Bài tập lớn môn công nghệ nano truyền dẫn ánh sáng trong các tinh thể quang từ 2 chiều uốn cong tia sáng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ~~~~~ ~~~~~ BÀI TẬP LỚN MÔN CÔNG NGHỆ NANO Đề tài:Truyền dẫn ánh sáng tinh thể quang tử chiều Uốn cong tia sáng Sinh viên thực hiện: Lê NgọcKhánh - 20151971 Trịnh Quang Truyền - 20154007 Nguyễn Xuân Tùng- 20154273 Roãn Văn Thặng - 20144241 Vũ Văn Hiệp - 20141672 Nguyễn Thế Đức - 20151044 Nguyễn Nam Tùng Lâm - 20152125 Giảng viên hướng dẫn: TS NguyễnViệtHưng Hà Nội, 12/2019 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH 2.2.1 Phân tách vecto PML 10 2.2.2 Lớp PML không phân tách 10 III Nguồn sáng ban đầu cách tạo nguồn sáng OptiFDTD 13 IV Nguyên lý truyền dẫn ánh sang sai hỏng đường tinh thể quang tử 19 4.1 Tinh thể quang tử 19 4.1.1 Giới thiệu chung 19 4.1.2 Tinh thể quang tử chiều 20 4.1.3 Tinh thể quang tử hai chiều 21 4.1.4 Tinh thể quang tử ba chiều 23 25 25 V Mô OptiFDTD 27 5.1 Yêu cầu 27 5.2 Hình ảnh mơ 27 5.3 Kết tính tốn vùng cấm quang với Mode TE TM 28 5.4 Kết mô 30 31 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt DANH MỤC HÌNH ẢNH ………………… ….…3 1.1 Hình 1.3: TM tr …………… ……4 TE tr ……………… ……… Hình 1.4: z………………………… 2.1: Trường điện từ truyền từ mơi trường có dang mơi trường có 2… … môi trường……………… ……………………………….…….….8 2.2 3.1: Tùy chỉnh nguồn sáng OptiFDTD …………………………………….………….….13 3.2: Thẻ General…………………………………………………………………… …….…….14 3.3: Thẻ 2D Transverse…………………………………………………………….……… …15 3.4: Thiết lập khoảng cách dò……………………………………………………….…….……16 3.5:Thẻ 2D Data Components…….…………………………………………………… … 17 3.6: MộtnguồnsángtrongOptiFDTD…………………….…………….………………….… 18 Hình 4.1: …….………………… 19 4.2: ………………………………… …………………….………19 4.3: Tinh thể quang tử (3D)………………………… ……20 chiều (1D), chiều (2D), chiều …………………………………………………………….…….…20 4.4: Hình 4.5: Hằng số điện mơi tinh thể chiều………………………………………… …….21 ……………………………………….…………………….…….21 Hình 4.6: Hình 4.7: Ví dụ mạng chiều gồm lỗ hổng ăn mòn chất bán dẫn……………… 22 Hình 4.8: .………………………………………….…………23 Hình 4.9: ……………… …………………………………………….……24 Hình 4.10: ………………………………………………………………….………25 Hình 4.11: Ví dụ cấu trúc dải tinh thể quang tử mộtchiều ………………………….… 26 Hình 4.12: Tinh thể quang tử sai hỏng đường tạo cách lấy ba lỗ khí cấu trúc tinh thể quang tử không sai hỏng …………………………………………………………… …… 27 Hình 5.1: Hình ảnh mạng tinh thể chiều hình lục giác ban đầu…………………………………… 27 Hình 5.2: Hình ảnh mạng tinh thể chiều hình lục giác sau tạo sai hỏng hình chữ L…………28 Hình 5.3:Hình ảnh mạng tinh thể chiều hình lục giác sau tạo sai hỏng hình chữ L…………28 Hình 5.4: Kết tính tốn vùng cấm quang mode TE………………………………………29 Hình 5.5:Kết tính tốn vùng cấm quang mode TM…………………………………… 29 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 5.6: Kết mô phỏng………………………………………………………………………… 30 I 1.1 FDTD ữu hạn miền thờ 1966 1.1 -Thaythếtoànbộdẫnxuấttrong luậtAmpevà Faraday vớisựkhácbiệthữuhạn Rờirạckhơnggianvàthờigianđểcáctrườngtừvàđiệnđược xen kẽtrongcảhaimiền -Giảicácphươngtrìnhđểthuđược “phươngtrìnhmới” thểhiệncáctrườngtươnglai (chưabiết) trongcáclĩnhvực (đãbiết) trongquákhứ - Đánhgiátrườngtừđểchúngđượcbiếtđến (giờtrởthànhlĩnhvựctrongquákhứ) -Đánhgiáđiệntừđểchúngđượcbiếtđến (giờtrởthànhlĩnhvựctrongquákhứ) Lặplạihaibướctrênchođếnkhicáctrườngđãthuđượctrongkhoảngthờigianmongmuốn -Xéthệphươngtrình Maxwell chuẩnhóa: (1) (2) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt (3) - Phương trình Maxwell chuẩn hóa: D(W)= - Mối quan hệ đại lượng: : : =i  -Xét tốn sóng điện từ ngang TM để mơ phỏng, ta có: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt TM -Xét tốn sóng điện từ ngang TE để mơ phỏng, ta có: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.3 TE CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2.1 - - Trườngđiệntừtruyềntừmơitrườngcó dang mơitrườngcó 2.1: Trườngđiệntừtruyềntừmơitrườngcó dang mơi trườngcó CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt -Xétđiềukiệnbiêncủa B 2.2 XuấtpháttừphươngtrìnhdivB= Điểmkhảosátlàđiểm M nằmtrênmặtphâncáchhaimơitrường Chọnmặt Gauss làmặttrụchứađiểm M gồmmặtbên Sbvàhaiđáy S1và S2dủnhỏđểcóthểcoivectotrườngkhơngđổitrênmỗiđáy - Từđịnhluật Gauss cho ta phươngtrình: - Khicho • Trongđó, B1nvà B2nlàthànhphầnpháptuyếncủa B trongmơitrường • Do ta có (B1n - B2n).S0 = • Nên B1n = B2nthànhphầnpháptuyếncủa B biếnthiênliêntục thì μ1.H1n= μ2.H2n • Thànhphầnpháptuyếncủa mơitrường - Tươngtự ta cóbảngđiềukiệnbiêncủacácthànhphần H khơngbiếnthiênliêntụctạimặtphâncáchgiữa CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 2.2 Perfectly matched layer (PML) làlớphấpthụnhântạochocác phươngtrìnhsóng ,thườngđượcsửdụngđểcắtcácvùngtính tốn bằngcácphươngphápsốđểmơphỏngcácvấnđềvớicácranhgiớimở, đặcbiệtlàtrongcác phươngpháp FDTD FE Cụthể, PML đãđượchiểnthịđểtươngứngvớimột phépbiếnđổitọađộ trongđómột (hoặcnhiềuhơn) tọađộđượcánhxạtới cácsốphức ; kỹthuậthơn, điềunàythựcsựlàmột sựtiếptụcphântíchcủaphươngtrìnhsóngthànhcáctọađộphứctạp, thaythếsóngtruyềnsóng (daođộng) bằngcác sóng phânrãtheocấpsốnhân Quan điểmnàychophépcác PML đượctạo chophươngtiệnkhơngđồngnhấtnhưcác ốngdẫnsóng ,cũngnhưchocác hệtọađộkhác v àphươngtrìnhsóng Miềnkhơnggiantínhtốncủaphươngpháp FDTD làhữuhạn, đóchúng ta cầnphảicómộtđiềukiệnbiênhấpthụđượccácthànhphầntrườngcủatínhiệulantruyềnđến nhằmtránhhiệntượngphảnxạkhơngmongmuốncủatínhiệutạibiêncủakhơnggian Ta códạngbiểudiễnkháccủaphươngtrình Maxwell: D: mậtđộthơnglượngđiện : giá trịđiệnmơiphụthuộcvàotầnsố CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 3.6 MộtnguồnsángtrongOptiFDTD 18 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt IV Nguyên lý truyền dẫn ánh sang sai hỏng đường tinh thể quang tử 4.1 Tinhthểquangtử 4.1.1 Giớithiệuchung Tinh thể quang tử cấu trúc nanô quang học có ảnh hưởng đến lan truyền hạt photon tương tự cách mà tinh thể bán dẫn tác động lên chuyển động electron Các tinh thể quang tử xuất cách tự nhiên vỏ Trái Đất nhiều dạng nghiên cứu từ đầu kỷ 20 Năm 1887, nhà vật lí người Anh Lord Rayleigh thử nghiệm ngăn điện mơi nhiều lớp tuần hồn, cho thấy chúng có khoảng cách quang tử khơng gian chiều Sự quan tâm đề tài tăng lên với cơng trình vào năm 1987 Eli Yablonovitch Sajeev John cấu trúc quang học tuần hoàn nhiều chiều - gọi tinh thể quang tử 4.1 4.2 19 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tinhthểquangtửcóthể chia làmtinhthể chiều, chiềuhoặc chiều Tinh thể quang tử chiều kẽcóhằngsốđiệnmơikhácnhauxếpchồnglênnhau cấutạobởicáclớp xen Tinh thể hai chiều tạo cáchchồngcáckhốitrụlênnhaubằngphươngphápkhắc, cách khoan lỗ bề mặt phù hợp Tinh thể ba chiều cóthểchếtạobằngcáchkhoan góc độ khác nhau, xếp chồng lên nhiều lớp chiều, dùnglaze trực tiếp 4.3: Tinhthểquangtử chiều (1D), chiều (2D), chiều (3D) 4.1.2 Tinh thể quang tử chiều 4.4: 20 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 4.5 :Hằngsốđiệnmôicủatinhthểmộtchiều n=0, Trong trường hợp đơn giản nhất, cần sử dụng có hai vật liệu với số điện môi khác Các cấu trúc chiều gọi gương Bragg Tinh thể quang tử tương tác cộng hưởng với xạ có bước sóng tương đương với độ dài tuần hồn mạng lưới điện mơi 4.1.3 Tinh thể quang tử haichiều Là loại tinh thể quangtửvới cấu trúc tuần hồn theo hai hướng khơng gian Các tính chất quang cấu trúc phụ thuộc mạnh vào phân cực sóng điện từ Sóng phân chia thành hai phần đóng góp khác nhau, TE TM, tùy theo điện trường từ trường chứa đựng mặt phẳng tuần hoàn 4.6 21 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 4.7: Vídụvềmạng chiềugồmcáclỗhổngđượcănmịntrongchấtbándẫn Có thể phân chia thành loại theo phương pháp chế tạo: Sắp xếp thẳng đứng vật liệu chiết suất cao theo mạng tuần hoàn, xếp “nhúng” vật liệu thứ hai với số điện mơi thấp hơn, thường khơng khí Kht lỗ theo mạng trật tự từ vật liệu có chiết suất cao Trong trường hợp lý tưởng, tinh thể photonic phải có dải cấm quang hồn tồn, có nghĩa ức chế lan truyền sóng tất hướng không gian tất phân cực Hằng số điện môi tinh thể chiều: n.m=0 Mỗi điểm mạng tinh thể biểu diễn: Có hai yêu cầu cấu trúc chiều: 22 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Sự tương phản chiết suất cao tốt: thực với cấu trúc gồm chất bán dẫn khơng khícấu trúc phải gần không xác định theo chiều thứ ba: phải khoan lỗ với đường kính thật bé lỗ phải có độ sâu lớn 4.1.4 Tinh thể quang tử ba chiều Các cấu trúc ba chiều thể tính tuần hoàn số điện mối theo tất hướng không gian Tinh thể quang tử ba chiều gần giống với tinh thể rắn Các cấu trúc thích hợp với tất phân cực tất hướng lan truyền Cấu trúc “Yablonovite”: ma trận lỗ trống xếp theo hình tam giác khoan lớp vật liệu Mỗi lỗ khoan lần: góc 35,26o so với chiều thẳng đứng, dãn 120o góc phương vị 4.8 23 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 4.9 Hệ số truyền qua với vi sóng mẫu Yablonovite vùng cấm quang rộng tần số xung quanh 14 GHz Hằng số điện môi tinh thể chiều : ) 24 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 4.2 Tính chất đặc trưng cấu trúc tinh thể quang tử khả tạo vùng cấm quang tử - vùng tần số mà ánh sáng truyền qua Vùng cấm quang tử dãy tần số ánh sáng lan truyền qua cấu trúc tinh thể quang tử Độ rộng vùng cấm quang tử (độ rộng dải tần số lan truyền qua cấu trúc) tinh thể quang tử phụ thuộc vào nhiều yếu tố: điện môi vật liệu cấu tạo nên tinh thể quang tử, số mạng tinh thể, kích thước lỗ khí, 4.10 4.3 Mộttinhthểquanglàmộtcấutrúccóthểđiềukhiểnchùmánhsánggiốngnhưđiềukhiển dịngđiệntrongcácchấtbándẫn Mộtchấtbándẫnkhơngthểhỗtrợcácđiệntửcónănglượngnằmtrongvùngcấmđiệntử Tươngtựnhưvậy, mộttinhthểquangtửkhơngthểhỗtrợcác photon nằmtrongkhehởlượngtửánhsáng Bằngcáchngănchặnhoặcchophépánhsángtruyền qua mộttinhthể, xửlýánhsángcóthểđượcthựchiện Điềunàysẽtạo cáchmạnghóacácbóngbándẫnđiệntử cuộccáchmạnghóalượngtửánhsáng, 25 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 4.11:Vídụvềcấutrúcdảicủamộttinhthểquangtửmộtchiều Sự tồn sai hỏng cấu trúc mạng tuần hoàn tạo trạng thái vùng cấm quang tử Khi tinh thể quang tử có sai hỏng, cấu trúc vùng bị thay đổi Trong vùng cấm quang tử lúc xuất tần số cho phép ánh sáng truyền qua Sự xuất tần số khiến cho tinh thể quang tử có tính chất vơ đặc biệt: khả chọn lọc, giam giữ ánh sáng, khả dẫn truyền khuếch đại ánh sáng Chính vậy, tinh thể quang tử có sai hỏng quan tâm nghiên cứu ứng dụng nhiều thực tế Sai hỏng đường tinh thể quang tử dãy sai hỏng điểm liên tiếp đường thẳng hay hướng Hiện tượng xảy sai hỏng đường tương tự sai hỏng điểm, ánh sáng chiếu đến có tần số nằm vùng cấm quang tử bị giữ lại bên sai hỏng đường Nhờ vậy, photon ánh sáng lan truyền theo đường dẫn sai hỏng mà xâm phạm phần khác cấu trúc, làm cho lượng tiêu hao ít, sai hỏng đường ứng dụng ống dẫn sóng với ưu điểm hẳn so với sợi đồng sợi quang trước 26 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 4.12:Tinh thể quang tử sai hỏng đường tạo cách lấy ba lỗ khí cấu trúc tinh thể quang tử khơng sai hỏng V Mô OptiFDTD 5.1 Yêu cầu Sử dụng phần mềm OptiFDTD để mô truyền dẫn mode TE TM mạng chiều Hình lục giác với sai hỏng đường có dạng nhánh chữ L (mô uốn cong tia sáng) Cho hiển thị kết nhận xét 5.2 Hình ảnh mơ Hình 5.1: Hình ảnh mạng tinh thể chiều hình lục giác ban đầu 27 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 5.2:Hình ảnh mạng tinh thể chiều hình lục giác sau tạo sai hỏng hình chữ L Hình 5.3:Hình ảnh mạng tinh thể chiều hình lục giác sau tạo sai hỏng hình chữ L 5.3 Kết tính tốn vùng cấm quang với Mode TE TM 28 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 5.4: Kếtquảtínhtốnvùngcấmquangđốivới mode TE Hình 5.5: Kết tính tốn vùng cấm quang mode TM 29 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 5.4 Kếtquảmơphỏng Hình5.6:Kếtquảmơphỏng (vậtliệuPbStráivà GaAs phải) 30 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt [1]Documentations củaphầnmềmOptiFDTDvàcáctàiliệutrên Website củaphần mềmnày [2] M.S.Wartak, Computational Photonics, Cambridge University Press [3] D Joannopoulos, S Johnson, Photonic Crystals-Molding the flow of light, Princeton University Press [4] Wikipedia.com 31 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 32 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... 4.3: Tinhthểquangtử chiều (1D), chiều (2D), chiều (3D) 4.1 .2 Tinh thể quang tử chiều 4.4: 20 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 4.5 :Hằngsốđiệnmôicủatinhthểmộtchiều n=0, Trong. .. Mộtchấtbándẫnkhơngthểhỗtr? ?các? ?iệntửcónănglượngnằmtrongvùngcấmđiệntử Tươngtựnhưvậy, mộttinhthểquangtửkhơngthểhỗtr? ?các photon nằmtrongkhehởlượngtửánhsáng Bằngcáchngănchặnhoặcchophépánhsángtruyền qua mộttinhthể, xửlýánhsángc? ?thể? ?ượcthựchiện... nên tinh thể quang tử, số mạng tinh thể, kích thước lỗ khí, 4.10 4.3 Mộttinhthểquanglàmộtcấutrúcc? ?thể? ?iềukhiểnchùmánhsánggiốngnhưđiềukhiển dịngđiệntrongcácchấtbándẫn Mộtchấtbándẫnkhơngthểhỗtr? ?các? ?iệntửcónănglượngnằmtrongvùngcấmđiệntử