Nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser và khuếch đại quang trong buồng cộng hưởng liên kết với cấu trúc

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 MÔ 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 trịn 82 3.3.2.2 Cấu trúc 2D-PhC sau thiết kế thêm hố không 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 Mô 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 toán 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 ... tử phát xạ laser với hiệu ứng cộng hưởng QED 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 trở thành đối tượng nghiên. .. 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... tín 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