Chương 1: Tổng quan về tinh thể quang tử một chiều Chương 2: Mô phỏng các đặc tính quang học của bộ lọc quang Chương 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU Việc tìm ra chất bán dẫn (tinh thể điện tử) đã mở ra thời kỳ mới cho sự phát triển của nền công nghiệp vi điện tử. Điều này dẫn đến việc giảm giá thành, tăng tốc độ hoạt động của các linh kiện cũng như thiết bị điện tử. Tuy nhiên, nó ngày càng khó khăn để duy trì tốc độ tăng trưởng này do các tác động bất lợi của điện trở, điện dung và điện cảm kí sinh mà dây dẫn kim loại trong các vi mạch gây ra khi kích thước các vi mạch này giảm xuống tới cỡ nanomet. Để tiếp tục nâng cao tốc độ hoạt động và tính năng của các linh kiện cũng như thiết bị, sự ra đời của một công nghệ mới để có thể bổ xung, thay thế cho công nghệ điện tử là điều cần được đặt ra.
Việc bổ xung chức năng quang học vào chức năng điện hiện có trong các vi mạch cùng với việc thay thế phần tử mang các thông tin có ích từ điện tử sang quang tử nhằm tạo ra các thiết bị hoạt động với những tính năng mới, ưu việt hơn là tiền đề cho sự ra đời của một công nghệ mới - công nghệ quang tử. Cơ sở của công nghệ này là một loại tinh thể mới - tinh thể quang tử. Trong chương này, trước hết chúng tôi trình bày một cách khái lược về tinh thể quang tử, các ứng dụng chủ yếu và một số nội dung cơ bản mà chúng tôi cho là thiết yếu nhất của tinh thể quang tử. Tiếp theo, chúng tôi trình bày một cách chi tiết những đặc trưng của tinh thể quang tử một chiều là loại tinh thể được chọn làm đối tượng nghiên cứu của Luận văn.
Phần cuối trình bày công nghệ chế tạo màng silic xốp đa lớp là cơ sở cho việc chế tạo các bộ lọc quang học giao thoa băng rộng và băng hẹp có cấu trúc tinh thể quang tử một chiều.1 Tinh thể quang tử 1.1 Khái niệm tinh thể quang tử: Tinh thể quang tử 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 theo chu kỳ trên một thang chiều dài có thể so sánh được với bước sóng ánh sáng đang được nghiên cứu. Sở dĩ gọi là “ tinh thể ” vì nó được tạo nên bởi sự sắp xếp tuần hoàn của các đơn thể cơ bản và đối tượng của “ tinh thể ” này là các quang tử. Như chúng ta đã biết, đặc tính vật lý của vật chất mà nó có tác động lên sự chuyển động của các quang tử là chiết suất, vì vậy tính tuần hoàn của các đơn tử mà chúng ta vừa nói ở trên chính là sự tuần hoàn của chiết suất. Tính tuần hoàn về chiết suất làm cho tinh thể quang tử có thể giam giữ được ánh sáng và hạn chế một cách hoàn toàn bức xạ tự nhiên nếu một nguồn ánh sáng nằm trong chính tinh thể này trong một dải tần số hay dải bước sóng nhất định mà ta thường gọi là vùng cấm quang (PBG).
Ví dụ, nó có thể ngăn không cho ánh sáng truyền qua; định xứ các photon (với những tần số nhất định) tại các vùng đặc trưng; điều khiển các quá trình bức xạ hoặc cưỡng bức; có thể định hướng dòng ánh sáng theo những hướng cụ thể, thậm chí có thể thay đổi đột ngột hướng truyền của ánh sáng mà ít gây tổn thất năng lượng.2 Các đặc tính và thông số quan trọng của tinh thể quang tử Tinh thể quang tử được đăc trưng bởi một số thông số cơ bản sau: Số chiều: Một chiều (1D), hai chiều (2D) hoặc ba chiều (3D) tùy thuộc vào sự tuần hoàn của chiết suất theo các chiều trong không gian (hình 1.1 Giản đồ minh họa các cấu trúc tinh thể tinh thể quang tử 1D, 2D, và 3D. Các tinh thể này có cấu trúc tuần hoàn về hằng số điện môi (chiết suất) được cấu tạo từ các vật liệu khác nhau theo các chiều không gian. Sự đối xứng: các tinh thể quang tử nói chung đều có tính đối xứng. Cách sắp xếp các đơn thể trong cấu trúc của tinh thể quang tử sẽ xác định tính đối xứng của LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 mạng tinh thể.2 minh họa một vài sự đối xứng ba chiều có thể thấy trong những mạng Bravais của các cấu trúc tinh thể quang tử.2 Minh họa các cách sắp xếp của đơn tinh thể tạo nên các cấu trúc tinh thể quang tử với các đối xứng khác nhau.
a) lập phương đơn, b) lục giác đơn, c) lập phương tâm thể, d) lập phương tâm mặt, e) lục giác xếp chặt, f) mạng kim cương.3 Một mạng fcc với sự đối xứng như nhau có thể cho thấy những cấu trúc liên kết khác nhau. a) và b) là các hạt cầu điện trong không khí, c) và d) là các hạt cầu không khí trong một điện môi Hằng số mạng (a): là chu kỳ không gian của các đơn thể cấu tạo nên tinh thể quang tử tương tự như hằng số mạng của các tinh thể thông thường được cấu tạo nên bởi dãy đều đặn các nguyên tử. Trong trường hợp mạng lập phương hằng số thường được lấy là cạnh của hình lập phương. Hệ số lấp đầy (f): là tỷ lệ thể tích các đơn thể tạo nên tinh thể quang tử và thể tích tinh thể quang tử.
Chiết suất hiệu dụng (neff): là căn bậc hai của hằng số điện môi hiệu dụng (εeff). Hằng số điện môi hiệu dụng được tính là giá trị trung bình hằng số điện môi của các vật liệu tạo thành tinh thể quang tử: εeff = (1-f)ε1 + fε2 (1.1) trong đó f là tỉ lệ lấp đầy, ε1 và ε2 tương ứng là hằng số điện môi của chất nền (khe hở giữa các đơn tinh thể tạo nên tinh thể quang tử) và của các đơn tinh thể. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Sự tương phản chiết suất( δ): là tỷ số giữa chiết suất của vật liệu có hằng số điện môi cao( nH) ( vật liệu tạo nên đơn thể và vật liệu nền) và vật liệu có hằng số điện môi thấp( nL).3 Các ứng dụng của tinh thể quang tử Tinh thể quang tử một chiều (1D) được sử dụng trong việc kiểm soát và điều chỉnh ánh sáng ở mức độ chính xác cỡ bước sóng, như việc tạo ra tinh thể quang tử 1D được sử dụng như những bộ lọc quang học, ống dẫn sóng, cảm biến sinh học… Những tinh thể này phản xạ một cách hiệu quả đối với một dải tần số nhất định và được dùng làm gương cách điện trong laser hoặc các bộ lọc dải.4 Các sợi quang tử trong hình a) sợi là một lõi rỗng được bao quanh bởi một gương phản xạ Bragg( tinh thể quang tử 1D) cho tất cả các hướng. Trong hình b) sợi một lõi rỗng được bao quanh bởi một tinh thể quang tử 2D.5 Ống dẫn sóng trong tinh thể quang tử 2D.
a) tách góc rộng, b) mặt cắt ống dẫn sóng, c) các chỗ cong không tổn thất và d) bộ lọc sụt kênh Tinh thể quang tử 2D đã được sử dụng trong các bộ tách ghép bước sóng, điốt bức xạ ánh sáng hiệu suất cao, mà trong đó người ta sử dụng tinh thể quang tử để lấy ánh sáng khỏi hệ dẫn sóng tích hợp. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Tinh thể quang tử hai chiều (2D) có thể dễ dàng tích hợp với bộ dẫn sóng phẳng, công nghệ quang sợi cho thông tin viễn thông, như giảm thiểu mất mát trong đường truyền, trong ghép nối và dẫn sóng (như trong Hình 1. Tinh thể quang tử ba chiều (3D) có khả năng hạn chế hoàn toàn sự truyền qua của ánh sáng cũng như bức xạ tự do của các tâm bức xạ có mặt trong tinh thể quang tử. Sự hạn chế của bức xạ nhiệt hồng ngoại đã được chứng minh bởi các nghiên cứu của Fleming, khi đó các tinh thể quang tử kim loại có thể được sử dụng như các nguồn bức xạ hiệu suất cao.
Các laser ngưỡng thấp bắt đầu được phát triển với các tinh thể quang tử 1D và 2D.2 Tinh thể quang tử một chiều dựa trên silic xốp Trong Luận văn này, chúng tôi chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu và chế tạo tinh thể quang tử với cấu trúc tuần hoàn một chiều có tác dụng như một bộ lọc quang học giao thoa trên nền silic xốp. Đây là cấu trúc đơn giản nhất trong tinh thể quang tử một chiều và được xem như là đơn vị cơ bản để thiết kế nên những tinh thể một chiều phức tạp khác như là: bộ lọc băng hẹp - buồng vi cộng hưởng (microcavity), gương phản xạ đẳng hướng, màng dẫn sóng bằng tinh thể quang tử…Dưới đây, cấu trúc và các tính chất của tinh thể quang tử một chiều và silic xốp sẽ được nghiên cứu một cách tỷ mỷ.1 Tinh thể quang tử một chiều đƣợc thiết kế nhƣ một bộ lọc giao thoa a. Bộ lọc quang giao thoa băng rộng – Gƣơng phản xạ Bragg (Distributed Bragg Reflectors) Bộ lọc băng rộng hay gương phản xạ Bragg là hệ gồm nhiều lớp điện môi hoạt động dựa trên hiện tượng nhiễu xạ Bragg 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 1.6 [9],[15], trong đó màng mỏng bao gồm nhiều cặp lớp giống hệt nhau, mỗi cặp lớp gồm hai lớp có chiết suất n1 và n2 khác nhau tương ứng với độ dày d1, d2.
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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 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 đế ). Trong trường hợp của màng đa lớp, tia phản xạ là kết quả của sự giao thoa của các tia phản xạ tại các mặt phân cách. Bằng cách lựa chọn thích hợp giá trị của chiết suất và độ dày các lớp, chúng ta có thể tạo ra phổ phản xạ khác nhau.