khiển bước sóng ánh sáng thực Tinh thể quang tử có cấu trúc không gian tuần hoàn chiết suất, đặc trƣng tồn vùng cấm quang, tác dụng quan trọng kiểm soát lan truyền xạ ánh sáng Tinh thể quang tử chiều đơn giản lọc giao thoa băng rộng (DBR), có cấu trúc gồm lớp điện môi biến đổi tuần hoàn chiết suất cho quãng đƣờng quang học lớp thỏa mãn điều kiện Bragg Dựa cấu trúc lọc băng rộng, phát triển để chế tạo lọc băng hẹp Bộ lọc băng hẹp có cấu trúc buồng vi cộng hưởng bao gồm hai lọc băng rộng giống hệt đặt đối xứng với lớp đệm có độ dài quang học λ/2 λ 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 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 d 1, d2 Hiện tượng phản xạ xảy bề mặt hai lớp vật liệu với chiết suất khác Bộ lọc quang tinh thể Bộ lọc băng rộng hay gương phản xạ Bragg 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 Cách tử sợi quang bragg mội thiết bị có chiết suất tuàn hoàn theo sợi quang, có tính chất lọc ánh sáng Khi chùm sáng có bước sóng rộng chiếu vào cách tửu Bragg, cách tửu cho qua phần lớn ánh sáng, phần ánh sáng có dải bước sóng hepjsex bị phản xạ trở lại, dải ánh sáng có bước sóng trung tâm gọi bước sóng Bragg Cách tử sợi quang bragg cách ly cho qua mode lan truyền giống lọc ánh sáng tới Nó tác động phin lọc cắt bước sóng gọi bước sóng Bragg Kỹ thuật ghép kênh WDM: Trong hệ thống thông tin quang thông thường, luồng tín hiệu quang truyền theo hướng sợi quang, hướng ngược lại sợi thứ hai Hệ thống gọi hệ thống đơn kênh quang Để nâng cao dung lượng truyền dẫn, sử dụng ghép kênh quang Hệ thống sử dụng kỹ thuật lúc truyền nhiều tín hiệu quang sợi quang, nên gọi hệ thống thông sợi quang nhiều kênh Kỹ thuật WDM tận dụng phổ hẹp Laser, phát huy khả sử dụng băng tần lớn sợi quang đơn mode II Bộ lọc quang tinh thể Cơ sở lý thuyết Như ta biết hoạt động truyền stop-band lọc truyền dẫn lọc Bragg hỗn hợp thay đổi cách đưa số vùng dịch pha cách chọn vị trí độ lớn phù hợp Như thể hình 1, loạt lỗ nhúng vào chóp ống dẫn sóng, với thay đổi pha vùng không gian (Spacer regions) coi cấu trúc lưới Bragg hỗn hợp dịch pha Chiều dài phần lưới có ảnh hưởng lớn đặc tính truyền dẫn Đối với giá trị cố định số lượng khu vực dịch pha (Phase-shift) khoảng cách khoang, tham số hữu ích cho việc mô tả đáp ứng lọc giá trị k, định nghĩa tỉ số hai lần chiều dài phần lưới sắt bên lưới sắt bên trong, 2L out / Lin Hình 1: Sơ đồ lỗ PHC nhúng vào chóp ống dẫn sóng bán dẫn hoạt động lọc PHC Cần lưu ý tham số k áp dụng cho cấu trúc với nhiều khu vực dịch pha Trong phần này, lọc PHC có dịch pha nghiên cứu Các đáp ứng lọc phụ thuộc nhiều vào gía trị k Về nguyên tắc, giá trị k 1, sụt giảm xuất trung tâm băng thông Tăng giá trị k nữa, hai đỉnh tách biệt rõ ràng xuất hiện, với đặc tính truyền dẫn tương đương với lọc khoang PHC Các kỹ thuật tương tự sử dụng thông tin phản hồi laser (DFB) bán dẫn để chỉnh phổ truyền cho phù hợp với yêu cầu cụ thể Thiết kế mô kết Sử dụng phương pháp A 2-D Finite Difference Time Domain (FDTD_chênh lệch hữu hạn miền thời gian) để mô thiết bị Chọn đường kính lỗ PHC thời gian 134 nm 215 nm, tương ứng, phạm vi bước sóng band-gap, cho phân cực TE, từ 680 nm đến 1150 nm AlGaAs / GaAs Như thể hình 2.1, lỗ PHC nhúng vào bên có số độ tương phản cao ống dẫn sóng khớp nối hiệu ánh sáng đạt theo cách Hơn nữa, lọc PHC định dạng chóp dễ dàng tích hợp với thiết bị quang tử khác Các thiết bị mô thể sơ đồ hình 2.2 Các thiết bị với dịch pha đơn thể hình 2.2 (a) hai cấu hình thiết bị khác hình 2.2 (b), (c) bao gồm hai khu vực dịch pha tương ứng với chiều dài khoang 260 nm Kích thước khoang đặc biệt lựa chọn để xác định vị trí bước sóng quang phổ khoảng 820 nm, tương ứng với bước sóng trung tâm laser Ti-Sapphire sử dụng phép đo Các giá trị k thiết bị thể sơ đồ hình 2.2 (b) 2.2 (c) tương ứng 0,8 10 Hình 2: Sơ đồ thiết bị lọc PHC (a) Bộ lọc PhC với thay đổi pha (b) Bộ lọc PHC với hai dịch pha, k = 0.8 (c) Bộ lọc PHC với hai dịch pha pha, k = Các tính toán quang phổ bước sóng ba thiết bị thể hình 2.3 Các đáp ứng quang phổ thiết bị với dịch pha cho thấy hình dạng Lorentzian với điểm đỉnh, đáp ứng mong muốn cho nhiều ứng dụng Các hình dạng phổ thiết bị hình 2.2 (b), có k= 0,8 cho thấy phản ứng gần phẳng với đầu đỉnh kép có cạnh dốc cải tiến đáng kể so với lọc khoang Hình dạng phổ thiết bị hình 2.2 (c), k có giá trị 1, cho thấy phản ứng đầu phẳng với cạnh dốc hơn, cải tiến so với trước Rõ ràng, đáp ứng lọc hai trường hợp sau thay đổi đáng kể so với lọc đơn đỉnh thiết bị hình 2.2 (a) 11 Hình 3: Tính toán phản ứng truyền phổ thiết bị Các thiết bị lọc PHC khác thiết kế với nhiều hàng lỗ, thay hàng nhất, cấu hình lưới vuông (lưới không đổi =386nm, đường kính lỗ =304nm chiều dài khoang đệm 490 nm) nhúng sống núi ống dẫn sóng rộng 3µm Các thiết bị thiết kế để hoạt động vùng có bước sóng 1.5µm Hai giai đoạn chuyển đưa vào để nhận cạnh dốc Việc giảm kích thước lỗ PHC hàng cuối vùng đầu vào đầu khoảng 23% sau tối ưu hóa số, đáp ứng lọc thay đổi đáng kể tới hầu hết phần đầu đáp ứng Hình 2.4 (a) (c) cho thấy phổ bước sóng tính toán, với thiết bị cho thấy dạng biểu đồ hạt xâm tán, khoang nhất, gấp đôi giai đoạn chuyển gấp đôi giai đoạn chuyển với giảm 23% đường kính lỗ hàng bên ngoài, tương ứng Bằng cách thay đổi bán kính lỗ PHC, có hiệu việc phân 12 loại phản xạ từ trở kháng hàng Hơn nữa, có lĩnh vực phân phối điện từ kèm theo thay đổi hình thức apodization Đáng ý hàng lỗ nhúng dây hẹp chiều rộng hữu hạn (Hình 2.2) có độ nhạy hẹp tính chất dây, đó, mảng chiều lỗ nhúng sườn núi rộng (Hình 2.4) có tính chất giống cấu trúc vô rộng Hơn nữa, độ dài khoang hai trường hợp không thu nhỏ lại trực tiếp hai cấu trúc chúng hoạt động bước sóng khác Hình 4: Phổ truyền qua tính toán 13 (a) Một khoang (b) Hai dịch pha (c) Hai dịch pha với kích thước giảm 23% đường kính lỗ Kết Các lọc microcavity nêu chế tạo cấu trúc AlGaAs/GaAs epitaxial Các lọc 1-D PHC có sườn núi ống dẫn sóng rộng 2µm sâu 2.3µm giảm dần xuống đến 260nm Các thành phần cấu trúc epitaxy lớp vỏ bọc quang đầu 150nm Al0.6Ga0.4As, lớp lõi đường dẫn 320 nm Al 0.19Ga0.81As lớp vỏ bọc quang thấp 1,8 mm Al 0.6 Ga0.4As Các mô hình viết trực tiếp Polymethyl methacrylate (PMMA) kép 200nm chống lại với quang khắc chùm điện tử 50 kV di chuyển cách khắc ion phản ứng với lớp trung gian mặt nạ silica (200 nm) cuối vào vật liệu AlGaAs Các điều kiện khắc SiCl tốc độ dòng chảy 15 sccm áp suất 0,733 Pa (5,5 mTorr) r.f mức công suất 250 W, 17 phút Hình 5: Chế tạo thiết bị vào lớp AlGaAs/GaAs epitaxy (a) 1-D Phc lọc với k giá trị (b) Các giai đoạn rộng khác nhau, hai giai đoạn thay đổi lọc Phc giảm lỗ đường kính đầu vào đầu 14 Việc chế tạo thiết bị, thể hình 2.5 (a), đặc trưng kỹ thuật ghép chiều dài quang phổ bước sóng thu từ thực nghiệm cho chế tạo thiết bị tương ứng với hình 2.2(a) (c) thể hình 2.6 2.8 Hình 2.6 Hình 6: Sự thay đổi phần độ dài phổ bước sóng thực nghiệm lọc 1-D PhC 15 Hình 7: Sự thay đổi bên độ dài phổ bước sóng thực nghiệm lọc 1-D Phc, k = 0.8 16 Hình 8: Sự thay đổi bên độ dài phổ bước sóng thực nghiệm lọc 1-D Phc, k = Cấu trúc sườn núi giống nhau, lỗ PhC Các kết thực nghiệm tìm thấy phù hợp với kết tính toán 2-D Mặc dù dấu vết cho thấy nhiễu quang phổ làm việc với tín hiệu thấp, phát lại mức độ cao lặp lặp lại Nó cho thấy rằng, hiệu ứng giao thoa hoạt động nhiều lỗ (Fabry-Perot), nguồn khác phản ánh phần cấu trúc thiết bị Việc đo toàn chiều rộng giá trị nửa lớn (FWHM), ba trường hợp, gần với giá trị lý thuyết thu Cả hai quang phổ đưa hình 2.7 2.8 cho thấy đáp ứng phẳng mức vừa phải Một cải thiện giá trị độ rộng vạch phổ độ dốc cạnh cần lưu ý quang phổ hình 2.8 so sánh với hình 2.7 Bước sóng thay đổi 10 20 nm quanh gia trị đỉnh độ dài bước sóng thiết kế 820nm quang phổ độ dài bước sóng hình 2.7 2.8 Thay đổi bước sóng từ 10 đến 20 nm xung quanh giá trị bước sóng đỉnh 820 nm, phổ bước sóng thể hình 2.7 2.8 Những khác biệt lỗi chế tạo Mô 2D FDTD thực tế cho thấy thay đổi sấp xỉ 1nm chiều dài tương ứng với thay đổi khoảng 1,5 nm bước sóng truyền 17 Hình 9: Phổ bước sóng µm lọc PHC thực nghiệm tính toán (a) Hai dịch pha (b) Hai dịch pha với kích thước giảm 23% đường kính lỗ 18 Các thiết bị chế tạo hình 2.5 (b) đặc trưng khớp nối kỹ thuật end-fire sử dụng laser diode bước sóng 1,5 μm Độ sâu rãnh khắc dây- ống dẫn sóng lỗ PHC đo tương ứng khoảng 2,3 mm 1μm Các phổ thực nghiệm µm lọc PHC, đưa sơ đồ hình 2.4 (b) (c) thể hình 2.9, với thông tin cấu hình tính toán tương ứng chúng Các cấu hình thử nghiệm đưa đến thống Chúng ta số liệu thực nghiệm để so sánh xác hình 2.9 (a) hình 2.9 (b) Nhưng cần lưu ý giá trị thực nghiệm hình 2.9 (a) 2.9 (b) sai số vòng 15% Các cấu hình truyền phổ thể hình 2.9 (a) có phản ứng tương tự cấu hình tính toán tương ứng (xem thêm hình 2.4 (b)) Khi phản ứng tính toán lọc rộng (hơn 60 nm), trình quét laze phạm vi không đủ để quan sát toàn quang phổ cấu trúc Các cấu hình phổ hình 2.9 (b) cho thấy thay đổi đáng kể lọc thu cách giảm đường kính đầu vào đầu hàng lỗ PHC 23% Ngoài có khác biệt phản ứng thí nghiệm tính toán hình 2.9 (b), kết lỗi chế tạo Ngoài ra, thực nghiệm FWHM (82 nm) tìm thấy rộng so với tính toán (56 nm) Sự khác biệt ảnh hưởng hệ số lấp đầy băng thông so với yếu tố xác định, kết lỗi chế tạo 2-D FDTD kết tính toán cho thấy kết hệ số lấp đầy giảm khoảng 6% gia tăng khoảng 35% băng thông Mặt khác, kết tính toán cho thấy hệ số lấp đầy tăng 6% thay đổi băng thông 6% Hơn thế, thực tế truyền qua khu vực 1465 nm -1.490 nm thể hình 2.9(a) Chúng ta tin lý cho việc do: thứ nhất, chiều sâu lỗ không đủ, cho phép truyền dẫn quang phạm vi bước sóng Thứ hai, xảy việc số ánh sáng ghép với lớp vỏ phản ứng lọc tương tự đạt giống lọc khác 19 Tuy nhiên, xem xét kết thử nghiệm tạm thời, toàn mặt nghiêng phổ quét nghiệm với thiết bị để xác nhận đầy đủ phản ứng lọc dự kiến 20 III Kết luận Các phản ứng lọc lọc tinh thể quang tử đạt cách áp dụng khái niệm lưới Bragg Ngoài ra, việc thay đổi kích thước lỗ PHC thay đổi mức độ việc kiểm soát đặc điểm lọc Tuy nhiên, phản ứng phụ thuộc nhiều vào độ xác thiết bị chế tạo, đặt hạn chế thách thức lọc PHC nhỏ gọn với phản ứng phù hợp chứng minh thiết bị loại phát triển đầy đủ trở thành hữu ích cho ứng dụng WDM mạch tích hợp dày đặc quang tử 21 Phụ lục Danh mục hình ảnh 22 Tài liệu tham khảo [1] A S Jugessur, P Pottier and R M De La Rue, Engineering the filter response of photonic crystal microcavity filters, 2004 [2] Nguyễn Thúy Vân, Nghiên cứu chế tạo lọc quang (băng rộng băng hẹp), Trường Đại học Công nghệ, 2011 [3] Tinh thể quang tử, https://vi.wikipedia.org/wiki/Tinh_thể_quang_tử, Truy cập cuối ngày 08/05/2016 23 ... quang tử tạo ảnh vật thể có kích thước bước sóng (subwavelenth) Để làm rõ điều này, tập lớn, chúng em tìm hiểu Khả tạo ảnh siêu thấu kính vật liệu tinh thể quang 2D tam giác không bị hạn chế ”... trúc tinh thể quang tử 2D tam giác, tìm vật liệu phù hợp cho khả tạo ảnh kích thước bước sóng mà không bị giới hạn dựa tượng khúc xạ ngược – tính chất có nhờ cấu trúc đặc biệt cảu tinh thể quang. .. tin quang “ tinh thể quang tử ” – loại vật liệu cho phép ảnh hưởng đến lan truyền hạt photon nó, tương tự cách mà tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động electron Một ứng dụng tinh thể quang