Nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser và khuếch đại quang trong buồng cộng hưởng liên kết với cấu trúc tinh thể quang tử 1d, 2d (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Nguyễn Văn Ân NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG PHÁT XẠ LASER VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG TRONG BUỒNG CỘNG HƯỞNG LIÊN KẾT VỚI CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ 1D, 2D Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử quang tử Mã số: 44 01 27 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2020 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Ngô Quang Minh Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Phạm Văn Hội Phản biện 1: … Phản biện 2: … Phản biện 3: … Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … , ngày … tháng … năm 202… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Sự truyền sóng điện từ bên 1D-PhC nghiên cứu Lord Rayleigh vào năm 1887 Năm 1987, cơng trình nghiên cứu 3D-PhC liên quan đến hiệu ứng cấm phát xạ ngẫu nhiên PhC tồn PBG công bố đề xuất E Yablonovitch S John [1,2] Từ thời điểm này, PhC thu hút ý đặc biệt giới nghiên cứu lĩnh vực sử dụng cấu trúc sở PhC để dẫn, truyền, điều khiển sóng điện từ việc sử dụng sóng điện từ để xử lý thơng tin 2D-PhC điều khiển tính chất dẫn sóng, hội tụ bề mặt hai chiều sợi 1DPhC dùng cho laser đơn mode với công suất lối cao Birks đề xuất năm 1997 [3] Đến năm 1999, sau nhóm nghiên cứu O Painter thành công việc chế tạo laser 2D-PhC với hiệu ứng phân bố phản hồi theo hướng cấu trúc mạng 2D-PhC [4], loại laser sở vật liệu quang tử đẩy mạnh nghiên cứu phịng thí nghiệm quang tử giới Các hốc cộng hưởng PhC có mạng cận tuần hồn khác nhiều nhóm nghiên cứu tính tốn lý thuyết, mô thực nghiệm chế tạo [5,6] Cấu trúc 3D-PhC điều khiển dẫn sóng khơng gian 3D có khả ứng dụng lớn mạch quang tích hợp kích thước siêu nhỏ laser ngưỡng phát xạ cực thấp, 3D-PhC E Yablonovitch chế tạo vào năm 1991 dựa hạt nano kim cương phân bố mạng thủy tinh hữu [7] Các buồng vi cộng hưởng với mode vọng hành lang (WGM) cho hệ số phẩm chất (Q) cao thể tích mode nhỏ nên sử dụng để giảm ngưỡng phát xạ laser hiệu ứng quang phi tuyến khác [8-10] Ngoài ra, buồng vi cộng hưởng với mode WGM áp dụng rộng rãi cho nhiều lĩnh vực, chẳng hạn quang học lượng tử, cộng hưởng điện động lực lượng tử laser phổ hẹp [11-13] Laser vi cầu với kích thước từ vài micro đến vài chục micro đối tượng linh kiện quang tử quan tâm nghiên cứu nhiều ánh sáng bơm laser phát xạ bị giam giữ chặt vi cầu nhờ phản xạ toàn phần bề mặt linh kiện, ngưỡng phát xạ laser cực thấp phổ phát xạ cực hẹp Laser vi cộng hưởng quang học với đặc trưng ngưỡng phát xạ laser cực thấp, độ rộng phổ cực hẹp, điều khiển số mode phát xạ tùy thuộc vào cấu trúc vi cộng hưởng kỹ thuật thu góp tín hiệu phát xạ từ vi hốc cộng hưởng trở thành đối tượng nghiên cứu phát triển cảm biến quang tử cho sinh hóa mơi trường với độ nhạy cực cao [14-18] Hiện nay, nghiên cứu laser vi hốc cộng hưởng quang học nói chung laser vi cầu nói riêng cho nhiều thông tin vật lý quang tử chúng đối tượng nghiên cứu sôi động giới [19-21] Lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vật liệu linh kiện quang tử kích thước micro nano nói chung thời gian qua Việt Nam thu nhiều kết quan trọng Phịng thí nghiệm vật liệu ứng dụng quang sợi thuộc Viện Khoa học vật liệu chế tạo thành công cấu trúc 1D-PhC có cơng bố quốc tế có số nghiên cứu sinh bảo vệ thành cơng nội dung nghiên cứu bao gồm chế tạo thực nghiệm ứng dụng liên quan [22,23]; cảm biến quang tử sở chọn lọc bước sóng cấu trúc 1D-PhC chế tạo từ màng đa lớp silic xốp bước đầu ứng dụng thiết bị đo mơi trường sinh-hóa [23,24]; linh kiện quang sợi có cấu trúc chọn lọc bước sóng dựa FBG nghiên cứu phát triển ứng dụng cho mạng thông quang cảm biến [25,26],… Với cấu trúc 3D-PhC, nhóm nghiên cứu chế tạo thành công laser buồng vi cộng hưởng dạng cầu sở thủy tinh silicaalumina pha tạp Er3+ phát xạ mode WGM vùng 1550 nm ứng dụng cho thông tin quang vùng khả kiến ứng dụng cho cảm biến với cường độ mạnh, độ rộng phổ cực hẹp điều khiển số mode phát xạ từ buồng vi cộng hưởng [27,28] Bên cạnh đó, số cơng trình nghiên cứu linh kiện quang tử sở 2D-PhC mô đạt kết khả quan [29-32] mở hướng nghiên cứu linh kiện quang tử, có khuếch đại quang phương pháp thực nghiệm kết hợp tính tốn mơ Trên sở kết nghiên cứu PhC, việc liên kết buồng cộng hưởng micro-mét với cấu trúc PhC để phát xạ laser hướng cần thiết thể tính định hướng cao công nghệ chế tạo linh kiện quang tử tích hợp Để tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu cấu trúc quang tử kích thước micro nano hướng tới ứng dụng lĩnh vực thông tin quang cảm biến quang, chọn đề tài luận án với tiêu đề: “Nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser khuếch đại quang buồng cộng hưởng liên kết với cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D” Mục tiêu nghiên cứu luận án - Nghiên cứu, chế tạo vi cầu thủy tinh silica pha tạp Er3+ có kích thước khác phương pháp phóng điện hồ quang; xây dựng hệ thực nghiệm để khảo sát phổ phát xạ laser mode WGM vùng bước sóng thông tin quang  1550 nm số vi cầu chế tạo - Thiết kế, mô cấu trúc tích hợp vi cầu silica với 2D-PhC dẫn sóng vật liệu SOI để nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser mode WGM vùng bước sóng thơng tin quang  1550 nm - Thiết kế xây dựng hệ cảm biến đo chiết suất số chất lỏng sử dụng cấu trúc 1D-PhC sợi quang (FBG) tích hợp cấu hình laser sợi buồng cộng hưởng vịng khơng sử dụng thiết bị đo phổ quang Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp tính tốn mơ thực nghiệm Phương pháp tính tốn mơ sử dụng để xác định PBG, mode dẫn sóng, mode cộng hưởng dẫn sóng, mode WGM phân bố trường cấu trúc PhC Phương pháp thực nghiệm sử dụng để chế tạo vi cầu, FBG, thiết kế xây dựng hệ đo phổ phát xạ laser vi cầu ghép với nguồn bơm đầu thu sợi quang vuốt nhọn hình chóp nón, thiết kế xây dựng hệ cảm biến chất lỏng sở FBG tích hợp cấu hình laser vịng sợi Các nội dung nghiên cứu luận án: - Tổng quan PhC ứng dụng nghiên cứu chế tạo laser - Các phương pháp nghiên cứu - Tính tốn mơ số linh kiện quang học sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều - Nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser vi cầu silica pha tạp Er3+, linh kiện quang tử hướng ứng dụng Bố cục luận án Luận án bao gồm: phần mở đầu, chương nội dung kết luận chung Nội dung luận án trình bày chương Chương trình bày khái niệm, tình hình nghiên cứu cấu trúc PhC ứng dụng Chương giới thiệu phương pháp nghiên cứu bao gồm mơ hình lý thuyết kết cặp buồng cộng hưởng - dẫn sóng, tính tốn mơ thực nghiệm Chương trình bày kết tính tốn mô số linh kiện quang sử dụng cấu trúc 2D-PhC Chương trình bày kết phát xạ laser vi cầu silica pha tạp Er3+, mơ cấu trúc tích hợp vi cầu silica pha tạp Er3+ với 2D-PhC dẫn sóng số kết đo thử nghiệm chiết suất dung dịch lỏng sử dụng linh kiện FBG tích hợp cấu hình laser sợi buồng cộng hưởng vịng CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LASER - Giới thiệu cấu trúc tinh thể quang tử - Trình bày đặc trưng 2D-PhC như: vùng cấm quang, dẫn sóng giam giữ sóng, cộng hưởng dẫn sóng - Trình bày trình quang học buồng vi cộng hưởng dạng cầu: Mode WGM vi cầu điện mơi, phương trình trạng thái cho mode phương pháp kết cặp vi cầu - kênh dẫn sóng - Ứng dụng cấu trúc 1D-PhC sợi quang (FBG) để phát triển cảm biến quang CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Các mơ hình lý thuyết kết cặp buồng cộng hưởng - dẫn sóng 2.1.1 Lý thuyết kết cặp cộng hưởng - dẫn sóng Phương thức kết cặp mode áp dụng cho nhiều hệ thống vật lý để xử lý mode cộng hưởng mode lan truyền Chúng ta xét mạch dao động LC đơn giản để minh họa ý nghĩa tham số vật lý liên quan [94] - Nếu mạch dao động có tổn hao nhỏ, ta có: da/dt = joa – (1/o)a (2.10) a biên độ mode, 1/o tốc độ phân rã tổn hao mạch - Khi cộng hưởng kết cặp với ống dẫn sóng ngồi, bị rị rỉ vào ống dẫn sóng nên (2.10) sửa đổi thành: da/dt = joa – (1/o + 1/e)a (2.15) 1/e biểu thị tỷ lệ bổ sung phân rã rò rỉ lượng - Trường hợp ống dẫn sóng mang sóng từ nguồn hướng cộng hưởng với biên độ s+, lúc có kết hợp ống dẫn sóng mạch dao động nên (2.15) viết thành: da/dt = joa – (1/o + 1/e)a + ks+ (2.19) k hệ số thể mức độ liên kết cộng hưởng sóng tới s+ Ta chuẩn hóa s+ cho: s = cơng suất sóng tới; ký hiệu sóng tới cộng hưởng sóng phản xạ s+ s- tương ứng - Nếu nguồn có tần số , đáp ứng có tần số từ (2.19) ta nhận được: ja = joa – (1/o + 1/e)a + ks+ suy a = ks+ /[j(-o) + (1/o + 1/e)] (2.20) Mối quan hệ k e cho bởi: k  /e (2.28) (2.19) trở thành: da/dt = joa – (1/o + 1/e)a + /  e s+ (2.29) (2.29) phương trình mơ tả kích thích mode cộng hưởng sóng tới 2.1.2 Kết cặp vi cộng hưởng - hai ống dẫn sóng Mơ hình đơn giản trình bày Hình 2.4 U, o biên độ tần số mode cộng hưởng kích thích cộng hưởng Mode cộng hưởng kết hợp với hai ống dẫn sóng () () tuân theo phương trình [96]: dU/dt=joU–(1/e +1/e +1/o)U + /  e a1 + /  e a4 (2.30) a1 a4 sóng tới hai ống dẫn sóng, chuẩn hóa cho a1 a4 cơng suất sóng tới hai ống dẫn sóng; 1/  e 1/  e tỷ lệ kết cặp vi cộng hưởng với hai ống dẫn sóng () () tương ứng; 1/0 tốc độ phân rã tổn hao (bức xạ tổn hao khác) Mode cộng hưởng U kết hợp lại thành sóng ống dẫn sóng theo chiều kim đồng hồ: b2  a1  /  e U (2.31) b3  a4  /  e U (2.32) Hình 2.4 Cấu hình kết cặp mode cộng hưởng với hai ống dẫn sóng 2.1.3 Kết cặp vi cộng hưởng - dẫn sóng xét đến tán xạ ngược Việc kết cặp dẫn sóng buồng cộng hưởng có xét đến tán xạ ngược minh họa Hình 2.5 Hình 2.5 Sơ đồ kết cặp vi cộng hưởng với dẫn sóng xét đến tán xạ ngược Phương trình chuyển động cho mode lan truyền ngược chiều (CCW CW) kết cặp với kết cặp với mode dẫn sóng mơ tả phương trình kết cặp mode tương tự phương trình trình bày [96,97]: dacw/dt = j.acw - (1/2)(1/e + 1/o)acw + (j/2)accw + k.s (2.33) daccw/dt = j.accw - (1/2)(1/e + 1/o)accw + (j/2)acw (2.34) acw accw biên độ mode chiều ngược chiều kim đồng hồ cộng hưởng, s biểu thị sóng vào lựa chọn để kích thích mode CW, tỷ lệ tán xạ 1/ biểu thị kết cặp tương hỗ mode CW mode CCW 2.2 Phương pháp tính tốn mơ 2.2.1 Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (FDTD) FDTD phương pháp giải trực tiếp hệ phương trình Maxwell miền thời gian [117,118] Hệ thức liên hệ bước thời gian FDTD sau: điểm không gian, giá trị tiếp  theo điện trường E theo thời gian phụ thuộc vào giá trị điện   trường E trước rota số phân bố cục từ trường H  theo không gian [117] Từ trường H tiến triển theo bước thời gian hoàn toàn tương tự  Hình 2.7 Mơ hình minh họa quy trình tính tốn E thời điểm khác không gian  H K Yee đề xuất sơ đồ nhảy cóc “leap-frog” cho tiến triển     theo thời gian E H Quy trình tính tốn E H minh họa lưu đồ biểu diễn Hình 2.7 Mối liên hệ phép   tính E H sau:  - Tính thành phần E điểm không gian thời điểm n t  - Tính thành phần H điểm thời điểm  n  1/  t Với thuật toán “leap-frog” K Yee đề xuất, giá trị điện trường 10 FBG hệ giao thoa kế, phương pháp mà sử dụng để chế tạo FBG Bước sóng chùm tia UV chúng tơi sử dụng UV = 248 nm sợi quang có lõi SiO2 pha tạp nặng vật liệu nhạy quang GeO2 (14% đến 20%) Khi chiếu chùm UV vào vị trí sợi quang, cấu trúc GeO2 bị phá vỡ Vùng nhận cường độ UV lớn chiết suất tăng, vùng nhận cường độ UV nhỏ xem chiết suất giữ nguyên, từ sở ta cấu trúc FBG Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG minh họa Hình 2.9 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG hệ gương giao thoa 2.4 Một số cấu hình thực nghiệm khảo sát phổ phát xạ laser Phần trình bày cấu hình khảo sát phổ phát xạ laser sở kết cặp vi cầu silica pha tạp Er3+ với sợi quang vuốt nhọn đầu hình chóp nón cấu hình laser sợi hệ cảm biến chất lỏng sử dụng e-FBG 2.5 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) Phần trình bày ý nghĩa phương pháp SEM nguyên lý hoạt động chung máy SEM CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG MỘT SỐ LINH KIỆN QUANG HỌC SỬ DỤNG CẤU TRÚC 2D-PhC 3.1 Vùng cấm quang cho cấu trúc phiến 2D-PhC Cấu trúc 2D-PhC dẫn sóng chọn có mơ Hình 3.1: mạng tam giác số mạng a hố khơng khí bán kính r, độ 11 sâu h =220 nm thiết kế điện môi Si độ dày d = 220 nm chiết suất n1 = 3,48 đặt đế SiO2 chiết suất n2 = 1,44 Mô PBG thực phương pháp 3D-PWE, điều kiện biên PML đặt phiến (song song với bề mặt cấu trúc), điều kiện biên tuần hoàn Bloch áp dụng theo phương tuần hoàn cấu trúc, độ phân giải để thực mơ 10 nm Hình 3.1 Cấu trúc phiến 2D-PhC mạng hình tam giác có số mạng a hố khơng khí hình trụ trịn bán kính r, độ sâu h thiết kế đế điện môi Si độ dày d = h = 220 nm Trường hợp a = 400 nm, r = 100 nm, kết cho Hình 3.2 Hình 3.2 Cấu trúc PBG phiến 2D-PhC với mode đối xứng Hình 3.2 cho thấy tồn PBG hồn tồn với mode đối xứng có bước sóng nằm vùng từ  1369 nm đến  1607 nm ứng với tần số chuẩn hóa 0, 2922( a / 2 c ) 0, 2489( a / 2 c ) Cấu trúc chọn có PBG chứa bước sóng 1470 nm 1550 nm, nghĩa cấu trúc sử dụng để chế tạo kênh dẫn sóng 12 với bước sóng 1470 nm 1550 nm thỏa mãn mục tiêu đặt 3.2 Dẫn sóng mặt phẳng sử dụng cấu trúc phiến 2D-PhC Sử dụng cấu trúc phiến 2D-PhC Hình 3.1 với tham số chọn: a = 400 nm, h = d = 220 nm, r = 100 nm Điều kiện biên PML sử dụng đặt xung quanh cấu trúc, độ phân giải thực mô 10 nm Nguồn đặt đầu vào kênh dẫn sau lớp PML, thu đặt bao quanh cấu trúc nằm lớp PML 3.2.1 Kênh dẫn sóng W1 phân bố trường kênh dẫn Kênh dẫn sóng W1 tạo việc lấp đầy hàng hố khơng khí cấu trúc cho Hình 3.1 Để mở rộng dải dẫn [132], chúng tơi giảm bán kính hai hàng hố khơng khí lân cận với kênh dẫn sóng W1 từ giá trị r = 100 nm giá trị r1 = 95 nm Hình 3.7 Giản đồ tán sắc phân bố điện trường thành phần Ey kênh dẫn bước sóng  = 1550 nm Bằng phương pháp 3D-PWE, nhận giản đồ tán sắc, phân bố điện trường thành phần Ey cấu trúc  = 1550 nm Hình 3.7 Các kết mô cho thấy cấu trúc 2D-PhC chọn dẫn sóng tốt với  = 1550 nm qua cấu trúc 3.2.2 Kênh dẫn sóng khe phân bố điện trường kênh Mơ hình cấu trúc 2D-PhC dẫn sóng cho Hình 3.8 Giản đồ tán sắc, phân bố điện trường cấu trúc tương ứng với bước sóng  = 1470 nm,  = 1550 nm phân bố chiết suất cấu trúc thực mô phương 13 pháp 3D-PWE Kết mô cho trường hợp w = 165 nm, W = 1,18 W1 w = 125 nm, W = 1,25 W1 trình bày Hình 3.9 Hình 3.10 tương ứng Kết cho thấy 2D-PhC với tham số chọn có khả dẫn sóng tốt với  = 1470 nm 1550 nm Hình 3.8 Cấu trúc 2D-PhC dẫn sóng khe mạng hình tam giác Hình 3.9 Giản đồ tán sắc, phân bố điện trường thành phần Ey kênh dẫn bước sóng  = 1470 nm phân bố chiết suất cấu trúc Hình 3.10 Giản đồ tán sắc, phân bố điện trường thành phần Ey kênh dẫn bước sóng  = 1550 nm phân bố chiết suất cấu trúc 3.3 Bộ lọc sóng quang học dựa hiệu ứng GMR Để kiểm tra đánh giá tính chọn lọc bước sóng cấu trúc phiến 2D-PhC, chúng tơi thực việc nghiên cứu, tính tốn mơ 14 lọc sóng quang học sử dụng phiến 2D-PhC sở hiệu ứng GMR Các tham số đặc trưng cho lọc bước sóng cộng hưởng 0, hệ số phẩm chất Q,… xác định gián tiếp thông qua việc sử dụng biểu thức (1.1) đặc trưng phổ Fano Các kết mô phổ GMR, phân bố trường cho cấu trúc mạng đơn hai kiểu cấu trúc mạng kép chúng tơi trình bày cách chi tiết phần CHƯƠNG PHÁT XẠ LASER CỦA VI CẦU TRÊN NỀN SILICA PHA TẠP Er3+, LINH KIỆN QUANG TỬ VÀ HƯỚNG ỨNG DỤNG 4.1 Kết chế tạo vi cầu silica pha tạp Er3+ Hình 4.3 Ảnh SEM vi cầu thủy tinh silica pha tạp Er3+ Hình 4.3 hiển thị ảnh SEM số vi cầu silica pha tạp Er3+ chúng tơi chế tạo phương pháp phóng điện hồ quang 4.2 Phổ phát xạ laser vi cầu silica pha tạp Er3+ Hình 4.12 Phổ phát xạ mode WGM từ vi cầu silica pha tạp Er3+: khoảng cách kết cặp  1,5  0,1 m theo cấu hình CW 15 Hình 4.13 Phổ phát xạ mode WGM từ vi cầu silica pha tạp Er3+: khoảng cách kết cặp  1,5  0,1 m theo cấu hình CCW Hình 4.14 Phổ phát xạ mode WGM phụ thuộc vào khoảng cách kết cặp theo cấu hình CW Phổ laser vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính  29,7 m thu từ thực nghiệm ứng với số khoảng cách kết cặp khác theo hai cấu hình CW CCW cho Hình 4.12-4.14 4.3 Mơ mode WGM vi cầu silica 4.3.1 Mode WGM vi cầu kích thước 38,5 m Phần trình bày số kết mô mode WGM vi cầu silica đường kính 38,5 m theo mặt phẳng xích đạo vi cầu 4.3.2 Mode WGM vi cầu kích thước 29,7 m Hình 4.16 hiển thị số kết mô mode WGM vi cầu silica đường kính 29,7 m theo mặt phẳng xích đạo vi cầu 16 Hình 4.16 Phổ phản xạ bề mặt vi cầu (a), phân bố độ lớn điện trường mode WGM  = 1551,53 nm với mode TM (b), phân bố trường với thành phần EZ  = 1551,53 nm với mode TM (c) thành phần HZ  = 1550,82 nm với mode TE (d) 4.3.3 Tính tốn số mode lượng tử phương pháp số Bảng 4.1 trình bày kết giá trị (l, n) đặc trưng cho mode WGM phân bố mặt phẳng xích đạo hai vi cầu silica tính phương pháp số biểu thức gần từ (1.40) đến (1.44) [87] phương pháp mô 3D-FDTD Đường kính vi cầu (m) 38,5 38,5 29,7 29,7 Bảng 4.1 Các tham số (l, n) tính theo hai phương pháp Phân Bước sóng cộng Mơ Phương pháp số cực hưởng (nm) FDTD (104, 1), (98, 2), (92, 3) TM 1550,74 (80, 6) (88, 4), (84, 5), (80, 6) (105, 1), (99, 2), (93, 3) TE 1549,01 (85, 5) (88, 4), (84, 5), (80, 6) (79, 1), (73, 2), (68, 3) TM 1551,53 (64, 4) (64, 4), (61, 5) (80, 1), (74, 2), (69, 3) TE 1550,82 (66, 4) (65, 4), (61,5) 17 Bảng 4.1 cho thấy có phù hợp tốt giá trị lượng tử (l, n) tính tốn theo phương pháp số với giá trị (l, n) xác định phương pháp mô 3D-FDTD 4.4 Linh kiện quang tử tích hợp vi cầu 2D-PhC dẫn sóng 4.4.1 Đề xuất thiết kế Hình 4.17 Sơ đồ cấu trúc tích hợp vi cầu silica pha tạp Er3+ hai kênh dẫn sóng PhC dạng khe tảng SOI Cấu trúc tích hợp gồm hai kênh dẫn sóng PhC kết cặp với vi cầu đường kính 29,7 m thể Hình 4.17 Phiến 2D-PhC dẫn sóng mạng tam giác hố hình trụ khơng khí có số mạng a = 400 nm, bán kính r = 100 nm, độ sâu h =220 nm thiết kế điện môi Si độ dày d = 220 nm chiết suất n1 = 3,48 đặt đế SiO2 chiết suất n2 = 1,44 Độ rộng kênh khe khơng khí kênh dẫn sóng vào kênh dẫn sóng W = 1,18 W1, w = 165 nm W’ = 1,25 W1, w’ = 125 nm Để trì mode WGM vi cầu silica pha tạp Er3+, chúng tơi đưa vào vịng khơng khí bao bọc quanh đường xích đạo vi cầu theo bề mặt cấu trúc, độ rộng chọn tối ưu với giá trị   0,9 m Sơ đồ cấu trúc đề xuất cho Hình 4.17 Thực mơ phương pháp 3D-PWE, nhận giản đồ tán sắc phân bố điện trường phân cực mode TE theo thành phần Ey hai kênh dẫn vào bước sóng 18 1470 nm 1550,84 nm tương ứng trình bày Hình 4.18 Kết mơ cho thấy cấu trúc 2D-PhC dẫn sóng với tham số chọn có khả dẫn bước sóng 1470 nm theo kênh dẫn sóng vào 1550,84 nm theo kênh dẫn sóng Hình 4.18 Giản đồ tán sắc phân bố điện trường thành phần Ey hai kênh  = 1470 nm  = 1550,84 nm 4.4.2 Mô phổ đặc trưng linh kiện quang tử tích hợp Hình 4.19 Phân bố chiết suất cấu trúc gồm vi cầu đường kính 29,7 m tích hợp với hai kênh dẫn sóng vào - PhC dạng khe SOI (a) phân bố trường (b,c) 19 Sử dụng phương pháp 3D-PWE 3D-FDTD với điều kiện biên PML đặt xung quanh cấu trúc Nguồn kích thích phát xạ mode WGM lưỡng cực điện phân cực TE có bước sóng dải 1400 - 1600 nm đặt bên gần bề mặt vi cầu, kích thước lưới chọn để mô 10 nm; nguồn mode Bloch đặt kênh dẫn sóng vào PhC dạng khe sau PML Các kết mơ thể Hình 4.19 Kết cho thấy hệ tích hợp có khả ghép mode Bloch kênh dẫn sóng với mode WGM vi cầu 4.5 Linh kiện cảm biến sở FBG 4.5.1 Thiết bị cảm biến sử dụng hai FBG tích hợp cấu hình laser vịng Sơ đồ nguyên lý thiết bị cảm biến đo chiết suất chất lỏng chúng tơi xây dựng trình bày Hình 4.20 Khi mode phát xạ laser re-FBG chọn lọc trùng với bước sóng phản xạ Bragg eFBG đặt môi trường đo (re-B = e-B), cộng hưởng cực đại buồng cộng hưởng vòng laser xảy tín hiệu quang-điện thu từ photodiode đạt giá trị cực đại Hình 4.20 Sơ đồ nguyên lý hệ cảm biến 4.5.2 Quy trình đo chiết suất dung dịch - B1: Dựng đường chuẩn bước sóng B - nhiệt độ cho re-FBG 20 - B2: Dựng đường chuẩn bước sóng B - chiết suất cho e-FBG sở sử dụng dung dịch mẫu chuẩn - B3: Đặt đầu dò cảm biến e-FBG vào dung dịch cần xác định chiết suất, thay đổi nhiệt độ áp đặt lên re-FBG, đo công suất quang thu từ photodiode vẽ đường đặc trưng công suất quang - nhiệt độ - B4: Xác định nhiệt độ áp đặt lên re-FBG tương ứng với giá trị cực đại công suất quang - B5: Dựa vào đường chuẩn bước sóng phản xạ - nhiệt độ xây dựng cho re-FBG để xác định giá trị bước sóng phản xạ tương ứng với nhiệt độ tìm Bước - B6: Từ bước sóng phản xạ nhận Bước 5, dựa vào đường chuẩn bước sóng phản xạ - chiết suất xây dựng cho e-FBG ta xác định chiết suất dung dịch cần đo 4.5.3 Một số kết thử nghiệm Hình 4.26 Sự dịch chuyển bước sóng Bragg e-FBG theo nồng độ Ethanol Methanol xăng RON 92 Hình 4.26 hiển thị kết thử nghiệm để phát xăng RON 92 pha trộn với Ethanol Methanol khoảng nồng độ 0% - 14% v/v Độ nhạy cảm biến đạt  45 nm/RIU Giới hạn phát phép đo tính LOD = /QS [145] giá trị 21 đạt  1,5 x 10-4 RIU (S độ nhạy cảm biến,  bước sóng tín hiệu cảm biến Q hệ số phẩm chất mode laser) Hình 4.27 Sự dịch chuyển bước sóng Bragg e-FBG theo nồng độ Nitrat mơi trường nước Hình 4.27 trình bày kết thử nghiệm phát Nitrat khoảng nồng độ - 50 ppm Giới hạn phát phép đo ước tính  4,5 ppm, giới hạn gần với giá trị mà hệ cảm biến thu máy đo phổ quang có độ phân giải cao [25] KẾT LUẬN CHUNG Một số điểm mà luận án đạt được: Đã tính tốn mơ số linh kiện quang học ống dẫn sóng, lọc sóng quang học sử dụng cấu trúc phiến 2D-PhC phương pháp FDTD PWE Chế tạo số vi cầu silica pha tạp Er3+ kích thước  30 m  60 m phương pháp phóng điện hồ quang Thiết kế xây dựng thành công hệ thực nghiệm để khảo sát hiệu ứng phát xạ laser mode WGM vi cầu silica pha tạp Er3+, đồng thời mô giải số số lượng tử đặc trưng cho mode WGM vi cầu chế tạo Kết thực nghiệm mô thực hai vi cầu kích thước  38,5 m  29,7 m cho thấy vi cầu có khả phát xạ mode WGM vùng bước sóng thơng tin 22 quang  1550 nm Cấu trúc tích hợp vi cầu silica pha tạp Er3+ kích thước  29,7 m với 2D-PhC dẫn sóng hai kênh vật liệu SOI thiết kế mô mode phát xạ WGM Kết mô cho thấy cấu trúc tích hợp với tham số chọn có khả phát xạ laser mode WGM vùng thông tin quang   1550 nm sử dụng nguồn laser bơm đơn mode có   1470 nm Xây dựng thành công hệ cảm biến quang sợi sở laser vòng sợi kết hợp với hai phần tử FBG cho phép đo chiết suất số dung dịch mà không cần sử dụng máy đo phổ quang Các kết đạt cho thấy triển vọng việc sử dụng hệ cảm biến quang giá thành thấp kiểu không dùng máy đo phổ quang cho nhiều lĩnh vực khác nông nghiệp, chất lỏng công nghiệp, thực phẩm, y tế, công nghiệp dược phẩm, kiểm sốt mơi trường, giám sát chất lượng nước uống,… NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Đã chế tạo thành công vi cầu silica pha tạp Er3+ có kích thước chất lượng mong muốn thu phổ phát xạ laser mode WGM vi cầu silica pha tạp Er3+ thực nghiệm - Đã mô thiết kế thành công cấu trúc tích hợp vi cầu silica pha tạp Er3+ với 2D-PhC kênh dẫn dạng khe tảng SOI - Đã thiết kế xây dựng thành công hệ cảm biến quang sợi sở sử dụng hai phần tử FBG tích hợp cấu hình laser sợi buồng cộng hưởng vòng cho phép đo chiết suất số dung dịch mà không cần sử dụng máy đo phổ quang 23 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CÁC CÔNG BỐ ĐƯỢC SỬ DỤNG CHO LUẬN ÁN Van An Nguyen, Van Dai Pham, Thi Hong Cam Hoang, Huu Thang Le, Thu Trang Hoang, Quang Minh Ngo, Van Hoi Pham, A quantitative analysis of the whispering-gallery-mode lasers in Er3+doped silica glass microspheres towards integration in SOI slotted photonic crystal waveguides, Opt Comm., 2019, 440, 14-20 Van An Nguyen, Quang Minh Ngo, and Khai Quang Le, Efficient Color Filters Based on Fano-Like Guided-Mode Resonances in Photonic Crystal Slabs, IEEE Photonics Journal, 2018, 10 (1), 2700208 H Bui, T B Pham, V A Nguyen, V D Pham, T C Do, T V Nguyen, T H C Hoang, H T Le and V H Pham, Novel method of dual fiber Bragg gratings integrated in fiber ring laser for bio-chemical sensors, Meas Sci Technol., 2018, 29, 055105 Nguyễn Văn Ân, Ngô Quang Minh, Nâng cao hệ số phẩm chất lọc phổ cộng hưởng Fano vùng khả kiến dựa giao thoa mode dẫn sóng lệch pha phiến tinh thể quang tử 2D, Sci Technol Develop Journal: Nat Sci., 2018, (4), 136-145 Pham Van Hoi, Nguyen The Anh, Nguyen Thi Thu Trang, Le Huu Thang, Nguyen Van An, Enhancement of lasing emission in the metallic-coated microsphere cavity based on Er-doped silica glasses, Comm in Phys., 2015, 25 (3), 195-201 Van An Nguyen, Van Dai Pham, Thanh Binh Pham, Thu Trang Hoang, Thi Hong Cam Hoang, Quang Minh Ngo and Van Hoi Pham, Whispering-gallery-mode lasers in Er3+-doped silica glass microspheres towards integration in SOI photonic crystal waveguides, Proc of the 9th - IWAMSN2018, 2019, 269-275 Nguyễn Văn Ân, Ngô Quang Minh, Phạm Văn Hội, Bộ lọc sóng quang học vùng khả kiến phẩm chất cao sở giao thoa 24 hai sóng lệch pha phiến tinh thể quang tử hai chiều, ICPA10, 2019, 121-126 Nguyễn Văn Ân, Phạm Văn Đại, Hồng Thị Hồng Cẩm, Phạm Thanh Bình, Ngơ Quang Minh, Phạm Văn Hội, Nghiên cứu, chế tạo hạt vi cầu định hướng kết hợp với cấu trúc tinh thể quang tử dẫn sóng 2D, CAEP V, 2018, 157-163 Nguyễn Văn Ân, Ngô Quang Minh, Phạm Văn Hội, Nghiên cứu cộng hưởng dẫn sóng dạng Fano vùng ánh sáng đỏ sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều, ICPA-9, 2017, 215-218 10 Phạm Thanh Bình, Phạm Văn Hội, Bùi Huy, Phùng Thị Hà, Nguyễn Văn Thịnh, Lê Hữu Thắng, Nguyễn Văn Ân, Ngô Quang Minh, Phạm Văn Đại, Thiết bị phương pháp đo chiết suất chất lỏng đầu dò cách tử Bragg sợi quang ăn mịn (E-FBG) tích hợp cấu hình laze cộng hưởng vịng, Sáng chế số: 20134, cấp theo QĐ số: 78881/QĐ-SHTT, ngày: 06/11/2018 CÁC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Pham Van Hoi, Nguyen Thuy Van, Pham Van Dai, Bui Huy, Le Huu Thang, Nguyen Van An and Pham Thanh Binh, Wavelength Shift Measurement Method Without Spectrometer: The New Way for Environment Photonic Sensors, Comm in Phys., 2018, 28 (2), 139 Van An Nguyen, Thanh Binh Pham, Thi Ha Phung, Thuy Chi Do, Duc Binh Nguyen, Huy Bui, Quang Minh Ngo, and Van Hoi Pham, Spectral characterization of etched-Bragg Grating sensing probe integrated in fiber laser structure for determination of the low Nitrate concentration in water, ICPA-9, 2017, 414-418 Thanh Binh Pham, Van Thinh Nguyen, Huy Bui, Van An Nguyen, Quang Minh Ngo, and Van Hoi Pham, High sensitivity etched-fiber Bragg grating sensor for determination of organic content mixtured in gasoline, Proc of the ESASGD 2016, Session: Integrated Petroleum Engineering (IPE), 2016, 122-128 ... tiêu đề: ? ?Nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser khuếch đại quang buồng cộng hưởng liên kết với cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D? ?? Mục tiêu nghiên cứu luận án - Nghiên cứu, chế tạo vi cầu thủy tinh silica... QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LASER - Giới thiệu cấu trúc tinh thể quang tử - Trình bày đặc trưng 2D- PhC như: vùng cấm quang, dẫn sóng giam giữ sóng, cộng hưởng. .. pháp nghiên cứu - Tính tốn mơ số linh kiện quang học sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều - Nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser vi cầu silica pha tạp Er3+, linh kiện quang tử hướng ứng dụng