Nghiên cứu và chế tạo bộ lọc quang (băng rộng và băng hẹp) dựa trên màng đa lớp silic xốp

Nghiên cứu và chế tạo bộ lọc quang (băng rộng và băng hẹp) dựa trên màng đa lớp silic xốp Nguyễn Thúy Vân Trƣờng Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Bùi Huy Năm bảo vệ: 2011

Nghiên cứu và chế tạo bộ lọc quang (băng rộng và băng hẹp) dựa trên màng đa lớp silic xốp Nguyễn Thúy Vân Trƣờng Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Bùi Huy Năm bảo vệ: 2011 Abstract: Tổng quan về tinh thể quang tử và tinh thể quang tử một chiều dựa trên silic xốp. Tiền hành mô phỏng các đặc tính quang học của bộ lọc quang. Trình bày các kết quả thực nghiệm chế tạo bộ lọc quang học giao thoa dựa trên quang tử một chiều và mô phỏng Keywords: Điện tử - Viễn thông; Kỹ thuật điện tử; Bộ lọc quang; Màng đa lớp silic xốp Content MỞ ĐẦU Tinh thể quang tử là một loại vật liệu mới có nhiều nét tƣơng đồng tinh thể bán dẫn - một vật liệu làm nên cuộc cách mạng mới về sự phát triển của công nghiệp vi điện tử (IC). Chính nhờ sự phát triển của ngành công nghiệp này chúng ta đã chế tạo đƣợc những máy tính cá nhân gọn, nhẹ với tốc độ cao, những hệ thống thông tin viễn thông siêu tốc băng thông rộng. Tinh thể quang tử là một cấu trúc không gian tuần hoàn của các vật liệu có hằng số điện môi khác nhau. Sự biến đổi tuần hoàn của hằng số điện môi làm xuất hiện vùng cấm quang (photonic bandgap - PBG) trong cấu trúc vùng (đƣợc hiểu là mối liên hệ giữa tần số và số sóng) của tinh thể quang tử. PBG trong tinh thể quang tử có vai trò giống nhƣ vùng cấm về năng lƣợng trong tinh thể điện tử. Chúng ta có thể sử dụng tinh thể quang tử để điều khiển, giam giữ và kiểm soát ánh sáng trong không gian ba chiều. Tinh thể quang tử có thể cấm hoàn toàn các sóng điện từ có bƣớc sóng trong PBG lan truyền qua nó mà không phụ thuộc vào sự phân cực của ánh sáng. Tinh thể quang tử có thể tạo ra sự dẫn sóng ít bị mất mát năng lƣợng để hƣớng dòng ánh sáng truyền theo một hƣớng cụ thể (thậm chí với những chỗ rẽ cong đến 90 0 )… Trên thực tế, tinh thể quang tử đƣợc xem nhƣ linh kiện then chốt cho các mạch tích hợp quang trong thông tin quang và các hệ thống máy tính lƣợng tử trong tƣơng lai. Với khả năng kiểm soát sự lan truyền và bức xạ tự phát ánh sáng, tinh thể quang tử có ảnh hƣởng to lớn đến sự phát triển công nghệ 2 chế tạo các bộ lọc quang, các chuyển mạch quang tốc độ cao, các hốc quang, các điốt quang, các laser ngƣỡng thấp, các ống dẫn sóng với các nhánh rẽ ánh sáng đột ngột ứng dụng trong thông tin quang và các sensor hóa, sinh học… Trong các loại tinh thể quang tử, tinh thể quang tử một chiều là loại tinh thể đơn giản nhất. Tuy nhiên tinh thể một chiều lại có những ƣu điểm riêng nhƣ dễ dàng chế tạo hơn, có thể sử dụng để nghiên cứu một số khía cạnh của tinh thể quang tử nhiều chiều hơn và có thể dẫn đến những ứng dụng và các linh kiện mà chúng không yêu cầu phải cấm hoàn toàn (về mọi hƣớng) sự lan truyền qua hay bức xạ ánh sáng. Tinh thể quang tử một chiều với chiết suất đồng nhất trong mỗi lớp đƣợc biết đến dƣới tên gọi là tấm phản xạ Bragg phân bố hay thông dụng hơn là bộ lọc quang học giao thoa. Loại bộ lọc này là một trong các linh kiện quang học khá thông dụng, trƣớc đây thƣờng đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp phún xạ hay bay hơi nhiệt một cách lần lƣợt các oxít để tạo ra màng mỏng đa lớp có chiết suất thay đổi tuần hoàn. Ngày nay, dựa trên công nghệ điện hóa phiến silic chúng ta có thể chế tạo đƣợc màng silic xốp đa lớp có tính năng nhƣ một bộ lọc quang học giao thoa. Các bộ lọc quang băng rộng hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ Bragg chế tạo từ màng silic xốp đa lớp có thể đạt đƣợc độ rộng phổ từ vài chục đến vài trăm nano mét. Trên cơ sở bộ lọc quang băng rộng này, chúng ta có thể chế tạo đƣợc các bộ lọc băng hẹp có độ rộng phổ chỉ vài nano mét với độ suy hao thấp dƣới dạng các buồng vi cộng hƣởng. Ƣu điểm của các bộ lọc chế tạo bằng phƣơng pháp này là tích hợp thuận lợi với công nghệ vi điện tử để tạo ra mạch tích hợp quang với vùng phổ hoạt động đƣợc trải rộng từ nhìn thấy, qua hồng ngoại đến tận vùng siêu vi ba. Với những lý do trên và đồng thời dựa vào trang thiết bị hiện có của phòng thí nghiệm tôi đã chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là: “Nghiên cứu và chế tạo bộ lọc quang (băng rộng và băng hẹp) trên cơ sở màng đa lớp silic xốp.” Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có ba chƣơng với nội dung nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về tinh thể quang tử một chiều Chƣơng 2: Mô phỏng các đặc tính quang học của bộ lọc quang Chƣơng 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU 1.1 Tinh thể quang tử 1.1.1 Khái niệm tinh thể quang tử: 3 Tinh thể quang tử là một cấu trúc tuần hoàn trong không gian của các vật liệu với hằng số điện môi khác nhau đƣợc sắp xếp xen kẽ nhau, có chiết suất thay đổi theo chu kỳ trên một thang chiều dài có thể so sánh đƣợc với bƣớc sóng ánh sáng đang đƣợc nghiên cứu. 1.1.2 Các đặc tính và thông số quan trọng của tinh thể quang tử Tinh thể quang tử đƣợc đăc trƣng bởi một số thông số cơ bản sau: Số chiều, sự đối xứng, hằng số mạng (a), hệ số lấp đầy (f), chiết suất hiệu dụng (n eff ), sự tƣơng phản chiết suất (δ) 1.1.3 Các ứng dụng của tinh thể quang tử Sử dụng nhƣ các chuyển mạch quang học, bộ nhớ quang học, pin quang-điện-hóa… Tinh thể quang tử một chiều( 1D) đƣợc sử dụng trong việc kiểm soát và điều chỉnh ánh sáng ở mức độ chính xác cỡ bƣớc sóng, nhƣ việc tạo ra tinh thể quang tử 1D đƣợc sử dụng nhƣ những bộ lọc quang học, ống dẫn sóng, cảm biến sinh học… 1.2 Tinh thể quang tử một chiều dựa trên silic xốp 1.2.1 Tinh thể quang tử một chiều đƣợc thiết kế nhƣ một bộ lọc giao thoa a. Bộ lọc quang giao thoa băng rộng – Gƣơng phản xạ Bragg (Distributed Bragg Reflectors) Bộ lọc băng rộng hay gƣơng phản xạ Bragg là hệ gồm nhiều lớp điện môi hoạt động dựa trên hiện tƣợng nhiễu xạ Bragg của một chùm ánh sáng sau khi phản xạ tại mặt phân cách giữa các lớp điện môi. Mô hình đơn giản của hiện tƣợng nhiễu xạ đƣợc trình bày trong hình 1.6 [9],[15], trong đó màng mỏng bao gồm nhiều cặp lớp giống hệt nhau, mỗi cặp lớp gồm hai lớp có chiết suất n 1 và n 2 khác nhau tƣơng ứng với độ dày d 1 , d 2 . Hình 1.6: (a) Tia phản xạ và tia truyền qua trong trường hợp màng đơn lớp và (b) trong trường hợp màng đa lớp Bộ lọc dải rộng đƣợc sử dụng nhiều nhất là bộ lọc (Gƣơng phản xạ Bragg - DBR) phần tƣ bƣớc sóng, đó là loại bộ lọc có độ dài quang học của các lớp là n H .h H =n L h L =λ/4 và chu kỳ của cấu trúc là Λ=h H +h L 4 Hình 1.8 Hình minh họa của các hiệu ứng phản xạ của một bộ lọc băng rộng. a) ánh sáng phản xạ tại mỗi mặt phân cách giữa các lớp có chiết suất khác nhau, b) phổ phản xạ của một bộ lọc băng rộng dựa trên tinh thể quang tử một chiều [9],[19]. b. Bộ lọc băng hẹp – Buồng vi cộng hƣởng (Microcavities) Hình 1.9. Sơ đồ cắt ngang của một buồng vi cộng hưởng. Chiết suất của lớp đệm là n s và bề dày của lớp này là d s . Lớp đệm được đưa vào giữa hai DBR đối xứng với chiết suất của các lớp là n H , n L và bề dày d H, d L 1.2.2 Cơ sở cho quá trình hình thành bộ lọc giao thoa trên cơ sở màng silic xốp đa lớp 1.2.2.1 Sự hình thành silic xốp Silic xốp chủ yếu đƣợc tạo ra từ sự ăn mòn điện hoá các phiến Silic trong các dung dịch axit HF [2],[13]. Hình 1.10 là sơ đồ chế tạo silic xốp: anot là phiến silic có bề mặt đƣợc tiếp xúc với dung dịch HF, catốt đƣợc làm bằng platin. Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý chế tạo silic xốp 1.2.2.2 Kích thƣớc và hình thái lỗ xốp 5 Hình 1.12: Mặt cắt ngang hình ảnh TEM cho thấy sự khác nhau cơ bản trong hình thái giữa các loại khác nhau của mẫu. (a) silic pha tap loại p, (b) silic pha tạp loại n, (c) silic pha tap loại p+, (d) silic pha tạp loại n+. 1.2.2.3 Các thông số anot hóa Các nghiên cứu sự hình thành silic xốp bằng ăn mòn điện hóa [1],[10] đều cho thấy các tham số ảnh hƣởng tới quá trình này là: - Sự pha tạp của phiến silic gồm: loại tạp và nồng độ tạp; - Mật độ dòng; - Nồng độ HF: nồng độ càng cao, kích thƣớc lỗ và độ xốp càng nhỏ. Nồng độ HF quyết định J PS , đó là giới hạn trên của giá trị mật độ dòng. - Các dung môi dùng để pha loãng HF: vì silic xốp là loại vật liệu kỵ nƣớc nên việc sử dụng ethanol làm chất pha loãng HF sẽ đảm bảo tính đồng nhất và khả năng thấm ƣớt bề mặt tốt hơn so với nƣớc khử ion hóa. - Thời gian ăn mòn: thời gian ăn mòn dài dẫn đến các lớp dày hơn, nếu không có thời gian dài sẽ xảy ra tính dị hƣớng đối với chiều sâu trong lớp do hoạt động hóa học của chất điện phân. - Sự chiếu sáng trong suốt quá trình ăn mòn: áp dụng cho đế silic loại n [10] 1.2.3 Đặc điểm của silic xốp. 1.2.3.1 Độ xốp (P) Phƣơng pháp đơn giản nhất để xác định độ xốp theo trọng lƣợng đƣợc thể hiện trong công thức 1.4: 12 13 % mm P mm    (1.4) 6 Hình 1.13 : Mối quan hệ giữa độ xốp và mật độ dòng của tấm silic loại p + (~0,01 Ωcm) với dung dịch HF 15% trong ethanol. Tăng mật độ dòng dẫn đến độ xốp cao hơn. Độ xốp nằm trong khoảng giữa 45% và 85% là phù hợp đối với mật độ dòng thiết lập từ 5 mA/cm 2 đến 100 mA/cm 2 [23] . 1.2.3.2 Chiết suất hiệu dụng 1.2.3.3 Hình 1.14: Giản đồ minh họa khái niệm chiết suất hiệu dụng của silic xốp [22] Hình 1.15: Mối quan hệ giữa độ xốp và chiết suất của silic xốp. Sự khác biệt giữa lý thuyết Bruggeman, Looyenga và Maxwell-Garnett là do những giả thiết để tạo ra các hình thái của vật liệu hỗn hợp giữa silic và không khí [23]. 1.2.3.4 Tốc độ ăn mòn 1.2.3.5 7 Hình 1.16: Giản đồ mối liên hệ giữa tốc độ ăn mòn với mật độ dòng điện của loại silic P + (0,01 cm ) với dung dịch axit HF 15% trong ethanol[23]. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 1. Tinh thể quang tử có cấu trúc không gian tuần hoàn về chiết suất, đặc trƣng cơ bản nhất của nó là tồn tại vùng cấm quang, tác dụng quan trọng nhất là kiểm soát sự lan truyền và bức xạ ánh sáng. 2. Tinh thể quang tử một chiều đơn giản nhất là bộ lọc giao thoa băng rộng (DBR), có cấu trúc gồm các lớp điện môi biến đổi tuần hoàn về chiết suất sao cho quãng đƣờng quang học mỗi lớp thỏa mãn điều kiện Bragg. Dựa trên cấu trúc của bộ lọc băng rộng, chúng ta có thể phát triển để chế tạo bộ lọc băng hẹp. Bộ lọc băng hẹp có cấu trúc buồng vi cộng hƣởng bao gồm hai bộ lọc băng rộng giống hệt nhau đặt đối xứng với nhau bởi một lớp đệm có độ dài quang học bằng λ/2 hoặc λ. 3. Điều kiện để tạo ra silic xốp bằng điện hoá phiến silic: dung dịch điện hoá chứa HF, ở chế độ phân cực a-nốt, mật độ dòng thấp hơn ngƣỡng đánh bóng điện cực và có sự tham gia của lỗ trống trong phản ứng hoà tan Si. 4. Cơ sở cho việc chế tạo màng silic xốp đa lớp: (i) quá trình hình thành các nano tinh thể Si trong silic xốp mang tính chất tự giới hạn do đó một khi nano Si đƣợc tạo ra hay một lớp xốp đƣợc tạo ra thì chúng sẽ không bị ảnh hƣởng của các quá trình điện hoá tiếp theo; (ii) độ xốp của lớp xốp chỉ phụ thuộc vào mật độ dòng khi các điều kiện điện hoá còn lại đƣợc duy trì không đổi; (iii) chiết suất của lớp xốp phụ thuộc đơn nhất vào độ xốp của nó; (iv) tốc độ ăn mòn phụ thuộc đơn nhất vào thời gian ăn mòn khi các điều kiện điện hoá khác đƣợc duy trì không đổi. Các điều kiện này cho phép thay thế việc kiểm soát chiết suất theo chiều sâu của màng nghĩa là tạo ra một màng đa lớp bằng việc kiểm soát mật độ dòng theo thời gian ăn mòn. 5. Lý thuyết môi trƣờng hiệu dụng đã đƣa ra tiêu chuẩn cho vật liệu xốp gồm hai pha có thể đƣợc xem nhƣ là môi trƣờng hiệu dụng đơn nhất với một hằng số cách điện đặc trƣng mà nó là trung bình theo tỷ trọng của hằng số cách điện của hai vật liệu hợp phần khi khoảng không gian trống trong vật liệu nền nhỏ hơn nhiều so với bƣớc sóng của ánh sáng tới. 8 CHƢƠNG 2 MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH QUANG HỌC CỦA BỘ LỌC QUANG 2.1. Cơ sở toán học để phân tích và mô phỏng màng đa lớp Trƣớc khi chế tạo bộ lọc quang học giao thoa, chúng tôi đã xây dựng chƣơng trình mô phỏng để có thể thiết kế và dự đoán đƣợc các tính chất quang học của bộ lọc một cách chính xác hơn. Mỗi bộ lọc quang học giao thoa dựa trên màng đa lớp silic xốp đƣợc đặc trƣng bởi các thông số cơ bản nhƣ: số lớp N, chiết suất n và độ dày quang học d của lớp. Có rất nhiều phƣơng pháp số để phân tích bộ lọc quang học giao thoa (hay hệ thống màng đa lớp) nhƣ: Phƣơng pháp ma trận truyền (Transfer Matrix Method - TMM), phƣơng pháp sóng phẳng (Plane Wave Method - PWM), và phƣơng pháp miền thời gian khác biệt hữu hạn (Finite Difference Time Domain - FDTD). Dựa trên những ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp chúng tôi đã chọn phƣơng pháp Ma trận truyền để mô phỏng đặc trƣng phổ phản xạ cho các bộ lọc đƣợc nghiên cứu trong Luận văn. 2.1.1 Phƣơng pháp ma trận truyền (Transfer Matrix Method - TMM) Phƣơng pháp ma trận truyền (TMM) là một thuật toán rất hữu ích cho việc tính toán phổ phản xạ và truyền qua của các cấu trúc đa lớp. Phƣơng pháp ma trận truyền có thể xử lý các cấu trúc có chỉ số tƣơng phản cao giữa hai vật liệu hỗn hợp. Điều này khiến cho TMM trở thành phƣơng pháp phù hợp cho mô phỏng các cấu trúc màng đa lớp, là các cấu trúc có sự tƣơng phản cao giữa các lớp. 2.1.2 Chƣơng trình mô phỏng: Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phƣơng pháp ma trận truyền để mô phỏng phổ phản xạ của bộ lọc quang giao thoa. Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc bộ lọc quang giao thoa 1 chiều băng rộng 9 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc của bộ lọc quang học giao thoa 1 chiều băng hẹp 2.2. Kết quả mô phỏng bộ lọc quang học giao thoa dựa trên tinh thể quang tử 1 chiều: Mục đích để đánh giá kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán của lý thuyết, chúng tôi đã mô phỏng chi tiết khi thay đổi từng thông số của bộ lọc. Đầu tiên trong phần này, tôi đƣa ra các kết quả mô phỏng về bộ lọc quang băng rộng, sau đó là các kết quả về bộ lọc quang băng hẹp. 2.2.1 Kết quả mô phỏng về bộ lọc quang giao thoa 1 chiều băng rộng[3],[8],[21]: 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Pho phan xa cua bo loc quang bang rong 1D Buoc song (nm) Do phan xa (R) Hình 2.3 Phổ phản xạ của bộ lọc quang băng rộng 1D với chu kỳ là 12, n H =2,5,n L =1,55,d H =155nm và d L =258,3nm. Nghiên cứu các thông số của bộ lọc quang: a) Tỷ lệ chiết suất n H /n L : 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Pho phan xa cua bo loc quang bang rong 1D Buoc song (nm) Do phan xa (R) (a) 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Pho phan xa cua bo loc quang bang rong 1D Buoc song (nm) Do phan xa (R) (b) 10 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Pho phan xa cua bo loc quang bang rong 1D Buoc song (nm) Do phan xa (R) (c) Hình 2.4. Phổ phản xạ của bộ lọc quang băng rộng với số chu kỳ N=12. Độ dày của mỗi lớp được tính toán sao cho bước sóng trung tâm ở 1550nm. Tỷ lệ chiết suất n H /n L lần lượt là:(a) 2/1,55; (b) 2,3/1,55; và (c) 2,5/1,55 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Pho phan xa cua bo loc quang bang rong 1D Buoc song (nm) Do phan xa (R) (1) 2.0/1.55 (2) 2.3/1.55 (3) 2.5/1.55 (1) (2)(3) Hình 2.5 Phổ phản xạ của bộ lọc quang băng rộng 1D khi tỷ lệ chiết suất n 1 /n 2 của cặp lớp trong một chu kỳ thay đổi b) Số chu kỳ của bộ lọc: 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Pho phan xa cua bo loc quang bang rong 1D Buoc song (nm) Do phan xa (R) (1) N=4 (2) N=6 (3) N=8 (4) N=25 (1) (2) (3) (4) Hình 2.6. Phổ phản xạ của bộ lọc quang băng rộng 1D với n 1 =2,3; n 2 =1,55 và số chu kỳ lần lượt là 4, 6, 8 và 25 chu kỳ Bảng 2.1 Bảng giá trị thể hiện sự phụ thuộc của độ phản xạ vào số chu k Số chu kỳ N Hệ số phản xạ Số chu kỳ N Hệ số phản xạ 1 0.5172 9 0.9932 2 0.6904 10 0.9961 3 0.8113 11 0.9978 4 0.8886 12 0.9988 5 0.9354 13 0.9993 6 0.9692 14 0.9996 7 0.9789 15 0.9998 . Nghiên cứu và chế tạo bộ lọc quang (băng rộng và băng hẹp) dựa trên màng đa lớp silic xốp Nguyễn Thúy Vân Trƣờng Đại học. quả chế tạo bộ lọc quang học giao thoa dựa trên tinh thể quang tử 1D 3.3.1 Các kết quả chế tạo bộ lọc quang học giao thoa băng rộng dựa trên tinh thể quang