CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LASER 1. Giới thiệu về cấu trúc tinh thể quang tử Cấu trúc tinh thể quang tử (PhC) là vật liệu điện môi nhân tạo có chiết suất n (hằng số điện môi = n2) thay đổi theo một quy luật tuần hoàn trong không gian, chu kỳ tuần hoàn (hằng số mạng) (a) của cấu trúc tinh thể quang tử phụ thuộc vào bước sóng () của sóng điện từ mà chúng ta quan tâm, a /n. Tùy thuộc vào số chiều tuần hoàn của cấu trúc tinh thể quang tử trong không gian mà cấu trúc tinh thể quang tử được chia làm ba loại: cấu trúc tinh thể quang tử một chiều (1D-PhC), hai chiều (2D-PhC) và ba chiều (3D-PhC).
Với cấu trúc tinh thể quang tử một chiều, sự tuần hoàn của chiết suất n chỉ được thiết lập theo một hướng duy nhất nào đó và đồng nhất theo hai hướng còn lại. Tương tự như vậy, cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều hoặc ba chiều cũng có kiểu cấu trúc tuần hoàn của chiết suất theo hai hoặc ba hướng tương ứng. Mô hình cấu trúc của ba loại cấu trúc tinh thể quang tử được thể hiện như ở Hình 1. Mô hình cấu trúc tinh thể quang tử: 1D-PhC (a); 2D-PhC (b) và 3D-PhC (c) Tính tuần hoàn về chiết suất của PhC dẫn đến hình thành vùng cấm quang (PBG).
PhC có tác dụng chặn các ánh sáng có tần số (hay bước sóng) nằm trong vùng cấm quang nhưng lại cho phép ánh sáng có các bước sóng khác không nằm trong vùng cấm quang truyền qua. Vùng cấm quang của cấu trúc tinh thể quang tử đóng vai trò tương tự như vùng cấm đối với điện tử trong tinh thể bán dẫn và phụ thuộc vào hướng truyền của ánh sáng. Cấu trúc 1D-PhC có vùng cấm quang ngăn cản sự truyền ánh sáng theo hướng vuông góc với phương tuần hoàn của cấu trúc tinh thể, cấu trúc 2D-PhC có vùng cấm quang nằm trong mặt phẳng chứa hai phương tuần hoàn của cấu trúc tinh thể và cấu trúc 3D-PhC có vùng cấm quang hoàn toàn theo cả ba phương tuần hoàn của cấu trúc tinh thể. luan an 7 Nhờ tồn tại vùng cấm quang mà PhC có khả năng được sử dụng để điều khiển, giam giữ và kiểm soát ánh sáng trong không gian một chiều (1D), hai chiều (2D) và ba chiều (3D).
PhC tạo ra sự dẫn sóng ít bị mất mát năng lượng để hướng dòng ánh sáng truyền theo một hướng cụ thể, thậm chí với cả những nhánh uốn cong đột ngột lên đến 90o. Với khả năng kiểm soát sự lan truyền và bức xạ tự phát của ánh sáng, PhC có thể được sử dụng để chế tạo các bộ lọc sóng quang học, ống dẫn sóng, chuyển mạch quang, laser ngưỡng cực thấp, bộ điều chế, bộ tách sóng,. Với khả năng điều khiển bức xạ tự phát, 2D-PhC là nền tảng quan trọng trong việc thiết kế và chế tạo các nguồn sáng, nguồn sáng được tạo ra từ 2D-PhC có thể là đơn sắc (laser) [34][35] hoặc đa sắc (diode phát quang) [36][37] tùy thuộc dạng 2D- PhC được sử dụng có chứa hoặc không chứa khuyết tật, chúng có thể được sử dụng để điều khiển các bức xạ tự phát và cải thiện các đặc tính của laser [38][39]. Trên cơ sở tính chất định xứ bức xạ của sóng ánh sáng tại vị trí khuyết tật điểm trong 2D-PhC, 2D-PhC được sử dụng để làm các bộ cộng hưởng quang học; tác dụng chuyển đổi bước sóng xung quang học của vi hốc cộng hưởng dựa vào đặc tính này cũng đã được nghiên cứu, ứng dụng trong các hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng để quản lý mạng động, xử lý tín hiệu toàn quang và kết nối quang [40]; ngoài ra, các vi hốc cộng hưởng còn được đề xuất ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến sinh học, cảm biến áp suất [41]-[43],.
Tính chất định xứ bức xạ trong khuyết tật đường của 2D-PhC cho phép sử dụng 2D-PhC để chế tạo các ống dẫn sóng ít tổn hao, ống dẫn sóng uốn cong đột ngột suy hao cực thấp [44]-[46]. Ống dẫn sóng trên cơ sở 2D-PhC khuyết tật đường có tính nổi trội hơn nhiều về hiệu suất và kích thước so với ống dẫn sóng truyền thống hoạt động theo nguyên tắc phản xạ toàn phần. Dẫn sóng bằng khuyết tật đường còn được nghiên cứu chế tạo các bộ cách ly quang (Isolator) [37][44][47], bộ luân chuyển hướng truyền quang (Circulator) với độ tổn hao thấp [44][45], diode phát quang [37] và laser phổ hẹp [39]. Gần đây, dẫn sóng sử dụng cấu trúc 2D-PhC cũng đã được Rachid Deghdak và các cộng sự nghiên cứu bằng tính toán mô phỏng ứng dụng cho cảm biến từ độ nhạy cao [48].
Dựa trên cơ sở hiệu ứng kết cặp giữa mode dẫn trong ống dẫn sóng và mode cộng hưởng của vi hốc cộng hưởng mà 2D-PhC đã được nghiên cứu và đề xuất để luan an 8 chế tạo linh kiện ứng dụng cho cảm biến sinh học [41][49], cảm biến áp suất [42][43], các cổng logic quang AND, NAND [50][51], bộ lọc sóng quang học trong mặt phẳng [52]-[54]; chuyển mạch quang với tốc độ cực nhanh [55], thay đổi dạng của phổ truyền qua ống dẫn sóng [56] và điều chế điện - quang [57],… Các nghiên cứu này bao gồm cả tính toán lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm chế tạo. Ngoài khả năng dẫn truyền và điều khiển sóng trong mặt phẳng, cấu trúc 2D- PhC dẫn sóng còn có khả năng kết hợp với sóng tới từ môi trường ngoài để tạo thành cộng hưởng khi điều kiện cân bằng pha của hai sóng được thỏa mãn. Cộng hưởng này được gọi là cộng hưởng dẫn sóng (GMR) của phiến 2D-PhC. Dựa trên hiệu ứng GMR, nhiều công trình nghiên cứu đã được công bố liên quan đến hướng ứng dụng của nó như thiết kế nguồn laser [35], linh kiện lưỡng trạng thái ổn định quang học [31], chuyển mạch quang năng lượng cực thấp [32][58], điều chế quang học hiệu suất cao [59], bộ lọc sóng quang học [60]-[63], thiết bị ứng dụng cho cảm biến sinh học [64] và cảm biến nhiệt độ [65] với độ nhạy cực cao.
Tính chất tán sắc của 2D-PhC cho phép sử dụng 2D-PhC như các siêu lăng kính [66]. Khi nghiên cứu về hiệu ứng siêu lăng kính, PhC được xem là môi trường có chiết suất phụ thuộc mạnh vào dạng hình học của nó và bước sóng bức xạ. Tính chất tán sắc của 2D-PhC cũng đã được nghiên cứu, chế tạo các bộ tách sóng quang đa kênh hiệu suất cao [66]-[69] để tách các kênh thông tin truyền đi trong cùng một ống dẫn sóng. Các bộ tách sóng đa kênh sử dụng 2D-PhC có kích thước nhỏ và mật độ kênh quang lớn hơn so với các bộ tách sóng truyền thống.
Dựa vào hiệu ứng làm chậm tốc độ ánh sáng của 2D-PhC nhờ có vận tốc nhóm cực thấp ở một số bước sóng đặc biệt, 2D-PhC có thể được sử dụng để chế tạo các bộ định tuyến quang học, các microlaser, bộ tạo trễ lan truyền quang [70],… Tính phi tuyến của vật liệu và đặc trưng đáp ứng phổ tần số của phiến 2D-PhC cho phép chế tạo linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định quang học [31], đây là cơ sở để chế tạo các bộ chuyển mạch quang [32][58]. Thời gian chuyển trạng thái của các chuyển mạch quang sử dụng phiến 2D-PhC rất nhanh [55] nên tăng được tốc độ tính toán, nâng cao hiệu quả trong lĩnh vực truyền thông tốc độ cao. Hiệu ứng kết cặp giữa các mode dẫn trong các ống dẫn sóng của 2D-PhC cho phép sử dụng phiến 2D-PhC để thiết kế các bộ chia công suất quang hiệu quả cao. luan an 9 Các bộ chia công suất quang thực hiện chia công suất theo các tỷ lệ nhất định hoặc tách chúng thành các chùm phân cực.
Các bộ chia công suất sử dụng 2D-PhC có thể gồm một số ống dẫn sóng song song có các độ dài kết cặp khác nhau [71], hoặc gồm các ống dẫn sóng song song với khoảng cách nhỏ giữa chúng [72]. Với bộ chia sử dụng 2D-PhC, bức xạ truyền từ ống dẫn sóng vào tới các ống dẫn sóng ra gần như không bị tổn hao và chúng ta có thể dễ dàng thay đổi tỷ lệ công suất truyền tới các ống dẫn sóng ra bằng cách thay đổi các thông số của ống dẫn sóng. Các công nghệ để chế tạo 2D-PhC hiện nay hầu như chỉ tập trung ở các phòng thí nghiệm hiện đại trên thế giới, do nhu cầu trang thiết bị đắt tiền như hệ ăn mòn hoặc khắc chùm điện tử. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu linh kiện quang tử trên cơ sở cấu trúc 2D-PhC chủ yếu được thực hiện bằng mô phỏng và đã có các công bố liên quan [29]-[32][60].
Các linh kiện quang tử trên cơ sở cấu trúc 1D-PhC chế tạo từ màng đa lớp silic xốp và từ sợi quang có lõi SiO2 pha tạp nặng vật liệu nhạy quang GeO2 đã được nghiên cứu ứng dụng cho lĩnh vực thông tin quang và cảm biến để đo các thông số của môi trường [23]-[26]. Với cấu trúc 3D-PhC, các laser vi cầu phát xạ mode WGM vùng 1550 nm cũng đã được chế tạo thành công ứng dụng cho thông tin quang và cảm biến [27][28]. Vùng cấm quang trong cấu trúc 2D-PhC Để khảo sát vùng cấm quang trong 2D-PhC, hai kiểu cấu trúc đơn giản và phổ biến thường được xét đến là 2D-PhC mạng hình vuông và 2D-PhC mạng hình tam giác. Mô hình cấu trúc và các thông số giả định đặc trưng dùng để tính toán, mô phỏng độ rộng vùng cấm quang cho hai loại mạng này được trình bày tương ứng trên Hình 1.3, trong đó a là hằng số mạng.
2D-PhC mạng hình vuông: Các cột điện môi bán kính r = 0,2a và = 11,68 trong không khí (a) [33]; Các hố không khí bán kính r = 0,35a trong nền điện môi có = 12,5 (b) [73] luan an 10 (a) (b) Hình 1. 2D-PhC mạng hình tam giác: Các hố không khí bán kính r = 0,4a trong nền điện môi có = 12,96 (a) [33]; Các cột điện môi bán kính r = 0,4a và = 12,96 trong không khí (b) [74] 1. Vùng Brillouin, mode điện trường ngang và mode từ trường ngang 1. Vùng Brillouin 2D-PhC mạng hình vuông và 2D-PhC mạng hình tam giác là sự tuần hoàn của các ô đơn vị theo hai hướng x và y trong mặt phẳng với các độ dài vector cơ sở được thể hiện trên Hình 1.
Các ô đơn vị có kích thước nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng truyền trong 2D-PhC, do đó có thể xem 2D-PhC là đồng nhất với phần tử nhỏ nhất là các ô đơn vị và chúng ta sẽ xem xét đặc tính của 2D-PhC thông qua các ô đơn vị. 2D-PhC mạng hình vuông (a) (b) (c) Hình 1.
