Nghiên cứu mô phỏng đặc tính lọc lựa ánh sáng buồng vi cộnghưởng phản hồi phân bổ bragg (DBR) theo cấu trúc đa lớp porous silicon ứng dụng trongcác hệ sensor quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hồng Lê Hà NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH LỌC LỰA ÁNH SÁNG BUỒNG VI CỘNG HƢỞNG PHẢN HỒI PHÂN BỔ BRAGG (DBR) THEO CẤU TRÚC ĐA LỚP POROUS SILICON ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỆ SENSOR QUANG LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG Huế- 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ Hồng Lê Hà NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH LỌC LỰA ÁNH SÁNG BUỒNG VI CỘNG HƢỞNG PHẢN HỒI PHÂN BỔ BRAGG (DBR) THEO CẤU TRÚC ĐA LỚP POROUS SILICON ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỆ SENSOR QUANG Ngành: Công nghệ Điện tử- Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS PHẠM VĂN HỘI Huế– 2014 LỜI CẢM ƠN Luận văn được thực hiê ̣n tại Phòng Vật liê ̣u và Ứng dụng Quang sợi - Viện Khoa học vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Văn Hội Trước hết cho xin gửi lới cảm ơn chân thành tới PGS TS Phạm Văn Hội, người thầy ln tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian làm luận văn Tôi xin cám ơn TS Ngơ Quang Minh tận tình hỗ trợ bảo suốt thời gian làm luận văn Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến anh/chị Phòng Vật liê ̣u và Ứng dụng Quang sợi hỗ trợ dẫn hồn thành phần thực nghiệm đo đạc Tơi xin cảm ơn thầy cô, anh/chị khoa Điện tử viễn thông, trường Đại học Công nghệ- Đại học Quốc gia Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ, bảo cho lời khuyên vô quý báu Luận văn hoàn thành sự hỗ trợ kinh phí đề tài cấp Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam (VAST) mã số VAST03.06/13-14 Cuối cùng, xin cảm ơn bạn bè người thân tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình học tập nghiên cứu Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2013 Học viên Hoàng Lê Hà LỜI CAM ĐOAN Lý thuyết cảm biến quang dựa buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot cấu trúc tinh thể quang tử chiều mô buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot nhƣ lọc sóng quang học sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử đƣợc trình bày luận văn tơi thực dƣới hƣớng dẫn PGS TS Phạm Văn Hội TS Ngô Quang Minh Tôi xin cam đoan tất tài liệu tham khảo luận văn đƣợc nêu nguồn gốc cách rõ ràng Trong khóa luận, khơng có việc chép tài liệu, cơng trình nghiên cứu ngƣời khác mà khơng rõ tài liệu tham khảo Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2013 Học viên Hoàng Lê Hà MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ LỜI MỞ ĐẦU 10 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CẢM BIẾN QUANG TRÊN CƠ SỞ BUỒNG VI CỘNG HƢỞNG CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU 12 1.1 Tổng quan tinh thể quang tử ứng dụng thực tế 12 1.1.1 Giới thiệu chung .12 1.1.2 Ứng dụng tinh thể quang tử thực tế 13 1.2 Buồng vi cộng hƣởng sƣ̉ du ̣ng cấu trúc quang tử chiều 14 1.2.1 Cấu tạo buồng vi cộng hƣởng 14 1.2.1.1 Gƣơng phản xạ Bragg 15 1.2.1.2 Lớp không gian 16 1.2.2 Phổ phản xạ buồng vi cộng hƣởng 16 1.3 Bộ lọc sóng có cấu trúc ghép cặp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng sở tinh thể quang tử hai chiều 17 1.3.1 Cấu trúc lọc sóng 17 1.3.2 Phổ truyền qua lọc sóng 20 1.4 Quy trình chế tạo màng đa lớp Silíc xốp 22 1.4.1 Q trình ăn mòn điện hóa phiến Silíc 22 1.4.2 Cơ sở hóa học q trình hình thành Silíc xốp 23 1.4.3 Đặc điểm silic xốp 25 1.4.3.1 Độ xốp 25 1.4.3.2 Xấp xỉ môi trƣờng hiệu dụng 25 1.4.3.3 Tốc độ ăn mòn 27 1.5 Cảm biến quang sở buồng vi cộng hƣởng Fabry- Perot 27 1.5.1 Giới thiệu 27 1.5.2 Các thông số đặc trƣng cảm biến quang 28 1.5.2.1 Chỉ số phẩm chất 28 1.5.2.2 Độ nhạy cảm biến 28 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 2.1 Tính tốn mơ 31 2.1.1 Phƣơng pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (FDTD) 31 2.1.1.1 Phƣơng pháp FDTD 31 2.1.1.2 Ƣu/nhƣơ ̣c điểm FDTD ứng dụng giải tốn lan truyền sóng điện từ 36 2.1.2 Phần mềm mô MEEP 39 2.1.2.1 Giới thiệu 39 2.1.2.2 Tiến trình mơ tốn lan truyền sóng điện từ MEEP 40 2.1.2.3 Phƣơng pháp mô phổ phản xạ buồng cộng hƣởng Fabry- Perot 42 2.1.2.4 Phƣơng pháp mơ phổ truyền qua lọc sóng ghép gián tiếp ống dẫn sóngbộ cộng hƣởng 44 2.2 Phƣơng pháp chế ta ̣o mẫu và đo đa ̣c 45 2.2.1 Thiết kế cảm biến quang sở buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot 45 2.2.2 Nguyên lý đo phổ phản xạ máy Cary UV- VIS- 5000 47 CHƢƠNG 3: TÍNH TỐN MƠ PHỎNG CẢM BIẾN QUANG 52 TRÊN CƠ SỞ TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU VÀ HAI CHIỀU 52 3.1 Tính tốn mơ phổ phản xạ cảm biến quang sở buồng vi cộng hƣởng FabryPerot cấu trúc tinh thể quang tử chiều 52 3.1.1 Mô cảm biến quang trƣớc nhúng vào mơi trƣờng có chiết suất khác 52 3.1.2 Tính tốn mơ phổ phản xạ cảm biến quang nhúng vào môi trƣờng khác 54 3.1.2 Mối quan hệ đỉnh cộng hƣởng phản xạ cảm biến quang chiết suất chất lỏng 55 3.2 Tính tốn mơ phổ truyền qua lọc sóng ghép cặp gián tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng sở tinh thể quang tử hai chiều .57 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG VÀ SO SÁNH VỚI TÍNH TỐN MƠ PHỎNG 61 4.1 Thực nghiệm chế tạo cảm biến quang sở buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot 61 4.1.1 Quy trình chế tạo 61 4.1.2 Thực nghiệm chế tạo cảm biến 63 4.2 Kết thực nghiệm cảm biến quang môi trƣờng khác 64 4.2.1 Độ dịch bƣớc sóng cộng hƣởng theo chiết suất chất lỏng 64 4.2.2 Đánh giá phẩm chất cảm biến quang 68 KẾT LUẬN 72 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 PHỤ LỤC 76 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 1D 2D 3D ABC CFL One dimension Two dimension Three dimension Absorbing Boundary Condition Courant–Friedrichs–Lewy condition Distributed Bragg Reflection Một chiều Hai chiều Ba chiều Điều kiện biên hấp thụ Điều kiện hội tụ Courant– Friedrichs–Lewy Gƣơng phản xạ phân bổ Bragg Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng Axit flohydric Phầ n mề m mô phỏng sóng điện từ Viện cộng nghệ Massachusetts Hồng ngoại gần Viện công nghệ Massachusetts Vùng cấm quang Tinh thể quang tử Tinh thể quang tử hai chiều Tinh thể quang tử chiều Sai phân hữu hạn miền thời gian Lớp tƣơng hợp hồn hảo Silíc Phƣơng pháp ma trận truyền Tia tử ngoại Khả kiến DBR FE- SEM Field Emission Scanning Electron Microscope HF MEEP Hydrogen fluoride MIT Electromagnetic Equation Propagation NIR MIT PBG PC PC-2D PC-1D FDTD Near Infrared Massachusetts Institute of Technology Photonic Band Gap Photonic Crystal Two dimensional Photonic Crystal One dimensional Photonic Crystal Finite Difference Time Domain PML Si TMM UV VIS Perfect Matched Layer Silícon Transfer Matrix Method Ultraviolet Visible DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các điều kiện ăn mòn để chế tạo buồng vi cộng hƣởng 47 dựa PC- 1D [5] 47 Bảng 3.1 Sự phụ thuộc bƣớc sóng cộng hƣởng vào mơi trƣờng xung quanh cảm biến tính tốn mơ buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot 55 Bảng 3.3 Sự phụ thuộc bƣớc sóng cộng hƣởng theo chiết suất mơi trƣờng tính tốn mơ lọc sóng ghép gián tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng 58 Bảng 4.1 Bảng đối chiếu bƣớc sóng cộng hƣởng theo chiết suất mơi trƣờng 68 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Mơ tả tính tuần hồn điện mơi của tinh thể quang tử không gian a ) chiều (1D), b) hai chiều (2D) c) ba chiều (3D) 12 Hình 1.2 Mặt cắt khơng gian 3D, 2D và 1D tinh thể quang tử 13 Hình 1.3 Mơ tả q trình phản xạ sóng điê ̣n tƣ̀ truyền qua PC -1D 13 Hình 1.4 Minh họa ống dẫn sóng theo cấu trúc PC- 2D 14 Hình 1.5 Cấu tạo buồng vi cộng hƣởng có cấu trúc tinh thể quang tử chiều Chiết suất lớp không gian ns bề dày lớp ds Lớp không gian đƣợc đƣa vào hai DBR đối xứng với chiết suất lớp nH, nL bề dày dH, dL 14 Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc DBR tuần hoàn, ni di chiết suất bề dày tƣong ứng lớp i, N số chu kỳ 15 Hình 1.7 (a) Tia phản xạ tia truyền qua trƣờng hợp màng mỏng đơn lớp (b) trƣờng hợp màng mỏng đa lớp 15 Hình 1.8 Minh họa buồng vi cộng hƣởng cấ u trúc tinh thể quang tƣ̉ mô ̣t chiề u : N=5; nH=1,78 ; nL= 1,26 ; dH=91,29 nm ; dL= 128,96 nm ; dS= 515,87 nm nS=1,26 16 Hình 1.9 Phổ phản xạ buồng vi cộng hƣởng: N= N=4.5/5; dH = 49.45 nm dL = 71.79 nm; dS= 143.59 nm; nH= 2.57; nL= 1.77; nS=nL =1.77 Bƣớc sóng cộng hƣởng CH = 508.31 nm 17 Hình 1.10 Cấu trúc mạng tinh thể quang tử 2D ma ̣ng hin ̀ h vng với bán kính cột điện môi r = 0,2a số điện môi  = 11.68 đƣơ ̣c đă ̣t không khí 18 Hình 1.11 Minh họa cấu trúc tinh thể quang tử 2D mạng tinh thể hình vng bị cột điện mơi với bán kính r = 0,2a  =11,68 (khuyết tật điểm) 18 Hình 1.12 Minh họa cấu trúc PC-2D mạng hình vng bị hàng cột điện mơi với bán kính r = 0,2a  =11,68 (khuyết tật hàng) 19 Hình 1.13 Minh họa lọc sóng ghép cặp trực tiếp hớ c cộng hƣởng- ống dẫn sóng 19 Hình 1.14 Minh họa lọc sóng ghép cặp gián tiếp hớ c cộng hƣởng- ống dẫn sóng 20 Hình 1.15 Phổ truyền qua cấu trúc ghép cặp trực tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng Ở bƣớc sóng cộng hƣởng có độ truyền qua xấp xỉ 1550 nm 20 Hình 1.16 Minh họa q trình lan truyền sóng lọc sóng ghép cặp trực tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng Bƣớc sóng ánh sáng truyền qua đƣợc cấu trúc 1550 nm 21 Hình 1.17 Phổ truyền qua cấu trúc ghép cặp gián tiếp ống dẫn sóng cộng hƣởng Ở bƣớc sóng cộng hƣởng có hệ số truyền qua xấp xỉ 1550 nm 21 Hình 1.18 Biểu diễn trƣờng ánh sáng lan truyền sóng lọc sóng ghép cặp gián tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng Bƣớc sóng ánh sáng không truyền qua đƣợc cấu trúc 1550 nm bƣớc sóng cộng hƣởng hốc cộng hƣởng 22 Hình 1.19 Sơ đồ hệ điện hóa Silíc 23 Hình 1.20 Q trình ăn mòn Silíc theo phƣơng pháp điện hóa 23 Hình 1.2 Giản đồ mối liên hệ độ xốp mật độ dòng điện loại p+Silíc (0,01 .cm ) với dung dịch axit HF 15% ethanol 25 Hình 1.22 Giản đồ minh họa khái niệm chiết suất hiệu dụng Silíc xốp 26 Hình 1.23 Mối quan hệ độ xốp chiết suất Silíc xốp đƣợc tính tốn dựa theo phƣơng pháp xấp xỉ Bruggeman, Looyenga Maxwell-Garnett [4] 27 Hình 1.24 Giản đồ mối liên hệ tốc độ ăn mòn với mật độ dòng điện loại p+Silíc (0,01 cm ) với dung dịch axit HF 15% 27 Hình 2.1 Mơ tả vị trí véctơ điện trƣờng từ trƣờng ô lập phƣơng đơn vị lƣới K S Yee 32 Hình 2.2 Biểu diễn trƣờng sóng điện từ truyền qua 38 Hình 2.3 a) Minh họa buồng vi cộng hƣởng cấu trúc PC- 1D; b)Phổ phản xạ buồng vi cộng hƣởng Fabry- Perot sau nhúng vào Ethanol Phổ phản xạ có bƣớc sóng cộng hƣởng 576,63 nm 38 Hình 2.4 a) Minh họa lọc sóng ghép cặp trực tiếp ống dẫn sóng- hớ c cộng hƣởng cấu trúc PC- 2D; b) Phổ truyền qua cấu trúc với bƣớc sóng cộng hƣởng 1550 nm 39 Hình 2.5 Phổ phản xạ buồng vi cộng hƣởng Fabry- Perot có cấu trúc PC-1D đƣợc xác định phần mềm MEEP 40 Hình 2.6 Mơ phỏng phân bố trƣờng ống dẫn sóng vng góc đƣợc sƣ̉ du ̣ng phần mềm MEEP[12] 40 Hình 2.7 Cửa sổ đặt dòng lệnh thực thi chƣơng trình từ chức Terminal hệ điều hình Ubuntu 41 Hình 2.8 Quá trình xử lý số liệu bảng tính Excel có sẵn máy tính 42 Hình 2.9 Minh họa buồng vi cộng hƣởng dựa cấu trúc PC- 1D 42 Hình 2.10 Vị trí đặt Detector A môi trƣờng không gian tự 43 Hình 2.11 Vị trí đặt Detector A mơi trƣờng có tinh thể quang tử 43 Hình 2.12 Vị trí detector để xác định thông lƣợng ánh sáng truyền qua cấu trúc 44 Hình 2.13 Vị trí detector để xác định thơng lƣợng ánh sáng truyền qua cấu trúc 44 Hình 2.14 Vị trí detector để xác định thơng lƣợng ánh sáng truyền qua cấu trúc 45 Hình 2.15 a) Sơ đồ minh họa cấu trúc buồng vi cộng hƣởng thể lớp không gian có bề dày quang học λ/2 xen hai DBR gồm lớp có chiết suất cao thấp có bề dày quang học λ/4 xen kẽ lẫn (b) Phổ phản xạ tƣơng ứng buồng vi cộng hƣởngcho thấy bƣớc sóng cộng hƣởng hẹp đỉnh phản xạ cực đại 45 Hình 2.16 Sơ đồ quy trình tạo lớp Silíc xốp Thời gian độ lớn mật độ dòng điện định độ dày độ xốp lớp Silíc xốp sau điện hóa Khi áp dụng mật độ dòng theo thời gian (đồ thị bên trái), lớp Silíc xốp đƣợc hình thành tƣơng ứng (hình vẽ bên phải) Một thời gian ngắn đƣợc thiết lập (với mật độ dòng 0) để nồng độ HF cân suốt lỗ xốp ngăn ngừa hình thành gradient độ xốp khơng mong muốn 47 Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý hệ quang học máy quang phổ Cary UV- VIS- 5000 48 Hình 2.18 Máy quang phổ Cary UV- VIS- 5000 49 Hình 3.1 Minh họa buồng vi cộng hƣởng dựa cấu trúc tinh thể quang tử PC- 1D 53 Hình 3.2 Mô phổ phản xạ cảm biến quang không khí Ở bƣớc sóng cộng hƣởng theo mơ 508.31 nm 53 Hình 3.3 Mơ phổ phản xạ buồng vi cộng hƣởng Fabry- Perot trƣờng hợp môi trƣờng khác đồ thị Đỉnh cộng hƣởng dịch phía bƣớc sóng dài theo độ tăng chiết suất môi trƣờng 55 Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn độ dịch bƣớc sóng cộng hƣởng theo độ thay đổi chiết suất môi trƣờng khác 56 66 Hình 4.11 Đồ thị phổ phản xạ cảm biến quang trước sau nhúng vào Isopropanol (99.7 %) có chiết suất n=1.3776 Bước sóng cợng hưởng tại 583.17 nm Hình 4.12 Đồ thị phổ phản xạ cảm biến quang trước sau nhúng vào Methylen Chloride(CH2Cl2) có chiết suất n=1.4242 Bước sóng cợng hưởng tại 592.01 nm Hình 4.13 Phổ phản xạ cảm biến quang trước sau nhúng vào Toluen (99.5 %) có chiết suất n=1.4940 Bước sóng cợng hưởng tại 605.11 nm 67 Hình 4.14 Phổ phản xạ trường hợp môi trường khác một đồ thị Đỉnh cợng hưởng dịch bước sóng dài theo đợ tăng chiết suất mơi trường Hình 4.15 Phổ phản xạ trường hợp môi trường khác một đồ thị Đỉnh cộng hưởng dịch bước sóng dài theo đợ tăng chiết suất mơi trường Từ kết đo đạc lập bảng đối chiếu bƣớc sóng cộng hƣởng theo mơi trƣờng bên nhƣ sau 68 Bảng 4.1 Bảng đối chiếu bước sóng cợng hưởng theo chiết suất mơi trường Dung dịch hữu Chiết suất Khơng khí Methanol (99.5%) Ethanol (99.7%) Axeton (99.5%) Isopropanol (99.7%) Methylene Chloride(CH2Cl2) Toluen (99.5%) 1.328 1.3614 1.3644 1.3776 1.4242 1.494 Bƣớc sóng cộng hƣởng (nm) 508.31 573.62 580.06 580.91 583.17 592.01 605.11 Chúng tơi có nhận xét thay đổi mơi trƣờng xung quanh chất lỏng có chiết suất tăng dần bƣớc sóng cộng hƣởng tăng theo Trong trƣờng hợp chất lỏng đƣợc nhúng vào Ethanol Axeton độ dịch bƣớc sóng gần nhƣ trùng Nguyên nhân chiết suất hai chất lỏng có giá trị gần nên độ dịch phổ gần nhƣ tƣơng đƣơng Nếu sử dụng cảm biến để phân biệt Ethanol Axeton khơng phù hợp Do chất lỏng có chiết suất gần nhƣ cách phân biệt cách nhúng trực tiếp cảm biến vào chất lỏng khơng hiệu Độ dịch bước sóng (nm) 4.2.2 Đánh giá phẩm chất cảm biến quang Đối với cảm biến quang định độ nhạy cảm biến đóng vai trò quan trọng Bằng cách sử dụng liệu bảng 4.1, chúng tơi xây dựng thay đổi bƣớc sóng cộng hƣởng (Δλ) phụ thuộc vào thay đổi chiết suất môi trƣờng chất lỏng (Δn) nhƣ thể đồ thị hình 4.16 100 90 80 70 60 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 Độ thay đổi chiết suất Hình 4.16 Đồ thị biểu diễn đợ dịch bước sóng cợng hưởng theo độ thay đổi chiết suất môi trường cảm biến nhúng vào 69 Qua đồ thị hình vẽ 4.16 ta quan sát mức thay đổi bƣớc sóng cộng hƣởng phụ thuộc vào thay đổi chiết suất ta cho cảm biến nhúng chất lỏng khác nhƣ Methanol, Ethanol, Axeton, Isopropanol, Methylen Chloride Toluen Từ ta rút kết luận chất lỏng có chiết suất khác sử dụng cảm biến quang sở buồng vi cộng hƣởng Silíc đa lớp xốp cho ta độ dịch bƣớc sóng cộng hƣởng khác nhau, từ ta xác định đƣợc phẩm chất chúng Căn vào liệu từ bảng 4.1 xác định độ nhạy cảm biến trƣờng hợp chất lỏng khác qua xác định đƣợc độ nhạy cảm biến (Δλ/Δn) trung bình 198.06 nm/RIU Độ nhạy có nghĩa máy Cary-5000 phát thay đổi bƣớc sóng 0.1nm thay đổi chiết suất tối thiểu lớp Silíc xốp 5,04.10-4 Các kết thực nghiệm đo đạc bƣớc sóng cộng hƣởng 508.31 nm số phẩm chất cảm biến 62.75 Ta có nhận xét cảm biến sử dụng có số chu kỳ gƣơng DBR 4,5/5 nên số phẩm chất mức trung bình Trong q trình chế tạo tăng giá trị số phẩm chất tăng số chu kỳ gƣơng DBR độ tƣơng phản chiết suất Tuy nhiên gƣơng DBR q dày ngăn cản thẩm thấu phân tử chất lỏng vào buồng vi cộng hƣởng gây khó khăn cho việc xác định thành phần chất lỏng Từ kết thực nghiệm chúng tơi tiến hành so sánh với tính tốn mơ thu đƣợc kết sau Hình 4.17 So sánh kết thực nghiệm tính tốn mơ phổ phản xạ cảm biến khơng khí 70 Hình 4.18 So sánh kết thực nghiệm tính tốn mơ quan hệ đợ dịch bước sóng đợ thay đổi chiết suất mơi trường Hình 4.18 quan hệ độ dịch bƣớc sóng cộng hƣởng độ thay đổi chiết suất mơi trƣờng so sánh đo đạc thực nghiệm tính tốn mơ Ta có nhận xét kết thực nghiệm tính tốn mơ có độ sai lệch định Tuy nhiên hai kết thể mối quan hệ tuyến tính độ dịch bƣớc sóng độ thay đổi chiết suất 71 KẾT LUẬN CHƢƠNG Trong chƣơng trình bày quy trình chế tạo buồng vi cộng hƣởng có cấu trúc màng đa lớp slilic xốp phƣơng pháp ăn mòn điện hóa có chiết suất bề dày vật lý tùy ý với độ đồng cao có cấu trúc vi mơ với số phẩm chất bƣớc sóng cộng hƣởng λCH = 508.31 nm 62.75 Ngồi chúng tơi thử nghiệm thành công cảm biến sử dụng buồng vi cộng hƣởng có cấu trúc màng đa lớp Silíc xốp với dung dịch hữu khác nhƣ Metanol, Ethanol, Isopropanol… Kết phù hợp với tính tốn từ mơ chƣơng luận văn Từ kết thu đƣợc kết luận rằng: buồng vi cộng hƣởng dựa màng Silíc xốp đa lớp đƣợc ngâm mơi trƣờng có chiết suất cao khơng khí chiết suất lớp điện môi tăng lên Kết phổ phản xạ cảm biến dịch chuyển phía bƣớc sóng dài 72 KẾT LUẬN Luận văn đạt đƣợc mục tiêu đề với kết nhƣ sau: Luận văn trình bày tổng quan đặc điểm tinh thể quang tử cảm biến quang sử dụng buồng vi cộng hƣởng Fabry- Perot sở màng Silíc xốp đa lớp nhƣ phƣơng pháp chế tạo buồng vi cộng hƣởng phƣơng pháp ăn mòn điện hóa Về mặt lý thuyết yếu tố ảnh hƣởng định tới độ nhạy cảm biến đƣợc trình bày nhƣ số chu kỳ gƣơng phản xạ, giá trị bƣớc sóng cộng hƣởng, chiết suất hay bề dày lớp không gian Phƣơng pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (FDTD) đƣợc trình bày luận văn cách tổng quát nhằm cung cấp sở tốn học cho việc tính tốn mơ đặc tính quang buồng vi cộng hƣởng có cấu trúc quang tử chiều Sử dụng phƣơng pháp sai phân hữu hạn miền thời gian tính tốn mơ thành cơng phổ phản xạ cảm biến sử dụng buồng vi cộng hƣởng chứng minh phụ thuộc bƣớc sóng cộng hƣởng vào dung dịch chất lỏng mà ta cần nghiên cứu Dựa vào kết mơ chúng tơi tìm mối quan hệ chiết suất chất lỏng cần xác định theo độ dịch bƣớc sóng cộng hƣởng cảm biến So với phƣơng pháp mô khác nhƣ phƣơng pháp ma trận truyền (TMM) phƣơng pháp FDTD cho kết gần nhƣ tƣơng tự PC- 1D Tuy nhiên phƣơng pháp TMM lại tỏ hiệu trƣờng hợp tính tốn mơ PC- 2D số lƣợng phƣơng trình tính toán tăng lên cách đáng kể so với trƣờng hợp PC- 1D Trong trƣờng hợp FDTD tỏ cơng cụ tính tốn mơ hữu hiệu Cụ thể luận văn tơi tính tốn mơ thành cơng phổ truyền qua lọc sóng ghép cặp gián tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng môi trƣờng khác Kết thu đƣợc bƣớc sóng cộng hƣởng ứng với phổ truyền qua lọc sóng thay đổi mà cụ thể dịch phía bƣớc sóng dài chiết suất môi trƣờng tăng lên Đây kết tảng cho nghiên cứu PC- 2D ứng dụng cảm biến sau Trong luận văn trình bày kết thử nghiệm thành cơng cảm biến sử dụng buồng vi cộng hƣởng màng Silíc xốp đa lớp với chất lỏng nhƣ Methanol, Ethanol… với độ nhậy cao Các kết thực nghiệm phù hợp với tính tốn từ mô Tuy nhiên, thời gian tiến hành luận văn có hạn, nên có số vấn đề chƣa đạt đƣợc Cụ thể nhƣ sau: - Luận văn chƣa đƣa đƣợc kết đo đạc thực nghiệm phụ thuộc độ nhạy cảm biến theo độ dày buồng vi cộng hƣởng (chu kỳ gƣơng phản xạ) hay thử nghiệm với chất lỏng khác chất lỏng sử dụng 73 - Mặc dù phƣơng pháp FDTD tỏ cơng cụ tính tốn mơ hiệu trƣờng hợp cấu trúc vật liệu dạng phức tạp có thay đổi theo thời gian nhƣng tơi không vận dụng hết lợi FDTD việc nghiên cứu sâu cấu trúc tinh thể quang tử Từ kết đạt đƣợc thực nghiệm lý thuyết đề xuất hƣớng phát triển đề tài nhƣ sau - Tiếp tục nghiên cứu sâu phƣơng pháp FDTD nhằm phát huy hết ƣu điểm phƣơng pháp - Thử nghiệm đo đạc phƣơng pháp khác thay nhúng trực tiếp cảm biến vào chất lỏng - Tiếp tục nghiên cứu thử nghiệm chế tạo lọc sóng ghép cặp gián tiếp/trực tiếp hốc cộng hƣởng- ống dẫn sóng cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều Các tính tốn mơ cho thấy bƣớc sóng cộng hƣởng lọc sóng phụ thuộc vào chiết suất mơi trƣờng bên ngồi độ nhạy cảm biến đạt đƣợc cao- phát đƣợc thay đổi dù nhỏ chiết suất môi trƣờng Do sử dụng lọc sóng nhƣ cảm biến nhận biết chất lỏng cho kết rõ ràng xác so với cảm biến quang sở buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot cấu trúc tinh thể quang tử chiều 74 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN Pham Van Hoi, Bui Huy, Hoang Le Ha, Nguyen Thuy Van, Nguyen The Anh, Pham Thanh Son and Ngo Quang Minh, “Nano- porous silicon microcavity sensors for determination of organic fuel mixtures” Journal of the Optical Society of Korea 17, pp 423-427 Pham Van Hoi, Nguyen The Anh, Ngo Quang Minh, Hoang Le Ha, (October 2013), “Multipurpose fiber Bragg grating sensors using tunable single- mode DFB- laser diode”, 3rd Conference on Engineering Physics and Application, Hue Van Hoi Pham, The Anh Nguyen, Thuy Van Nguyen, Le Ha Hoang, Huy Bui, (August 2013) “Nano-porous silicon photonic structures: fabrication and applications”, The IX Rencontres du Vietnam, Nanophysics: from fundamentals to applications- Quy Nhon, Vietnam TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh A Taflove and S C Hagness, (2000), “Computational electrodynamics: The finite-difference time-domain method (second edition)”, Boston, London: Artech House, pp 38-41, pp.69-72, pp 197-224 B Engquist and A Majda, (1997), “Absorbing boundary conditions for the numerical simulation of wave”, Mathematics of Computation, 31, pp.629-651 Do Thuy Chi, Bui Huy, Nguyen Thuy Van and Pham Van Hoi, (2011), "Investigation of 1D Photonic Crystal Based on Nano-porous Silicon Multilayer for Optical Filtering", Communications in Physics 21, pp 89-96 Do Thuy Chi, Bui Huy, Nguyen Thuy Van, Nguyen The Anh and Pham Van Hoi, (2011), "A microcavity based on a porous Silicon multilayer", Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 2, 035001 Pham Van Hoi, Do Thuy Chi, Bui Huy and Nguyen The Anh, (2011), Silícon– Rich Silícon Oxide Thin Films Fabricated by Electro- Chemical Method, Ch.2, Book “Optoelectronics - Materials and Techniques" ISBN 978-953-307-276-0 Edited by Padmanabhan Predeep, Publisher InTech 24 Pham Van Hoi, Bui Huy, Hoang Le Ha, Nguyen Thuy Van, Nguyen The Anh, Pham Thanh Son and Ngo Quang Minh, “Nano- porous silicon microcavity 75 sensors for determination of organic fuel mixtures”, Journal of the Optical Society of Korea 17, pp 423-427 Bui Huy, Pham Van Hoi, Phan Hong Khoi, Nguyen Thuy Van and Do Thuy Chi, (2011), "Porous Silícon as a promising material for photonics", Int J Nanotechnol 8, pp 360-370 John D Joannopoulos, Steven G Johnson, Joshua N Winn and Robert D Meade, (2008), “Photonic crystals: molding the flow of light (second edition)”, Princeton University Press, New Jersy K S Yee, (1966), “Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation 14, pp 302-307 10 Steven G Johnson, Ardavan F Oskooi, David Roundy, Mihai Ibanescu, Peter and Bermel J D Joannopoulos (2010), “MEEP: A flexible free-software package for electromagnetic simulations by the FDTD method”, Computer Physics Communications 181, pp 687-702 11 S G Johnson, P R Villeneuve et al, (2000), “Linear wave guides in photoniccrystal slabs”, Physical Review B 62, 8212 Websites 12 MIT Photonic-Bands home page: http://ab-initio.mit.edu/mpb/ 76 PHỤ LỤC Đoạn mã chƣơng trình mơ phổ phản xạ buồng vi cộng hƣởng Fabry- Perot: (define-param epsh 6.6049) ; Hang so dien moi lop chiet suat cao (define-param epsl 3.1329) ; Hang so dien moi lop chiet suat thap (define-param epsdef epsl); Hang so dien moi cua moi truong o giua hai guong (define-param epsn0 1); Hang so dien moi cua moi truong o ben ngoai (define-param d 1); be day lop deffect o giua (define-param dh 0.3443); be day lop chiet suat cao (define-param dl 0.4999); be day lop chiet suat thap (define-param dB (+ dh dl)) ; Chu ky DBR (define-param eps 11.6964 ); Hang so dien moi de Silíc (define-param sz 30); kich co theo truc Oz (define-param dpml 1) ; Do day lop bien hap thu (define-param fcen 0.2692) ; Tan so trung tam cua xung Gauss (define-param df 0.1794) ; Do rong bang tan (define-param nfreq 500) ; So luong tan so can tinh ; Cau truc PC 1D -(set-param! dimensions 1) (set! geometry-lattice (make lattice (size no-size no-size sz))); (set! pml-layers (list (make pml (thickness dpml)))); Dieu kien bien (set-param! resolution 40); Do phan giai mo phong (define-param no-pc? true) ; if true, have free space, not PC structure (set! geometry (if no-pc? (list (make block (center 0 0) (size infinity infinity sz) (material (make dielectric (epsilon epsn0)))) ) (list (make block (center 0 0) (size infinity infinity sz) (material (make dielectric (epsilon epsn0)))); Moi truong ben ngoai (make block (center 0 0) (size infinity infinity d) (material (make dielectric (epsilon epsdef)))) ; Lop deffect o giua (make block (center 0 (+(/ d 2) (* dB) d )) (size infinity infinity (* d)) (material (make dielectric (epsilon eps)))) ; Tao lop de Silíc ; Tao lop DBR o phia duoi sat de Lop sat de co chiet suat la nL (make block (center 0 (+(/ d 2) (/ dh 2) )) (size infinity infinity dh) (material (make dielectric (epsilon epsh)))) ; Tao lop dH thu (make block (center 0 (+(/ d 2) dh (/ dl 2) )) (size infinity infinity dl) (material (make dielectric (epsilon epsl)))) ; Tao lop dL thu (make block (center 0 (+(/ d 2) (* dB) (/ dh 2))) (size infinity infinity dh) (material (make dielectric (epsilon epsh)))) ; Tao lop dH thu 77 (make block (center 0 (+(/ d 2) (* dB) dh (/ dl 2))) (size infinity infinity dl) (material (make dielectric (epsilon epsl)))) ; Tao lop dL thu (make block (center 0 (+(/ d 2) (* dB) (/ dh 2))) (size infinity infinity dh) (material (make dielectric (epsilon epsh)))) ; Tao lop dH thu (make block (center 0 (+(/ d 2) (* dB) dh (/ dl 2))) (size infinity infinity dl) (material (make dielectric (epsilon epsl)))) ; Tao lop dL thu (make block (center 0 (+(/ d 2) (* dB) (/ dh 2))) (size infinity infinity dh) (material (make dielectric (epsilon epsh)))) ; Tao lop dH thu (make block (center 0 (+(/ d 2) (* dB) dh (/ dl 2))) (size infinity infinity dl) (material (make dielectric (epsilon epsl)))) ; Tao lop dL thu (make block (center 0 (+(/ d 2) (* dB) (/ dh 2))) (size infinity infinity dh) (material (make dielectric (epsilon epsh)))) ; Tao lop dH thu (make block (center 0 (+(/ d 2) (* dB) dh (/ dl 2))) (size infinity infinity dl) (material (make dielectric (epsilon epsl)))) ; Tao lop dL thu ; Tao lop DBR o phia tren giap voi khong Lop tren cung co chiet suat la nH (make block (center 0 (-(+(/ d 2) (/ dh 2) ))) (size infinity infinity dh) (material (make dielectric (epsilon epsh)))) ; Tao lop dH thu -1 (make block (center 0 (-(+(/ d 2) dh (/ dl 2) ))) (size infinity infinity dl) (material (make dielectric (epsilon epsl)))) ; Tao lop dL thu -1 (make block (center 0 (-(+(/ d 2) (* dB) (/ dh 2)))) (size infinity infinity dh) (material (make dielectric (epsilon epsh)))) ; Tao lop dH thu -2 (make block (center 0 (-(+(/ d 2) (* dB) dh (/ dl 2)))) (size infinity infinity dl) (material (make dielectric (epsilon epsl)))) ; Tao lop dL thu -2 (make block (center 0 (-(+(/ d 2) (* dB) (/ dh 2)))) (size infinity infinity dh) (material (make dielectric (epsilon epsh)))) ; Tao lop dH thu -3 (make block (center 0 (-(+(/ d 2) (* dB) dh (/ dl 2)))) (size infinity infinity dl) (material (make dielectric (epsilon epsl)))) ; Tao lop dL thu -3 (make block (center 0 (-(+(/ d 2) (* dB) (/ dh 2)))) (size infinity infinity dh) (material (make dielectric (epsilon epsh)))) ; Tao lop dH thu -4 (make block (center 0 (-(+(/ d 2) (* dB) dh (/ dl 2)))) (size infinity infinity dl) (material (make dielectric (epsilon epsl)))) ; Tao lop dL thu -4 (make block (center 0 (-(+(/ d 2) (* dB) (/ dh 2)))) (size infinity infinity dh) (material (make dielectric (epsilon epsh)))) ; Tao lop dH thu -5 ; (make block (center 0 (-(+(/ d 2) (* dB) dh (/ dl 2)))) (size infinity infinity dl) (material (make dielectric (epsilon epsl)))) ; Tao lop dL thu -5 ) )) (set! sources (list (make source (src (make gaussian-src (frequency fcen) (fwidth df))) (component Ex) (center 0 (+ dpml (* -0.5 sz))) ) ) ) 78 (define refl ; reflected flux (add-flux fcen df nfreq (make flux-region (center 0 (+ (* -0.5 sz) dpml 1.0)) ) ) ) (if (not no-pc?) (load-minus-flux "flux" refl)) (run-sources+ (stop-when-fields-decayed ; Cho nguon xung Gauss phat song moi truong 200 Ex; (vector3 0 (- (* 0.5 sz) dpml 1.0)) 1e-3) (at-beginning output-epsilon) ) (if no-pc? (save-flux "flux" refl)) (display-fluxes refl) Đoạn mã chƣơng trình mơ phổ truyền qua lọc sóng ghép cặp gián tiếp ống dẫn sóng- cộng hƣởng: (define-param sx 20) ; size of cell in X direction (define-param sy 14) ; size of cell in Y direction (set! geometry-lattice (make lattice (size sx sy no-size))) (define-param eps 11.68) (define-param env 2.2320) (define-param r 0.2) (define-param dpml 1.0) (set! default-material (make dielectric (epsilon env))) (define-param no-cavity? false) ; if true, have PC waveguide, not PC waveguidecavity (set! geometry (if no-cavity? (geometric-objects-duplicates (vector3 0) 20 (list (make cylinder (center -10.0 -7) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 -6) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 -5) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 -4) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) 79 (make cylinder (center -10.0 -3) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 -2) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) ; (make cylinder (center -10.0 -1) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 0) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 7) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 6) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 5) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 4) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 3) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 2) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 1) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) );list );geometric (append (geometric-objects-duplicates (vector3 0) 20 (list (make cylinder (center -10.0 -7) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 -6) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 -5) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 -4) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 -3) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 -2) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) ; (make cylinder (center -10.0 -1) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 0) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 7) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) 80 (make cylinder (center -10.0 6) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 5) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 4) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 3) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 2) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) (make cylinder (center -10.0 1) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon eps)))) );list );geometric (list ; Defect: missing one center rod (make cylinder (center 0.0 1) (radius r) (height infinity) (material (make dielectric (epsilon env)))) ) );append )) (set! pml-layers (list (make pml (thickness dpml)))) (set-param! resolution 20) (define-param nfreq 700) ; number of frequencies at which to compute flux (define-param fcen 0.3) ; pulse center frequency (define-param df 0.05) ; pulse width (in frequency) (set! sources (list (make source (src (make gaussian-src (frequency fcen) (fwidth df))) (component Ez) (center (+ dpml (* -0.5 sx)) -1) (size 2) ))) (define trans ; transmitted flux (add-flux fcen df nfreq (make flux-region (center (- (/ sx 2) dpml 1.0) -1) (size 6) ))) (run-sources+ 1000 (at-beginning output-epsilon) ) (display-fluxes trans) ... HỌC CÔNG NGHỆ Hồng Lê Hà NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG ĐẶC TÍNH LỌC LỰA ÁNH SÁNG BUỒNG VI CỘNG HƢỞNG PHẢN HỒI PHÂN BỔ BRAGG (DBR) THEO CẤU TRÚC ĐA LỚP POROUS SILICON ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỆ SENSOR QUANG Ngành:... dung môi hữu Với lý đồng thời dựa vào trang thiết bị có phòng thí nghiệm tơi chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là: Nghiên cứu mô đặc tính lọc lựa ánh sáng buồng vi cợng hưởng phản hồi phân bổ Bragg. .. thống ứng dụng đo thơng số vật lý, hóa học hay sinh học Buồng vi cộng hƣởng phản hồi phân bổ Bragg, hay buồng vi cộng hƣởng FabryPerot, sƣ̉ du ̣ng cấu trúc tinh thể quang tử chiều gồm gƣơng phản