BTL Nano (Bách Khoa): CÁC SAI HỎNG ĐIỂM TRONG TINH THỂ QUANG TỬ: GIAM GIỮ ÁNH SÁNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN CÔNG NGHỆ NANO Đề tài: CÁC SAI HỎNG ĐIỂM TRONG TINH THỂ QUANG TỬ: GIAM GIỮ ÁNH SÁNG Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Bích Huyền TS Nguyễn Việt Hưng Nhóm sinh viên thực hiện: LỜI NÓI ĐẦU Nanophotonics (Quang tử Nano) môn học nghiên cứu ánh sáng thang nano Nó nhánh ngành quang học, nghiên cứu tương tác ánh sáng với hạt vật chất kích thước nhỏ bước sóng Phạm vi nghiên cứu nanophotonics bao gồm hai chủ đề nghiên cứu tính chất kì lạ ánh sáng kích thước nano chế tạo thiết bị có hiệu suất cao cho ứng dụng kĩ thuật Những nghiên cứu tạo tiềm to lớn để cách mạng hóa ngành viễn thơng qua việc cung cấp thiết bị khơng có hiệu ứng giao thoa, vận tốc cao, tiêu tốn lượng thấp chẳng hạn công tắc điện quang công tắc quang học chip Ngày với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật ngành quang tử học ứng dụng rộng rãi đời sống nghiên cứu Qua môn học Công nghệ Nano chúng em phần hiểu tinh thể quang tử, dạng cấu trúc tinh thể quang tử, sở lý thuyết phương trình sóng trường điện từ, v.v Để cụ thể hóa hiểu biết chúng em thực đề tài tập lớn Mục đích đề tài làm hiểu sở lý thuyết phương trình Maxwell cấu trúc điện mơi ba chiều sở để mơ tính tốn vùng cấm quang tinh thể quang tử ba chiều Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn Nguyễn Bích Huyền thầy Nguyễn Việt Hưng tận tình hướng dẫn để chúng em hoàn thành đề tài Tuy cố gắng hoàn thành đề tài cách tốt khơng thể tránh khỏi thiếu sót kiến thức, nhóm chúng em mong thầy bạn góp ý nhận xét để nghiên cứu hoàn thiện Hà Nội, tháng 11 năm 2019 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH i CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO THUẬT TOÁN FDTD 1.1 Biến đổi phương trình Maxwell .2 1.2 Thuật toán FDTD CHƯƠNG ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH CỦA THUẬT TOÁN FDTD .6 CHƯƠNG NGUỒN SÁNG BAN ĐẦU (INPUT) VÀ CÁCH TẠO NGUỒN SÁNG TRONG OPTIFDTD CHƯƠNG SAI HỎNG TRONG MẠNG TINH THỂ QUANG TỬ 13 4.1 Giới thiệu tinh thể quang tử .13 4.2 Vùng cấm quang 15 4.3 Sai hỏng mạng tinh thể quang tử 15 4.3.1 Sai hỏng điểm .16 4.3.2 Sai hỏng đường .17 CHƯƠNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM OPTIFDTD TÍNH CẤU TRÚC VÙNG CẤM QUANG CỦA MẠNG HÌNH LỤC GIÁC .19 5.1 Thiết kế mạng tinh thể lập phương .19 5.1.1 Tùy chỉnh vật liệu 19 5.1.2 Định nghĩa thuộc tính kênh 20 5.1.3 Thiết lập kích thước, ốp chất .20 5.1.4 Thiết lập phần tử dẫn sóng .23 5.2 Tính tốn vùng cấm quang 27 CHƯƠNG TÍNH TỐN MODE SAI HỎNG ĐIỂM CHO MẠNG LỤC GIÁC, KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT .30 6.1 Tạo sai hỏng điểm (defective cell) .30 6.2 Mô sai hỏng điểm 31 6.3 Nhận xét .33 TÀI LIỆU THAM KHẢO .34 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 3.1 Tùy chỉnh nguồn sáng OptiFDTD Hình 3.2 Thẻ General Hình 3.3 Thẻ 2D Transverse .10 Hình 3.4 Thiết lập khoảng cách dò 11 Hình 3.5 Thẻ 2D Data Components 11 Hình 3.6 Một nguồn sáng OptiFDTD………………………………………… 13 Hình 4.1 Tinh thể quang tử tự nhiên………………………………………………… 14 Hình 4.2 Tinh thể quang tử nhân tạo………………………………………………….15 Hình 4.3 Tinh thể quang tử chiều (1D), chiều (2D), chiều (3D) ……………… 15 Hình 4.4 Vùng cấm quang…………………………………………………………….16 Hình 4.5 Sai hỏng điểm……………………………………………………………….17 Hình 4.6 Sai hỏng đường…………………………………………………………… 17 Hình 4.7 Sai hỏng chỗ khuyết……………………………………………………… 18 Hình 4.8 Sai hỏng ngồi nút………………………………………………………… 18 Hình 4.9 Sai hỏng tạp chất chỗ…………………………………………………… 18 Hình 4.10 Sai hỏng tạp chất ngồi nút……………………………………………… 18 Hình 4.11 Sai hỏng đường lệch mạng biên…………………………………………… 19 Hình 4.12 Sai hỏng đường lệch mạng xoắn………………………………………… 19 Hình 5.1 Chọn vật liệu cho mạng tinh liệu, thuộc tính thể…………………………………………….20 Hình 5.2 Thiết lập vật kênh………………………………………… 21 Hình 5.3 Kích thước chiều……………………………………………………… 22 Hình 5.4 Các thiết lập khác…………………………………………………………… 23 Hình 5.5 Kết thu được………………………………………………………… 24 Hình 5.6 Thơng số cấu trúc, vị trí mạng số phần tử chiều mạng…….25 Hình 5.7 Thiết lập cho phần tử mạng………………………………… 26 Hình 5.8 Mạng tinh thể lục giác thu được…………………………………… 27 Hình 5.9 Thiết lập sóng vào…………………………………………………….28 Hình 5.10 Thơng số mơ tính tốn vùng cấm quang…………………… 29 Hình 5.11 Vùng cấm quang mode TE…………………………………………… 30 Hình 5.12 TM………………………………………….30 Vùng cấm quang mode Hình 6.1 Tùy chỉnh điểm sai hỏng……………………………………………… 31 Hình 6.2 Kết mơ Điểm quan sát Điểm quan sát phỏng…………………………………………………… 32 Hình 6.3 1……………………………………………………….33 Hình 6.4 2……………………………………………………….33 Hình 6.5 Kết phân tích…………………………………………………… 33 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO THUẬT TOÁN FDTD Trong chương tìm hiều biến đổi phương trình Maxwell từ dạng vi phân sang dạng khơng gian hai chiều; sau tìm hiểu sơ thuật tốn FDTD 1.1 Biến đổi phương trình Maxwell Các phương trình Maxwell bao gồm bốn phương trình, đề James Clerk Maxwell, dùng để mô tả trường điện từ tương tác chúng vật chất Bốn phương trình Maxwell mơ tả lần lượt: - Điện tích tạo điện trường (định luật Gauss) - Sự không tồn vật chất từ tích (định luật Gauss cho từ trường) - Dòng điện tạo từ trường (định luật Ampere) - Từ trường tạo điện trường (định luật cảm ứng Faraday) Các phương trình dạng vi phân cụ thể sau: Trong : Vector cường độ điện trường : Vector cường độ từ trường : Vector cảm ừng điện : Mật độ tiện tích : Vector mật độ dòng điện Trong trường hợp xét với không gian hai chiều (2D), giả sử = 0, khai triển vế trái phương trình Maxwell thứ ta có: Từ suy ra: Từ hai kết trên, ta có hệ thức tương ứng với hai mode sóng điện ngang (TE) sóng từ ngang (TM): Với Dz, Hy, Hx ta phương trình truyền sóng mode TE Với Dx, Dy, Hz ta phương trình truyền sóng mode TM Trong q trình truyền sóng mode TE TM vng góc với vng góc với phương truyền sóng TE TM 23 Hình 5.4 Các thiết lập khác 24 Hình 5.5 Kết thu 5.1.4 Thiết lập phần tử dẫn sóng - Chọn PBG Crystal Structure menu Draw - Di chuột vùng muốn tạo mạng tinh thể, nhấn đúp chuột - Nhập thơng số hình sau Hình 5.6 Thơng số cấu trúc, vị trí mạng số phần tử chiều mạng - Trong phần Atom Waveguides in Unit Cell chọn Edit để thiết lập cho phần tử mạng, thông số nhập hình 5.7 Hình 5.7 Thiết lập cho phần tử mạng Kết thúc tất bước trên, ta thu mang tinh thể sau: Hình 5.8 Mạng tinh thể lục giác thu 5.2 Tính tốn vùng cấm quang - Chọn Vertical Input Plane, nhấn đúp chuột vào hình chọn thơng số sau: Hình 5.9 Thiết lập sóng vào Để tính tốn vùng cấm quang, chọn Simulation, chọn PWE Parameters thiết lập thơng số mơ sau: Hình 5.10 Thơng số mơ tính tốn vùng cấm quang Chọn mode muốn tính tốn (TE TM) chọn Run, ta thu vùng cấm quang cho mạng tinh thể lục phương vừa tạo sau Hình 5.11 Vùng cấm quang mode TE Hình 5.12 Vùng cấm quang mode TM CHƯƠNG TÍNH TỐN MODE SAI HỎNG ĐIỂM CHO MẠNG LỤC GIÁC, KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 6.1 Tạo sai hỏng điểm (defective cell) - Vẫn với mạng tinh thể lục giác phần 5, nhấn chuột vào mạng, chọn Edit -> Properties Trong phần Edit options chọn i=8;j=0;k=0 Chọn Edit Cell, chọn Cell on, chọn Edit Properties nhập thơng số sau: Hình 6.1 Tùy chỉnh điểm sai hỏng 6.2 Mô sai hỏng điểm Chọn Simulation -> 2D 32bits Simulation Parameters chọn mode muốn mô phỏng, nhấn Run, ta thu kết với mode TM sau: Hình 6.2 Kết mơ Nếu thiết lập điểm quan sát sau: Hình 6.3 Điểm quan sát 1(tại điểm sai hỏng) Hình 6.4 Điểm quan sát Ta thu kết phân tích sau: Điểm quan sát 1(biên độ màu đen) điểm sai hỏng lớn biên độ điểm quan sát 2(biên độ màu xanh) Chứng tỏ trường bị giam giữ điểm sai hỏng 33 Hình 6.5 Kết phân tích 6.3 Nhận xét Kết mơ giống với lý thuyết, trường bị giam giữ điểm sai hỏng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Documentations phần mềm OptiFDTD tài liệu Website phần mềm [2] M.S.Wartak, Computational Photonics, Cambridge University Press [3] D Joannopoulos, S Johnson, Photonic Crystals-Molding the flow of light, Princeton University Press [4] Wikipedia 34 ... tử có sai hỏng quan tâm nghiên cứu ứng dụng nhiều thực tế Có hai dạng sai hỏng: sai hỏng điểm sai hỏng đường Hình 4.5 Sai hỏng điểm Hình 4.6 Sai hỏng đường 4.3.1 Sai hỏng điểm Sai hỏng điểm liên... Hình 4.7 Sai hỏng chỗ khuyết Hình 4.8 Sai hỏng ngồi nút Hình 4.9 Sai hỏng tạp chất chỗ nút Hình 4.10 Sai hỏng tạp chất 4.3.2 Sai hỏng đường Sai hỏng đường tinh thể quang tử dãy sai hỏng điểm liên... tử Sai hỏng điểm thường gồm: sai hỏng chỗ khuyết, sai hỏng nút sai hỏng tạp chất chỗ sai hỏng tạp chất nút Trong mạng đơn tinh thể lí tưởng, nguyên tử xếp cách tuần hoàn đặn Tuy nhiên, tinh thể