CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN Trong chương này, trước hết chúng tôi giới thiệu một cách khái lược về tinh thể quang tử 1D, 2D và 3D. Tiếp theo, chúng tôi trình bày chỉ tiết những đặc trưng cơ bản của tỉnh thê quang tử 1D là loại tinh thể được chọn làm đối tượng nghiên cứu của Luận văn. Bên cạnh đó, các khái niệm về cộng hưởng dẫn sóng và bộ lọc quang học cũng được đưa ra. Phần cuối của chương trình bày về linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ôn định bao gồm chuyển mạch quang, nguyên lý lưỡng ổn định quang học và hệ lưỡng ôn định quang học.
- Tỉnh thể quang tử 1. Khái niệm về tỉnh thể quang tử Tinh thể quang tử (photonic crystals - PCs) là một cấu trúc tuần hoàn trong không gian của các vật liệu với hằng số điện môi khác nhau được sắp xếp xen kẽ nhau, có chiết suất thay đổi theo chu kỳ trên một thang chiều dài và có thé so sánh được với bước sóng ánh sáng được sử dụng. Các photon khi chuyên động trong tỉnh thể sẽ đi qua các vùng có chiết suất cao xen kẽ với các vùng có chiết suất thấp. Đối với một photon sự tương phản về chiết suất này giống như một thế năng tuần hoàn mà một electron bị tác dụng khi đi qua một tinh thé điện tử.
Do tính tuần hoàn dẫn đến trong PCs cũng xuất hiện một vùng cắm quang: tức là có một dải tần số trong đó các photon không thê truyền qua được cấu tric nay. PCs sẽ chặn ánh sáng với các bước sóng nằm trong vùng cắm quang, trong khi cho phép các bước sóng khác truyền qua tự do. Bằng các ngăn chặn hoặc cho phép ánh sáng truyền qua một tỉnh thé quang ttr viéc điều khiển bước sóng ánh sáng có thê được thực hiện. Sự truyền sóng điện từ bên trong một môi trường tuần hoàn được nghiên cứu đầu tiên bởi Lord Reyleigh năm 1887 [30].
Day là cấu trúc ID có sự tuần hoàn của chiết suất chỉ được thiết lập theo một hướng duy nhất trong khi đồng nhất theo hai hướng còn lại. Năm 1987, hai nhà khoa học là Eli Yablonovitch và Sajeev John da đưa ra cấu trúc điện môi tuần hoàn 2D và 3D [39, 14]: Tinh thé quang tử 2D là một cấu trúc tuần hoàn đọc theo hai trục của nó và đồng nhất dọc theo trục thứ ba. Cấu tric tinh thể quang tử này có vùng cắm quang trong mặt phẳng xy, và đồng nhất dọc theo trục z. Trong vùng cắm quang, không có trạng thái nào được phép tồn tại và ánh sáng tới sẽ bị phản xạ ngược trở lại tại mặt phân cách giữa môi trường và cấu trúc tinh thể quang tử [30].
Không giống như trường hợp tinh thé quang tử 1D, tinh thê quang tử 2D có thể ngăn chặn ánh sáng truyền tới từ bất kỳ hướng nào trong mặt phẳng. Tinh thể quang tử 3D là cấu trúc có sự tuần hoàn về chiết suất theo cả ba hướng. Cấu trúc của tinh thể quang tử 3D được biết đến nhiều nhất trong tự nhiên chính là các đá quý Opal. Các loại đá quý này được biết đến bởi tính chất quang độc đáo của chúng là khi quay các viên đá sẽ có màu sắc khác nhau.
Cấu trúc tỉnh thể quang tử 1D, 2D, và 3D. Tỉnh thể quang tử một chiều Tinh thể quang tử đơn giản nhất là tinh thể quang tử một chiều.2 là một hệ thống bao gồm các lớp vật liệu với hằng số điện môi khác nhau còn được gọi là một màng đa lớp. Sự tương tác với ánh sáng xảy ra bên trong cấu trúc này mạnh là do sự giao thoa giữa các chùm ánh sáng mà chúng được phản xạ và được khúc xạ tại tất cả các mặt tiếp giáp ở bên trong vật liệu. Ngày nay, cấu tric tinh thé quang tử ID được sử dụng nhiều trong các laser phát xạ bề mặt, cách tử Bragg trong sợi và bộ lọc quang học.
Cấu trúc tỉnh thể 1D. Cấu trúc này gỗm các lớp vật liệu với chiết suất khác nhau có giá trị không đổi nằm xen kẽ nhau với chu kỳ tuân hoàn là a. Chúng ta sẽ quan tâm kỹ hơn đến vùng cắm quang bởi vì rất nhiều ứng dụng đầy tiềm năng của tỉnh thể quang tử cho đến nay vẫn phụ thuộc vào vị trí và độ rộng của vùng cấm quang. Ví dụ như một tỉnh thể có một vùng cắm quang có thê làm bộ lọc quang học dải hẹp khi loại bỏ tất cả các tần số nằm trong vùng cắm quang.
1 T T %ä a 3 * xe „8 xong cổ = Vùng câm quang 0.5 Véc tơ sóng (ka/2m) Hình 1. Vàng cấm quang cúa tinh thé quang tử một chiều với hằng số mạng a, độ rộng của lớp điện môi là 0.2a và độ rộng của lớp không khí là 0. Vùng cấm quang của tinh thể có thể được mô tả thông qua độ rộng tần số Aø của nó. Nếu giả sử hai vật liệu cấu tạo nên màng đa lớp có hằng số điện môi lần lượt là e và Az và bề dày tương tự là (a-d) và d.
Nếu độ tương phản hằng số điện môi là yếu (Az/z= 1) hoặc tỷ lệ d/a nhỏ thì tỷ số Aw/a, voi o,, là tần số trung tâm được tính là [8]: Ao Ae sin(d F4) (1.1) Q, é z m Công thức này cho thấy rang bat kỳ một sự tuần hoàn nào dù yếu cũng là nguồn gốc dé tạo ra vùng cắm quang trong tinh thể quang tử một chiều. Cộng hưởng dẫn sóng và bộ lọc quang học 1. Cộng hưởng dẫn sóng Cộng hưởng dẫn sóng (Guided-mode resonances - GMRs) là sự ghép cặp cộng hưởng của bức xạ bên ngoài với những mode dẫn sóng của phiến cách tử dẫn sóng (slab waveguide grating) như đã được nghiên cứu nhiều trong [19, 5]. GMRs được ứng dụng trong việc thiết kế điết phát quang [4], laser [22], cảm biến sinh học [17] và bộ lọc sóng quang học với hệ sé pham chat cao[35].
Hién tượng cộng hưởng dẫn sóng được nghiên cứu đối với cấu trúc tỉnh thể quang tử 1D và 2D. Nhưng do cấu trúc 1D là một cấu trúc đơn giản, có sự ghép cặp vào-ra dễ dàng nên luận văn đã chọn nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng dẫn sóng dựa trên cấu trúc tỉnh thể quang tử ID. Khi một chùm ánh sáng chiếu tới phiến cách tử, một phần ánh sáng truyền qua phiến cách tử, một phần ánh sáng bị nhiễu xạ và một phần ánh sáng bị giữ lại bên trong khe cách tử. Tại bước sóng và góc tới đặc biệt thì ánh sáng không bị truyền qua phiến cách tử mà phản xạ hoàn toàn.
Sự phản xạ này hoạt động dựa trên định luật phản xạ Bragg. Phản xạ Bragg xảy ra trên bề mặt tiếp giáp giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau, khi được chiếu sáng sẽ xuất hiện phản xạ có tính chu kỳ gọi la phan xa Bragg. Hiện tượng phản xạ xảy ra tại mỗi bề mặt giữa 2 lớp vật liệu với chiết suất khác nhau. Trong trường hợp chỉ có một lớp trên đế, tia phản xạ là kết quả của sự giao thoa của hai tia: một tia phản xạ ở mặt trên của màng mỏng (mặt phân cách giữa màng mỏng và không khí) và một tia phản xạ ở mặt dưới của màng mỏng (mặt phân cách giữa màng mỏng và đề ).
Bằng cách lựa chọn giá trị thích hợp của chiết suất và độ dày các lớp, chúng ta có thể tạo ra phô phản xạ khác nhau. Tia 1 QZ Hinh 1. Phan xa Bragg Gọi khoảng chênh lệch giữa hai tia phản xạ liên tiếp là a. Góc hợp bởi tia tới và tia vuông góc với tia phản xạ là 0.
Hiệu quang trình bằng số nguyên lần bước sóng.1) Trong đó m là bậc nhiễu xạ, 4, =< là bước sóng trong môi trường truyền dẫn, ^ là bước sóng trong chân không, n là chiết suất của môi trường. Ta thấy: sin ==> A(1+sin8) = mÃ, (1.2) gọi là điều kiện phan xa Bragg. * Điều kiện bước sóng Bragg Bước sóng Bragg phải thoả mãn hai định luật sau: - Định luật bảo toàn năng lượng: Tần số của sóng tới và sóng phản xạ phải bằng nhau vì năng lượng của ánh sáng l࣠= hý (h là hằng số Plank). - Bảo toàn xung lượng: Véc tơ sóng tới cách tử bằng véc tơ sóng ra khỏi cách tử và véc tơ sóng bị phản xạ.
K,=K,+K Trong do: K, la Véc tơ sóng tới cách tử K, Véc tơ sóng ra khỏi cách tử K Véc tơ sóng bị phản xạ Trong cấu trúc cách tử dẫn sóng tia phản xạ ngược với tia tới nên : 6 = 90°SsinØ=l Xét bậc của tia phản xạ là m=1 vi tai bac | nang lượng tập trung lớn nhất Kết hợp với điều kiện phản xạ Bragg ta được Â, =2Ang (1.3) Neff 14 chiét suat hiệu dụng của môi trường tại bước sóng A, 4, là bước sóng cộng hưởng Công thức (1.3) là điều kiện bước sóng Bragg. Bộ lọc quang học Bộ lọc quang học là hệ gồm nhiều lớp điện môi hoạt động dựa trên hiện tượng nhiễu xạ Bragsg của một chùm ánh sáng sau khi phản xạ tại mặt phân cách giữa các lớp điện môi. Mô hình đơn giản của hiện tượng nhiễu xạ được trình bày trong hình 1.5 trong đó màng mỏng bao gồm nhiều cặp lớp giống hệt nhau, mỗi cặp lớp gồm hai lớp có chiết suất n¡ và nạ khác nhau tương ứng với độ dày dị, dạ. Hiện tượng phản xạ xảy ra tại mỗi bề mặt giữa 2 lớp vật liệu với chiết suất khác nhau.
oo Tia phan xa Tia phan xa là sự kết hợp là sự kết hợp của năm tia của hai tia tia tới tỉa tới. 3 Tia truyén qua Tia truyén qua yen q (a) (b) Hinh 1. (a) Tia phan xa va tia truyén qua trong trường hợp màng đơn lóp và (b) trong truong hop mang da lop. Phổ phản xạ của nó có dạng một cực đại phản xạ trung tâm (cực đại chính).
Vùng cực đại chính có bước sóng trung tâm là A„. Các bước sóng ở quanh bước sóng trung tâm À„ và cùng nằm trên cực đại chính là các bước sóng tương ứng với cường độ phản xạ cao có nghĩa là các ánh sáng có bước sóng nằm trong dải này bị phản xạ khi qua bộ lọc, tức là bị “cắm ”truyền qua cấu trúc, vì vậy vùng bước sóng này còn được gọi là vùng cắm hay là chúng bị lọc ra khỏi một dải tần. Linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ôn định 1. Chuyển mạch quang Quá trình phát triển nhanh chóng các giao tiếp quang đã dẫn đến những ý tưởng về việc triển khai thiết bị quang đề thực thi các chức năng chuyển mạch.
Lĩnh vực chuyên mạch quang xuất hiện là kết quả tất yếu của việc phát triển nhanh chóng mạng quang.
