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

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2020 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Ngô Quang Minh PGS.TS Phạm Văn Hội Hà Nội – 2020 i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, trước hết tơi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Ngô Quang Minh PGS.TS Phạm Văn Hội, người thầy định hướng cho nghiên cứu khoa học, tận tình bảo tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho trình học tập nghiên cứu Trong trình thực luận án, nhận nhiều giúp đỡ nhiệt tình từ cán thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam ThS Phạm Thanh Bình, ThS Phạm Văn Đại, ThS Hồng Thu Trang, TS Nguyễn Thúy Vân, TS Vũ Đức Chính, TS Phạm Thanh Sơn,… (Phòng Vật liệu ứng dụng quang sợi, Viện Khoa học vật liệu) TS Hoàng Thị Hồng Cẩm (Trường Đại học Khoa học Công nghệ Hà Nội) Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu Xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô đồng nghiệp thuộc Khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại học Khoa học Huế, quý thầy cô lãnh đạo Nhà trường, người động viên, giúp đỡ tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian làm luận án Xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô anh chị em đồng tác giả cơng trình khoa học công bố cho phép sử dụng nội dung cơng trình Luận án Tơi xin chân thành cảm ơn cán Bộ phận đào tạo sau đại học thuộc Viện Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam, người nhiệt tình giúp đỡ tơi q trình thực thủ tục liên quan đến luận án Cuối cùng, xin dành lời cảm ơn tự đáy lịng đến người thân tơi, gia đình tơi, người khơng quản ngại khó khăn, tạo điều kiện ln động viên tơi tinh thần để tơi có động lực hoàn thành luận án ii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận án trích dẫn từ số báo xuất đồng tác giả Các kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án NCS Nguyễn Văn Ân iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC .iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LASER 1.1 Giới thiệu cấu trúc tinh thể quang tử 1.2 Vùng cấm quang cấu trúc 2D-PhC 1.2.1 Vùng Brillouin, mode điện trường ngang mode từ trường ngang 10 1.2.1.1 Vùng Brillouin 10 1.2.1.2 Mode điện trường ngang (TE) mode từ trường ngang (TM) 11 1.2.2 Vùng cấm quang 2D-PhC mạng hình vng mạng hình tam giác 12 1.2.2.1 Vùng cấm quang 2D-PhC mạng hình vng 12 1.2.2.2 Vùng cấm quang 2D-PhC mạng hình tam giác 12 1.3 Dẫn sóng giam giữ sóng cấu trúc 2D-PhC 13 1.3.1 Ống dẫn sóng (Waveguide) 13 1.3.2 Bộ cộng hưởng quang học (Optical Resonator) 14 1.4 Cộng hưởng dẫn sóng (GMR) cấu trúc 2D-PhC 15 1.4.1 Cộng hưởng dẫn sóng, mode đối xứng (Even) phản đối xứng (Odd) 15 1.4.2 Hệ số truyền qua hệ số phản xạ GMR cho 2D-PhC 17 1.5 Quá trình quang học buồng vi cộng hưởng dạng cầu ứng dụng chế tạo laser vi cầu thủy tinh silica pha tạp Er3+ 18 iv 1.5.1 Thủy tinh silica pha tạp ion đất 19 1.5.2 Mode vọng hành lang (WGM) vi cầu điện môi 21 1.5.3 Mơ tả định tính mode vi cầu 22 1.5.4 Các mode trường vi cầu điện môi 26 1.5.5 Lời giải số phương trình trạng thái 30 1.5.6 Các phương pháp kết cặp vi cầu với kênh dẫn sóng 31 1.6 Ứng dụng cấu trúc 1D-PhC sợi quang (FBG) để phát triển cảm biến quang 35 1.6.1 Đặc tính sợi quang thủy tinh silica pha tạp Er3+ 35 1.6.2 Cảm biến quang sợi sở cấu trúc 1D-PhC sợi quang (FBG) 38 KẾT LUẬN CHƯƠNG 42 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 43 2.1 Các mơ hình lý thuyết kết cặp buồng cộng hưởng - dẫn sóng 43 2.1.1 Lý thuyết kết cặp cộng hưởng - dẫn sóng 43 2.1.2 Kết cặp vi cộng hưởng - hai ống dẫn sóng 49 2.1.3 Kết cặp vi cộng hưởng - ống dẫn sóng xét đến tán xạ ngược 50 2.2 Phương pháp tính tốn mơ 52 2.2.1 Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (FDTD) 52 2.2.2 Phương pháp khai triển sóng phẳng (PWE) 56 2.2.3 Điều kiện biên hội tụ thuật toán 58 2.3 Phương pháp chế tạo vi cầu thủy tinh silica FBG 60 2.3.1 Chế tạo vi cầu thủy tinh silica phương pháp phóng điện hồ quang 60 2.3.2 Chế tạo FBG sử dụng kỹ thuật quang khắc 61 2.4 Một số cấu hình thực nghiệm khảo sát phổ phát xạ laser 63 2.4.1 Khảo sát hiệu ứng phát xạ laser vi cầu silica pha tạp Er 3+ 63 2.4.2 Cấu hình hệ cảm biến chất lỏng sử dụng e-FBG 64 v 2.5 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 65 KẾT LUẬN CHƯƠNG 67 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG MỘT SỐ LINH KIỆN QUANG HỌC SỬ DỤNG CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ HAI CHIỀU 68 3.1 Vùng cấm quang cho cấu trúc phiến 2D-PhC 68 3.2 Dẫn sóng mặt phẳng sử dụng cấu trúc phiến 2D-PhC 72 3.2.1 Kênh dẫn sóng W1 phân bố điện trường kênh dẫn sóng 72 3.2.2 Kênh dẫn sóng khe phân bố điện trường kênh dẫn sóng 73 3.3 Bộ lọc sóng quang học dựa hiệu ứng cộng hưởng dẫn sóng (GMR) 76 3.3.1 Cấu trúc mạng đơn 77 3.3.2 Cấu trúc mạng kép 81 3.3.2.1 Cấu trúc 2D-PhC sau thiết kế thêm hố khơng khí hình trụ tròn 82 3.3.2.2 Cấu trúc 2D-PhC sau thiết kế thêm hố khơng khí khối hộp chữ nhật 86 KẾT LUẬN CHƯƠNG 95 CHƯƠNG PHÁT XẠ LASER CỦA VI CẦU TRÊN NỀN SILICA PHA TẠP Er3+, LINH KIỆN QUANG TỬ VÀ HƯỚNG ỨNG DỤNG 96 4.1 Kết chế tạo vi cầu silica pha tạp Er3+ phương pháp phóng điện hồ quang 96 4.2 Phổ phát xạ laser vi cầu silica pha tạp Er3+ kết cặp với nguồn bơm đầu thu sợi quang 99 4.2.1 Kết cặp vi cầu silica pha tạp Er3+ với sợi quang hình chóp nón 100 4.2.2 Phổ phát xạ laser WGM số vi cầu có kích thước khác 103 4.2.2.1 Laser WGM vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính cỡ 38,5 m 103 4.2.2.2 Laser WGM vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính cỡ 29,7 m 105 4.3 Mơ mode vọng hành lang (WGM) vi cầu silica 107 vi 4.3.1 Mode WGM vi cầu kích thước 38,5 m 108 4.3.2 Mode WGM vi cầu kích thước 29,7 m 109 4.3.3 Tính tốn số mode lượng tử (l, n) phương pháp số 110 4.4 Linh kiện quang tử tích hợp vi cầu 2D-PhC dẫn sóng 111 4.4.1 Đề xuất thiết kế 111 4.4.2 Mô phổ đặc trưng linh kiện quang tử tích hợp 113 4.5 Linh kiện cảm biến sở cấu trúc 1D-PhC sợi quang (FBG) 115 4.5.1 Thiết bị cảm biến sử dụng hai FBG tích hợp cấu hình laser vịng 115 4.5.2 Quy trình đo chiết suất dung dịch 118 4.5.2.1 Xây dựng đường chuẩn bước sóng phản xạ - nhiệt độ cho re-FBG 119 4.5.2.2 Xây dựng đường chuẩn bước sóng phản xạ - chiết suất cho e-FBG121 4.5.2.3 Kiểm chứng thiết bị cảm biến xây dựng 122 4.5.3 Một số kết thử nghiệm 123 KẾT LUẬN CHƯƠNG 126 KẾT LUẬN CHUNG 127 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 1D, 2D, 3D Dimension, Dimension, Dimension chiều, chiều, chiều ALCR Anti-phased Lattice Collective Resonance Cộng hưởng tập hợp mạng ngược pha ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát khuếch đại CCW Counter Clock Wise Ngược chiều kim đồng hồ CIR Circulator Bộ luân chuyển hướng truyền CON Connector Điểm kết nối CW Clock Wise Cùng chiều kim đồng hồ EBL Electron Beam Lithography Khắc chùm điện tử e-FBG Etched Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang ăn mòn FBG Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg sợi quang FDTD Finite-Difference TimeDomain Sai phân hữu hạn miền thời gian FWHM Full Width at Half Maximum Độ bán rộng phổ GMR Guided-Mode Resonances Cộng hưởng dẫn sóng ILCR In-phased Lattice Collective Resonance Cộng hưởng tập hợp mạng đồng pha ISO Isolator Bộ cách ly LOD Limit of Detection Giới hạn phát MEEP MIT Electromagnetic Equation Propagation Phần mềm mô lan truyền điện từ trường MIT MIT Massachusett Institute of Technology Viện Công nghệ Massachusett MPB MIT Photonic-Bands Phần mềm mô dải dẫn cho cấu trúc quang tử MIT OSA Optical Spectrum Analyzer Máy phân tích quang phổ OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu quang học PBG Photonic Band Gap Vùng cấm quang PhC Photonic Crystals Tinh thể quang tử PML Perfectly Matched Layer Lớp hấp thụ hoàn hảo viii PS Power Splitter Bộ chia cơng suất PWE Plane Wave Expansion Khai triển sóng phẳng QED Quantum ElectroDynamic Điện động lực lượng tử RIU Refractive Index Unit Đơn vị chiết suất SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét SOI Silicon on Insulator Silic lớp vật liệu cách điện TE Transverse Electric Điện trường ngang TM Transverse Magnetic Từ trường ngang UHQ Ultra High Quanlity Phẩm chất cực cao WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bước sóng WGM Whispering Gallery Mode Mode vọng hành lang S Microsphere Vi cầu 129 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 vòng, Sáng chế số: 20134, cấp theo QĐ số: 78881/QĐ-SHTT, ngày: 06/11/2018 CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG 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, Communications in Physics, 2018, 28 (2), 139-153 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, 122-128 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] E Yablonovitch, Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics, Phys Rev Lett., 1987, 58 (20), 2059-2062 [2] S John, Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices, Phys Rev Lett., 1987, 58 (23), 2486-2489 [3] T A Birks, J C Knight, and P St J Russell, Endlessly single-mode photonic crystal fiber, Opt Lett., 1997, 22 (13), 961-963 [4] O Painter, R K Lee, A Scherer, A Yariv, J D O’Brien, P D Dapkus, I Kim, Two-dimensional photonic band-gap defect mode laser, Science, 1999, 284 (5421), 1819-1821 [5] K Nozaki and T Baba, Quasiperiodic photonic crystal microcavity lasers, Appl Phys Lett., 2004, 84 (24), 4875-4877 [6] S.-K Kim, J.-H Lee, S.-H Kim, I.-K Hwang, Y.-H Lee, and S.-B Kim, Photonic quasicrystal single-cell cavity mode, Appl Phys Lett., 2005, 86 (3), 031101 [7] E Yablonovitch,T Gmitter, and K Leung, Photonic band structure: the facecentered-cubic case employing nonspherical atoms, Phys Rev Lett., 1991, 67 (17), 2295-2298 [8] C Guo, K Che, P Zhang, J Wu, Y Huang, H Xu, and Z Cai, Low-threshold stimulated Brillouin scattering in high-Q whispering gallery mode tellurite microspheres, Opt Lett., 2015, 23 (25), 32261-32266 [9] Y Yang, X Jiang, S Kasumie, G Zhao, L Xu, J M Ward, L Yang, and S N Chormaic, Four-wave mixing parametric oscillation and frequency comb generation at visible wavelengths in a silica microbubble resonator, Opt Lett., 2016, 41 (22), 5266-5269 [10] Q.-T Cao, H Wang, C.-H Dong, H Jing, R.-S Liu, X Chen, L Ge, Q Gong, and Y.-F Xiao, Experimental Demonstration of Spontaneous Chirality in a Nonlinear Microresonator, Phys Rev Lett., 2017, 118 (3), 033901 [11] T Wu, Y Huang, J Huang, Y Huang, P Zhang, and J Ma, Laser oscillation of Yb3+:Er3+ co-doped phosphosilicate microsphere, Appl Opt., 2014, 53 (21), 4747-4751 [12] W Loh, A A S Green, F N Baynes, D C Cole, F J Quinlan, H Lee, K J 131 Vahala, S B Papp, and S A Diddams, Dual-microcavity narrow-linewidth Brillouin laser, Optica, 2015, (3), 225-232 [13] W Liang, V S Ilchenko, A A Savchenkov, A B Matsko, D Seidel, and L Maleki, Whispering-gallery-mode-resonator-based ultranarrow linewidth external-cavity semiconductor laser, Opt Lett., 2010, 35 (16), 2822-2824 [14] G C Righini and S Soria, Biosensing by WGM Microspherical Resonatos, Sensors, 2016, 16 (6), 905 [15] J Su, Label-Free Biological and Chemical Sensing Using Whispering Gallery Mode Optical Resonators: Past, Present, and Future, Sensors, 2017, 17 (3), 540 [16] Y Zhi, X.-C Yu, Q Gong, L Yang, and Y.-F Xiao, Single Nanoparticle Detection Using Optical Microcavities, Adv Mater., 2017, 29, 1604920 [17] Y Q Kang , A Franỗois, N Riesen and T M Monro, Mode-Splitting for Refractive Index Sensing in Fluorescent Whispering Gallery Mode Microspheres with Broken Symmetry, Sensors, 2018, 18 (9), 2987 [18] X Xu, X Jiang, G Zhao, and L Yang, Phone-sized whispering-gallery microresonator sensing system, Opt Express, 2016, 24 (23), 25905-25910 [19] J Liu, E Lucas, A S Raja, J He, J Riemensberger, R N Wang, M Karpov, H Guo, R Bouchand and T J Kippenberg, Photonic microwave generation in the X- and K-band using integrated soliton microcombs, Nature Photonics, 2020, doi: 10.1038/s41566-020-0617-x [20] S Gundavarapu , G M Brodnik, M Puckett, T Huffman, D Bose, R Behunin, J Wu, T Qiu, C Pinho, N Chauhan, J Nohava, P T Rakich, K D Nelson, M Salit and D J Blumenthal, Sub-hertz fundamental linewidth photonic integrated Brillouin laser, Nature Photonics, 2019, 13, 60-67 [21] A L Gaeta , M Lipson and T J Kippenberg, Photonic-chip-based frequency combs, Nature Photonics, 2019, 13, 158-169 [22] Bui Huy, Pham Van Hoi, Phan Hong Khoi, Nguyen Thuy Van, Do Thuy Chi, Porous silicon as a promising material for photonics, Int J Nanotechnol., 2011, (3/4/5), 360-370 [23] Van Hoi Pham, Huy Bui, Le Ha Hoang, Thuy Van Nguyen, The Anh Nguyen, Thanh Son Pham, and Quang Minh Ngo, Nano-porous Silicon Microcavity 132 Sensors for Determination of Organic Fuel Mixtures, J Opt Soc Korea, 2013, 17 (5), 423-427 [24] Huy Bui, Thuy Van Nguyen, The Anh Nguyen, Thanh Binh Pham, Quoc Trung Dang, Thuy Chi Do, Quang Minh Ngo, Roberto Coisson, and Van Hoi Pham, A vapor sensor based on a porous silicon microcavity for the determination of solvent solutions, J Opt Soc Korea, 2014, 18 (4), 301-306 [25] Thanh Binh Pham, Huy Bui, Huu Thang Le and Van Hoi Pham, Characteristics of the fiber laser sensor system based on etched-Bragg grating sensing probe for determination of the low nitrate concentration in water, Sensors, 2016, 17 (12), [26] 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 biochemical sensors, Meas Sci Technol., 2018, 29, 055105 [27] Van Hoi Pham, Huy Bui, Thanh Son Pham, The Anh Nguyen, Thuy Van Nguyen, Huu Thang Le, Trung Ninh Bui, Van Phu Nguyen, and Roberto Coisson, Control of whispering-gallery-mode spectrum from erbium-doped silica microsphere lasers, J Opt Soc Am B, 2013, 30 (6), 1586-1589 [28] Pham Van Hoi, Chu Thi Thu Ha, Hoang Quang Hung, Long-band emission of microsphere lasers based on erbium-doped sol-gel silica-alumina glasses, Appl Phys Lett., 2005, 87, 161110 [29] Van Hoi Pham, Huy Bui, Thuy Van Nguyen, The Anh Nguyen, Thanh Son Pham, Van Dai Pham, Thi Cham Tran, Thu Trang Hoang and Quang Minh Ngo, Progress in the research and development of photonic structure devices, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol., 2016, (1), 015003 [30] Quang Minh Ngo, Khai Q Le, Dinh Lam Vu, and Van Hoi Pham, Optical bistability based on Fano resonances in single- and double-layer nonlinear slab waveguide gratings, J Opt Soc Am B, 2014, 31 (5), 1054-1061 [31] Q M Ngo, K Q Le, T T Hoang, D L Vu, V H Pham, Numerical investigation of tunable Fano-based optical bistability in coupled nonlinear gratings, Opt Comm., 2015, 338, 528-533 [32] Q M Ngo, T T Hoang, V L Nguyen, D L Vu, and V H Pham, Metallic 133 assisted guided-mode resonances in slab waveguide gratings for reduced optical switching intensity in bistable devices, J Opt., 2013, 15, 055503 [33] J D Joannopoulos, S G Johnson, J N Winn, R D Meade, Photonic Crystals, Princeton University Press, 2008, Princeton, New Jersey [34] A M Kasten, J D Sulkin, P O Leisher, D K McElfresh, D Vacar, and K D Choquette, Manufacturable photonic crystal single-mode and fluidic vertical-cavity surface-emitting lasers, IEEE J Select Top Quant Electron., 2008, 14 (4), 1123-1131 [35] S.-L Chua, Y Chong, A D Stone, M Soljacic, and J Bravo-Abad, Lowthreshold lasing action in photonic crystal slabs enabled by Fano resonances, Opt Express, 2011, 19 (2), 1539-1562 [36] B Liu, Y.-F Liu, S.-J Li, X.-D He, High efficiency all-optical diode based on photonic crystal waveguide, Opt Comm., 2016, 368, 7-11 [37] A Soltani, F Ouerghi, F AbdelMalek, S Haxha, H Ademgil, and E K Akowuah, Unidirectional Light Propagation Photonic Crystal Waveguide Incorporating Modified Defects, Optik - International Journal for Light and Electron Optics, 2017, 130, 1370-1376 [38] S Yifeng, L Lulu, Z Hao, C Yueqin, Enhanced beaming of light from a photonic crystal waveguide via a self-collimation photonic crystal, Optik International Journal for Light and Electron Optics, 2014, 125 (10), 22172219 [39] I V Kabakova, R Pant, D.-Y Choi, S Debbarma, B Luther-Davies, S J Madden, and B J Eggleton, Narrow linewidth Brillouin laser based on chalcogenide photonic chip, Opt Lett., 2013, 38 (17), 3208-3211 [40] A Khorshidahmad and A G Kirk, Nested photonic crystal cavity for on-chip wavelength conversion, IEEE/LEOS Winter Topicals Meeting Series, 2009, 60-61 [41] H Yan, C.-J Yang, N Tang, Y Zou, S Chakravarty, A Roth, and R T Chen, Specific Detection of Antibiotics by Silicon-on-Chip Photonic Crystal Biosensor Arrays, IEEE Sensors Journal, 2017, 17 (18), 5915-5919 [42] S Parsons, J Gregório and J Hopwood, Microwave plasma formation within a 2D photonic crystal, Plasma Sources Sci Technol., 2017, 26 (5), 055002 134 [43] T Dharchana, A Sivanantharaja, S Selvendran, Design of Pressure Sensor Using 2D Photonic Crystal, Advances in Natural and Appl Sci., 2017, 11 (7), 26-30 [44] L Zhang, D Yang, K Chen, T Li, S Xia, Design of nonreciprocal waveguide devices based on two-dimensional magneto-optical photonic crystals, Optics & Laser Technol., 2013, 50, 195-201 [45] Y Wang, D Zhang, S Xu, Z Ouyang, J Li, Low-loss Y-junction twodimensional magneto-photonic crystals circulator using a ferrite cylinder, Opt Comm., 2016, 369, 1-6 [46] Z Chang-Zhu, L Ya-Zhao, L Zhi-Yuan, Waveguide Bend of 90o in TwoDimensional Triangular Lattice Silicon Photonic Crystal Slabs, Chinese Phys Lett., 2010, 27 (8), 084203 [47] S Feng, Y Wang, Unidirectional light propagation characters of the triangular-lattice hybrid-waveguide photonic crystals, Opt Mater., 2013, 35 (7), 1455-1460 [48] R Deghdak, M Bouchemat, M Lahoubi, S Pu, T Bouchemat, H Otmani, Sensitive magnetic field sensor using 2D magnetic photonic crystal slab waveguide based on BIG/GGG structure, J Comput Electron., 2017, 16 (2), 392-400 [49] R Arunkumar, T Suaganya, and S Robinson, Design and Analysis of 2D Photonic Crystal Based Biosensor to Detect Different Blood Components, Photonic Sensors, 2019, (1), 69-77 [50] H Sharifi, S M Hamidi, K Navi, A new design procedure for all-optical photonic crystal logic gates and functions based on threshold logic, Opt Comm., 2016, 370, 231-238 [51] S Divya, A Sivanantharaja, S Selvendran, Designing of All Optical Nand Gate Based On 2d Photonic Crystal, Advances in Natural and Appl Sci., 2017, 11 (7), 36-40 [52] B Wang and M A Cappelli, A tunable microwave plasma photonic crystal filter, Appl Phys Lett., 2015, 107 (17), 171107 [53] Z Rashki, S J Seyyed Mahdavi Chabok, Novel design of optical channel drop filters based on two-dimensional photonic crystal ring resonators, Opt 135 Comm., 2017, 395, 231-235 [54] S M Musavizadeh, M Soroosh and F Mehdizadeh, Optical filter based on photonic crystal, Indian Journal of Pure & Appl Phys., 2015, 53, 736-739 [55] Y Yu, M Heuck, H Hu, W Xue, C Peucheret, Y Chen, L K Oxenløwe, K Yvind, and J Mørk, Fano resonance control in a photonic crystal structure and its application to ultrafast switching, Appl Phys Lett., 2014, 105 (6), 061117 [56] A D Osterkryger, J R de Lasson, M Heuck, Y Yu, J Mørk, and N Gregersen, Spectral symmetry of Fano resonances in a waveguide coupled to a microcavity, Opt Lett., 2016, 41 (9), 2065-2068 [57] A Bera, M Roussey, M Kuittinen, and S Honkanen, Slow-light enhanced electro-optic modulation with an on-chip silicon-hybrid Fano system, Opt Lett., 2016, 41 (10), 2233-2236 [58] K Nozaki, A Shinya, S Matsuo, T Sato, E Kuramochi, and M Notomi, Ultralow-energy and high-contrast all-optical switch involving Fano resonance based on coupled photonic crystal nanocavities, Opt Express, 2013, 21 (10), 11877-11888 [59] W Zhao, H Jiang, B Liu, Y Jiang, C Tang, and J Li, Fano resonance based optical modulator reaching 85% modulation depth, Appl Phys Lett., 2015, 107 (17), 171109 [60] 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 [61] Y Liang, W Peng, M Lu, and S Chu, Narrow-band wavelength tunable filter based on asymmetric double layer metallic grating, Opt Express, 2015, 23 (11), 14434-14445 [62] M J Uddin, T Khaleque, and R Magnusson, Guided-mode resonant polarization-controlled tunable color filters, Opt Express, 2014, 22 (10), 12307-12315 [63] Y Shuai, D Zhao, Z Tian, J.-H Seo, D V Plant, Z Ma, S Fan, and W Zhou, Double-layer Fano resonance photonic crystal filters, Opt Express, 2013, 21 (21), 24582-24589 136 [64] M E Beheiry, V Liu, S Fan, and O Levi, Sensitivity enhancement in photonic crystal slab biosensors, Opt Express, 2010, 18 (22), 22702-22714 [65] W Qiu, A Ndao, V C Vila, R Salut, N Courjal, F I Baida, and M.-P Bernal, Fano resonance-based highly sensitive, compact temperature sensor on thin film lithium niobate, Opt Lett., 2016, 41 (6), 1106-1109 [66] A Bakhtazad and A G Kirk, First-band S-vetor photonic-crystal superprism demultiplexer design and optimization, J Lightwave Technol., 2007, 25 (5), 1322-1333 [67] V Kannaiyan, R Savarimuthu, S K Dhamodharan, Investigation of 2Dphotonic crystal resonant cavity based WDM demultiplexer, Opto-Electronics Review, 2018, 26, 108-115 [68] T Stomeo, F V Laere, M Ayre, C Cambournac, H Benisty, D V Thourhout, R Baets, and T F Krauss, Integration of grating couplers with a compact photonic crystal demultiplexer on an InP membrane, Opt Lett., 2008, 33 (8), 884-886 [69] B Momeni, M Chamanzar, E S Hosseini, M Askari, M Soltani, and A Adibi, Strong angular dispersion using higher bands of planar silicon photonic crystals, Opt Express, 2008, 16 (18), 14213-14220 [70] Y Zhang, X Zhang, Y Wang, R Zhu, Y Gai, X Liu, P Yuan, Reversible Fano resonance by transition from fast light to slow light in a coupledresonator-induced transparency structure, Opt Express, 2013, 21 (7), 85708586 [71] A Ghaffari, M Djavid, and M S Abrishamian, Power splitters with different output power levels based on directional coupling, Appl Opt., 2009, 48 (8), 1606-1609 [72] Z Xu, J Wang, Q He, L Cao, P Su, and G Jin, Optical filter based on contra-directional waveguide coupling in a 2D photonic crystal with square lattice of dielectric rods, Opt Express, 2005, 13 (15), 5608-5613 [73] R Gonzalo, G Nagore and P de Maagt, Simulated and measured performance of a patch antenna on a 2-dimensional photonic crystals substrate, Progress In Electromagnetics Research, 2003, 41, 257-269 [74] L Qi, Z Yang, Z Liang, W Liu, Y Liu, and X Gao, Design of Photonic 137 Crystal Resonant Cavity Using Overmoded Dielectric Photonic Band Gap Structures, Piers Online, 2007, (4), 379-381 [75] Y J Lee, T.-W Lee, D E Lee, S Hong, and S.-H Kwon, Spatially relocatable and spectrally tunable photonic crystal cavity by using a microsphere, Journal of Nanophotonics, 2016, 10 (3), 030501 [76] U Fano, Effects of Configuration Interaction on Intensities and Phase Shifts, Physical Review, 1961, 124 (6), 1866-1878 [77] S Fan and J D Joannopoulos, Analysis of guided resonances in photonic crystal slabs, Physical Review B, 2002, 65, 235112 [78] R M Van Ginhoven, H Jónsson, L R Corrales, Silica glass structure generation for ab initio calculations using small samples of amorphous silica, Physical Review B, 2005, 71, 024208 [79] G Pacchioni, L Skuja, D L Griscom, Defects in SiO2 and Related Dielectrics: Science and Technology, Series II: Mathematical and Physical Chemistry - Vol 2, Springer Science + Business Media Dordrecht, 2000, Italy [80] S Soria, S Berneschi, M Brenci, F Cosi, G N Conti, S Pelli and G C Righini, Optical Microspherical Resonators for Biomedical Sensing, Sensors, 2011, 11 (1), 785-805 [81] B E Little, J.-P Laine, and H A Haus, Analytic Theory of Coupling from Tapered Fibers and Half-Blocks into Microsphere Resonators,” Journal of Lightwave Technology, 1999, 17 (4), 704-715 [82] Y Panitchob, G S Murugan, M N Zervas, P Horak, S Berneschi, S Pelli, G N Conti, and J S Wilkinson, Whispering gallery mode spectra of channel waveguide coupled microspheres, Opt Express, 2008, 16 (15), 11066-11076 [83] M Cai, O Painter, and K J Vahala, Observation of Critical Coupling in a Fiber Taper to a Silica-Microsphere Whispering-Gallery Mode System, Phys Rev Lett., 2000, 85 (1), 74-77 [84] S C Ching, H M Lai, and K Young, Dielectric microspheres as optical cavities: thermal spectrum and density of states, J Opt Soc Am B, 1987, (12), 1995-2003 [85] V S Ilchenko, A A Savchenkov, A B Matsko, and L Maleki, Whispering Gallery Mode Electro-Optic Modulator and Photonic Microwave Receiver, J 138 Opt Soc Am., B, 2003, 20 (2), 333-342 [86] K Atkinson and W Han, Spherical Harmonics and Approximations on the Unit Sphere: An Introduction, Lecture Notes in Mathematics, Springer, 2012, Berlin, Germany [87] S Balac and P Féron, Whispering gallery modes volume computation in optical micro-spheres, Technical Report - CNRS UMR 6082 FOTON http://foton.cnrs.fr, 2015 [88] A Chiasera, Y Dumeige, P Féron, M Ferrari, Y Jestin, G Nunzi Conti, S Pelli, S Soria, and G C Righini, Spherical whispering-gallery-mode microresonators, Laser & Photon Rev., 2010, (3), 457-482 [89] G C Righini, Y Dumeige, P Féron, M Ferrari, G Nunzi Conti, D Ristic and S Soria, Whispering gallery mode microresonators: Fundamentals and applications,” Rivista del nuovo cimento, 2011, 34 (7), 435-488 [90] D Farnesi, A Barucci, G C Righini, S Berneschi, S Soria, and G Nunzi Conti, Optical Frequency Conversion in Silica-Whispering-Gallery-Mode Microspherical Resonators, Phys Rev Lett., 2014, 112 (9), 093901 [91] R M J Murphy, F Lei, J M Ward, Y Yang, and S N Chormaic, Alloptical nanopositioning of high-Q silica microspheres, Opt Express, 2017, 25 (12), 13101-13106 [92] S Zhuang, Y Huang, L Peng, J Qin, Y Duan, and T Liao, Realization of an O-waveband laser based on cascaded stimulated Raman scattering of microspheres, Appl Opt., 2017, 56 (27), 7572-7576 [93] Y Huang, Y Huang, P Zhang, and C Guo, Ultralow-threshold laser and blue shift cooperative luminescence in a Yb3+ doped silica microsphere, AIP Adv., 2014, (2), 027113 [94] H A Haus, Waves and Fields in Optoelectronics, Prentice-Hall Seriers in Solid State Physical Electronics, Prentice-Hall, Inc., 1984, Englewood Cliffs, New Jersey [95] J C Knight, G Cheung, F Jacques, and T A Birks, Phase-matched excitation of whispering-gallery-mode resonances by a fiber taper, Opt Lett., 1997, 22 (15), 1129-1131 [96] K Vahala, Optical microcavities, Advanced Series in Appl Phys Vol 5, 139 World Scientific Publishing Co Pte Ltd., 2004, Singapore [97] M L Gorodetsky and V S Ilchenko, Optical microsphere resonators: optimal coupling to high-Q whispering-gallery modes, J Opt Soc Am B, 1999, 16 (1), 147-154 [98] T K Subramaniam, Erbium Doped Fiber Lasers for Long Distance Communication Using Network of Fiber Optics, American Journal of Optics and Photonics, 2015, (3), 34-37 [99] W Balani and M Saxena, EDFA Gain Performance analysis at 2Gbits/sec in Optical Transmission System, Int J of Multidiscip and Current research, 2013, 12-16 [100] 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 [101] R Gumenyuk, A Poudel, T Jouan, C Boussard-Plédel, T Niemi, And L Petit, Super-luminescence and spectral hole burning effect in ultra-short length Er/Yb-doped phosphate fiber, Opt Mater Express, 2017, (12), 43584366 [102] Y Yao, Z Li, Y Wang, S Liu, Y Dai, J Gong and L Wang, Performance optimization design for a high-speed weak FBG interrogation system based on DFB laser, Sensors, 2017, 17 (7), 1472 [103] J Cui, Y Hu, K Feng, J Li and J Tan, FBG Interrogation Method with High Resolution and Response Speed Based on a Reflective-Matched FBG Scheme, Sensors, 2015, 15, 16516-16535 [104] G Tsigaridas, D Polyzos, A Ioannou, M Fakis, P Persephonis, Theoretical and experimental study of refractive index sensors based on etched fiber Bragg gratings, Sensors and Actuators A: Physical, 2014, 209, 9-15 [105] G Yan, Y Liang, E.-H Lee and S He, Novel Knob-integrated fiber Bragg grating sensor with polyvinyl alcohol coating for simultaneous relative humidity and temperature measurement, Opt Express, 2015, 23 (12), 1562415634 140 [106] G Wu , W Chen, Y Dai, J Yang, X Tan and H Tian, Application of a type of strain block FBG sensor for strain measurements of squeezing rock in a deep-buried tunnel, Meas Sci Technol., 2017, 28 (11), 115001 [107] C Zhao, Q Jiang and Y Li, A novel biomimetic whisker technology based on fiber Bragg grating and its application, Meas Sci Technol., 2017, 28 (9), 095104 [108] W W Morey, G Meltz, and W H Glenn, Fiber optic Bragg grating sensors, Fiber Optic and Laser Sensors VII, 1989, 1169, 98-107 [109] A Zhang, Y Wu, B Yao, and Y Gong, Optimization Study on GrapheneCoated Microfiber Bragg Grating Structures for Ammonia Gas Sensing, Photonic Sensors, 2015, (1), 84-90 [110] B N Shivananju, S Yamdagni, R Fazuldeen, A K Sarin Kumar, G M Hegde, M M Varma, and S Asokan, CO2 sensing at room temperature using carbon nanotubes coated core fiber Bragg grating, Rev Sci Instrum., 2013, 84 (6), 065002 [111] F Xiang, G Wang, Y Qin, S Yang, X Zhong, J Dai, M Yang, Improved performance of fiber Bragg hydrogen sensors assisted by controllable optical heating system, IEEE Photonics Tech Lett., 2017, 29 (15), 1233-1236 [112] R P Corotti, J Thaler, H J Kalinowski, M Muller, J L Fabris and R C Kamikawachi, Etched FBG written in multimode fibers: sensing characteristics and applications in the liquid fuels sector, J of Microw Optoelectron and Electromagn Appl., 2015, 14 (1), 51-59 [113] R K Musa , S A A Taha , A M Hammadi, Tipped fiber Bragg grating sensor for concentration measurements, Int J Comput Appl Sci IJOCAAS, 2017, (3), 123-127 [114] M S Ferreira, J Bierlich, M Becker, K Schuster, J L Santos and O Frazão, Ultra-high sensitive strain sensor based on post-processed optical fiber Bragg grating, Fibers, 2014, (2), 142-149 [115] D S Weiss, V Sandoghdar, J Hare, V Lefevreseguin, J M Raimond and S Haroche, Splitting of high-Q Mie modes induced by light backscattering in silica microspheres, Opt Lett., 1995, 20 (18), 1835-1837 [116] M L Gorodetsky, A D Pryamikov and V S Ilchenko, Rayleigh scattering 141 in high-Q microspheres, J Opt Soc Am B, 2000, 17 (6), 1051-1057 [117] K Yee, Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1966, 14 (3), 302-307 [118] A Taflove, and S C Hagness, Computational Electrodynamics: The FiniteDifference Time-Domain Method, Artech House, Inc., 2005, Norwood, MA [119] J.-P Berenger, A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves, Journal of Computational Physics, 1994, 114 (2), 185200 [120] S D Gedney, An anisotropic perfectly matched layer absorbing media for the truncation of FDTD lattices, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1996, 44 (12), 1630-1639 [121] M Plihal, and A A Maradudin, Photonic band structure of two-dimensional systems: The triangular lattice, Phys Rev B, 1991, 44 (16), 8565-8571 [122] P R Villeneuve, and M Piches, Photoinc band gaps in two-dimensional square and hexagonal lattices, Phys Rev B, 1992, 46 (8), 4969-4972 [123] R D Meade, K D Brommer, A M Rappe, and J D Joannopoulos, Existence of a photonic band gap in two dimensions, Appl Phys Lett., 1992, 61 (4), 495-497 [124] K Sakoda, Optical Properties of Photonic Crystals, Springer, 2001, Berlin, Germany [125] A Barra, D Cassagne, and C Jouanin, Existence of two-dimensional absolute photonic band gaps in the visible, Appl Phys Lett., 1998, 72 (6), 627-629 [126] H Yu, Q Huang, and J Zhao, Fabrication of an Optical Fiber MicroSphere with a Diameter of Several Tens of Micrometers, Materials, 2014, (7), 4878-4895 [127] S.-B Yan, X.-Q Wang, K Ma, A Zhang, C.-Y Xue, W.-D Zhang, Fabrication and Analysis Optical Microsphere Cavity Based on High Q Erbium-doped, The 8th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, 2013, 957-960 [128] J Yu, E Lewis, G Farrell and P Wang, Compound Glass Microsphere 142 Resonator Devices, Micromachines, 2018, (7), 356 [129] S A H Nekuee, M Akbari, and K Mehrany, A Novel Method for Band Structure Analysis of Photonic Crystal Slabs, IEEE Photonics Journal, 2011, (6), 1111-1122 [130] S G Johnson, P R Villeneuve, S Fan, and J D Joannopoulos, Linear waveguides in photonic-crystal slabs, Physical Review B, 2000, 62 (12), 8212-8222 [131] S G Johnson, S Fan, P R Villeneuve, J D Joannopoulos, and L A Kolodziejski, Guided modes in photonic crystal slabs, Physical Review B, 1999, 60 (8), 5751-5758 [132] Quang Minh Ngo, Pham Thu Nga, Sangin Kim, and Hanjo Lim, Novel Tapers for Slow-Light Coupling in Photonic Crystal Waveguides, 2012 Symposium on Photonics and Optoelectronics, 2012 [133] H Sekoguchi, Y Takahashi, T Asano, and S Noda, Photonic crystal nanocavity with a Q-factor of ~9 million, Opt Express, 2014, 22 (1), 916-924 [134] Y Ding, and R Magnusson, Resonant leaky-mode spectral-band engineering and device applications, Opt Express, 2004, 12 (23), 5661-5674 [135] R Magnusson, and M Shokooh-Saremi, Physical basis for wideband resonant reflectors, Opt Express, 2008, 16 (5), 3456-3462 [136] R W Sabnis, Color filter technology for liquid crystal displays, Displays, 1999, 20 (3), 119-129 [137] M J Uddin, and R Magnusson, Guided-Mode Resonant Thermo-Optic Tunable Filters, Photon Technol Lett IEEE, 2013, 25 (15), 1412-1415 [138] F Cheng, J Gao, L Stan, D Rosenmann, D Czaplewski, and X Yang, Aluminum plasmonic metamaterials for structural color printing, Opt Express, 2015, 23 (11), 14552-14560 [139] M J Uddin and R Magnusson, Highly efficient color filter array using resonant Si3N4 gratings, Opt Express, 2013, 21 (10), 12495-12506 [140] Quang Minh Ngo, Khai Q Le, and Vu Dinh Lam, Optical bistability based on guided-mode resonances in photonic crystal slabs, J Opt Soc Am B, 2012, 29 (6), 1291-1295 [141] W Zhao, D Ju, Y Jiang, and Q Zhan, Dipole and quadrupole trapped 143 modes within biperiodic Silicon particle array realizing threechannel refractive sensing, Opt Express, 2014, 22 (25), 31277-31285 [142] C Dong, Y Xiao, Y Yang, Z Han, G Guo, and L Yang, Directly mapping whispering gallery modes in a microsphere through modal coupling and directional emission, Chinese Opt Lett., 2008, (4), 300-302 [143] F Treussart, J Hare, L Collot, V Lefèvre, D S Weiss, V Sandoghdar, J M Raimond, and S Haroche, Quantized atom-field force at the surface of a microsphere, Opt Lett., 1994, 19 (20), 1651-1653 [144] F Lissillour, D Messager, G Stéphan, and P Féron, Whispering-gallerymode laser at 1.56 m excited by a fiber taper, Opt Lett., 2001, 26 (14), 10511053 [145] C Liao, Q Wang, L Xu, S Liu, J He, J Zhao, Z Li, and Y Wang, DShaped fiber grating refractive index sensor induced by an ultrashort pulse laser, Appl Opt., 2016, 55 (7), 1525-1529 ... ứng dụng 6 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LASER 1.1 Giới thiệu cấu trúc tinh thể quang tử Cấu trúc tinh thể quang tử (PhC) vật liệu điện mơi nhân... Trên sở kết nghiên cứu PhC, việc liên kết buồng cộng hưởng với cấu trúc PhC để phát xạ laser khuếch đại quang hướng cần thiết thể tính định hướng cao công nghệ chế tạo linh kiện quang tử tích... hiệu ứng phát xạ laser khuếch đại quang buồng cộng hưởng liên kết với cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D? ?? Mục tiêu đặt cho luận án bao gồm: - Nghiên cứu, chế tạo vi cầu thủy tinh silica pha tạp Er3+