Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế và quy trình chế tạo chip chia công suất quang từ vật liệu lai nanô asz

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế và quy trình chế tạo chip chia công suất quang từ vật liệu lai nanô asz, mang lại giải pháp công nghệ tiên tiến.

• Trường học: Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ
• Đề tài: Thiết Kế Chip Chia Công Suất Quang Từ Vật Liệu ASZ
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: VẬT LÍ, VẬT LIỆU VÀ QUY TRÌNH CHẾ TẠO DẪN SÓNG QUANG
• 1.1. Dẫn sóng quang tầng
• 1.2. Điều kiện giam giữ ánh sáng
• 1.3. Điều kiện hình thành mode dẫn
• 1.4. Phương pháp lan truyền chùm tia BPM
• 1.5. Vật liệu dẫn sóng quang
• 1.6. Kĩ thuật chế tạo dẫn sóng
• 1.7. Vật lí các thông số của vật liệu dẫn sóng quang và linh kiện chia quang
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH CHẤT VẬT LÍ CỦA VẬT LIỆU LAI ASZ
• 2.1. Thành phần vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ
• 2.2. Các tính chất vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ
• 2.3. Độ nhớt dung dịch vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ
• 2.4. Cấu trúc vi mô vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ
• 2.5. Phổ hấp thụ vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ
• 2.6. Tính chất vật lí của dẫn sóng tầng ASZ
• 2.7. Chế tạo dẫn sóng tầng từ vật liệu ASZ
• 2.8. Đo chiều dày và độ gồ ghề của màng ASZ
• 2.9. Thiết bị đo chiều dày màng và gồ ghề bề mặt
• 2.10. Đo chiều dày màng ASZ
• 2.11. Độ đồng đều chiều dày màng ASZ
• 2.12. Độ ghồ ghề màng ASZ
• 2.13. Đo tính chất quang màng vật liệu ASZ
• 2.14. Thiết bị đo Prism Coupler 2010
• 2.15. Đo chiết suất vật liệu ASZ
• 2.16. Đo tổn hao quang của dẫn sóng tầng ASZ
• 2.17. Chiết suất vật liệu ASZ biến đổi theo nhiệt độ
• 2.18. Tính nhạy quang của vật liệu ASZ
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CHIP CHIA CÔNG SUẤT QUANG
• 3.1. Nguyên lí hoạt động linh kiện chia quang 1xN
• 3.2. Dẫn sóng kênh thẳng
• 3.3. Điều kiện chia công suất quang
• 3.4. Tổn hao trong dẫn sóng chia công suất quang 1x2 (PS1x2)
• 3.5. Thiết kế linh kiện chia quang 1x2 và chế tạo mặt nạ (Mask)
• 3.6. Chế tạo chip chia quang 1x2
• 3.7. Đo các thông số chip chia quang 1x2
• 3.8. Hình thái bề mặt chip PS1x2
• 3.9. Hiệu suất truyền dẫn ánh sáng
• 3.10. Thảo luận kết quả
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế chip chia công suất quang từ vật liệu ASZ

Thiết kế chip chia công suất quang từ vật liệu ASZ đang trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ quang học hiện đại. Chip chia công suất quang 1xN (N = 2, 4, 8, ...) có vai trò quan trọng trong việc phân phối công suất quang từ một kênh đến nhiều kênh khác nhau. Vật liệu ASZ (Acrylic-Silica-Zirconia) được lựa chọn do những ưu điểm vượt trội về tính chất quang học và khả năng chế tạo linh kiện quang tích hợp. Nghiên cứu này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất của chip mà còn giảm chi phí sản xuất, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

1.1. Vật liệu ASZ và ứng dụng trong thiết kế chip quang

Vật liệu ASZ là sự kết hợp giữa các thành phần hữu cơ và vô cơ, mang lại nhiều tính chất quang học ưu việt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, vật liệu này có khả năng dẫn sóng tốt, độ tổn hao quang thấp và khả năng tương thích với các công nghệ hiện có. Việc sử dụng ASZ trong thiết kế chip quang không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn mở ra nhiều ứng dụng mới trong lĩnh vực viễn thông và cảm biến.

1.2. Tầm quan trọng của chip chia công suất quang trong hệ thống quang

Chip chia công suất quang đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối tín hiệu quang trong các hệ thống truyền thông hiện đại. Chúng cho phép chia sẻ công suất quang từ một nguồn đến nhiều đích khác nhau, giúp tối ưu hóa băng thông và tăng cường hiệu suất truyền dẫn. Việc nghiên cứu và phát triển chip chia công suất quang từ vật liệu ASZ sẽ góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ trong các mạng quang.

II. Thách thức trong thiết kế chip chia công suất quang từ vật liệu ASZ

Mặc dù vật liệu ASZ mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc thiết kế chip chia công suất quang vẫn gặp phải một số thách thức. Đầu tiên, việc đảm bảo tính đồng nhất của vật liệu trong quá trình chế tạo là rất quan trọng. Thứ hai, các thông số quang học như chiết suất và tổn hao quang cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao nhất. Cuối cùng, việc phát triển quy trình chế tạo chip hiệu quả và tiết kiệm chi phí cũng là một thách thức lớn.

2.1. Các vấn đề về đồng nhất trong vật liệu ASZ

Đồng nhất của vật liệu ASZ là yếu tố quyết định đến hiệu suất của chip chia công suất quang. Các nghiên cứu cho thấy rằng, sự không đồng nhất trong cấu trúc vi mô có thể dẫn đến sự phân tán ánh sáng không mong muốn, làm giảm hiệu suất truyền dẫn. Do đó, việc kiểm soát chất lượng vật liệu trong quá trình chế tạo là rất cần thiết.

2.2. Tối ưu hóa các thông số quang học của chip

Để đạt được hiệu suất tối ưu, các thông số quang học như chiết suất và tổn hao quang cần được nghiên cứu và điều chỉnh. Việc sử dụng các phương pháp mô phỏng quang học hiện đại sẽ giúp xác định các thông số tối ưu cho chip chia công suất quang từ vật liệu ASZ.

III. Phương pháp thiết kế chip chia công suất quang từ vật liệu ASZ

Phương pháp thiết kế chip chia công suất quang từ vật liệu ASZ bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, việc sử dụng phần mềm mô phỏng quang học như OptiWave7.0 giúp xác định cấu trúc tối ưu cho chip. Tiếp theo, quy trình chế tạo chip sẽ được thực hiện thông qua các kỹ thuật quang vi hình hiện đại. Cuối cùng, các thông số quang học của chip sẽ được đo đạc và phân tích để đánh giá hiệu suất.

3.1. Sử dụng phần mềm mô phỏng quang học trong thiết kế

Phần mềm OptiWave7.0 cho phép mô phỏng và tối ưu hóa cấu trúc của chip chia công suất quang. Qua đó, các thông số như chiết suất, độ dày và hình dạng của chip có thể được điều chỉnh để đạt được hiệu suất tối ưu. Việc mô phỏng giúp giảm thiểu rủi ro trong quá trình chế tạo thực tế.

3.2. Quy trình chế tạo chip chia công suất quang

Quy trình chế tạo chip chia công suất quang từ vật liệu ASZ bao gồm các bước như chuẩn bị vật liệu, quang vi hình, và xử lý nhiệt. Mỗi bước đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo chất lượng của chip. Việc áp dụng các công nghệ chế tạo tiên tiến sẽ giúp nâng cao hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

IV. Ứng dụng thực tiễn của chip chia công suất quang từ vật liệu ASZ

Chip chia công suất quang từ vật liệu ASZ có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực viễn thông và công nghệ thông tin. Chúng được sử dụng trong các hệ thống mạng quang, bộ ghép và gộp kênh, cũng như trong các thiết bị cảm biến quang. Việc phát triển chip từ vật liệu ASZ không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm chi phí cho các ứng dụng thương mại.

4.1. Ứng dụng trong hệ thống mạng quang

Chip chia công suất quang từ vật liệu ASZ có thể được sử dụng trong các hệ thống mạng quang hiện đại, giúp phân phối tín hiệu quang một cách hiệu quả. Chúng cho phép chia sẻ công suất từ một nguồn đến nhiều đích khác nhau, tối ưu hóa băng thông và tăng cường hiệu suất truyền dẫn.

4.2. Ứng dụng trong thiết bị cảm biến quang

Chip chia công suất quang cũng có thể được áp dụng trong các thiết bị cảm biến quang, giúp nâng cao khả năng thu thập dữ liệu và phân tích thông tin. Việc sử dụng vật liệu ASZ trong các thiết bị này sẽ giúp cải thiện độ nhạy và độ chính xác của các cảm biến.

V. Kết luận và tương lai của chip chia công suất quang từ vật liệu ASZ

Chip chia công suất quang từ vật liệu ASZ đang mở ra nhiều triển vọng trong lĩnh vực công nghệ quang học. Với những ưu điểm vượt trội về hiệu suất và chi phí, vật liệu ASZ hứa hẹn sẽ trở thành một lựa chọn hàng đầu trong thiết kế và chế tạo các linh kiện quang. Tương lai của chip chia công suất quang sẽ phụ thuộc vào việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí sản xuất.

5.1. Triển vọng nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu về chip chia công suất quang từ vật liệu ASZ sẽ tiếp tục được mở rộng trong tương lai. Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và khả năng ứng dụng của chip trong các lĩnh vực khác nhau. Việc phát triển các công nghệ chế tạo tiên tiến sẽ giúp nâng cao chất lượng và giảm chi phí sản xuất.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp quang học

Sự phát triển của chip chia công suất quang từ vật liệu ASZ sẽ có tác động lớn đến ngành công nghiệp quang học. Chúng không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của các hệ thống truyền thông mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến và công nghệ thông tin.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghiệp thông tin hiện đại, cáp quang đã trở thành vật liệu chủ chốt với nhu cầu truyền dẫn thông tin trên khoảng cách dài, băng thông rộng và tốc độ cao. Theo ước tính, các hệ thống truyền thông quang hiện đại đòi hỏi tốc độ truyền tải lên đến hàng chục gigabyte trên giây, đồng thời cần linh kiện quang có hiệu suất cao và giá thành hợp lý. Linh kiện chia công suất quang 1xN đóng vai trò quan trọng trong việc phân luồng công suất quang từ một kênh đến nhiều kênh khác nhau, được ứng dụng rộng rãi trong các mạch quang tích hợp, bộ giao thoa kế Mach-Zehnder, hệ thống cảm biến quang và thiết bị truyền thông quang.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế và quy trình chế tạo chip chia công suất quang 1x2 sử dụng vật liệu lai nanô ASZ (Acrylic-Silica-Zirconia) tại Viện Khoa học Vật liệu, Việt Nam, trong giai đoạn 2001-2006. Mục tiêu chính là tối ưu cấu trúc chip dựa trên tính chất quang tử của vật liệu ASZ, đồng thời phát triển quy trình chế tạo chip bằng phương pháp quang vi hình trực tiếp và đánh giá hiệu suất truyền dẫn ánh sáng. Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc phát triển linh kiện quang có chi phí thấp, phù hợp với mạng quang đến từng hộ gia đình (FTTH), góp phần thúc đẩy công nghệ truyền thông quang trong nước và quốc tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình vật lý của dẫn sóng quang tầng, bao gồm:

• Điều kiện giam giữ ánh sáng trong dẫn sóng tầng: Ánh sáng được giam giữ và lan truyền trong lõi dẫn sóng khi góc tới nhỏ hơn góc tới hạn, thỏa mãn điều kiện phản xạ toàn phần tại mặt phân cách lõi-vỏ. Công thức quan trọng là $n_1 \sin(\varphi) \geq n_0$ với $n_1, n_0$ là chiết suất lõi và vỏ.

• Phương pháp lan truyền chùm tia BPM (Beam Propagation Method): Sử dụng phương trình Helmholtz và phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) để mô phỏng sự lan truyền ánh sáng trong các cấu trúc dẫn sóng phức tạp, giúp thiết kế linh kiện chia công suất quang với hiệu suất tối ưu.

• Tính chất vật liệu dẫn sóng quang: Bao gồm chiết suất, hệ số tổn hao quang, hệ số quang nhiệt, và tính nhạy quang của vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ. Các khái niệm như mode dẫn sóng, tổn hao do hấp thụ và tán xạ, cũng như ảnh hưởng của cấu trúc vi mô vật liệu được áp dụng để phân tích.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các phép đo thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Vật liệu và linh kiện điện tử, Viện Khoa học Vật liệu, sử dụng các thiết bị hiện đại như Prism Coupler 2010, Alpha-Step IQ Surface Profiler, và hệ thống chế tạo dẫn sóng tầng Dip-Coating.

• Phương pháp phân tích: Kết hợp mô phỏng bằng phần mềm OptiWave 7.0 dựa trên phương pháp FFT-BPM để thiết kế chip chia công suất quang 1x2, đồng thời thực hiện đo đạc các thông số vật liệu (chiết suất, tổn hao quang, độ dày, độ gồ ghề) và đánh giá hiệu suất chip thực nghiệm.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2001-2006, bao gồm tổng quan vật lý và vật liệu dẫn sóng (Chương 1), khảo sát tính chất vật liệu ASZ (Chương 2), và thiết kế, chế tạo chip chia công suất quang (Chương 3).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tính chất vật liệu lai nanô ASZ:

   • Chiết suất vật liệu ASZ tại bước sóng 1538 nm đạt khoảng 1.4850 với sai số dưới 0.0001, độ phân cực rất nhỏ (n_TE - n_TM ≤ 0.0003).
   • Hệ số tổn hao quang thấp, đạt 0.98 dB/cm tại bước sóng 1538 nm, trong khoảng chấp nhận được để chế tạo linh kiện quang tử (0.5 - 1.2 dB/cm).
   • Độ nhớt dung dịch ổn định trong khoảng 24 cSt, phù hợp cho quá trình chế tạo màng dẫn sóng bằng phương pháp dip-coating.

2. Đặc điểm cấu trúc và độ đồng đều màng dẫn sóng:

   • Chiều dày màng ASZ có thể điều chỉnh từ 3 đến 10 µm thông qua tốc độ nhúng-kéo, với độ đồng đều chiều dày sai số khoảng 5%.
   • Độ gồ ghề bề mặt màng dưới 2 nm, đảm bảo tổn hao do tán xạ bề mặt rất thấp.

3. Tính nhạy quang và hệ số quang nhiệt:

   • Vật liệu ASZ có tính nhạy quang cao, chiết suất có thể tăng thêm 0.007 - 0.009 khi chiếu sáng UV nhờ phản ứng polyme hóa quang.
   • Hệ số quang nhiệt âm lớn (dn/dT ≈ -2 x 10^-4 /°C), cao hơn nhiều so với silica và lithium niobate, giúp giảm năng lượng tiêu thụ trong linh kiện quang tử.

4. Hiệu suất chip chia công suất quang 1x2:

   • Thiết kế chip với bán kính cong R = 5 cm, kích thước kênh dẫn 50 µm, khoảng cách giữa hai kênh 250 µm.
   • Mô phỏng cho thấy hiệu suất truyền dẫn ánh sáng đạt 90% với phân bố cường độ ánh sáng đều trên hai nhánh đầu ra.
   • Chip chế tạo thực nghiệm cho thấy tín hiệu công suất ánh sáng đầu ra đạt gần với kết quả mô phỏng, khẳng định tính khả thi của vật liệu và quy trình chế tạo.

Thảo luận kết quả

Các kết quả đo đạc và mô phỏng cho thấy vật liệu lai nanô ASZ có nhiều ưu điểm vượt trội so với các vật liệu truyền thống như silica on silicon hay silicon on insulator, đặc biệt về chi phí chế tạo thấp, tính nhạy quang cao và tổn hao quang thấp. Độ đồng đều và độ phẳng của màng dẫn sóng ASZ đảm bảo hiệu suất truyền dẫn ánh sáng cao, giảm thiểu tổn hao do tán xạ bề mặt và không đồng đều cấu trúc.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hệ số tổn hao quang và hệ số quang nhiệt của ASZ tương đương hoặc tốt hơn nhiều vật liệu lai hữu cơ-vô cơ khác, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong linh kiện quang tử tích hợp. Việc sử dụng phần mềm OptiWave 7.0 giúp tối ưu thiết kế chip chia công suất, giảm thiểu tổn hao do uốn cong và tăng hiệu suất truyền dẫn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố chiết suất theo bước sóng, đồ thị tổn hao quang theo chiều dài màng, và hình ảnh mô phỏng cường độ ánh sáng trong chip chia công suất 1x2, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của vật liệu và thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình chế tạo màng dẫn sóng:

   • Áp dụng kiểm soát chặt chẽ tốc độ nhúng-kéo và điều kiện phòng sạch để giảm sai số chiều dày màng dưới 3% trong vòng 12 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Vật liệu và linh kiện điện tử.

2. Nâng cao tính nhạy quang của vật liệu ASZ:

   • Nghiên cứu phối hợp các chất khơi mào quang mới nhằm tăng hiệu suất polyme hóa và tăng chênh lệch chiết suất lên trên 0.01 trong 18 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Viện Khoa học Vật liệu phối hợp với các trung tâm nghiên cứu quang học.

3. Phát triển linh kiện chia công suất quang 1xN với N > 2:

   • Mở rộng thiết kế và chế tạo chip chia công suất 1x4, 1x8 dựa trên vật liệu ASZ, tối ưu hóa cấu trúc để đạt hiệu suất trên 85% trong 24 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu công nghệ quang tử và doanh nghiệp công nghệ cao.

4. Ứng dụng trong mạng FTTH và hệ thống cảm biến quang:

   • Thử nghiệm tích hợp chip chia công suất ASZ vào hệ thống mạng quang đến từng hộ gia đình, đánh giá độ bền và hiệu suất trong môi trường thực tế trong 12 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: Các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông và trung tâm nghiên cứu ứng dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực quang tử và vật liệu quang học:

   • Lợi ích: Cập nhật kiến thức về vật liệu lai nanô ASZ, phương pháp thiết kế và chế tạo linh kiện quang tử.
   • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu mới hoặc giảng dạy chuyên sâu về công nghệ quang tử.

2. Kỹ sư và chuyên gia phát triển sản phẩm trong ngành công nghiệp quang viễn thông:

   • Lợi ích: Áp dụng quy trình chế tạo chip chia công suất quang giá thành thấp, hiệu suất cao.
   • Use case: Thiết kế và sản xuất linh kiện quang tích hợp cho mạng truyền thông hiện đại.

3. Doanh nghiệp công nghệ cao và startup trong lĩnh vực thiết bị quang tử:

   • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ vật liệu mới, tối ưu chi phí sản xuất linh kiện quang tử.
   • Use case: Đầu tư phát triển sản phẩm chip chia công suất quang cho thị trường trong nước và quốc tế.

4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành vật liệu và quang học:

   • Lợi ích: Học tập quy trình nghiên cứu khoa học, phương pháp đo đạc và mô phỏng linh kiện quang tử.
   • Use case: Tham khảo để xây dựng luận văn, luận án hoặc đề tài nghiên cứu liên quan.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu lai nanô ASZ có ưu điểm gì so với vật liệu silica truyền thống?
   Vật liệu ASZ có chiết suất điều chỉnh lớn, tổn hao quang thấp (khoảng 0.98 dB/cm), tính nhạy quang cao và chi phí chế tạo thấp hơn nhiều so với silica on silicon, phù hợp cho linh kiện quang tử giá rẻ và hiệu suất cao.

2. Phương pháp chế tạo chip chia công suất quang 1x2 được thực hiện như thế nào?
   Chip được chế tạo bằng phương pháp dip-coating để tạo màng dẫn sóng ASZ trên đế silica, sau đó chiếu tia UV qua mặt nạ (mask) để tạo cấu trúc dẫn sóng quang theo thiết kế, đảm bảo độ chính xác và hiệu suất cao.

3. Hiệu suất truyền dẫn ánh sáng của chip chia công suất 1x2 đạt bao nhiêu?
   Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hiệu suất truyền dẫn ánh sáng đạt khoảng 90%, với phân bố cường độ ánh sáng đều trên hai nhánh đầu ra, phù hợp với yêu cầu ứng dụng trong mạng quang.

4. Hệ số quang nhiệt của vật liệu ASZ ảnh hưởng thế nào đến linh kiện quang tử?
   Hệ số quang nhiệt âm lớn giúp giảm năng lượng tiêu thụ trong linh kiện như bộ chuyển mạch quang, bộ lọc điều chỉnh bước sóng, từ đó nâng cao hiệu quả và độ ổn định của thiết bị.

5. Có thể mở rộng thiết kế chip chia công suất cho các giá trị N lớn hơn không?
   Có thể, nghiên cứu đề xuất mở rộng thiết kế cho chip chia công suất 1x4, 1x8 với vật liệu ASZ, tuy nhiên cần tối ưu cấu trúc và quy trình chế tạo để duy trì hiệu suất cao và tổn hao thấp.

Kết luận

• Vật liệu lai nanô ASZ có chiết suất điều chỉnh lớn, tổn hao quang thấp và tính nhạy quang cao, phù hợp cho linh kiện quang tử tích hợp.
• Quy trình chế tạo màng dẫn sóng ASZ bằng phương pháp dip-coating cho phép kiểm soát tốt chiều dày và độ phẳng màng, đảm bảo hiệu suất truyền dẫn ánh sáng.
• Thiết kế chip chia công suất quang 1x2 sử dụng phần mềm OptiWave 7.0 đạt hiệu suất truyền dẫn khoảng 90%, phù hợp với yêu cầu ứng dụng thực tế.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển linh kiện quang tử giá thành thấp, hiệu suất cao cho mạng truyền thông quang hiện đại, đặc biệt trong hệ thống FTTH.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình chế tạo, mở rộng thiết kế chip chia công suất 1xN và ứng dụng trong các hệ thống quang tử tương lai.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm linh kiện quang tử mới, đồng thời mở rộng nghiên cứu về vật liệu lai nanô ASZ và các cấu trúc linh kiện quang tích hợp phức tạp hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 VẬT LÍ, VẬT LIỆU VÀ QUY TRÌNH CHẾ TẠO DẪN SÓNG QUANG PHẲNG Trong chương này, chúng tôi trình bày tổng quan về: 1) Dẫn sóng quang tầng và linh kiện chia quang 1xN, 2) Các phương pháp tính số dùng trong thiết kế, mô phỏng lan truyền ánh sáng trong linh kiện quang, 3) Các loại vật liệu dẫn sóng quang và kĩ thuật chế tạo dẫn sóng, 4) Vật lí các thông số của vật liệu dẫn sóng quang và linh kiện chia quang. Những kiến thức cơ bản này làm cơ sở lí luận liên quan trực tiếp đến nghiên cứu tính chất quang của vật liệu dẫn sóng quang ở chương 2 và nghiên cứu chế tạo chip chia công suất quang 1x2 ở chương 3. Dẫn sóng quang tầng Dẫn sóng quang có chức năng điều khiển ánh sáng lan truyền, được phân loại theo nhiều cách khác nhau như chia theo chức năng năng, chia theo cấu trúc hình học, chia theo phương giam giữ ánh sáng. Tuy vậy, các dẫn sóng quang có đặc điểm chung nhất là: giam giữ ánh sáng và lan truyền theo phương một phương nhất định.

Để mô tả hiện tượng vật lí ―giam giữ‖ và ―lan truyền‖ ánh sáng trong dẫn sóng quang ta chọn dẫn sóng cơ bản là dẫn sóng tầng.1 là cấu trúc dẫn sóng tầng, bao gồm một màng dẫn sóng (lõi) có chiết suất n1 và lớp vỏ chiết suất no bao quanh. Các hệ số vật lí cơ bản trong dẫn sóng quang tầng là: hằng số lan truyền và giam giữ ánh sáng, số mode dẫn, phân bố năng lượng, tổn hao quang, tốc độ nhóm. Điều kiện giam giữ ánh sáng Trên hình 1.1 mô tả một chùm tia sáng bước sóng  từ một nguồn sáng (sợi quang, laser hoặc led) nằm trong các mặt phẳng khác nhau tạo với pháp tuyến của mặt lõi (trục Oz) các góc đến khác nhau. Có ba trường hợp xảy ra:  Với các tia sáng nằm trong mặt phẳng xOz và tạo với trục Oz một góc  thích hợp nhỏ hơn góc tới hạn max (góc được tính theo công thức 1.a) thì chúng lan truyền trong lõi.

 Với các tia sáng không nằm trong mặt phẳng xOz và có góc tới  nhỏ hơn góc tới hạn max thì chúng sẽ khúc xạ tại mặt đầu vào của lõi và lan truyền trong màng dẫn sóng. Chùm tia khúc xạ này không được giam giữ theo phương Ox nên chúng truyền thẳng theo phương Oy hoặc bị khúc xạ đi vào vỏ.  Với các tia sáng có góc tới  lớn hơn góc tới hạn max thì chúng sẽ phản xạ hoàn toàn mặt đầu vào của lõi. TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 13 x y Vỏ n0  z Lõi n1 Chùm tia sáng ra 0 Chùm tia Đế n0 sáng tới Hình 1.

Mô hình cấu trúc dẫn sóng tầng Trong các dẫn sóng, chỉ quan tâm đến những chùm ánh sáng đồng thời phản xạ toàn phần tại mặt phân cách lõi - vỏ và giam giữ theo một phương nhất định, những chùm sáng như vậy thì có thể tạo ra mode dẫn sóng hay có thể trở thành sóng sáng mang thông tin. Sự phản xạ toàn phần tại mặt phân cách lõi - vỏ xảy ra khi các thông số thoả mãn biểu thức: n1 sin( )  n0 (1.1) Trong đó  góc tia sáng mặt biên hai môi trường,  = /2 - , với  là góc nghiêng của chùm tia so với trục Oz. Góc  liên hệ với  (góc tới tia sáng tại đầu vào lớp dẫn) theo biểu thức sin   n1 sin   n1 2  n0 2. Góc tới hạn (max) tại đầu vào lớp dẫn để xảy ra phản xạ toàn phần tại mặt phân cách lõi - vỏ trong lõi dẫn:   sin 1 n12  n0 2   m· (1.2) Thông thường sự sai lệch về chiết suất giữa lõi và vỏ cỡ n1- n0 = 0.01, do vậy max trong biểu thức (1.2) có thể tính gần đúng bằng  max  n1 2  n0 2 (1.4) n1 max là góc nhận ánh sáng cực đại của dẫn sóng, max là góc nghiêng lớn nhất của phương truyền ánh sáng với trục lan truyền ánh sáng (Oz).

Phân bố chiết suất của dẫn sóng tầng TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 14 Như vậy, điều kiện để chùm tia sáng giam giữ theo phương Ox và lan truyền theo phương Oz trong dẫn sóng tầng là tia sáng đến phải nằm trong mặt phẳng xOz và có góc đến nhỏ hơn góc nhận ánh sáng cực đại max. Điều kiện hình thành mode dẫn Mode dẫn sóng là trường ánh sáng giữ nguyên tính phân cực và phân bố ngang tại mọi vị trí dọc theo trục dẫn sóng [12]. Mode dẫn sóng đóng vai trò là sóng mang thông tin trên đường sợi quang hoặc trong các linh kiện thụ động.3 mô tả các mode tạo thành trong dẫn sóng tầng. Trong đó, mặt pha của các sóng phẳng vuông góc với các tia sáng, bước sóng và số sóng của ánh sáng trong lõi tương ứng là /n1 và kn1 (k=2/),  là bước sóng ánh sáng trong chân không.

Các hằng số truyền theo hướng z và x (hướng nằm ngang) cho bởi biểu thức (1.6) Mặt pha Tia sáng Hình 1. Các tia sáng và các mặt pha trong dẫn sóng tầng Hệ số phản xạ của ánh sáng phản xạ toàn phần phân cực vuông góc với mặt phẳng tới (mặt phẳng do tia tới và tia phản xạ tạo nên) cho bởi biểu thức [29]: n1 sin   j n12 cos2   n02 r (1.7) n1 sin   j n12 cos2   n02 Đặt hệ số phản xạ phức r  exp  j (với  là độ lệch pha khi ánh sáng phản xạ tại biên giữa lõi và vỏ), thay vào (1.7) tính  bởi phương trình sau : n1 cos 2   n0 2 2 1 2   2 tan  2 tan 1 1 (1.8) n1 sin  sin 2  n1  n 0 n1  n 0 2 2 Trong đó   2  là chiết suất tỉ đối giữa lõi và vỏ. 2n1 n1 Khoảng cách giữa hai điểm P và Q: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.9) tg sin  Khoảng cách giữa hai điểm R và S: 2a l2  (1.10) sin  Tia sáng PQ truyền từ điểm P đến điểm Q không phản xạ, tia sáng RS truyền từ điểm R đến điểm S phản xạ 2 lần (ở mặt trên và mặt dưới của lớp tiếp giáp lõi - vỏ). Vì vậy các điểm P và R hay Q và S ở trên cùng một mặt pha, hiệu quang trình PQ và RS sẽ bằng số nguyên lần 2 hay kn1l2  2 - kn1l1  2m (1.11) trong đó m là số nguyên.

Đưa các phương trình (1.11) ta nhận được điều kiện cho góc truyền  là:  m  2 tan kn1a sin    1 (1.12)  2  sin 2  Phương trình (1.12) chứng tỏ rằng góc truyền của tia sáng là gián đoạn, được xác định bằng cấu trúc dẫn sóng (bán kính lõi a, chiết suất n1, hiệu chiết suất ) và bước sóng  của nguồn sáng (số sóng là k=2/). Ánh sáng lan truyền trong dẫn sóng và thỏa mãn phương trình (1.12) được gọi là mode dẫn sóng quang. Mode có góc  cực tiểu trong phương trình (1. Phương pháp lan truyền chùm tia BPM Phương pháp lan truyền chùm tia BPM (Beam Propagation Method) là kỹ thuật hữu hiệu để nghiên cứu truyền sóng sáng tuyến tính và phi tuyến trong các dẫn sóng thay đổi hướng trục, gồm các bộ ghép nối đường cong định hướng, các dẫn sóng nhánh và tổ hợp, các dẫn sóng uốn khúc dạng S và các dẫn sóng dạng côn [12,29].

Phương trình sóng vô hướng ba chiều (phương trình Helmholtz) là cơ sở của BPM, được viết dưới dạng 2E 2E 2E  2  2  k 2 n 2 x, y, z E  0 (1.13) x 2 y z Điện trường E(x,y,z) được tách thành hai phần dưới dạng: Ex, y, z    x, y, z exp  jkn0 z  (1.14) TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 16 trong đó số hạng (x,y,z) và exp(-jkn0z) tương ứng là biến đổi chậm và biến đổi nhanh theo hướng trục.13) thu được phương trình cho hàm (x,y,z):   2  j 2kn0 z    k 2 n 2  n02   0 (1.16) x y z   Lấy gần đúng n  n0  2nn  n0  , phương trình (1.15) có thể viết lại như 2 2 sau:  z  1 j 2kn0   2  jk n 2  n02   (1.17) khi n = n0 thì chỉ còn số hạng thứ nhất ở vế bên phải. Suy ra số hạng thứ nhất vế bên phải của phương trình (1.17) biểu diễn sự truyền ánh sáng trong không gian tự do ở môi trường có chiết suất n0 và số hạng thứ hai mô tả ảnh hưởng của vùng có chiết suất n(x,y,z). Cả hai số hạng này tác động đồng thời lên sự truyền ánh sáng. Tuy nhiên, phương pháp BPM xem hai số hạng có thể tách rời nhau và mỗi số hạng tác dụng lên sự truyền ánh sáng một cách riêng rẽ trong một khoảng cách h hướng trục nhỏ.

Qui trình cơ bản của phương pháp BPM là tìm mối liên hệ giữa (x,z+h) với trường ban đầu (x,z) trên một khoảng cách đường truyền nhỏ h. Sự truyền ánh sáng trong các loại dẫn sóng khác nhau có thể tính được bằng cách lặp lại qui trình này nhiều lần. Phương pháp BPM có hai dạng: dạng một dựa trên cơ sở biến đổi Fourier nhanh (FFT) và dạng hai dựa trên phương pháp sai phân hữu hạn (FDM). Trong luận văn này trình bày phương pháp BPM dựa trên biến đổi FDM[12,29].

Phương pháp tính FDM không liên quan đến định lý lấy mẫu nên nó có ưu thế hơn phương pháp tính FFT.  2  Xét sự truyền sóng ánh sáng trong dẫn sóng tầng, giả sử  2kn0 z 2 z khi đó phương trình 1.17 được viết lại:  1  2 z j 2kn0 x 2   x, z   j k 2n0   n 2 x, z   n02  (1.18) được viết lại dưới dạng:   2  Ax, z  2  Bx, z  (1.19) z x TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 17 Áp dụng phương pháp sai phân hữu FDM biến đổi hàm (x,z):   m1   im  i (1.20) z z Khi đó  2 1 m 12  im1  2 im   im1  im11  2 im1   im11  Ax, y  2  Ai    (1.22) Trong đó x và z là các bước sóng tính theo các hướng x và z, ký hiệu i và m là các điểm lấy mẫu dọc trục x và z tương ứng, số điểm chia theo trục x và z tương ứng là N (i = 0,N) và M (m = 0,M).