Hỡnh 2.16. Gồ ghề màng ASZ tại tốc độ nhỳng-kộo 1.5 mm/s
Kết quả đo trờn hỡnh 2.15 cho thấy độ ghồ ghề bề mặt của cỏc mẫu dẫn súng tầng ASZ dưới 2 nm, giỏ trị này đủ nhỏ, khụng làm ảnh hưởng đến sự tổn hao quang do tỏn xạ vỡ ghồ ghề bề mặt. Điều này chứng tỏ vật liệu nano ASZ cho phộp tạo ra cỏc dẫn súng tầng cú độ phẳng bề mặt tốt.
2.3.3. Đo tớnh chất quang màng vật liệu ASZ 2.3.3.1.Thiết bị đo Prism Coupler 2010 2.3.3.1.Thiết bị đo Prism Coupler 2010
Hỡnh 2.18 là ảnh hệ đo Prism Coupler 2010 (thuộc Phũng thớ nghiệm trọng điểm Quốc Gia, tại Viện khoa học Vật liệu), cú thể đo chiết suất, tổn hao quang cỏc màng mỏng quang học. Sai số trong phộp đo chiết suất khoảng 0.0001 và phộp đo tổn hao quang khoảng 0.01 dB/cm. Thiết bị cú độ lặp lại cao, xử lớ số liệu và điều khiển mỏy hoàn toàn tự động qua giao diện phần mềm của mỏy.
Hỡnh 2.17 là ảnh hệ đo Prism Coupler 2010, hỡnh 2.18 là sơ đồ nguyờn lớ hệ đo Prism Coupler 2010. Nguyờn lớ hoạt động Prism Coupler 2010 theo phương phỏp tiếp xỳc lăng kớnh: ỏnh sỏng được đưa vào dẫn súng tầng tại điểm tiếp xỳc giữa đế lăng kớnh với bề mặt dẫn súng tầng. Hoạt động của thiết bị Prism Coupler 2010 được mụ tả như sau: dẫn súng tầng được ộp chặt với đế lăng kớnh bằng đầu nộn (coupling head) khớ Nitơ. Chựm sỏng phỏt ra từ cỏc laser (laser light) cú bước súng khỏc nhau (bước súng 632.8 nm của laser HeNe, bước súng 1321 nm và 1538 nm của cỏc laser bỏn dẫn), truyền qua hệ thống quang học và đến mặt bờn của lăng kớnh. Trờn đường truyền của cỏc tia laser này cú đặt cỏc tấm phõn cực TE, TM. Cỏc lăng kớnh cú chiết suất khỏc nhau (trong vựng từ 1.5 đến 3.2) cho phộp lựa chọn thớch hợp với cỏc mẫu cần đo cú chiết suất khỏc nhau. Gúc đến của cỏc tia laser tại mặt bờn lăng kớnh được thay đổi rất nhỏ (0.001 độ) bằng hệ thống mụ tơ bước. Chựm sỏng laser bị khỳc xạ tại mặt bờn và đi đến mặt đỏy, tại đõy tuỳ thuộc vào gúc tới chựm laser () mà ỏnh sỏng liờn kết (coupling) và truyền trong dẫn súng (film hoặc substrate) hoặc phản xạ và truyền đến mặt bờn lăng kớnh đến đầu đo quang (Photo Detector). Trờn sơ đồ nguyờn lớ hệ đo Prism Coupler 2010 cú đường cường độ ỏnh sỏng phản xạ tại đỏy lăng kớnh theo gúc đến khỏc nhau của chựm laser (hỡnh 2.18), cỏc đỉnh cực tiểu tương ứng với gúc đến chựm laser tại mặt đỏy lăng kớnh để chựm sỏng laser truyền trong dẫn súng.
Hỡnh 2.17. Hệ đo Prism Coupler 2010 (Metricon,US)
Hỡnh 2.18. Sơ đồ nguyờn lớ hệ đo Prism Coupler 2010
Khả năng thiết bị Prism Coupler 2010:
Thiết bị đo Prism Coupler 2010 cú thể đo được cỏc thụng số vật liệu màng quang học:
Cú thể đo chiết suất của màng đơn lớp, đa lớp và tầng đế tại cỏc laser cú bước súng và phõn cực khỏc nhau, tại nhiệt độ mẫu đo khỏc nhau. Khoảng chiết suất mẫu cú thể đo được nằm trong 1.4 đến 3. Độ chớnh xỏc chiết suất đến 0.001.
Cú thể đo tổn hao quang nội (insertion loss) của vật liệu trờn màng dẫn súng quang tại cỏc laser cú bước súng khỏc nhau. Độ chớnh xỏc tổn hao quang đến 0.01 dB/cm.
2.3.3.2. Đo chiết suất vật liệu ASZ
Đo chiết suất của cỏc mẫu dẫn súng tầng vật liệu ASZ đế SiO2 tại cỏc bước súng (632.8 nm, 1321 nm và 1538 nm), theo cỏc phõn cực TE, TM, nhiệt độ mẫu đo 250C (bằng nhiệt độ phũng). Kết quả đo được chiết suất vật liệu nano ASZ được trỡnh bày trong bảng 2.1. Tớn hiệu đo chiết suất từ thiết bị Prism Coupler 2010 được biểu diễn trờn cỏc hỡnh 2.20, hỡnh 2.21, hỡnh 2.22, hỡnh 2.23 biểu thị mode dẫn súng, hỡnh 2.24 ảnh laser bước súng 632.8 nm lan truyền trong màng ASZ
Bảng 2.1. Chiết suất vật liệu lai hữu cơ - vụ cơ cấu trỳc nano ASZ
TE:laser đến phõn cực điện trường ngang, TM:laser đến phõn cực từ trường ngan, NA:Khụng xỏc định, DS151, DS152, DS153 lần lượt là mẫu dẫn súng vật
liệu ASZF14/4/4 với tốc độ trải màng V=0.5 mm/s, V=1.5 mm/s, V=3 mm/s.
Giỏ trị chiết suất vật liệu nano ASZcủa cỏc mẫu dẫn súng cú chiều dày khỏc nhau sai khỏc nhau rất nhỏ (chỉ ở con số thứ 4 sau dấu phẩy). Số mode trong một dẫn súng tăng lờn khi bước súng nhỏ hơn, và tại một bước súng số mode tăng lờn khi chiều dày dẫn súng tăng, điều này hoàn toàn phự hợp trong tớnh toỏn lớ thuyết. Mặt khỏc, từ bảng 2.1 cho thấy giỏ trị chiết suất vật liệu ASZ khi ỏnh
Mẫu Bước súng (nm) Số mode Chiết suất TE Chiết suất TM Chiều dày (àm) Đế SiO2 632.8 NA 1.4569 NA NA 1321 NA 1.4411 NA 1538 NA 1.4437 NA DS151 632.8 4 1.4963 1.4944 4 1321 2 1.4885 1.4863 1538 1 1.4831 1.4810 DS152 632.8 5 1.4964 1.4946 5.5 1321 3 1.4888 1.4866 1538 2 1.4830 1.4811 DS153 632.8 7 1.4966 1.4947 8 1321 5 1.4889 1.4868 1538 4 1.4833 1.4812
sỏng laser truyền theo phõn cực TE, TM cú sai khỏc nhau rất nhỏ (dưới 0.003). Từ đú khẳng định vật liệu đồng đều chiết suất và tớnh phõn cực rất nhỏ.
Chiết suất của vật liệu liờn quan đến thể tớch tự do (sự xếp chặt), độ phõn cực, khoảng cỏch giữa độ dài súng quang và độ dài súng hấp thụ cực đại của vật liệu. Thụng thường, tỷ trọng hoặc độ phõn cực lớn dẫn đến chiết suất tăng. Ba dạng phõn cực (điện tử, nguyờn tử và sự định hướng lưỡng cực) gúp phần vào độ phõn cực chung.
Phõn cực điện tử là phần lệch của sự phõn bố cõn bằng điện tử so với cỏc hạt nhõn của chỳng. Khi chỉ cú sự chuyển động của điện tử, quỏ trỡnh phõn cực này xảy ra rất nhanh, hằng số thời gian là 10-15
giõy.
Độ phõn cực nguyờn tử là kết quả từ việc sắp xếp lại của hạt nhõn trong điện trường. Hạt nhõn dương bị hỳt bởi cực õm của trường ngoài. Tuy nhiờn, sự chuyển động của hạt nhõn so với điện tử sẽ rất chậm chạp. Kết quả, nú khụng bị tỏc động khi điện trường dao động với tần số cao như xảy ra với điện tử.
Sự phõn cực định hướng lưỡng cực cú được là do sự phõn bố lại điện tớch khi một nhúm nguyờn tử cú momen lưỡng cực khụng đổi, tự định hướng lại trong khụng gian để chống lại trường điện. Vỡ nhúm lớn phải định hướng lại nờn quỏ trỡnh này thường chậm hơn bất cứ sự phõn cực điện tử và nguyờn tử nào, thậm chớ kể cả trong pha khớ thỡ hằng số thời gian là 10-9 giõy. Do quỏn tớnh lớn gõy khú khăn cho quỏ trỡnh đảo hướng chuyển động trong mỗi chu kỳ của dao động điện trường. Trong pha lỏng hoặc rắn, cần phải vượt qua lực tương tỏc lớn giữa cỏc phõn tử, vỡ nú làm chậm quỏ trỡnh và hạ thấp khả năng phõn cực dưới mọi điều kiện trừ điều kiện tĩnh. Phõn cực định hướng lưỡng cực thường chiếm ưu thế trong khả năng phõn cực của vật liệu dạng lỏng hoặc khớ. Trong chất rắn, chuyển động lưỡng cực thường bị hạn chế ở điểm mà phõn cực định hướng lưỡng cực ớt cú ý nghĩa hơn cỏch thức của điện tử.
Ở mức tần số quang chỉ cú phõn cực điện tử xảy ra, chiết suất cú thể vi điều chỉnh thụng qua sự biến đổi cấu trỳc, sự biến chuyển vật lý và pha tạp.
Tớn hiệu trờn cỏc hỡnh 2.19, hỡnh 2.20, hỡnh 2.21, hỡnh 2.22, hỡnh 2.23 cho biết số mode làn truyền trong dẫn súng tầng, mỗi mode dẫn súng này tương ứng với một đỉnh cực tiểu. Trờn cỏc hỡnh này đó chỉ ra cựng một dẫn súng tầng cú chiều dày màng 5.5 m và tại bước súng 632.8 nm cú 5 mode và tại bước súng
1538 nm cú 2 mode. Điều này hoàn toàn phự hợp lớ thuyết tớnh số mode tại chương 1.
Hỡnh 2.19. Chiết suất vật liệu ASZ tại bước súng 632.8nm, phõn cực TE
Hỡnh 2.20. Chiết suất vật liệu ASZ tại bước súng 632.8nm, phõn cực TM
Hỡnh 2.22. Chiết suất vật liệu ASZ tại bước súng 1538 nm, phõn cực TM
2.3.3.3. Đo tổn hao quang của dẫn súng tầng ASZ
Một trong những thụng số quan trọng của dẫn súng tầng là hệ số tổn hao ỏnh sỏng lan truyền. Tương ứng với một phộp đo chiết suất trờn thỡ hệ đo Prism Coupler 2010 cho phộp đo hệ số tổn hao ỏnh sỏng. Ánh sỏng lan truyền được trong màng dẫn súng quang tầng ASZ đó tạo ra cỏc mode lan truyền trong dẫn súng tầng (tại cỏc đỉnh). Để đo tổn hao ỏnh sỏng tại một vị trớ mode nhất định ta di chuyển vị trớ gúc đến chựm tia laser đến vị trớ gúc mode tương ứng, tại vị trớ mode này ỏnh sỏng lan truyền trong dẫn súng. Kết quả đo thu được hệ số tổn hao của cỏc mẫu DS151, DS152, DS153 mụ tả trong bảng 2.2 và cường độ ỏnh sỏng phản xạ tại mặt đế lăng kớnh đi đến đầu thu photodiode trờn cỏc hỡnh 2.23, hỡnh 2.24, hỡnh 2.25.
Tại vị trớ gúc đến ỏnh sỏng bước súng 632.8 nm tương ứng mode bậc 1 (mode thứ 2) ta quan sỏt được hỡnh ảnh ỏnh sỏng đỏ này lan truyền trong dẫn súng tầng (theo chiều mũi tờn) như trờn hỡnh 2.23, khoảng nhỡn rừ thấy vệt sỏng trờn 3 cm (tổng chiều dài vệt sỏng 4.5 cm). Hỡnh ảnh này là một minh chứng rất rừ ràng rằng cú sự truyền dẫn ỏnh sỏng trong dẫn súng tần ASZ. Khi photodiode di chuyển dọc theo chiều lan truyền ỏnh sỏng ta sẽ thu được hệ số tổn hao quang màng dẫn súng. Kết quả đo giỏ trị tổn hao quang tại cỏc bước súng được nờu trong bảng 2.2.
Bảng 2.2. Hệ số tổn hao quang của dẫn súng tầng ASZ
Mẫu Lần đo Hệ số tổn hao (dB/cm) tại cỏc bước súng 632.8 (nm) 1321 (nm) 1538 (nm) DS151 1 1.21 1.41 0.89 2 1.22 1.55 1.41 3 1.3 1.42 1.10 4 1.1 1.48 1.20 5 0.9 1.43 1.1 Trung bỡnh 1.446 1.458 1.14 DS152 1 1.19 1.85 1.03 2 1.52 1.7 1.31 3 1.4 1.6 1.01 4 1.6 1.7 1.2 5 1.3 1.6 1.3 Trung bỡnh 1.402 1.69 1.182 DS153 1 0.84 1.90 0.87 2 0.87 1.69 0.99 3 0.86 1.71 1.09 Trung bỡnh 0.87 1.76 0.98
Từ bảng 2.2 cho ta thấy hệ số tổn hao quang của vật liệu lai hữu cơ - vụ cơ cấu trỳc nano ASZ thấp nhất đạt 0.98 dB/cm tại bước súng 1538 nm. Kết quả cụng bố của nhiều nhúm nghiờn cứu khỏc trờn thế giới về vật liệu lai hữu cơ – vụ cơ cho thấy hệ số tổn hao quang nằm trong khoảng 0.5 dB/cm đến 1.2 dB/cmthỡ vật liệu đú cú thể sử dụng để chế tạo linh kiện quang tử. Hệ số tổn hao thấp, vật liệu nano ASZ cho phộp mở ra triển vọng chế tạo được cỏc linh kiện dẫn súng ứng dụng trong lĩnh vực quang tử núi chung và thụng tin quang núi riờng.
Cú ba yếu tố dẫn đến tổn hao lan truyền ỏnh sỏng trong cỏc dẫn súng: 1) Tổn hao do hấp thụ năng lượng điện từ bởi cỏc phõn tử trong màng dẫn súng. Sự hấp thụ xảy ra trong vựng tử ngoại và vựng nhỡn thấy chủ yếu do điện tử hấp thụ và xảy ra trong vựng hồng ngoại gần xảy ra do sự dao động của phõn tử. 2) Tổn hao do tỏn xạ khụng gian, tỏn xạ Rayleigh. Yếu tố này xảy ra do sự khụng đồng nhất của vật liệu như mật độ khối lượng thay đổi, lẫn tạp chất, và lỗi cấu trỳc mạng liờn kết vật liệu. Những suy hao này phụ thuộc vào mối quan hệ kớch thước vật liệu khụng đồng nhất với bước súng ỏnh sỏng lan truyền và số tõm tỏn xạ (số điểm khụng đồng nhất). 3) Tổn hao do tỏn xạ bề mặt hoặc tổn hao do sự phản xạ,
sự tổn hao này nhỏ khi độ ghồ gề bề mặt nhỏ, chiều dày màng mỏng và số mode lan truyền trong màng dẫn súng nhỏ.
Xột trong trường hợp dẫn súng quang tầng ASZ, tổn hao quang chủ yếu do hai nguyờn nhận: hấp thụ vật liệu và sự tỏn xạ khụng gian. Do sự dao động mạnh của cỏc phõn tử trong vật liệu ASZ đó hấp thụ bước súng ỏnh sỏng lan truyền (1538 nm), dẫn đến sự tổn hao do hấp thụ. Sự tỏn xạ khụng gian xảy ra khi ỏnh sỏng (1538 nm) lan truyền trong dẫn súng quang tầng ASZ, độ sạch trong phũng thớ nghiệm khụng cao dẫn đến cú lẫn cỏc tạp chất trong khi tiến hành trải màng.
Hỡnh 2.24. Cường độ ỏnh sỏng lọt qua bề mặt dẫn súng tầng ASZ dọc theo phương truyền tại bước súng 632.8 nm, phõn cực TE
Hỡnh 2.25. Cường độ ỏnh sỏng lọt qua bề mặt dẫn súng tầng ASZ dọc theo phương truyền tại bước súng 1538 nm, phõn cực TE
2.3.3.4. Chiết suất vật liệu ASZ biến đổi theo nhiệt độ
Hệ số quang nhiệt đặc trưng cho hiệu ứng quang nhiệt, bằng giỏ trị biến đổi chiết suất của vật liệu khi nhiệt độ của vật liệu tăng lờn một độ. Hiệu ứng quang -
nhiệt là một trong cỏc tớnh chất quan trọng của vật liệu dẫn súng quang, được ỏp dụng để chế tạo cỏc linh kiện như: bộ giao thoa kế Mach – Zehnder (MZ), bộ chuyển mạch số (digital switching), bộ chọn lọc bước súng cú thể điều chỉnh trong AWG [22,30,31].
Hỡnh 2.26 là sơ đồ hệ đo Prism Coupler 2010 xỏc định hệ số quang nhiệt, trong đú nhiệt độ của lăng kớnh và đầu kết nối được điều khiển qua bộ điều kiển nhiệt tự động. Khi lăng kớnh và đầu kết nối được đốt núng, làm cho nhiệt độ của mẫu tại điểm liờn kết tăng dần và khi đú hệ đo cú thể xỏc định chiết suất của mẫu tại nhiệt độ này.
Hỡnh 2.26. Sơ đồ hệ đo Prism Coupler 2010 xỏc định hệ số quang nhiệt
Kết quả đo chiết suất của cỏc mẫu đo khi tăng nhiệt độ mẫu mỗi lần 100
C theo phõn cực ỏnh sỏng TE, TM được mụ tả trong cỏc hỡnh 2.27 cho dẫn súng tầng vật liệu ASZ và giỏ trị hệ số quang nhiệt tớnh ra trong bảng 2.3.
30 40 50 60 70 80 1.470 1.475 1.480 1.485 1.490 1.495 AF8SZ C h iế t su ấ t Nhiệt độ (oC) TE 632.8 nm TM 632.8 nm TE 1538 nm TM 1538 nm
Hỡnh 2.27. Sự thay đổi chiết suất theo nhiệt độ của màng ASZ
Bảng 2.3. Hệ số quang nhiệt vật liệu ASZ Phõn cực Bước súng (nm) dn/dT TE 632.8 - 0.00025 1538 - 0.00023 TM 632.8 - 0.00021 1538 - 0.00022
- vụ cơ nano ASZ lớn hơn hàng chục lần so với hệ số quang điện của vật liệu silica hoặc của lithiumniobate [22,30,31]. Giỏ trị cụng nghệ do hệ số quang nhiệt lớn của một vật liệu quang làm cho năng lượng tiờu hao của một mạch tớch hợp giảm và mở ra khả năng dễ dàng tớch hợp với số linh kiện rất lớn [30,31].
Để giải thớch tớnh chất hệ số quang nhiệt õm và lớn của vật liệu nano ASZ, ta xuất phỏt từ lớ thuyết Prod đưa ra biểu thức hệ số nhiệt như sau [35]:
) )( n ( f dT dn với n 6 ) 2 n )( 1 n ( ) n ( f 2 2
Trong đú là hệ số nhiệt sinh ra do phõn cực điện, là hệ số dón nở thể
tớch, n là chiết suất vật liệu tại nhiệt độ T.
Mặt khỏc, chiết suất của vật liệu liờn quan đến thể tớch tự do (sự xếp chặt hay tỉ trọng), độ phõn cực điện và khoảng cỏch giữa bước súng ỏnh sỏng lan truyền trong vật liệu và bước súng hấp thụ cực đại của vật liệu. Trong đú, tỷ trọng hoặc độ phõn cực lớn dẫn đến chiết suất tăng. Do tớnh linh động của vật liệu ASZ (thuộc dũng polyme) cao nờn khi tăng dần nhiệt độ sự đúng gúp của hệ số dón nở thể tớch của vật liệu ASZ lớn. Trong khi đú, tớnh phõn cực điện của vật liệu ASZ nhỏ (thuộc loại vật liệu hệ số dẫn điện thấp) nờn hệ số nhiệt sinh ra do sự phõn cực điện của vật liệu nhỏ. Do đú khi ta tăng nhiệt độ chiết suất của vật liệu ASZ sẽ bị giảm.
2.3.3.5. Tớnh nhạy quang của vật liệu ASZ
Phản ứng quang húa được chia làm hai loại: loại quang húa trực tiếp hay cũn gọi là quang húa khụng cần chất cảm quang (non-induced reaction) và loại quang hoỏ giỏn tiếp. Phản ứng quang húa trực tiếp xảy ra khi chiếu ỏnh sỏng trực