Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc tinh thể quang tử 1d và 2d ứng dụng cho linh kiện lưỡng trạng thái ổn định tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ  HỒNG THU TRANG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ 1D VÀ 2D ỨNG DỤNG CHO LINH KIỆN LƯỠNG TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH 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: PGS.TS Ngô Quang Minh GS.TS Arnan Mitchell 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 2020 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án Các linh kiện quang tử quang-điện tử cấu trúc micro nano gần quan tâm nghiên cứu nhiều ứng dụng tính vượt trội mạch vi quang-điện tử tích hợp, có tốc độ xử lý nhanh Các tính chất đặc biệt linh kiện quang tử quang-điện tử cấu trúc micro nano hy vọng thực hóa hệ linh kiện có hiệu suất cao, giá thành rẻ, tiêu hao lượng…[1-5] Có hai phương pháp tiếp cận chủ yếu để nâng cao hiệu suất, tính giảm giá thành linh kiện quang tử quang-điện tử: (i) thứ sử dụng cấu trúc cho phần tử tạo nên linh kiện đó; (ii) phương pháp tiếp cận lại việc sử dụng vật liệu tiên tiến với nhiều tính đặc biệt Trong khuôn khổ luận án tiến sỹ ngành khoa học vật liệu, chuyên ngành vật liệu quang học, quang điện tử quang tử, sâu nghiên cứu trình bày việc sử dụng cấu trúc cho vật liệu linh kiện quang tử (cấu trúc nhân tạo) khơng có sẵn tự nhiên, ứng dụng cho thông tin, truyền thông xử lý quang học Ngành khoa học quang tử (Photonics) đời từ năm 80 kỷ XIX [6] phát triển sôi động kỷ XX, đặc biệt từ khám phá loại vật liệu có cấu trúc nhân tạo cấu trúc tinh thể quang tử (Photonic Crystals - PhCs), cấu trúc plasmonics cấu trúc siêu vật liệu (Metameterials-MMs) [7-9] Cấu trúc PhCs cấu trúc tuần hồn khơng gian phần tử có số điện mơi khác xếp tuần hồn xen kẽ Tính tuần hồn chiết suất vật liệu điện mơi làm cho PhCs giam giữ ánh sáng mà khơng bị tiêu hao lượng Ánh sáng/sóng điện từ truyền cấu trúc PhCs tương tác với tuần hồn phần tử có điện mơi khác làm xuất vùng cấm quang (Photonic Band Gap - PBG) Các sóng ánh sáng/sóng điện từ có tần số nằm vùng PBG khơng thể truyền qua cấu trúc PhCs Ngồi ra, dễ dàng giam giữ, điều khiển, định hướng sóng ánh sáng theo phương truyền xác định mà mong muốn Có thể tạo dẫn truyền sóng ánh sáng/sóng điện từ vùng PBG cách tạo buồng cộng hưởng kênh dẫn sóng cấu trúc PhCs Buồng cộng hưởng kênh dẫn sóng phần tử tạo nên linh kiện quang tử quang-điện tử tích hợp chuyển mạch xử lý quang học mà luận án đề cập Cấu trúc PhCs nghiên cứu phát triển rộng khắp giới, bật nhóm nghiên cứu khoa học giáo sư J.D Joannopoulos Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) [10,11] Thành viên nghiên cứu chủ chốt nhóm đến từ khoa như: Vật lý, Khoa học vật liệu, Công nghệ Điện tử-Máy tính, Tốn học…Hàng năm, nhiều cơng trình công bố xuất sắc đăng tải tạp chí khoa học uy tín hàng đầu Science, Nature, Physical Review Letters…Nhiều sản phẩm phần mềm khoa học tính tốn, mơ phỏng giới biết đến sử dụng rộng rãi MIT Photonic Bands (MPB), MIT Electromagnetic Equation Propagation (MEEP) [10,11] Tại Việt Nam, hướng nghiên cứu linh kiện quang tử quang-điện tử sử dụng cấu trúc PhCs vấn đề đã thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học Viện nghiên cứu, Trường Đại học: nhóm nghiên cứu Viện Khoa học vật liệu, Viện Vật lý, Đại học Bách Khoa Hà Nội…[14] Tại Viện Khoa học vật liệu, nhóm nghiên cứu PGS.TS Phạm Văn Hội, PGS.TS Phạm Thu Nga đã chế tạo thành công cấu trúc PhCs 1D 3D [15-17] vật liệu silic xốp silica ứng dụng cho cảm biến đo chất lỏng Ngoài ra, hướng nghiên cứu khác đã phát triển năm gần tập thể nghiên cứu Viện Khoa học vật liệu nghiên cứu tính tốn, mơ phỏng số linh kiện quang tử micro nano sử dụng cấu trúc PhCs 1D 2D, cấu trúc buồng vi cộng hưởng, cấu trúc cộng hưởng plasmon bề mặt định hướng ứng dụng cho linh kiện thông tin quang, linh kiện chuyển mạch xử lý quang học…một số kết tốt đăng tải tạp chí khoa học quốc tế có uy tín [18-21] Hai phương pháp để tính tốn mô phỏng cấu trúc PhCs 1D 2D ứng dụng cho thông tin truyền thông quang học đặc biệt linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định: (i) đạo hàm hữu hạn miền thời gian FDTD (ii) khai triển sóng phẳng PWE Đây hai phương pháp tốn đại, có độ xác cao cho phép giải tốn cụ thể có sử dụng hệ phương trình Maxwell hai miền thời gian miền tần số Hai phương pháp toán nhúng hai phần mềm mã nguồn mở miễn phí, có độ tin cậy cao MEEP MPB, phát triển Viện Công nghệ Massachusetss (Hoa Kỳ) để tính tốn, mơ phỏng vật liệu cấu trúc linh kiện quang tử Cả hai phần mềm MEEP MPB cài đặt hệ thống tính tốn song song hiệu cao phịng thí nghiệm Các kết tính tốn, mơ phỏng khẳng định đắn xác việc xây dựng mơ hình lý thuyết Dựa kết tích cực có thời gian qua gồm lý thuyết, tính tốn mơ phỏng [1826], tơi trình bày nội dung nghiên cứu luận án với tiêu đề là: “Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc tinh thể quang tử 1D 2D ứng dụng cho linh kiện lưỡng trạng thái ổn định.” Mục tiêu nghiên cứu luận án Luận án đặt mục tiêu nghiên cứu xây dựng mơ hình vật lý, đề xuất cấu trúc, tính tốn mơ phỏng linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sử dụng cấu trúc PhCs 1D 2D Ảnh hưởng cấu hình tham số cấu trúc PhCs lên đặc tính hiệu làm việc linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định nghiên cứu cách có hệ thống Các vấn đề mà luận án tập trung giải là: + Tổng quan vật liệu có vùng PBG hay cấu trúc PhCs tính chất đặc trưng linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định + Đề xuất mơ hình cấu trúc linh kiện quang tử mới, tính tốn lý thuyết tham số đặc trưng so sánh với kết mơ phỏng + Nghiên cứu tính tốn mơ phỏng cách có hệ thống để xác định tham số tối ưu cấu trúc PhCs 1D 2D ứng dụng cho linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định: hệ số phẩm chất Q cao, cường độ quang cho chuyển mạch thấp thời gian chuyển mạch nhanh + Đề xuất thiết kế số cấu trúc kết hợp để nâng cao hiệu suất đặc tính linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định Các nội dung nghiên cứu luận án + Thiết kế khảo sát đặc trưng linh kiện quang sử dụng cấu trúc PhCs 1D 2D + Tối ưu hóa tham số cấu trúc phổ cộng hưởng cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng nhằm tăng hệ số phẩm chất Q giảm cường độ quang đầu vào cho chuyển mạch + Khảo sát đặc trưng lưỡng trạng thái quang ổn định cấu trúc cách tử dẫn sóng sau tối ưu hóa + Thiết kế cấu trúc gồm kênh dẫn sóng buồng cộng hưởng dạng khe hẹp sử dụng cấu trúc PhCs 2D vật liệu SOH Điểm khác biệt nội dung nghiên cứu luận án: + Hiện Việt Nam, có đề tài, luận án sâu nghiên cứu vật liệu có vùng cấm quang (cấu trúc PhCs) ứng dụng cho thông tin quang học, thiếu trang thiết bị cần thiết để chế tạo mẫu Luận án xem đầu nghiên cứu tính tốn, mơ phỏng linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sử dụng cấu trúc PhCs 1D 2D Việt Nam + Luận án sử dụng phương pháp tính tốn mơ phỏng đại, có độ xác cao để kiểm chứng kết mơ hình lý thuyết, luận án góp phần làm tăng thêm tính học thuật nghiên cứu trình độ cao Luận án chia làm chương sau: Chương Tổng quan Chương Phương pháp tính tốn mơ phỏng Chương Tối ưu hóa hệ số phẩm chất phổ cộng hưởng cấu trúc cách tử dẫn sóng Chương Lưỡng trạng thái quang ổn định cấu trúc cách tử dẫn sóng Chương Lưỡng trạng thái quang ổn định dựa tương tác cộng hưởng dẫn sóng khe hẹp cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Cấu trúc tinh thể quang tử Khái niệm cấu trúc PhCs đưa hai nhà khoa học Yablonovitch John năm 1987 [7] PhCs cấu trúc tuần hồn khơng gian vật liệu có số điện mơi khác xếp xen kẽ Do tính chất tuần hoàn chiết suất dẫn tới cấu trúc PhCs xuất vùng PBG Tùy thuộc vào số chiều tuần hoàn mà cấu trúc PhCs chia thành ba loại: PhCs 1D, 2D 3D trình bày Hình 1.1 Hình 1.1 Ba loại cấu trúc PhCs (a) 1D, (b) 2D (c) 3D [27] 1.2 Linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định Hai tính chất cần có để tạo nên linh kiện lưỡng trạng thái quang là: Tính phi tuyến phản hồi Cả hai tính chất có quang học Xét hệ quang học tổng qt Hình 1.33, hệ có đặc trưng Hình 1.33 Mối quan hệ - vào hệ lưỡng trạng thái quang ổn định Đường đứt nét biểu diễn trạng thái không ổn định [85] lưỡng trạng thái ổn định: cường độ kênh vào nhỏ (Ivào <  ) lớn (Ivào >  ) giá trị cường độ kênh tương ứng với giá trị cường độ kênh vào, vùng trung gian  < Ivào <  giá trị cường độ kênh vào ứng với giá trị cường độ kênh CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN VÀ MÔ PHỎNG 2.1 Lý thuyết ghép cặp mode theo thời gian (CMT) Dựa lý thuyết mạch dao động cộng hưởng LC, đưa biểu thức phụ thuộc biên độ điện áp vào thời gian Đây phương pháp dùng để tính tốn phổ truyền qua, phổ phản xạ cấu trúc kết hợp cộng hưởng kênh dẫn sóng 2.2 Phương pháp khai triển sóng phẳng (PWE) Để khai thác tính chất đặc biệt cấu trúc PhCs, đòi hỏi cần phương pháp tính tốn để xác định xác vùng PBG Một phương pháp nghiên cứu sử dụng nhiều phương pháp khai triển sóng phẳng (Plane-Wave-Expansion, PWE) Phương pháp cho phép giải phương trình véc tơ sóng đầy đủ cho trường điện từ, tính tốn tần số riêng cấu trúc PhCs với độ xác cao Ngồi cịn sử dụng để tính tốn giản đồ lượng, vùng PBG 2.3 Phương pháp đạo hàm hữu hạn miền thời gian (FDTD) Phương pháp FDTD nằm nhóm tổng quát phương pháp mô phỏng số miền thời gian vi phân dựa việc tạo lưới Các phương trình Maxwell phụ thuộc thời gian (ở dạng vi phân) rời rạc hóa việc sử dụng phép gần sai phân trung tâm vào đạo hàm riêng theo khơng gian thời gian Các phương trình đạo hàm hữu hạn thu giải phần mềm phần cứng theo thuật tốn nhảy cóc Phương pháp nhằm cung cấp sở toán học cho việc tính tốn, mơ phỏng đặc trưng linh kiện sử dụng cấu trúc PhCs như: phổ truyền qua, giản đồ lượng, đặc trưng lưỡng trạng thái quang ổn định CHƯƠNG TỐI ƯU HÓA HỆ SỐ PHẨM CHẤT VÀ PHỔ CỘNG HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC CÁCH TỬ DẪN SĨNG 3.3 Tối ưu hóa tham số cấu trúc phổ cộng hưởng Trong phần này, phương pháp để tối ưu hóa hệ số phẩm chất phổ cộng hưởng cấu trúc cách tử dẫn sóng đưa 3.3.1 Cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng kết hợp với màng mỏng kim loại Trên sở nghiên cứu cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng, thấy để tăng cường hệ số phẩm chất Q độ ăn mòn cách tử phải giảm, giới hạn cơng nghệ chế tạo độ ăn mịn cách tử khơng thể q mỏng (< 10 nm) Do đó, tơi đã tối ưu hóa cấu trúc đơn cách tử cách thêm vào phiến cách tử dẫn sóng đế thủy tinh lớp kim loại (Ag) đủ dày (> 50 nm) Lớp kim loại có chức gương phản xạ, ánh sáng phản xạ ghép cặp với mode dẫn bên cách tử tăng cường điện trường bề mặt kim loại với điều kiện độ ăn mòn cách tử phân cực TE nguồn sáng chiếu tới [23] Kết thu với cấu trúc cách tử cho hệ số tăng cường Q lớn 1, chứng tỏ cấu trúc có hệ số phẩm chất Q cao cấu trúc đơn cách tử mà chưa đưa lớp Ag vào Như cách kết hợp với màng mỏng kim loại hệ số phẩm chất Q đã tăng cường Hình 3.23 Sự phụ thuộc đỉnh cộng hưởng hệ số phẩm chất vào số cặp lớp N (a) dải bước sóng dài (b) dải bước sóng ngắn CHƯƠNG LƯỠNG TRẠNG THÁI QUANG ỔN ĐỊNH TRONG CẤU TRÚC CÁCH TỬ DẪN SÓNG Sau đã tối ưu hệ số phẩm chất phổ cộng hưởng cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng trình bày chương 3, chương khảo sát đặc trưng lưỡng trạng thái quang ổn định cấu trúc đã tối ưu 4.1 Lưỡng trạng thái quang ổn định cấu trúc cách tử dẫn sóng kết hợp với màng mỏng kim loại Vật liệu As2S3 có hệ số Kerr n2 = 3,12x10-18 m2/W (χ(3) = 1,34x1010 ) Để quan sát hoạt động lưỡng trạng thái quang ổn định tần số hoạt động tần số cộng hưởng phải thỏa mãn điều kiện sau [66]: 0     (4.1) với, τ thời gian sống Do đó, tơi đã chọn bước sóng hoạt động 20% phổ phản xạ đối xứng dạng Lorentzian Các đặc trưng chuyển mạch cấu trúc cách tử dẫn sóng nhờ tăng cường phản xạ màng mỏng kim loại đưa Bảng 4.1 Độ dày lớp kim loại Ag chọn d = 100 nm để cực đại hệ số phản xạ 12 Bảng 4.1 Đặc trưng chuyển mạch cấu trúc cách tử kết hợp với màng mỏng kim loại Ag có độ dày d = 100 nm Độ ăn mòn cách tử, δ (nm) 30 50 80 100 120 1574,75 1560,61 1524,51 1516,81 1494,55 Hệ số phẩm chất, Q 676,1 506,5 353,9 316,7 293,3 Hệ số tăng cường Q (lần) 0,71 1,55 2,97 4,12 5,56 Tỷ lệ giảm cường độ chuyển 0,42 2,57 10,7 24,5 45,0 Bước sóng cộng hưởng (nm) mạch Bảng 4.1 cho thấy rằng, nhờ tăng cường phản xạ màng mỏng kim loại mà hệ số phẩm chất Q đã tăng 5,56 lần cường độ chuyển mạch đã giảm 45 lần so sánh với cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng thơng thường độ ăn mịn cách tử 120 nm 4.2 Lưỡng trạng thái quang ổn định cấu trúc ghép hai đơn cách tử dẫn sóng Các đặc trưng lưỡng trạng thái quang ổn định phụ thuộc vào khoảng cách d khác nhau: d = 50 nm, 100 nm, 170 nm 300 nm đưa Hình 4.5 Cường độ chuyển mạch giá trị d tương ứng là: 1427,1MW/cm ;104,1MW/cm2; 16,2 MW/cm2; 2,2 MW/cm2; hệ số phẩm chất Q thu tương ứng là: Q = 2104, 2543, 3759, Hình 4.5 Lưỡng trạng thái quang ổn định cấu trúc ghép hai đơn cách tử xếp thẳng hàng (s = 0) khoảng cách hai cách tử d thay đổi 8522; hệ số bất đối xứng thu q = 1,609; 1,110; 0,835; 0,655 Trái ngược với 13 cộng hưởng đối xứng dạng Lorentzian, cường độ chuyển mạch cộng hưởng bất đối xứng Fano không tuân theo tỷ lệ 1/Q2 Chúng ta thấy rằng, hệ số phẩm chất Q thay đổi cường độ chuyển mạch thay đổi nhiều thay đổi hệ số bất đối xứng q Hệ số phẩm chất Q tăng gấp lần cường độ chuyển mạch giảm 648,7 lần 4.3 Lưỡng trạng thái quang ổn định cấu trúc cách tử dẫn sóng dựa màng mỏng đa lớp Đối với cấu trúc cách tử dẫn sóng dựa màng mỏng đa lớp, hoạt động lưỡng trạng thái quang ổn định phụ thuộc vào cường độ quang đầu vào đưa Hình 4.9 Hình 4.9 Lưỡng trạng thái quang ổn định cấu trúc trường hợp N = với độ rộng khe cách tử w = 30 nm (Hình a,c) w = 150 nm (Hình b,d) hoạt động dải bước sóng dài (Hình a,b) dải bước sóng ngắn (Hình c,d) Hình 4.9a,b mô tả hiệu ứng lưỡng trạng thái quang ổn định trường hợp hệ số bất đối xứng q < 0, cho thấy rằng, nhánh (đường 14 màu xanh) thu cách tăng dần cường độ quang đầu vào từ thấp đến cao Khi cường độ quang đầu vào tăng hệ số truyền qua giữ nguyên trạng thái thấp đến giá trị ngưỡng tăng đột ngột Nhánh (đường màu đỏ) quan sát cách giảm cường độ quang đầu vào hệ số truyền qua tăng lên mức cực đại (~ 100%) sau giảm mạnh xuống trạng thái thấp Hình 4.9c,d mơ tả hiệu ứng lưỡng trạng thái quang ổn định trường hợp hệ số bất đối xứng q > chế ngược lại Tiếp theo, Hình 4.10 mơ tả phụ thuộc cường độ chuyển mạch (theo đơn vị MW/cm2 1/n2) vào hệ số phẩm chất Q Chúng ta thấy rằng, hệ số phẩm chất Q tăng, cường độ chuyển mạch giảm theo tỷ lệ 1/Q2,4 1/Q2,3 lần Như đã đưa Hình 4.10 Sự phụ thuộc cường độ chuyển mạch vào hệ số phẩm chất Q trường hợp số cặp lớp N = trên, cường độ chuyển mạch phổ đối xứng dạng Lorentzian giảm tỷ lệ 1/Q Như nhận xét rằng, cường độ chuyển mạch phổ cộng hưởng bất xứng dạng Fano giảm nhanh phổ cộng hưởng đối xứng dạng Lorentzian hệ số phẩm chất Q 15 CHƯƠNG LƯỠNG TRẠNG THÁI QUANG ỔN ĐỊNH DỰA TRÊN SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA CỘNG HƯỞNG VÀ DẪN SÓNG KHE HẸP TRONG CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ HAI CHIỀU 5.1 Linh kiện quang tử cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều vật liệu silic Phiến SOI (Silicon-On-Insulator) trở thành tảng vật liệu quang tử silic số ưu điểm sau [128,129]: (i) phát huy mặt mạnh công nghệ linh kiện điện tử đã hoàn thiện vật liệu silic tinh thể, (ii) giá thành vật liệu tương đối rẻ, bền hoạt động chủ động đưa kích thước linh kiện xuống đến vài chục nano-mét (iii) chênh lệch cao chiết suất silic tinh thể silic oxit, giúp dẫn ánh sáng hiệu Vật liệu quang tử silic hứa hẹn chế tạo mạch quang tích hợp (Photonic Integrated Circuits – PICs) phiến SOI lớn Việc tích hợp vật liệu phiến SOI lớn cần thiết, ví dụ giảm thiểu tác động sóng mang tự cảm biến quang học Kỹ thuật chế tạo phiến SOI tương thích với cơng nghệ CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) thu độ xác cao 5.2 Kênh dẫn sóng buồng cộng hưởng dạng khe hẹp Để giảm thời gian tính tốn mà khơng làm giảm độ xác kết mô phỏng, sử dụng phương pháp ước lượng chiết suất hiệu dụng phiến PhCs để đưa cấu trúc linh kiện phiến PhCs linh kiện có cấu trúc PhCs 2D 16 Các tham số phiến SOH (Silicon Organic Hybrid – SOH) đưa sau: chiết suất phiến silic nSi = 3,48; bề dày phiến silic d = 220 nm chiết suất vật liệu hữu DDMEBT nDDMEBT = 1,8, đã tìm chiết suất hiệu dụng phiến SOH n = 2,9812 Hình 5.8a cấu trúc kênh Hình 5.5 Giản đồ liên hệ hệ số truyền sóng chiết suất hiệu dụng cấu trúc dẫn sóng dạng khe hẹp có độ rộng khe hẹp d = 50 nm với tham số cấu trúc sau: chiết suất hiệu dụng phiến SOH n = 2,9812, số mạng a = 380 nm, bán kính hình trụ khơng khí r = 0,3a, chiết suất vật liệu hữu DDMEBT nDDMEBT = 1,8 điền đầy vào hố Hình 5.8 (a) Kênh dẫn sóng dạng khe hẹp có độ rộng khe hẹp d, (b) Giản đồ lượng kênh dẫn sóng, (c) Phân bố điện trường bên kênh dẫn sóng Hình 5.11a buồng cộng hưởng có độ rộng khe hẹp trung tâm d = 50 nm, chiều dài khe hẹp trung tâm L Độ rộng khe hẹp tăng dần khoảng 10 nm/a đạt độ rộng vách 17 ngăn sóng điện từ d = 120 nm Hình 5.11b phân bố điện trường bên buồng cộng hưởng có chiều dài khe hẹp L = 1a Với cấu trúc buồng cộng hưởng này, thu hệ số phẩm chất Q = 2403 Tương tự Hình 5.11c Hình 5.11 (a) Buồng cộng hưởng dạng khe hẹp, (b, c, d) phân bố điện trường bên buồng cộng hưởng có chiều dài khe hẹp L = 1a, 3a 5a Hình 5.11d phân bố điện trường bên buồng cộng hưởng có chiều dài khe hẹp L = 3a L = 5a tương ứng hệ số phẩm chất Q = 6161 Q = 9163 5.3 Sự tương tác buồng cộng hưởng kênh dẫn sóng dạng khe hẹp 5.3.1.1 Mơ hình lý thuyết Hình 5.12 mơ hình n buồng cộng hưởng giống ghép trực tiếp với thông qua kênh dẫn sóng Hình 5.12 Mơ hình n buồng cộng hưởng ghép trực tiếp với thông qua kênh dẫn sóng Để phân tích ghép nối tiếp n buồng cộng hưởng Hình 5.12, tơi sử dụng lý thuyết CMT Để đơn giản, giả sử buồng cộng hưởng có tần số cộng hưởng độ suy hao theo thời gian tương ứng ωo 1/τ s+1 s-1 biên độ sóng tới sóng phản xạ buồng cộng hưởng thứ nhất; s+n s-n tương ứng biên độ sóng 18 tới sóng phản xạ buồng cộng hưởng thứ n; |a|2 |s|2 lượng buồng cộng hưởng sóng Sự phụ thuộc biên độ sóng theo thời gian đưa sau: da1  [ j  (0   )  ]  a1    a2  k  s1 dt  dai  j  (0    )     1    1 với < i < n dt dan  [ j  (0   )  ]  an    an 1  k  s n dt  Ở hệ số ghép sóng buồng cộng hưởng cho hệ số k  e j  /  δ µ độ dịch chuyển tần số cộng hưởng hệ số ghép hiệu dụng, với   cot g  /      j  ,  góc sin   lệch pha hai cộng hưởng gần Giả sử hệ xét khơng có tác động từ bên ngoài, nên s+n = Sử dụng phương pháp CMT, hệ số truyền qua cho công thức: s T ( )   n s1 fn  n k*  k   fi j        1/     f i 2 an   an 1 j        1/  a fi  i  1 j       /   fi 1  tần số chuẩn hóa từ tần số cộng hưởng,  =  - o 19 (5.11) (5.12) Sử dụng phương trình (5.11), phổ truyền qua buồng cộng hưởng đưa Hình 5.13 Hình 5.13a phổ truyền qua cấu trúc độ lệch pha φ = π/2 Chúng ta thấy rằng, cấu trúc có số lượng buồng cộng hưởng khác có chung tần số cộng hưởng trung tâm,  = Khi độ lệch pha   /2, phổ Hình 5.13 Phổ truyền qua lý thuyết buồng cộng hưởng: (a)  = π/2, (b)  = π/3, (c)  = 2π/3 (d) năm buồng cộng hưởng với độ lệch pha  khác cộng hưởng trở lên bất đối xứng độ sâu đáy cộng hưởng tăng dần số buồng cộng hưởng tăng Phổ truyền qua độ lệch pha   /2 có bán độ rộng phổ hẹp hơn, điều tốt để ứng dụng linh kiện chuyển mạch Nhưng độ lệch pha φ = π/2 có phổ truyền qua đối xứng, để đơn giản nghiên cứu thiết kế cấu trúc buồng cộng hưởng trường hợp độ lệch pha φ = π/2 5.3.1.2 Kết mơ Hình 5.14 cấu trúc năm buồng cộng hưởng tương tác với thông qua kênh dẫn sóng dạng khe hẹp mơ phỏng cách sử dụng phương pháp mô phỏng FDTD với tham số cấu trúc vật liệu giữ nguyên 20 Hình 5.14 Cấu trúc năm buồng cộng hưởng kết nối trực tiếp với thông qua kênh dẫn sóng dạng khe hẹp chi tiết buồng cộng hưởng (hình phụ) Hình 5.15a phổ truyền qua mơ phỏng cấu trúc có số lượng buồng cộng hưởng khác sử dụng phương pháp FDTD Hình 5.15 (a) Phổ truyền qua mô phỏng sử dụng phương pháp FDTD (b) Đường cong làm khớp theo hàm Fano cho trường hợp cấu trúc có ba năm buồng cộng hưởng Chúng ta thấy rằng, bước sóng cộng hưởng nằm vùng thơng tin quang Khi cấu trúc có số lượng buồng cộng hưởng tăng lên, phổ truyền qua khơng cịn dạng phổ Lorentzian Đỉnh phổ cộng hưởng quan tâm nằm phía ngồi có bán độ rộng phổ hẹp, tơi đã sử dụng phương pháp làm khớp theo hàm Fano [160] để ước lượng hệ số phẩm chất Q cộng hưởng R( )  F (  q)2 1  (5.13) Phân bố lượng điện trường cấu trúc có số lượng buồng cộng hưởng 1, minh họa Hình 5.16 21 Hình 5.16 Phân bố lượng điện trường cấu trúc có buồng cộng hưởng (a), ba buồng cộng hưởng (b) năm buồng cộng hưởng (c) tương ứng với bước sóng cộng hưởng λ1 = 1555,28 nm, λ3 = 1555,38 nm λ5 = 1555,46 nm KẾT LUẬN CHUNG Luận án “Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc tinh thể quang tử 1D 2D ứng dụng cho linh kiện lưỡng trạng thái ổn định” đã thực Học viện Khoc học Công nghệ, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam Luận án đã có số đóng góp cho nghiên cứu nâng cao nói chung lĩnh vực nghiên cứu linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sử dụng cấu trúc PhCs nói riêng Bằng cách sử dụng tính tốn lý thuyết kết hợp với phương pháp mô phỏng FDTD, đã thiết kế khảo sát đặc trưng linh kiện quang sử dụng cấu trúc PhCs 1D 2D Đã tối ưu hóa tham số cấu trúc phổ cộng hưởng cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng nhằm tăng hệ số phẩm chất Q giảm cường độ quang đầu vào cho chuyển mạch: + Đầu tiên cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng kết hợp với màng mỏng kim loại, kết thu hệ số tăng cường hệ số phẩm chất Q 22 >1, điều chứng tỏ cấu trúc đã có hệ số phẩm chất Q cao cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng Đồng thời, với thay đổi phân cực ánh sáng tới từ TE sang TM đã làm xuất hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt, điều giúp thu hệ số phẩm chất Q cao + Thứ hai cấu trúc ghép hai đơn cách tử dẫn sóng, đã thay đổi hình dạng phổ cộng hưởng từ đối xứng dạng Lorentzian sang bất đối xứng dạng Fano Phổ bất đối xứng dạng Fano có chênh lệch mức thấp mức cao xảy nhanh, điều hữu ích ứng dụng cho hoạt động chuyển mạch + Thứ ba cấu trúc cách tử dẫn sóng dựa màng mỏng đa lớp, đã thu phổ cộng hưởng bất đối xứng dạng Fano với hai bên cộng hưởng giữ nguyên không thay đổi, bán độ rộng phổ đỉnh phổ cộng hưởng có thay đổi độ rộng khe cách tử thay đổi Điều giúp dễ dàng nội suy kết ghép nhiều cặp lớp N >3 Khi ghép nhiều lớp hệ số phẩm chất Q thu cao Đưa đặc trưng lưỡng trạng thái quang ổn định cấu trúc cách tử dẫn sóng sau tối ưu hóa: + Đối với cấu trúc cách tử dẫn sóng kết hợp với màng mỏng kim loại, nhờ tăng cường phản xạ màng mỏng kim loại cường độ quang đầu vào cho chuyển mạch đã giảm 45 lần độ ăn mòn cách tử 120 nm độ dày lớp kim loại Ag d = 100 nm + Đối với cấu trúc ghép hai đơn cách tử dẫn sóng xếp thẳng hàng (s = 0), khoảng cách d tăng từ 50 nm tới 300 nm hệ số phẩm chất Q tăng gấp lần cường độ chuyển mạch giảm 648,7 lần 23 + Đối với cấu trúc cách tử dẫn sóng dựa màng mỏng đa lớp, phụ thuộc cường độ quang đầu vào cho chuyển mạch khơng cịn giảm theo tỷ lệ 1/Q2 (cộng hưởng đối xứng dạng Lorentzian) mà đã giảm với tỷ lệ ~ 1/Q2,4 (cộng hưởng bất đối xứng dạng Fano) Như vậy, với cấu trúc cách tử dẫn sóng dựa màng mỏng đa lớp đã giảm cường độ quang đầu vào cho chuyển mạch cách đáng kể Đã thiết kế cấu trúc gồm kênh dẫn sóng buồng cộng hưởng dạng khe hẹp sử dụng cấu trúc PhCs 2D vật liệu SOH Kết cho thấy ghép nhiều buồng cộng hưởng kênh dẫn sóng với hệ số phẩm chất Q lớn Đồng thời đưa đặc trưng lưỡng trạng thái quang ổn định cấu trúc 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ I Các báo đăng tạp chí quốc tế ISI [1] Thu Trang Hoang, Quang Minh Ngo, Dinh Lam Vu, Hieu P.T.Nguyen (2018), Controlling Fano resonances in multilayer dielectric gratings towards optical bistable devices, Scientific Reports, pp 8:16404 [2] Thu Trang Hoang, Quang Minh Ngo, Dinh Lam Vu, Khai Q Le, Truong Khang Nguyen, Hieu P T Nguyen (2018), Induced highorder resonance linewidth shrinking with multiple coupled resonators in silicon-organic hybrid slotted two-dimensional photonic crystals for reduced optical switching power in bistable devices, Journal of Nanophotonics, 12: pp 016014 [3] Thu Trang Hoang, Khai Q Le, Quang Minh Ngo (2015), Surface plasmon-assisted optical switching/bistability at telecommunication wavelengths in nonlinear dielectric gratings, Current Applied Physics, 15: pp 987-992 [4] Quang Minh Ngo, Khai Q Le, Thu Trang Hoang, Dinh Lam Vu, and Van Hoi Pham (2015), Numerical investigation of tunable Fanobased optical bistability in coupled nonlinear gratings, Optics Communications, 338: pp 528-533 II Bài báo đăng tạp chí nước [5] Hồng Thu Trang Ngô Quang Minh (2018), Nghiên cứu lọc quang học bậc cao dựa ghép nối tiếp nhiều cộng hưởng qua khe dẫn sóng hẹp cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều, Tạp chí Khoa học Công nghệ Việt Nam, 60: pp 5-8 III Bài báo đăng kỷ yếu hội nghị quốc tế có mã chuẩn ISSN 25 [6] Thu Trang Hoang and Quang Minh Ngo (2017), Fano resonances in nonlinear photonic structures and its applications for optical bistability/switching, the 8th International Conference on Metamaterials, Photonic Crsystals and Plasmonics, META Publishing, pp 1236-1244, ISSN: 2429 -1390 IV Bài báo đăng kỷ yếu hội nghị khoa học chuyên ngành [7] Hoàng Thu Trang Ngô Quang Minh (2018), Lưỡng ổn định quang dựa cộng hưởng mode dẫn sóng Fano phiến tinh thể quang tử phi tuyến, Advances in Applied and Engineering Physics - CAEPV, pp 240-245 [8] Hoang Thu Trang, Ngo Quang Minh, and Arnan Mitchell (2017), Dependence of Fano-like guided-mode resonances on the structural parameters of photonic crystal slabs, Advances in Optics, Photonics, Spectroscopy and Applications IX, pp 185-188 [9] Hoang Thu Trang and Ngo Quang Minh (2015), Design of optical filters in slotted photonic crystal waveguides, the 4th Academic conference on Natural Science for Young Scientists, Mater & PhD Students from Asean Countries, pp 112-115 [10] Hoang Thu Trang, and Ngo Quang Minh (2015), Higher order optical filters based on coupled multiple resonators in slot photonic crystal waveguides, the 4th International Conference on Applied and Engineering Physics (ICAEP), pp.173-176 26 ... hưởng cấu trúc cách tử dẫn sóng Chương Lưỡng trạng thái quang ổn định cấu trúc cách tử dẫn sóng Chương Lưỡng trạng thái quang ổn định dựa tương tác cộng hưởng dẫn sóng khe hẹp cấu trúc tinh thể quang. .. nm, λ3 = 1555,38 nm λ5 = 1555,46 nm KẾT LUẬN CHUNG Luận án ? ?Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc tinh thể quang tử 1D 2D ứng dụng cho linh kiện lưỡng trạng thái ổn định? ?? đã thực Học viện Khoc học Công... CHƯƠNG LƯỠNG TRẠNG THÁI QUANG ỔN ĐỊNH DỰA TRÊN SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA CỘNG HƯỞNG VÀ DẪN SÓNG KHE HẸP TRONG CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ HAI CHIỀU 5.1 Linh kiện quang tử cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều