Sự truyền dẫn hiệu suất cao đi qua các chỗ uốn cong đột ngột trong các ống dẫn sóng tinh thể quang tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO THÔNG TIN QUANG Đề tài: Sự truyền dẫn hiệu suất cao qua chỗ uốn cong đột ngột ống dẫn sóng tinh thể quang tử Giảng viên hướng dẫn: TS.Hoàng Phương Chi Hà Nội, 3-2016 Nhận xét giảng viên Mục lục Trang Lời mở đầu…… …………………………………………………………….1 Phân công công việc………………………………………………………… I.Một vài nét tinh thể quang tử ống dẫn sóng tinh thể quang tử…… …3 1.Tinh thể quang tử……………………………………………………… 1.1.Giới thiệu………………………………………………………… 1.2.Một số tinh thể quang tử tự nhiên………….……………………….3 1.3.Ứng dụng……………………………………….………………… 2.Ống dẫn sóng tinh thể quang tử…………………………………………4 2.1.Giới thiệu………………………………… ………………………4 2.2.Phân loại……………………………………………………………5 II Sự truyền dẫn cao ánh sáng qua chỗ uốn cong đột ngột ống dẫn sóng tinh thể quang tử………………………… .……………6 1.Ngun tắc dẫn sóng thơng thường ống dẫn sóng tinh thể quang tử…….…………………………………………………………………6 1.1.Ống dẫn sóng thơng thường……………………………………… 1.2.Ống dẫn sóng tinh thể quang tử…………………………………….7 2.Mô truyền dẫn ánh sáng ống dẫn sóng tinh thể quang tử qua chỗ uốn cong…… .……………………… ………………………9 2.1.Tạo mạng tinh thể quang tử……………………………………… 2.2.Phương pháp mơ phỏng…………………………………………….9 2.3.Mơ với tồn phổ band-gap ………………… …………10 3.Mơ tả đặc tính truyền dẫn hiệu suất cao qua chỗ cong ống dẫn sóng tinh thể quang tử………………………………………………….……12 III.Kết luận………………………………………………………………… 15 Tài liệu tham khảo……………………………………………………… …16 Lời mở đầu Gần đây, tinh thể quang tử tạo nguồn cảm hứng mạnh mẽ tiềm chúng việc kiểm soát lan truyền ánh sáng Chúng biến đổi chị triệt tiêu mật độ trạng thái điện tử bên tinh thể Các cấu trúc điện mơi tuần hồn với vùng trống băng tần hồn chỉnh mang lại nhiều ứng dụng, bao gồm việc chế tạo gương điện môi không tổn hao hốc cộng hưởng quang Ở phương pháp thông thường, việc sử dụng ống dẫn sóng có cấu trúc điện mơi liên tục đạt hiệu suất cao đường truyền thẳng với dải phổ có độ rộng trung bình Mặt khác đường truyền có chỗ uốn cong phương pháp không đạt hiệu cao Năm 1987, Yablonovitch John vùng trống băng quang tử cấu trúc điện mơi tuần hồn nhiều chiều nên gọi tinh thể quang tử Từ người ta ứng dụng để dẫn ánh sáng qua góc uốn cong đột ngột sử dụng ống dẫn sóng tinh thể quang tử Phân cơng công việc Công việc Họ Tên MSSV Dịch báo tìm Lê Đức Anh hiểu thơng tin liên quan Nguyễn Minh Đức 20111114 …… Đọc hiểu dịch , làm báo cáo slide Đào Phúc Đạt … 20111367 Đọc hiểu thuyết trình, trả lời câu hỏi …… I.Một vài nét tinh thể quang tử ống dẫn sóng tinh thể quang tử 1.Tinh thể quang tử ( photonic crystal ) 1.1 Giới thiệu Tinh thể quang tử tạo thành từ cấu trúc nano-điện môi kim loại-điện môi thiết kế để tác động lên lan truyền sóng điện từ tương tự cách hố lượng tuần hoàn tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động electron, tức tạo cấu trúc lượng trạng thái proton tinh thể Ở đây, vùng trống cấu trúc lượng photon kiểu lan truyền mà sóng điện từ khơng phép, hay dải bước sóng khơng lan truyền Điều dẫn đến tượng ngăn cản phát xạ tự phát, gương định hướng có độ phản xạ cao hay ống dẫn sóng có độ hao tổn thấp Hình 1.Tinh thể quang tử (Nguồn: E Yablonovitch/ Đại học California, Berkeley) 1.2 Một số tinh thể quang tử tự nhiên Một ví dụ tinh thể quang tử tự nhiên opal Các màu sắc nhiễu xạ Bragg mắt tinh thể Hình 2.Đá Opal (https://s-media-cache-ak0.pinimg.com/736x/8d/ f6/0c/8df60cd7820274f2020a8b43d6c54b9f.jpg) Một hệ tinh thể quang tử tự nhiên khác quan sát cánh số loài bướm, loài Morpho Hình Bướm Morpho (http://stembol.com/morphidae/morpho/ Cypritis/cypris/cypris/Morpho_cypris.jpg) 1.3 Ứng dụng Các tinh thể quang tử ứng dụng để điều khiển lan truyền ánh sáng Các tinh thể quang tử chiều dùng rộng rãi quang học màng mỏng; tạo lớp phủ lên bề mặt thấu kính hay gương để tạo độ phản chiếu thấp hay cao tuỳ ý; hay sơn đổi màu in ấn bảo mật Các tinh thể quang tử hai chiều ba chiều dùng nghiên cứu khoa học Ứng dụng thương mại tinh thể quang tử hai chiều sợi tinh thể quang tử, thay cho sợi quang học truyền thống thiết bị quang học phi tuyến dùng với bước sóng đặc biệt 2.Ống dẫn sóng tinh thể quang tử ( photonic crystal waveguides ) 2.1 Giới thiệu Ống dẫn sóng tinh thể quang tử cấu trúc vật lý có tác dụng dẫn sóng điện từ phổ quang Ống dẫn sóng quang sử dụng thành phần mạch quang tích hợp làm mơi trưởng truyền dẫn hệ thống truyền thơng quang học Hình 4.Ống dấn sóng quang tử (http://www.speag.com/assets/images/small/ semcad/applications/photo_bends_3.gif) 2.2 Phân loại Đơn mode Cấu trúc mode Đa mode Phẳng Hình học Dải Ống dẫn sóng quang tử Sợi Vật chất Thủy tinh Polymer Chỉ số khúc xạ phân phối Chất bán dẫn Chỉ số gradient Bậc khúc xạ II Sự truyền dẫn cao ánh sáng qua chỗ uốn cong đột ngột ống dẫn sóng tinh thể quang tử 1.Ngun tắc dẫn sóng thơng thường ống dẫn sóng tinh thể quang tử Hình 5.Ống dẫn sóng điện mơi tinh thể quang tử (https://nanohub.org/app/site/resources/2013/09/19419/slides/014.01.jpg) 1.1 Ống dẫn sóng thơng thường Hai thiết kế thường sử dụng để dẫn sóng điện từ qua đường thẳng (khơng có điểm uốn cong): - Các ống dẫn sóng kim loại cung cấp truyền dẫn khơng tổn dao với dải phổ vi sóng ( micro-wave) - Các ống dẫn sóng điện mơi với dải phổ hồng ngoại ánh sáng nhìn thấy Nguyên tắc: Phản xạ nội toàn phần ( phản xạ toàn phần bên ) Hình 6.Ống dẫn sóng điện môi (http://webtop.msstate.edu/waveguide/images/image004.gift http://photonicswiki.org/images/thumb/0/0e/Circular_dielect_wg.png/300px-Circular_dielect_wg.png ) Hạn chế: + Chỉ truyền qua chỗ cong có bán kính trung bình, tức bán kính cong phải lớn đáng kể so với chiều dài bước sóng + Xảy suy hao lớn góc trưởng hợp ánh sáng truyền qua chỗ cong 1.2 Ống dẫn sóng tinh thể quang tử ( photonic crystal waveguides ) Vật liệu PBG – photonic band-gap cấu trúc điều khiển chùm sáng theo cách mà chất bán dẫn điều khiển dịng điện Một chất bán dẫn khơng chấp nhận điện tử có lượng nằm vùng cấm điện tử Tương tự thế, tinh thể quang tử khơng chấp nhận quang tử có tần số nằm vùng cấm quang Meqade et al tồn điểm sai hỏng vật liệu PBG hỗ trợ chế độ định xứ tuyến tính tần số chế độ nằm vùng cấm quang Như sai hỏng hoạt động ống dẫn sóng sóng điện từ(EM), mà khơng dựa phản xạ nội tồn phần Hình 7.Điểm sai hỏng ống dẫn sóng tạo từ điểm sai hỏng (https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn%3AANd9GcQEY6LpZbW1Eox48VU9zjSNWsHeo2c4WktijZYVDdiPMrexdVq) Nguyên tắc: Sử dụng điểm sai hỏng để tạo ống dẫn sóng với hình dạng kích thước tùy ý Ưu điểm: + Có thể dẫn ánh sáng hiệu qua chỗ uốn cong + Tổn hao thấp với dải tần rộng chí có giá trị gần không với số dải tần đặc biệt 2.Mô truyền dẫn ánh sáng ống dẫn sóng tinh thể quang tử qua chỗ uốn cong 2.1.Tạo mạng tinh thể quang tử Khảo sát tinh quang tử hai chiều gồm que điện môi khơng khí tạo thành ma trận vng với số mạng a ( khoảng cách phần tử ) Các thông số tinh thể quang tử: - Chiết suất que điện môi n = 3,4 ( tương ứng với GaAs bước sóng điển hình 1.55 µm) - Bán kính que điện mơi 0.18a Vùng cấm quang TM ( từ trường ngang ) thu trải dài từ tần số ω=0.302 × πcc πcc tới ω=0.443 × a a 2.2.Phương pháp mô Ta mô với xung đầu vào Phương pháp mô phỏng: sử dụng vecto sai phân hữu hạn miền thời gian biên PML ( lớp thích ứng tuyệt đối ) dùng để hấp thu sóng kí sinh ( gây nhiễu cho kết mơ ) Hình 8.Điểm uốn cong ( hình báo ) - Đặt điểm theo dõi A B hình trên: + Điểm A: quan sát xung đầu vào xung phản xạ ngược chỗ cong + Điểm B: quan sát xung truyền qua chỗ cong - Gửi xung đường bao hình Gauss đầu vào ống dẫn sóng ta thu kết mô điểm theo dõi A, B Tại A: input pulse: xung đầu vào reflection from bend:xung phản xạ ngược từ chỗ cong Reflection source-end of guide: phản xạ ngược từ đầu vào ống dẫn sóng (*) Tại B: Tramsmitted pulse: xung truyền qua chỗ cong Reflection from exit-end of guide: phản xạ ngược từ đầu ống dẫn sóng (**) Hình 9.Kết mơ A B ( hình , báo) (*) (**) xung kí sinh ( xung nhiễu ) mà không hấp thụ hết biên PML cạnh tế bào - Nhận xét: Do tồn nhiều xung khác ( có ích, kí sinh) để phân biệt chúng trường hợp có nhiều xung đầu vào địi hỏi sử dụng tế bào tính tốn kích cỡ lớn ( tế bào tinh thể quang tử ) 2.3 Mơ với tồn phổ band-gap Sử dụng xung trải dài miền tần số khác để tạo thành dải tần mong muốn Tương tự tiến trình mục 2.2 , gửi xung đầu vào ống dẫn sóng Các xung sau biến đổi Fourier để thu hệ số truyền phản xạ miền tần số Các kết nhu hình đây: 10 Khung hình trên: xung đầu vào miền tần số Khung hình dưới: Các hệ số truyền phản xạ miền tần số Từ khung hình ta thấy hòa hợp tuyệt đối hệ số truyền phản xạ thu từ xung khác Tổng hệ số truyền phản xạ tần số vùng cấm band-gap, khẳng định khơng quan sát thấy có suy hao xạ, bất chấp khoảng cách gần ống dẫn sóng cạnh tế bào tính tốn Hinh10.Kết mơ sau biến đổi Fourier ( Hình báo) Hệ số truyền giảm mạnh đến tần số cắt mode dẫn Sự truyền tần số nhỏ ω=0.392 ×2 πcc /a lớn 95%,và đạt 100% chạm tới ω=0.353 ×2 πcc /a Ta có hình ảnh trường điện cho trường hợp ω=0.353 ×2 πcc /a Mode ( trạng thái truyền ổn định sóng ) hình thấy hồn tồn giam giữ bên ống dẫn,và ánh sáng di chuyển trôi chảy ( không bị phản xạ ngược ) qua chỗ cong đột ngột ( chỗ cong 90 độ ) có bán kính cong 2a Hình 11.Điện trường ống dẫn sóng cho trường hợp ω=0.353 ×2 πcc /a (hình báo) 11 3.Mơ tả đặc tính truyền dẫn hiệu suất cao qua chỗ cong ống dẫn sóng tinh thể quang tử Dựa tồn vùng cấm quang đẳng hướng mặt phẳng tinh thể chiều người ta đề xuất mơ hình lý thuyết tán xạ chiều để giải thích đặc điểm phổ lan truyền ống dẫn sóng Cấu trúc ống dẫn sóng PBG xem đoạn ống dẫn sóng riêng rẽ, (01) ,(10), kết nối đoạn ống dẫn sóng (11) Đối với tần số ω cho trước, có vecto sóng k(ω ¿ biểu diễn mode dẫn đoạn ống dẫn sóng k ( ω ) vecto biểu diễn sóng truyền đoạn (01) (10) k ( ω ) vecto biểu diên sóng truyền đoạn uốn cong (11) Các vector xác định hệ thức tán sắc sau biểu diễn hình 12 Từ hình vẽ ta định nghĩa chiết suất hiệu dụng phụ thuộc tần số: n ( ω )= ck ( ω ) ω Bằng cách hồn tồn tương tự với phương trình Schrodinger chiều, chúng tơi ánh xạ tốn truyền sóng khơng gian ống dẫn sóng qua đoạn có chiết suất xác định (01) -> (11) -> (10) lên truyền sóng “điện thế’ Điện bao gồm ba vùng bất biến, tương ứng với đoạn ống dẫn sóng (01), (11) (10) Các vùng điện minh họa hình chữ nhật Hình 12.Vecto sóng k ( ω ) k ( ω ) 12 Độ sâu giếng điện phụ thuộc vào tần số sóng lan truyền xác định công thức: k 12 ( ω )−k 22 ( ω) Hệ số phản xạ cho phương trình (1): R ( ω )=¿ ¿ Chọn điểm có ω = 0.353 ×2 πcc / a, hệ số phản xạ Chọn nghiệm L=1.33√2 a gần với chiều dài vật lý ống dẫn sóng (11) Thay đổi chiều dài đoạn ống dẫn sóng (11) so sánh hệ số phản xạ tính từ mơ số với giá trị thu tử phương trình (1) Cho L = 0.33√2 2a ,1.33√2 2a,2.33√2 2a,3.33√2 2a bốn chỗ cong hình 13 Các hệ số phản xạ (Reflection Coefficients ) biểu diễn qua trục tung hình Hình 13 Hệ số phản xạ hình dạng chỗ cong tương ứng ( hình báo) Nhận xét: 13 + Ta tìm điểm tương đồng đáng tin cậy mơ hình tán xạ chiều(đường nét liền) mô số ( hình thoi) + Mơ hình dự đốn xác tần số mà hệ số phản xạ 0, đường bao định lượng phổ truyền cách tổng thể + Sự không tương đồng thấy rõ tần số thấp bắt nguồn từ hạn chế mô số + Mơ hình dự đốn xác tồn phản xạ ngược chỗ cong,với truyền vượt 95% mode dẫn (vùng band-gap hoàn chỉnh ,ko πcc gần tần số cắt) ω=0.403 × a (mơ hình lý thuyết khơng dự đốn xác tồn miền tần số mơ phỏng) + Mơ hình áp dụng cho tinh thể quang tử chiều với vùng cấm quang đẳng hướng hoàn chỉnh (complete band-gap) + Bằng cách điều chỉnh chiều dài đoạn uốn cong,chúng ta thu sư truyền 100% qua chỗ cong vài tần số (tức nhiều tần số) + Sự truyền dẫn đạt hiệu suất cao miễn hệ thức tán sắc ống dẫn sóng tạo thành chỗ cong khơng khác đáng kể (khi vecto k1 k2 không khác nhiều,kéo theo chiều sâu giếng điện không lớn) III.Kết luận 14 1) Để truyền dẫn sóng quang người ta sử dụng ống dẫn sóng Có nhiều loại ống dẫn sóng khác nhau, với khả kiểm soát ánh sáng dựa nguyên tắc khác nhau, cho hiệu truyền dẫn khác 2) Ống dẫn sóng tinh thể quang tử với vùng cấm quang có khả kiểm sốt ánh sáng mà khơng dựa ngun tắc phản xạ nội tồn phần, khơng có suy hao xạ sử dụng ống dẫn sóng loại này,cho hiệu suất dẫn truyền cao , trường hợp chỗ cong đột ngột, chí với bán kính cong cỡ chiều dài bước sóng ánh sáng 3) Mơ hình tốn học q trình tán xạ giúp giải thích dự đốn kết mơ đặc tính truyền dẫn ống dẫn sóng PBG.Với chỗ cong 90 độ bán kính cong bất kì, mơ hình giúp tính tốn xác tần số cụ thể hiệu suất truyền qua chỗ cong 100%, hay dự đoán dạng đường bao tổng quát toàn miền phổ truyền 4) Một câu hỏi đặt với ống dẫn sóng tinh thể quang tử : liệu có tồn trạng thái biên định xứ vùng lân cận chỗ uốn cong Các trạng thái biên khái niệm vật lý lượng tử ,tìm hiểu chúng em xin dừng lại Tài liệu tham khảo 15 ... bước sóng đặc biệt 2 .Ống dẫn sóng tinh thể quang tử ( photonic crystal waveguides ) 2.1 Giới thiệu Ống dẫn sóng tinh thể quang tử cấu trúc vật lý có tác dụng dẫn sóng đi? ??n từ phổ quang Ống dẫn sóng. .. 1.2 .Ống dẫn sóng tinh thể quang tử? ??………………………………….7 2.Mơ truyền dẫn ánh sáng ống dẫn sóng tinh thể quang tử qua chỗ uốn cong? ??… .……………………… ………………………9 2.1.Tạo mạng tinh thể quang tử? ??……………………………………... việc………………………………………………………… I.Một vài nét tinh thể quang tử ống dẫn sóng tinh thể quang tử? ??… …3 1 .Tinh thể quang tử? ??…………………………………………………… 1.1.Giới thiệu………………………………………………………… 1.2.Một số tinh thể quang tử tự nhiên………….……………………….3