phộp theo dừi và kiểm tra mức độ polyme hoỏ của hệ vật liệu, khi sử dụng ỏnh sỏng tử ngoại chiếu vào cỏc hệ màng mỏng với thời gian khỏc nhau.
400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 2934,26 1405,54 1637 942,56 309,23 C -ờ ng đ ộ ( đ vt đ ) B- ớ c sóng (cm-1) 0' 5' 10' 20' 30' Số súng (cm-1 )
Hỡnh 2.28. Phổ MicroRaman của vật liệu ASZ pha DPA phụ thuộc vào thời gian chiếu sỏng phụ thuộc vào thời gian chiếu sỏng
Trong hệ vật liệu dẫn súng cú chứa cỏc nhúm nhạy quang, dưới tỏc dụng của ỏnh sỏng tử ngoại cỏc liờn kết trong nhúm cú nối đụi bị gẫy, liờn kết lại với nhau hỡnh thành cỏc mạch polyme. Điều này gõy nờn hiệu ứng xớch lại gần nhau của cỏc mạch phõn tử, dẫn đến tỷ trọng của vật liệu tăng. Hệ quả của việc tăng tỷ trọng là làm tăng chiết suất của vật liệu. Một nguyờn nhõn khỏc cần được tớnh
C ư ờ ng độ ( đv tđ)
đổi độ phõn cực. Nếu độ phõn cực của vật liệu tăng lờn, cũng là một trong những yếu tố làm tăng chiết suất của vật liệu.
Phổ dao động của phõn tử trờn hỡnh 2.29, cho chỳng ta bức tranh về tần số dao động đặc trưng cỏc liờn kết hoỏ học. Tại cỏc vựng tần số dao động khoảng 3000 cm-1, là cỏc vạch phổ liờn quan đến dao động của nhúm CH2 và CH3. Một số vựng phổ khỏc bị thay đổi mạnh về cường độ khi chiếu ỏnh sỏng tử ngoại. Một trong cỏc vạch phổ thay đổi mạnh về cường độ là vạch tại 1640 cm-1. Vạch này cú nguồn gốc là dao động căng đối xứng của nhúm nối đụi C=C và cú thể sử dụng làm vạch phõn tớch quỏ trỡnh quang trựng hợp hay núi khỏc đi là quang tạo hỡnh đối với màng mỏng của vật liệu nhạy quang ASZ.
Vạch tại 1640 cm-1
cũng được sử dụng để nghiờn cứu đỏnh giỏ tỏc dụng của cỏc chất khơi mào trong phản ứng quang hoỏ. Hỡnh 2.29, hỡnh 2.30 là phổ MicroRaman của màng ASZ pha DPA với tỉ lệ khỏc nhau, cú vạch Raman ở bước súng 1640 cm-1
.
Số súng (cm-1) Số súng (cm-1)
Hỡnh 2.29. Phổ MicroRaman của màng ASZ pha DPA (8%)
Hỡnh 2.30. Phổ microraman của màng ASZ pha DPA (30%)
Thời gian (phỳt) Thời gian (phỳt)
Hỡnh 2.31. Chiết suất màng ASZ phụ thuộc vào nồng độ DPA và HCPK
Hỡnh 2.32. Sự thay đổi độ dày màng chế tạo từ vật liệu ASZ pha DPA
Độ tă ng c h iết su ất ( n) Độ tă ng c h iều dà y ( T) C ườn g độ (đv tđ) C ườn g độ (đv tđ) 1) HCPK 5% 3) HCPK 15% 5) HCPK 25% 2) DPA 5% 4) DPA 15% 6) DPA 25% 1) DPA 5% 2) DPA 15% 3) DPA 25% 1 2 3
Trờn hỡnh 2.31 cho thấy rừ trong khoảng thời gian 20 phỳt đầu, từ 30 phỳt trở lờn giỏ trị này hầu như khụng thay đổi. Như vậy, quỏ trỡnh phản ứng quang húa chỉ xảy mạnh ra trong giai đoạn đầu của chiếu sỏng. Giỏ trị chờnh lệch chiết suất lớn nhất thu được khi chiếu sỏng ở bước súng 330nm là từ 0,007 đến 0,009 khi đo ở bước súng 1550nm.
Trờn hỡnh 2.32 cho thấy một điểm đặc biệt của hệ vật liệu lai ASZ, khi cú mặt của một số chất khơi mào quang, dưới tỏc dụng của chựm tử ngoại, độ dầy của cỏc màng mỏng ở vựng bị chiếu sỏng tăng lờn. Sự thay đổi độ dầy màng với nồng độ chất tăng nhạy từ 5% đến 25% đó được nghiờn cứu. Khi chiếu sỏng tử ngoại độ dầy màng cú thể tăng lờn từ 3% đến 15%. Tỷ lệ tăng độ dầy cũn phụ thuộc vào độ dầy màng ban đầu, với cỏc màng dầy từ 3 đến 5 micro một, độ dầy cú thể tăng cao hơn cỏc màng dầy cỡ 10 micro một.
Hiện tượng tăng chiều dầy màng khi chiếu sỏng cú thể được lý giải như sau: khi chiếu sỏng UV, cỏc nhúm methoxy và silanol giảm do sự ngưng tụ alkoxyl tăng lờn, nồng độ vật chất tập trung tại vựng chiếu sỏng tăng lờn kộo theo việc giảm nồng độ cỏc vựng xung quanh (vựng khụng được chiếu sỏng), chớnh vỡ vậy chiều dày của màng tăng lờn. Dưới tỏc dụng của ỏnh sỏng tử ngoại, cỏc liờn kết đụi C=C giảm theo thời gian chiếu UV, quỏ trỡnh polyme húa tăng dẫn đến tăng độ đặc chắc tại vựng được chiếu sỏng, điều này đồng nghĩa với việc chiết suất tại vựng này tăng lờn so với vựng xung quanh, tạo ra sự chờnh lệch chiết suất giữa vựng chiếu sỏng và vựng khụng chiếu sỏng.
Trờn cơ sở hệ màng đa lớp và sử dụng hiệu ứng tăng chiết suất và tăng độ dầy màng, cú thể chế tạo cấu trỳc dẫn súng planar dạng tầng theo qui trỡnh cụng nghệ quang vi hỡnh.
2.4. Kết luận
Trong chương này chỳng tụi đó khảo sỏt cấu trỳc và cỏc tớnh chất quang tử của vật liệu nano ASZ và rỳt ra được bộ thụng số tớnh chõt của vật liệu:
1. Khoảng điều chỉnh chiết suất lớn: 1.45 - 1.50
2. Cú tớnh nhạy quang (chựm UV) và cú thể tăng chiết suất màng đến 0.009 (khi chiếu chựm bước súng 330 nm)
3. Độ phõn cực vật liệu nhỏ: nTE- nTM 0.001
4. Tổn hao lan truyền ỏnh sỏng trong dẫn súng tầng: 0.5-1.0 dB/cm tại bước súng 1538 nm.
5. Hệ số quang nhiệt lớn: dn/dT - 2.3x10-4
Chương 3
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CHIP CHIA CễNG SUẤT QUANG
Trong chương này chỳng tụi trỡnh bày nghiờn cứu thiết kế và chế tạo chip chia cụng suất quang 1x2 (PS1x2) từ vật liệu lai hữu cơ-vụ cơ ASZ. Nghiờn cứu này là một phần của đề tài nghiờn cứu chế tạo vật liệu dẫn súng quang cấp Nhà nước, đó được nghiệm thu KC.02.14 (2001-2004) và đề tài nhà nước về Khoa học và Cụng nghệ Nanụ, 801304 (2004-2005) và một số kết quả nghiờn cứu đó được cụng bố trong cỏc bài bỏo [1-7,33,36,40,41,48,49].
3.1. Nguyờn lớ hoạt động linh kiện chia quang 1xN
Hỡnh 3.1 minh họa mụ hỡnh chip chia cụng suất quang 1x2, bao gồm dẫn súng kờnh thẳng W0 được nối với hai dẫn súng kờnh thẳng W1, W2 qua dẫn súng kờnh uốn cong S1. Cỏc kờnh dẫn súng (W0, S1, S2, W1, W2) cú độ rộng và chiều dày kờnh bằng w, khoảng cỏch hai kờnh W1 và W2 bằng h, gúc giữa hai kờnh uốn cong S1và S2 bằng α và bỏn kớnh uốn cong lần lượt R1, R2. Hoạt động linh kiện chia quang cú thể phõn tỏch hai quỏ trỡnh: 1) quỏ trỡnh dẫn súng trong kờnh thẳng W0 2) quỏ trỡnh dẫn súng trong cỏc kờnh uốn cong S1, S2 và cỏc kờnh thẳng W1, W2. Tại mỗi quỏ trỡnh cần thoả món điều kiện dẫn súng nhất định thỡ quỏ trỡnh dẫn súng mới xảy ra và hiệu suất truyền dẫn ỏnh sỏng mới cao.
Hỡnh 3.1. Mụ hỡnh chip chia cụng suất quang 1x2.
3.1.1. Dẫn súng kờnh thẳng
Để ỏnh sỏng lan truyền trong dẫn súng kờnh thẳng, W0, W1, W2 cần thỏa món[12,19,25]:
Chiết suất của cỏc kờnh dẫn thẳng bằng no, lớn hơn chiết suất mụi trường xung quanh (n3) và gúc tới của tia sỏng trong kờnh dẫn lớn hơn gúc tới hạn phản xạ toàn phần tại mặt phõn cỏch mụi trường giữa kờnh dẫn và mụi trường xung quang.
Tạo ra súng dừng trong kờnh dẫn súng thẳng và số mode dẫn trong kờnh lớn hơn hoặc bằng 1. W2 W1 W0 α R1 w h S1 S2 R2
3.1.2. Điều kiện chia cụng suất quang
Ánh sỏng khi lan truyền được trong phần dẫn súng thẳng W0 và đến dẫn súng uốn cong S1, tại đõy cú hai trường hợp xảy ra [13,16,17,30,39,42,47,54]:
Ánh sỏng ―chệch‖ khỏi kờnh dẫn súng và lọt vào mụi trường xung quanh, dẫn đến sự tổn hao do uốn cong. Điều này thường do kờnh dẫn súng uốn cong cú bỏn kớnh cong nhỏ hoặc do gúc chia kờnh (α) lớn nờn làm cho phương truyền súng bị uốn ―mạnh‖, dẫn đến gúc phản xạ toàn phần trong kờnh dẫn thay đổi mạnh và nhỏ hơn gúc tới hạn.
Khi bỏn kớnh cong đủ nhỏ hoặc gúc chia đủ nhỏ thỡ ỏnh sỏng đến phần rẽ nhỏnh sẽ chia rẽ trờn hai kờnh dẫn súng.
Giả sử ỏnh sỏng được chia ra trờn hai nhỏnh và khụng tớnh sự tổn hao do uốn cong của dẫn súng, cụng suất trờn cỏc nhỏnh này được tớnh như sau [1-8].
MCF MCF in e e P P 1 1 (3.1) MCF in e P P 1 1 2 (3.2)
Trong đú MCF (Mode Conversion Factor) là hệ số chuyển đổi mode, được tớnh:
2 2 2 2 2 1 3 ) tan( n n n n MCF (3.3)
Trong đú n1, n2 lần lượt là chiết suất trờn hai nhỏnh S1, S2, nlà chiết suất trung bỡnh hai nhỏnh (n = (n1+n2)/2), α gúc giữa hai nhỏnh, n3 là chiết suất mụi trường bao quanh chip chia cụng suất.
Khi MCF >> 0.47 thỡ chờnh lệch chiết suất giữa hai nhỏnh đủ lớn và khi đú xảy ra hiện tượng chuyển đổi Mode dẫn súng tức ỏnh sỏng cú xu hướng lan truyền sang kờnh dẫn súng cú chiết suất lớn hơn. Lỳc này linh kiện chia quang 1x2 đúng vai trũ như một linh kiện khoỏ quang.
Khi MCF < 0.47 thỡ cụng suất ỏnh sỏng chia đều trờn hai nhỏnh dẫn súng. Lỳc này chip chia 1x2 đúng vai trũ như một linh kiện chia cụng suất quang. Vậy MCF < 0.47 là điều kiện quan trọng trong linh kiện chia cụng suất quang.
3.1.3. Tổn hao trong dẫn súng chia cụng suất quang 1x2 (PS1x2)
Tổn hao quang trong dẫn súng PS 1x2 bao gồm tổn hao lan truyền và tổn hao do bức xạ tại kờnh dẫn súng uốn cong. Tổn hao lan truyền như đó được trỡnh bày trong chương 2 bao gồm 3 dạng: tổn hao do hấp thụ, do tõm tỏn xạ, do tỏn xạ bề mặt. Tổn hao do bức xạ tại phần uốn cong trờn kờnh dẫn súng sinh ra do sự uốn cong kờnh dẫn súng nờn gúc
dẫn súng thay đổi. Sự thay đổi gúc như đó chứng minh trong chương 1 sẽ làm thay đổi cấu trỳc mode của dẫn súng, cỏc mode bậc cao sẽ bị khỳc xạ và đi vào mụi trường xung quanh của kờnh dẫn súng sinh ra sự tổn hao do bức xạ.
3.2. Thiết kế linh kiện chia quang 1x2 và chế tạo mặt nạ (Mask)
Thiết kế linh kiện quang cú vai trũ quan trọng quyết định đến chất lượng hoạt động của linh kiện. Trong thiết kế phải tớnh đến ảnh hưởng đồng thời của cỏc thụng số lờn hiệu suất hoạt động của linh kiện. Đặc biệt, trong hệ quang tớch hợp thỡ số thụng số hoạt động rất lớn, do đú sự tớnh toỏn trong thiết kế là một cụng đoạn cụng nghệ thiết yếu. Trong thực tế cỏc hóng sản xuất thường giữ bản thiết kế rất bớ mật, bản thiết kế thường được thiết kế bằng phần mềm chuyờn dụng. Bản thiết kế được sử dụng tuỳ theo cụng nghệ chế tạo linh kiện hoặc được sử dụng để chế tạo mặt nạ (mask) hoặc được sử dụng điều khiển di chuyển đầu vẽ trực tiếp linh kiện trong cụng nghệ chế tạo khụng dựng mặt nạ. Do đú, trọng mọi cụng nghệ chế tạo linh kiện quang thỡ khõu thiết kế phải được thực hiện.
Trong quy trỡnh xõy dựng phần mềm thiết kế, đầu tiờn người ta thiết lập mụ hỡnh vật lớ cho linh kiện, mụ hỡnh này tốt là khi nú mụ tả gần đỳng với thực tế. Bước thứ hai là xõy dựng được thuật toỏn tớnh phự hợp sao cho kết quả tớnh tốt, tốc độ tớnh nhanh. Bước thứ ba lựa chọn ngụn ngữ lập trỡnh phự hợp để viết chương trỡnh mụ phỏng theo kết cấu của thuật toỏn. Bước thứ tư là chạy chương trỡnh và phõn tớch kết quả tớnh toỏn xem đó phự hợp cơ bản cho yờu cầu bài toàn chưa. Bước thứ năm là từ bản thiết kế thu được người ta xõy dựng thực nghiệm đỳng theo bản thiết kế nhằm thu được kết quả thực nghiệm. Bước thứ sỏu là người ta so sỏnh kết quả mụ phỏng với kết quả thực nghiệm, thụng thường sẽ cú sai số giữa kết quả theo thiết kế và thực nghiệm và khi đú người ta sẽ điều chỉnh lại toàn bộ từng bước trờn. Trong quy trỡnh làm phần mềm thiết kế để thu được kết quả tốt cần cú thiết bị thực nghiệm rất hiện đại và số lần kiểm tra đỏnh giỏ phần mềm thiết kế rất nghiờm ngặt, do vậy nú thường được phỏt triển theo một dự ỏn lớn - nghiờn cứu phần mềm ứng dụng độc lập.
Trong nghiờn cứu luận văn chọn phương ỏn khai thỏc phần mềm thương mại cho việc thiết kế. Luận văn sử dụng phần mềm OptiWave 7.0 để thiết kế linh kiện chia cụng suất quang 1x2 [43]. Phần mềm này mụ phỏng lan truyền ỏnh sỏng trong dẫn súng quang dựa trờn phương phỏp tớnh FFTBPM (phương phỏp này đó được trỡnh bày trong Chương 1), và cho phộp khảo sỏt ảnh hưởng cỏc thụng số của linh kiện lờn hiệu suất truyền ỏnh sỏng trong linh kiện. Cỏc thụng số đú như chiết suất kờnh dẫn, chiết suất mụi trường xung quang kờnh dẫn, bỏn kớnh cong, kớch thước kờnh dẫn vv.
Thiết kế trờn phần mềm OptiWave 7.0 với thụng số đầu vào của vật liệu lai hữu cơ - vụ cơ ASZ:
Lớp đệm: đế SiO2, cú chiết suất tại bước súng 1538 nm bằng 1.4442
Kờnh dẫn súng: vật liệu nano ASZ được chiếu sỏng UV, cú chiết suất bằng 1.4850
Mụi trường xung quanh kờnh dẫn là vật liệu ASZ khụng được chiếu sỏng, cú chiết suất bằng 1.4820.
Khảo sỏt thay đổi bỏn kớnh cong R khỏc nhau để thu được hiệu suất ỏnh sỏng lan truyền từ đầu vào (dẫn súng thẳng W0) đến hai đầu ra (trờn hai dẫn súng thẳng W1, W2) lớn nhất, chọn được bỏn kớnh cong phự hợp nhất R = 5cm. Hỡnh 3.2 là ảnh thiết kế cấu trỳc 2D linh kiện chia quang 1x2, hỡnh 3.3.a là ảnh thiết kế phõn bố chiết suất của linh kiện chia quang 1x2, hỡnh 3.3.b là ảnh thiết kế phõn bố chiết suất với mặt thiết diện tại đầu vào của linh kiện chia quang 1x2.
Hỡnh 3.2. Ảnh thiết kế cấu trỳc linh kiện chia quang 1x2
Cỏc thụng số cấu trỳc hỡnh học của linh kiện chia quang 1x2 trờn hỡnh 3.2 như sau:
Kớch thước linh kiện: rộng 350 m, dài 2000 m.
Kờnh dẫn thẳng: chiều dài 7000 m, chiều rộng kờnh dẫn bằng 50
m, chiều dày là 5m,
Kờnh dẫn uốn cong cú bỏn kớnh cong R = 5 cm, khoảng cỏch giữa hai kờnh song song tại đầu ra bằng 250 m.
Phõn bố chiết suất trong linh kiện chia cụng suất quang 1x2 biểu diễn trờn hỡnh 3.3. Màu xanh biểu thị chiết suất khụng khớ, màu gạch chiết suất đế bằng 1.4442 (đúng vai trũ lớp đệm), p vỏ (mụi trường xung quanh kờnh dẫn), màu đỏ biểu thị chiết suất kờnh dẫn.
a) Phõn bố chiết suất dọc theo phương Z b) Mặt cắt phõn bố chiết suất
R = 5 cm cm h = 250 m m W = 50 m Hai bờn Đế Dẫn súng Khụng khớ
Thụng số ỏnh sỏng lan truyền trong chip và điều kiện biờn
Ánh sỏng lan truyền trong linh kiện đơn sắc cú bước súng 1.55 m, phõn cực TE và cú cường phõn bố dạng Gauss (hỡnh 3.4.a)
Điều kiện biờn trong suốt TBC (như đó nờu trong Chương 1)
Bước tớnh số 0.5 m
Trong mụ phỏng, giả sử chiết suất trờn hai nhỏnh bằng nhau (n1 = n2 = 1.4850) nờn hệ số MCF = 0. Do vậy, trong thiết kế này giả sử chip hoạt động là chia cụng suất quang, thiết kế cần chọn ra bỏn kớnh cong thớch hợp với giỏ trị chiết suất của vật liệu nano ASZ, nhằm giảm sự tổn hao do sự uốn cong tại vựng phõn chia cường độ ỏnh sỏng.
Kết quả mụ phỏng chỉ ra hỡnh 3.4.a là phõn bố cường độ ỏnh sỏng tại đầu vào và hỡnh 3.4.b là phõn bố cường độ ỏnh sỏng tại hai đầu ra của chip. Hiệu suất năng lượng ỏnh sỏng tại hai đầu ra so với đầu vào bằng 90%.
a) Cường độ ỏnh sỏng tại đầu vào phõn bố dạng Gauss
b) Cường độ ỏnh sỏng tại đầu ra Hỡnh 3.4. Cường độ ỏnh sỏng tại cỏc đầu vào ra của chip
Hỡnh 3.5 mụ phỏng ỏnh sỏng lan truyền trong chip chia cụng suất 1x2, màu đỏ ứng với cường độ ỏnh sỏng mạnh nhất (chuẩn hoỏ bằng 1). Trờn hỡnh 3.5 cho thấy ỏnh sỏng phõn bố đều trờn hai nhỏnh của chip, chứng tỏ với cấu trỳc thiết kế