tìm hiểu chủ đề “bộ tạo ảnh quang”

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN QUANG Báo cáo thông tin quang MỤC LỤC Lời mở đầu Với phát triển vô mạnh mẽ công nghệ thông tin nói chung kỹ thuật viễn thông nói riêng, nhu cầu dịch vụ liên quan đến viễn thông ngày tăng lên Và việc chế tạo áp dụng thành công việc truyền tin thông tin quang xem thành tựu lớn nhà khoa học Tuy vậy, vật liệu sử dụng thông tin quang ngày bộc lộ số hạn chế đinh Vì nhiều giải pháp sáng tạo đời, ví dụ công nghệ chế tạo vật liệu Nano hay tinh thể quang tử có kích thước Nano Vì vậy, qua môn học Thông Tin Quang đồng ý cô TS Hoàng Phương Chi, chúng em định chọn đề tài cho tập lớn môn tìm hiểu chủ Báo cáo thông tin quang đề “bộ tạo ảnh quang” thông qua báo “All-angle beam refocusing in non-uniform triangular photonic crystal slabs” Remigius Zengerle and Phuong Chi Hoang Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô TS Hoàng Phương Chi ân cần bảo chúng em suốt thời gian học trình làm tập lớn môn Thông Tin Quang Do kiến thức hạn hẹp thời gian tìm hiểu không nhiều, nên tập lớn chúng em không tránh khỏi sai sót Chúng em mong góp ý cảu cô để tập lớn chúng em hoàn thiện Danh mục hình vẽ Hình Nguyên tắc tái tập trung không gian thực không gian sóng vectơ a)Đường tia sáng không gian thực ( trung tâm ra) b)đường cong không gian vecto giải thích tượng khúc xạ phân tán đường viên cho PhC tần số bình thường 0.3018 “1” “3” “5” hướng vecto sóng , “2” “4” hướng dòng lượng Hình Sơ đồ phân bố ông kính phẳng không đồng tinh thể quang tử 2D chuyển tiếp bước thành đồng theo hướng z Trong phân đoạn, số chiết quang thay đổi riêng rẽ tạo nên thành phần không đồng khu vực Hình Sử dụng biên Báo cáo thông tin quang a) Lỗ cắt b) Lỗ cắt với siêu cấu trúc Hình Góc phụ thuộc lượng phản xạ sót lại cho lớp PhC với lớp thường biên siêu cấu trúc sử dụng chum Gauss µm Vị trí biên tối ưu tỷ lệ binh thường Hình Tái hội tụ với ống kính tinh thể quang tử hình tam giác đồng 10 μm với biên thường , TM phân cực Hình Tái hội tụ với phiến tinh thể quang tử hình tam giác không đồng 10 μm với biên thường TM phân cực Hình Tái hội tụ với phiến tinh thể quang tử hình tam giác không đồng 10 μm với biên siêu cấu trúc, TE phân cực Hình Tái hội tụ cách sử dụng tam giác ba lớp quang tử tinh thể đồng với biên siêu cấu trúc , TM phân cực Hình Tái hội tụ cách sử dụng tam giác ba lớp quang tử tinh thể không đồng với biên siêu cấu trúc , TE phân cực Hình 10 Tái hội tụ với màng tinh thể quang tử 3D, độ phân cực TM Độ dày màng tế bào: 0,25 μm Báo cáo thông tin quang Danh sách thuật ngữ Photonic crystal ( PhC) Tinh thể quang tử Negative Refraction Khúc xạ âm Wave- vecto Véc tơ sóng Dispersion contour Đường bao phân tán Báo cáo thông tin quang Chương Giới thiệu Ống kính Planar dựa tượng khúc xạ bất thường gần thu hút quan tâm lớn vật lý kỹ thuật, đặc biệt kể từ Pendry cho chất có chiết suất tiêu cực tạo ống kính hoàn hảo Lịch sử diễn thảo luận tượng khúc xạ bất thường điện động lực vào năm 1904 Tuy nhiên sau, khúc xạ tiêu cực sóng điện từ vật liệu có độ từ thẩm số điện môi âm đồng thời nghiên cứu Veselago vào năm 1968 Một đánh giá khúc xạ tiêu cực vùng sóng Viba đưa Silin năm 1972 Năm 1978, Silin mô tả khả để xây dựng ống kính song phẳng mở lĩnh vực để xây dựng ống kính phạm vi quang học, sử dụng môi trường nhân tạo Mặc dù có tiến đáng kể có khó khăn lớn việc thiết kế chế tạo vật liệu độ thẩm thấu số điện môi âm phạm vi quang học Một phương pháp khác tinh thể quang tử (PhCs) cho ta thấy tia khúc Báo cáo thông tin quang xạ tiêu cực sóng Floquet-Bloch mà không bị dội ngược Các vấn đề tượng khúc xạ bất thường mặt phẳng tinh thể quang tử tần số quang học gần vùng cấm quang tử lần nghiên cứu thực nghiệm Ngoài tượng nhiễu xạ điều chế 1D 2D chu kỳ hướng dẫn sóng bao gồm tia khúc xạ âm giải thích biểu đồ sóng vector Một nghiên cứu lý thuyết mở rộng tượng đưa Notomi Theo Luo, tất góc khúc xạ tiêu cực có mà số tiêu cực sử dụng cho việc tạo ảnh khoảng cách nhỏ phiến PhC Độ phân giải hình ảnh phụ thuộc bước sóng khúc xạ tiêu cực PhCs 2D nghiên cứu mặt lý thuyết thực nghiệm khu vực vi sóng Ống kính có độ phân giải cao sử dụng cấu trúc PhC tam giác nghiên cứu mặt lý thuyết biên giới gián đoạn, nhiên, hiệu truyền dẫn bị giảm Sự ảnh hưởng mạnh mẽ biên giới bề mặt lên chất lượng hình ảnh phân tích Đối với truyền dẫn ánh sáng hiệu cao, Baba đề xuất loại giao diện khác nhau, nhiên, tối ưu hóa cho tất tỷ lệ góc độ Gần đây, Bulu thu góc khúc xạ tiêu cực rộng tập trung sóng Viba sử dụng PhCs tựa kim cách điện Hiệu cao chùm góc rộng việc tái tập trung sử dụng khúc xạ âm ống dẫn sóng PhC vuông không đồng điện môi tần số quang học trình bày “ R Zengerle, and P C Hoang, “ Wide-angle beam refocusing using negative refraction in non-uniform photonic crystal waveguides”, Opt Express 13,5719-5730 (2005) ” Gần người ta thấy tất góc ảnh đạt ống dẫn sóng phẳng cách sử dụng cấu trúc đa lớp kim loại-điện môi lai giống với ý tưởng Pendry Tuy nhiên, yêu cầu cấu định kỳ cấu trúc cuối cùng, hiệu thấp Trong báo trình bày hiệu cao việc tập trung tất góc phụ bước sóng sử dụng PhC tam giác phạm vi trường xa trường gần có cải thiện rõ rệt tính chất hình ảnh trường xa sovới lưới vuông Nguồn điểm Báo cáo thông tin quang giới thiệu để phân tích xác thuộc tính tập trung vào nội PhC cho độ rộng khác từ 10 um đến um Như hình dạng đường viền phân tán hình tam giác PhC xung quanh nguồn gốc vòng tròn lý tưởng, góc rộng chí tất góc chụp ảnh với cách tử đồng bị quang sai, đặc biệt khoảng cách lớn nguồn poitn PhC với phiến Vì vậy, giới thiệu - tương tự trước gợi ý - không đồng bên việc phân phối số khúc xạ cấu trúc PhC để tự thiết kế cho việc bù đắp quang sai so sánh cải tiến mạng tinh thể đồng với Chúng chứng minh cấu trúc PHC không đồng có hiệu bù đắp cho quang sai khu vực xa trường tất hình ảnh góc lưới tam giác Hơn nữa, cách giới thiệu bước giống siêu cấu trúc ranh giới vị trí cẩn thận tiếp tục giảm phản xạ góc rộng không phù hợp ranh giới PhC đạt hiệu hình ảnh lên tới 97% Chương Nguyên lý hoạt động Các nguyên tắc chùm tia tập trung sử dụng cấu trúc PHC phẳng khúc xạ tia âm hai mặt chuyến tiếp đến môi trường đồng xung quanh hình 1.a Ở sử dụng dàn tam giác lỗ khí 2D vật liệu điện môi có số khúc xạ 3.6 lưới liên tục a = 282 nm Bán kính lỗ khí r = 0.4a Để có tất góc khúc xạ với biến dạng nhỏ dung sai thiết kế đơn giản, làm việc dải quang tử thứ hai tinh thể quang tử tam giác Trong hình 1.c,1.d biểu thị phân cực TE TM tần sô chuẩn hóa quang W= a/lamda trường hợp tần số trung tâm lựa chọn để hợp với kích thước đường bao tán sắc PhC kích thức đường bao tần số không khí Nó chứng tỏ góc hoạt động Vùng đường bao tán sắc PhC co lại tăng Báo cáo thông tin quang tần số, tương ứng hướng dòng lượng định hướng phía Trong trường hợp TM phân cực, độ cong đường bao tán sắc gần tròn ( hình 1d) tât hướng dòng lượng phần lớn định hướng đối Trường hợp phân cực TE ( hình 1c), hướng dòng lệch phần từ hướng đến điểm xuât phát, khả tập trung Nên thường tập trung vào phân cực TM Nếu chúng chọn thông số thích hợp bán kính đường viền trung bình tinh thể quang tử đồng với bán kính vòng tròn đường bao tần số đại diện không gian tự ( hình 1b) với ý tia quang học cung cấp gần hoàn hảo tia khúc xạ âm cực hướng lượng với số khúc xạ hiệu dụng -1 cấu trúc quang tử Báo cáo thông tin quang Hình Nguyên tắc tái tập trung không gian thực không gian sóng vectơ a)Đường tia sáng không gian thực ( trung tâm ra) b)đường cong không gian vecto giải thích tượng khúc xạ phân tán đường viên cho PhC tần số bình thường 0.3018 “1” “3” “5” hướng vecto sóng , “2” “4” hướng dòng lượng Chi tiết hình ảnh cho trường hợp quang tử đồng 2D phân cực TM mô tả hình 1(a,b) không gian không gian sóng véc tơ tần số quang chuẩn hóa ω= a/λ ≈0.3 ( tương ứng bước sóng = 935 nm) Đường dòng lượng cho tái tập trung giống với tia chéo sử dụng cho chứng minh thấu kính hoàn hảo Sóng ( biếu sóng vector “1”) rõ nét lên từ nguồn điểm không khí góc tới Sóng có nhóm hướng tốc độ “2” ( thông thường với vòng tròn không khí ) đường bao PhC sóng tới biến đổi thành sóng Floquet- Bloch gồm có không gian hàm điều hòa vô tận Thành phần tiếp tuyến vecto sóng tới bảo toàn bề mặt chung không gian hàm điều hòa biếu thị vecto sóng “3” với nhóm hướng tốc độ “4” ( giống đường bao tán sắc PhC) Theo hình 1b nhóm tốc độ PhC định hướng đến gốc biểu với hướng tốc độ “2” sóng tới tượng tia tán sắc âm cực đường biên thấp Sau thoát khỏi Phc sóng Floquet-Bloch biến đổi đường biên thứ trở thành sóng đơn Sóng có pha hướng tốc độ “5” giống với pha hướng tốc độ “1” Sự giống xảy tương tự nhóm hướng tốc độ “2” Tinh thể quang tử tuần hoàn cấu trúc không đồng nhất, đường bao tán sắc phản xạ tam giác cân đối giữ nguyên độ lệch từ vòng tròn tưởng tượng Độ lệch bị giảm tăng tần số sóng mang, nhiên, dẫn đến đường kính nhỏ đường bao tán sắc tinh thể quang tử tính chất hình ảnh tất góc Trong ảnh tia có nghĩa giá trị tuyệt đối nhỏ cho độ khúc xạ âm cực PhC Mặt 10 Báo cáo thông tin quang khác, giảm sóng mang quang tăng đường kính đường bao tán sắc tinh thể quang tử tác dụng đến tính chất tất góc, nhiên méo đường tròn tăng đáng kể dẫn đến sai lệch hình ảnh lớn Nên khắp báo sử dụng trường hợp bán kính đường bao tán sắc Hình dạng đường bao tán sắc WVD PhC đồng đường tròn hoàn hảo trường hợp phân cực TM Nên vài độ tăng thêm khe hở cần thiết cho thích nghi cục đường bao tán sắc PhC để bù cho hình ảnh sai lệch Nó thực thay đổi số khúc xạ cục giải thích chi tiết 16 Trong đoạn định, hình 2, số khúc xạ cục PhC tăng giá trị riêng biệt hình cục khác đường bao tán sắc, trái lại điều chế tuần hoàn PhC lại đồng ( giữ nguyên đường kính hố ) Hoặc mô tả 16 thay đổi số khúc xạ thay biến đổi cục đường kính mắt lưới Như mô tả tính toán số tính không đồng bên cách để tái tập trung trường hợp phân cực TE 11 Báo cáo thông tin quang Hình Sơ đồ phân bố ông kính phẳng không đồng tinh thể quang tử 2D chuyển tiếp bước thành đồng theo hướng z Trong phân đoạn, số chiết quang thay đổi riêng rẽ tạo nên thành phần không đồng khu vực Chương Tối ưu hóa Như có ý định mô tả thuộc tính hình ảnh tinh thể quang tử cho trường hợp trường xa hay trường gần, sử dụng việc truyền dẫn với biên độ tối thiểu theo hướng z Qua mô phỏng, tìm loại truyền dẫn thuận tiện cho lỗ phản xạ thấp góc tới Để so sánh, xem xét lỗ đường truyền bước bị cắt bớt hình 3a Để đánh giá xác hiệt hại, cần phải xem xét phản ứng đường bao PhC bao gồm hiệu ứng giao thoa Phụ thuộc vào bề rộng khác nhau, vị trí xác bước chuyển tiếp làm cho phù hợp với suy hao phản xạ tối thiểu tỉ lệ bình thường Vị trí điều chỉnh đánh giá phụ thuộc góc của hệ số phản xạ dư sử dụng tia Gaussian Hình Sử dụng biên 12 Báo cáo thông tin quang a) Cắt bớt lỗ b) Cắt bớt lỗ với siêu cấu Ở hình 4, tượng phản xạ thấy rộng 1mm phân cực TM Ở tỷ lệ bình thường, có giao thoa, loại truyền dẫn, hệ số phản xạ dư trì mức 0.1%, chí thấp Hình cho ta thấy suy hao phản xạ tăng đường truyền với góc tỷ lệ tăng theo Tuy nhiên, với siêu cấu trúc chúng ta, tăng thấp nhiều Trong trường hợp ranh giới siêu cấu trúc, lượng hệ số phản xạ dư trì mức 6.5%, chí với góc tỷ lệ lên đến 60% Trái lại, ranh giới đơn giản vượt mức giới hạn 10% 23 độ, điều nói lên có tiến đáng kể suy hao phản xạ với ranh giới siêu cấu trúc góc tỷ lệ lớn 13 Báo cáo thông tin quang Hình Góc phụ thuộc lượng phản xạ sót lại cho lớp PhC với lớp thường biên siêu cấu trúc sử dụng chum Gauss µm Vị trí biên tối ưu tỷ lệ binh thường Chương Mô Đối với mô này, sử dụng mô 2D-FDTD từ phần mềm Fullwave RSOFT lấy kết điểm chọn làm điểm gốc để so sánh (ở bước sóng 935nm cho TM 643nm cho phân cực TE) Chúng nghiên cứu với phiến tinh thể quang tử có độ rộng khác nhau, với cấu trúc gồm 43 lớp (rộng 10 mm) cuối với cấu trúc gồm lớp (rộng 0,6 mm) Đánh giá ảnh hưởng tái hội tụ ảnh hưởng phản xạ không đồng phân tán hai đường biên mô tả đặc tuyến ổn định Trong trường hợp tỷ lệ tổng lượng hướng qua điểm tập trung tổng lượng chạy qua phía trước đường biên Để tránh ảnh hưởng tượng phản xạ, phương pháp thứ hai thực mà không tái cấu trúc lại phiến tinh thể quang tử Phương pháp có đặc điểm phần mở rộng tiêu cự ảnh (điều chỉnh lại tiêu điểm) không khí (giá trị FWHM) chuẩn hóa bước sóng Trong trường hợp trên, lượng truyền qua tính giá trị trung bình khoảng thời gian 14 Báo cáo thông tin quang Trong bước (hình 5a), sử dụng tinh thể quang tử hình tam giác dày 10 μm (hình 3a) Phiến tinh thể quang tử đặt tọa độ -5.2 μm< z < 5.2 μm Nguồn phát đặt tọa độ z = -10.4 μm không khí, kết thu hiệu suất 76% với phân cực TM Mặc dù độ giãn tiêu cự bên lớn so với búp sóng phụ (có thể thấy từ phân bố cường độ hình 5b), xác định chiều rộng tối thiểu tái hội tụ 0,52 tọa độ z = 10.8 μm Hình Tái hội tụ với ống kính tinh thể quang tử hình tam giác đồng 10 μm với biên thường , TM phân cực (a) lĩnh vực phân phối b) bên cường độ quét tâm điểm Truyền tải hiệu quả: 76% Sau bù quang sai lớn tán sắc tinh thể quang tử (xem hình 1b), thu hiệu suất 86% với phân cực TM (hình 6a) Như thấy từ hình 6b, hình dạng bước sóng phụ nét lại đáng kể, - gần với giới hạn nhiễu xạ - giá trị độ giãn tiêu cự giảm nhỏ (chỉ 0,48) Vì vậy, tác dụng bù tán sắc quan trọng, phiến tinh thể quang tử có chiều ngang 15 Báo cáo thông tin quang lớn Với phương pháp hiệu truyền tải tăng đến 93% (đối với phân cực TM) Hình Tái hội tụ với phiến tinh thể quang tử hình tam giác không đồng 10 μm với biên thường TM phân cực (a) lĩnh vực phân phối(b) bên cường độ quét tâm điểm Truyền tải hiệu quả: 86% Trong trường hợp phân cực TE hình dạng đường viền tán xạ rõ nét có dạng hình tròn (Fig.1c) Mô cho thấy tạo hội tụ với phân cực TE cách tử Như kết luận phân cực TE tối ưu so với phân cực TM Để nghiên cứu tính chất tái hội tụ nguồn tinh thể quang tử đặt gần thực mô với phiến tinh thể quang tử có độ rộng khác (10μm, 4μm, 2μm, 1μm 0.6μm) Kết trình bày bảng bảng 16 Báo cáo thông tin quang Việc chuẩn hóa thực với bước sóng 0,46 thấp có giá trị FWHM Tuy nhiên, phân bố lượng bước song phụ giảm đáng kể mà không cần giảm bước sóng xuống đến micromet Hình Tái hội tụ với phiến tinh thể quang tử hình tam giác không đồng 10 μm với biên siêu cấu trúc, TE phân cực (a) lĩnh tải hiệu quả: 68% vực phân phối (b) bên cường độquét tâm điểm Truyền Kết nghiên cứu phiến tinh thể quang nhỏ ghi lại hình Với bề rộng khoảng 350 nm Có thể thấy, cấu trúc có hàng lỗ hoàn chỉnh với hàng lỗ không hoàn chỉnh bên hội tụ với phân cực TM 17 Báo cáo thông tin quang Hình Tái hội tụ cách sử dụng tam giác ba lớp quang tử tinh thể đồng với biên siêu cấu trúc , TM phân cực (a) lĩnh vực phân phối (b) bên cường độ quét tâm điểm Truyền tải hiệu quả: 97% Theo tính toán với phân cực TE hội tụ không xảy dùng cách tử Tuy nhiên, việc sử dụng nhiều cách tử cho phép hội tụ chiều rộng