Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser và khuếch đại quang trong buồng cộng hưởng liên kết với cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:159

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu, chế tạo vi cầu thủy tinh silica pha tạp Er3+ có kích thước khác nhau bằng phương pháp phóng điện hồ quang; xây dựng hệ thực nghiệm để khảo sát phổ phát xạ laser mode WGM vùng bước sóng thông tin quang gần bằng 1550 nm của một số vi cầu đã chế tạo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser và khuếch đại quang trong buồng cộng hưởng liên kết với cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Văn Ân NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG PHÁT XẠ LASER VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG TRONG BUỒNG CỘNG HƯỞNG LIÊN KẾT VỚI CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ 1D, 2D LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Văn Ân NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG PHÁT XẠ LASER VÀ KHUẾCH ĐẠI QUANG TRONG BUỒNG CỘNG HƯỞNG LIÊN KẾT VỚI CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ 1D, 2D Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử Mã số: 9 44 01 27 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Ngô Quang Minh 2. PGS.TS. Phạm Văn Hội Hà Nội – 2020
i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, trước hết tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn khoa học là PGS.TS. Ngô Quang Minh và PGS.TS. Phạm Văn Hội, những người thầy đã định hướng cho tôi trong nghiên cứu khoa học, tận tình chỉ bảo và tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình từ các cán bộ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam như ThS. Phạm Thanh Bình, ThS. Phạm Văn Đại, ThS. Hoàng Thu Trang, TS. Nguyễn Thúy Vân, TS. Vũ Đức Chính, TS. Phạm Thanh Sơn,… (Phòng Vật liệu và ứng dụng quang sợi, Viện Khoa học vật liệu) và TS. Hoàng Thị Hồng Cẩm (Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội). Tôi xin chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu này. Xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô đồng nghiệp thuộc Khoa Điện tử - Viễn thông trường Đại học Khoa học Huế, quý thầy cô lãnh đạo Nhà trường, những người đã luôn động viên, giúp đỡ và tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian làm luận án. Xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô và các anh chị em là đồng tác giả trong các công trình khoa học đã công bố và đã cho phép tôi sử dụng nội dung các công trình này trong bản Luận án của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ Bộ phận đào tạo sau đại học thuộc Viện Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, những người đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện mọi thủ tục liên quan đến luận án. Cuối cùng, xin dành những lời cảm ơn tự đáy lòng mình đến những người thân của tôi, gia đình tôi, những người không quản ngại khó khăn, tạo mọi điều kiện và luôn động viên tôi về tinh thần để tôi có động lực hoàn thành luận án này.
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong bản Luận án được trích dẫn từ một số bài báo đã được xuất bản của tôi và các đồng tác giả. Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án NCS. Nguyễn Văn Ân
iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................... ii MỤC LỤC .............................................................................................................iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. x MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LASER........................................................... 6 1.1. Giới thiệu về cấu trúc tinh thể quang tử ......................................................... 6 1.2. Vùng cấm quang trong cấu trúc 2D-PhC ....................................................... 9 1.2.1. Vùng Brillouin, mode điện trường ngang và mode từ trường ngang ...... 10 1.2.1.1. Vùng Brillouin ................................................................................ 10 1.2.1.2. Mode điện trường ngang (TE) và mode từ trường ngang (TM) ....... 11 1.2.2. Vùng cấm quang của 2D-PhC mạng hình vuông và mạng hình tam giác 12 1.2.2.1. Vùng cấm quang của 2D-PhC mạng hình vuông ............................. 12 1.2.2.2. Vùng cấm quang của 2D-PhC mạng hình tam giác.......................... 12 1.3. Dẫn sóng và giam giữ sóng trong cấu trúc 2D-PhC ..................................... 13 1.3.1. Ống dẫn sóng (Waveguide) ................................................................... 13 1.3.2. Bộ cộng hưởng quang học (Optical Resonator) ..................................... 14 1.4. Cộng hưởng dẫn sóng (GMR) trong cấu trúc 2D-PhC ................................. 15 1.4.1. Cộng hưởng dẫn sóng, mode đối xứng (Even) và phản đối xứng (Odd) . 15 1.4.2. Hệ số truyền qua và hệ số phản xạ của GMR cho bởi 2D-PhC .............. 17 1.5. Quá trình quang học trong buồng vi cộng hưởng dạng cầu ứng dụng trong chế tạo laser vi cầu thủy tinh silica pha tạp Er3+.................................................. 18
iv 1.5.1. Thủy tinh silica pha tạp ion đất hiếm ..................................................... 19 1.5.2. Mode vọng hành lang (WGM) của vi cầu điện môi ............................... 21 1.5.3. Mô tả định tính các mode vi cầu ............................................................ 22 1.5.4. Các mode và trường của một vi cầu điện môi ........................................ 26 1.5.5. Lời giải số của các phương trình trạng thái ............................................ 30 1.5.6. Các phương pháp kết cặp vi cầu với kênh dẫn sóng ............................... 31 1.6. Ứng dụng cấu trúc 1D-PhC trong sợi quang (FBG) để phát triển cảm biến quang ................................................................................................................. 35 1.6.1. Đặc tính của sợi quang thủy tinh silica pha tạp Er3+ ............................... 35 1.6.2. Cảm biến quang sợi trên cơ sở cấu trúc 1D-PhC trong sợi quang (FBG) 38 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ...................................................................................... 42 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................... 43 2.1. Các mô hình lý thuyết kết cặp buồng cộng hưởng - dẫn sóng ...................... 43 2.1.1. Lý thuyết kết cặp cộng hưởng - dẫn sóng .............................................. 43 2.1.2. Kết cặp vi cộng hưởng - hai ống dẫn sóng ............................................. 49 2.1.3. Kết cặp vi cộng hưởng - ống dẫn sóng khi xét đến tán xạ ngược ........... 50 2.2. Phương pháp tính toán mô phỏng ................................................................ 52 2.2.1. Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (FDTD) ......................... 52 2.2.2. Phương pháp khai triển sóng phẳng (PWE) ........................................... 56 2.2.3. Điều kiện biên và sự hội tụ của thuật toán ............................................. 58 2.3. Phương pháp chế tạo vi cầu thủy tinh silica và FBG .................................... 60 2.3.1. Chế tạo vi cầu thủy tinh silica bằng phương pháp phóng điện hồ quang 60 2.3.2. Chế tạo FBG sử dụng kỹ thuật quang khắc ............................................ 61 2.4. Một số cấu hình thực nghiệm khảo sát phổ phát xạ laser ............................. 63 2.4.1. Khảo sát hiệu ứng phát xạ của laser vi cầu silica pha tạp Er 3+................ 63 2.4.2. Cấu hình hệ cảm biến chất lỏng sử dụng e-FBG .................................... 64
v 2.5. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) ..................................................... 65 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ...................................................................................... 67 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG MỘT SỐ LINH KIỆN QUANG HỌC SỬ DỤNG CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ HAI CHIỀU ............................ 68 3.1. Vùng cấm quang cho bởi cấu trúc phiến 2D-PhC ........................................ 68 3.2. Dẫn sóng trong mặt phẳng sử dụng cấu trúc phiến 2D-PhC ......................... 72 3.2.1. Kênh dẫn sóng W1 và sự phân bố điện trường trong kênh dẫn sóng ...... 72 3.2.2. Kênh dẫn sóng khe và sự phân bố điện trường trong kênh dẫn sóng ...... 73 3.3. Bộ lọc sóng quang học dựa trên hiệu ứng cộng hưởng dẫn sóng (GMR)...... 76 3.3.1. Cấu trúc mạng đơn ................................................................................ 77 3.3.2. Cấu trúc mạng kép ................................................................................ 81 3.3.2.1. Cấu trúc 2D-PhC sau khi thiết kế thêm các hố không khí hình trụ tròn .................................................................................................................... 82 3.3.2.2. Cấu trúc 2D-PhC sau khi thiết kế thêm các hố không khí khối hộp chữ nhật ....................................................................................................... 86 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ...................................................................................... 95 CHƯƠNG 4. PHÁT XẠ LASER CỦA VI CẦU TRÊN NỀN SILICA PHA TẠP Er3+, LINH KIỆN QUANG TỬ VÀ HƯỚNG ỨNG DỤNG.................................. 96 4.1. Kết quả chế tạo vi cầu silica pha tạp Er3+ bằng phương pháp phóng điện hồ quang ................................................................................................................. 96 4.2. Phổ phát xạ của laser vi cầu silica pha tạp Er3+ kết cặp với nguồn bơm và đầu thu bằng sợi quang ............................................................................................. 99 4.2.1. Kết cặp vi cầu silica pha tạp Er3+ với sợi quang hình chóp nón ............ 100 4.2.2. Phổ phát xạ laser WGM của một số vi cầu có kích thước khác nhau ... 103 4.2.2.1. Laser WGM của vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính cỡ 38,5 m 103 4.2.2.2. Laser WGM của vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính cỡ 29,7 m 105 4.3. Mô phỏng mode vọng hành lang (WGM) của vi cầu silica ........................ 107
vi 4.3.1. Mode WGM của vi cầu kích thước 38,5 m ........................................ 108 4.3.2. Mode WGM của vi cầu kích thước 29,7 m ........................................ 109 4.3.3. Tính toán các bộ số mode lượng tử (l, n) bằng phương pháp số ........... 110 4.4. Linh kiện quang tử tích hợp vi cầu và 2D-PhC dẫn sóng ........................... 111 4.4.1. Đề xuất thiết kế ................................................................................... 111 4.4.2. Mô phỏng phổ đặc trưng của linh kiện quang tử tích hợp .................... 113 4.5. Linh kiện cảm biến trên cơ sở cấu trúc 1D-PhC trong sợi quang (FBG)..... 115 4.5.1. Thiết bị cảm biến sử dụng hai FBG tích hợp trong cấu hình laser vòng 115 4.5.2. Quy trình đo chiết suất dung dịch ........................................................ 118 4.5.2.1. Xây dựng đường chuẩn bước sóng phản xạ - nhiệt độ cho re-FBG 119 4.5.2.2. Xây dựng đường chuẩn bước sóng phản xạ - chiết suất cho e-FBG121 4.5.2.3. Kiểm chứng thiết bị cảm biến đã xây dựng ................................... 122 4.5.3. Một số kết quả thử nghiệm .................................................................. 123 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .................................................................................... 126 KẾT LUẬN CHUNG .......................................................................................... 127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ............................................ 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 130
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 1 Dimension, 2 Dimension, 3 1D, 2D, 3D 1 chiều, 2 chiều, 3 chiều Dimension Anti-phased Lattice Collective Cộng hưởng tập hợp mạng ngược ALCR Resonance pha Amplified Spontaneous ASE Phát xạ tự phát được khuếch đại Emission CCW Counter Clock Wise Ngược chiều kim đồng hồ CIR Circulator Bộ luân chuyển hướng truyền CON Connector Điểm kết nối CW Clock Wise Cùng chiều kim đồng hồ EBL Electron Beam Lithography Khắc chùm điện tử Cách tử Bragg trong sợi quang e-FBG Etched Fiber Bragg Grating được ăn mòn FBG Fiber Bragg Grating Cách tử Bragg trong sợi quang Finite-Difference Time- FDTD Sai phân hữu hạn miền thời gian Domain FWHM Full Width at Half Maximum Độ bán rộng phổ GMR Guided-Mode Resonances Cộng hưởng dẫn sóng In-phased Lattice Collective Cộng hưởng tập hợp mạng đồng ILCR Resonance pha ISO Isolator Bộ cách ly LOD Limit of Detection Giới hạn phát hiện MIT Electromagnetic Phần mềm mô phỏng sự lan truyền MEEP Equation Propagation điện từ trường của MIT Massachusett Institute of MIT Viện Công nghệ Massachusett Technology Phần mềm mô phỏng các dải dẫn MPB MIT Photonic-Bands cho bởi cấu trúc quang tử của MIT OSA Optical Spectrum Analyzer Máy phân tích quang phổ OSNR Optical Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu quang học PBG Photonic Band Gap Vùng cấm quang PhC Photonic Crystals Tinh thể quang tử PML Perfectly Matched Layer Lớp hấp thụ hoàn hảo
viii PS Power Splitter Bộ chia công suất PWE Plane Wave Expansion Khai triển sóng phẳng QED Quantum ElectroDynamic Điện động lực lượng tử RIU Refractive Index Unit Đơn vị chiết suất SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét SOI Silicon on Insulator Silic trên lớp vật liệu cách điện TE Transverse Electric Điện trường ngang TM Transverse Magnetic Từ trường ngang UHQ Ultra High Quanlity Phẩm chất cực cao Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước WDM Multiplexing sóng WGM Whispering Gallery Mode Mode vọng hành lang S Microsphere Vi cầu
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Giá trị các tham số của phổ cộng hưởng Fano phụ thuộc tham số Bảng 3.1 79 hình học của cấu trúc phiến 2D-PhC khi a = 370 nm Giá trị các tham số của phổ cộng hưởng Fano phụ thuộc vào bán Bảng 3.2 83 kính r Giá trị các tham số của phổ cộng hưởng Fano phụ thuộc vào wx khi Bảng 3.3 88 wy = 50 nm và nguồn sáng tới phân cực TE thành phần Ex Giá trị các tham số của phổ cộng hưởng Fano phụ thuộc vào wx khi Bảng 3.4 88 wy = 100 nm và nguồn sáng tới phân cực TE thành phần Ex Giá trị các tham số của phổ cộng hưởng Fano phụ thuộc vào wx khi Bảng 3.5 91 wy = 50 nm và nguồn sáng tới phân cực TE thành phần Ey Giá trị các tham số của phổ cộng hưởng Fano phụ thuộc vào wx khi Bảng 3.6 91 wy = 100 nm và nguồn sáng tới phân cực TE thành phần Ey Các bộ tham số mode WGM (l, n) được tính theo hai phương pháp Bảng 4.1 110 khác nhau Sự phụ thuộc của bước sóng phản xạ Bragg cho bởi e-FBG theo Bảng 4.2 121 chiết suất một số dung dịch mẫu đo
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Mô hình các cấu trúc tinh thể quang tử 6 2D-PhC mạng hình vuông: Các cột điện môi bán kính r = 0,2a và Hình 1.2  = 11,68 trong không khí (a); Các hố không khí bán kính 9 r = 0,35a trong nền điện môi có  = 12,5 (b) 2D-PhC mạng hình tam giác: Các hố không khí bán kính r = 0,4a Hình 1.3 trong nền điện môi có  = 12,96 (a); Các cột điện môi bán kính 10 r = 0,4a và  = 12,96 trong không khí (b) 2D-PhC mạng hình vuông: Không gian mạng thực (a); Không gian Hình 1.4 10 mạng đảo (b) và các vùng Brillouin (c) 2D-PhC mạng hình tam giác: Không gian mạng thực (a); Không Hình 1.5 11 gian mạng đảo (b) và các vùng Brillouin (c) Hình 1.6 Cấu trúc vùng cấm quang của 2D-PhC mạng hình vuông 12 Hình 1.7 Cấu trúc vùng cấm quang của 2D-PhC mạng hình tam giác 13 Cấu trúc vùng năng lượng của 2D-PhC với khuyết tật đường và sự Hình 1.8 14 phân bố điện trường của ánh sáng trong ống dẫn sóng Minh họa 2D-PhC khuyết tật điểm và sự phân bố điện trường của Hình 1.9 15 ánh sáng xung quanh khuyết tật điểm Minh họa phân cực TE (mode đối xứng) (a) và phân cực TM Hình 1.10 16 (mode phản đối xứng) (b) Cấu trúc phiến 2D-PhC mạng hình vuông của các hố không khí Hình 1.11 17 được thiết kế trên nền vật liệu điện môi chiết suất cao Cấu trúc của SiO2 ở dạng thủy tinh vô định hình (a) và dạng tinh Hình 1.12 19 thể (b) Cấu trúc của thủy tinh bao gồm các ion biến đổi mạng và các ion Hình 1.13 20 Oxy không cầu nối Cấu trúc tinh thể SiO2 (a); Thủy tinh SiO2 (b) và thủy tinh SiO2 Hình 1.14 20 pha tạp Na (c) Hình 1.15 Cấu trúc giam giữ ion Er3+ của Al2O3 trong mạng nền SiO2 21 Tia sáng tới được phản xạ toàn phần trên bề mặt trong của vi cầu (a); Buồng cộng hưởng hình thành khi thỏa mãn điều kiện kết hợp Hình 1.16 22 pha (b); Sóng đứng xuất hiện trên đường chu vi khi thỏa mãn điều kiện kết hợp pha (c) Quỹ đạo của photon theo đường chu vi của vi cầu (a); Hệ tọa độ Hình 1.17 23 cầu và mode lan truyền dọc theo mặt phẳng xích đạo của vi cầu (b) Hình 1.18 Các thành phần trường mode cầu cho WGM cơ bản (n = 1) 29 Sơ đồ kết cặp để bơm ánh sáng vào một vi cầu: Sử dụng sợi quang Hình 1.19 vuốt thon (a); Sử dụng ống dẫn sóng tích hợp (b); Sử dụng lăng 32 kính (c) và sử dụng sợi mài nhẵn góc (d) Hình 1.20 Mô hình kết cặp vi cầu - sợi quang dẫn sóng 34
xi Hình 1.21 Mặt cắt ngang của sợi quang thủy tinh silica pha tạp Er3+ 35 Giản đồ ba mức năng lượng của ion Er3+trong thủy tinh silica và Hình 1.22 các quá trình chuyển mức ion khi kích thích bởi nguồn bơm có 36 bước sóng 980 nm và 1470 nm Hình 1.23 Phổ phát xạ tự phát của sợi quang thủy tinh silica pha tạp Er3+ 37 Hình 1.24 Cấu trúc bên trong và nguyên lý làm việc của FBG 39 Cấu hình laser sợi với buồng cộng hưởng vòng điển hình sử dụng Hình 1.25 40 một FBG ứng dụng trong hệ cảm biến Phổ phát xạ của laser sợi với buồng cộng hưởng vòng sử dụng một Hình 1.26 40 FBG Hình 2.1 Mạch dao động LC: Không tổn hao (a) và có tổn hao (b) 43 Hình 2.2 Mạch đầu cuối GLC với đường truyền phù hợp 46 Hình 2.3 Các bộ cộng hưởng với sự kích thích bên ngoài 47 Hình 2.4 Cấu hình kết cặp bộ cộng hưởng với hai ống dẫn sóng 49 Sơ đồ kết cặp vi cộng hưởng với một dẫn sóng khi xét đến tán xạ Hình 2.5 50 ngược Hình 2.6 Ô Yee trong hệ tọa độ Đề-các 53   Hình 2.7 Mô hình minh họa quy trình tính toán E và H tại các thời điểm 54 khác nhau trong không gian Sơ đồ hệ phóng điện hồ quang (a) và quá trình phóng điện hồ Hình 2.8 61 quang để chế tạo vi cầu (b) Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG bằng hệ gương giao thoa 62 Hình 2.10 Cấu hình kết cặp CW (a) và cấu hình kết cặp CCW (b) 64 Hình 2.11 Cấu hình laser sợi của hệ cảm biến chất lỏng sử dụng e-FBG 65 Cấu trúc phiến 2D-PhC mạng hình tam giác có hằng số mạng a Hình 3.1 của các hố không khí hình trụ tròn bán kính r, độ sâu h được thiết 68 kế trên đế điện môi Si độ dày d = h = 220 nm Cấu trúc vùng cấm quang của phiến 2D-PhC với mode đối xứng Hình 3.2 69 trong trường hợp a = 400 nm, r = 100 nm, h = d = 220 nm Cấu trúc vùng cấm quang của phiến 2D-PhC với mode đối xứng Hình 3.3 70 trong trường hợp a = 400 nm, r = 105 nm, h = d = 220 nm Cấu trúc vùng cấm quang của phiến 2D-PhC với mode đối xứng Hình 3.4 70 trong trường hợp a = 410 nm, r = 100 nm, h = d = 220 nm Cấu trúc vùng cấm quang của phiến 2D-PhC với mode đối xứng Hình 3.5 71 trong trường hợp a = 410 nm, r = 105 nm, h = d = 220 nm Hình 3.6 Cấu trúc phiến 2D-PhC dẫn sóng W1 mạng hình tam giác 72 Giản đồ tán sắc và phân bố điện trường của thành phần Ey trong kênh dẫn ở bước sóng  = 1550 nm (a); Sóng phân cực thành phần Hình 3.7 Ey lan truyền trong kênh dẫn tương ứng với các bước sóng 73  = 1470 nm (b) và  = 1550 nm (c) và phân bố chiết suất của cấu trúc theo hướng z (d) Hình 3.8 Cấu trúc phiến 2D-PhC dẫn sóng khe mạng hình tam giác 74
xii Giản đồ tán sắc, sự phân bố điện trường của thành phần Ey trong Hình 3.9 kênh dẫn ở bước sóng  = 1470 nm và phân bố chiết suất của cấu 75 trúc Giản đồ tán sắc, sự phân bố điện trường của thành phần Ey trong Hình 3.10 kênh dẫn ở bước sóng  = 1550 nm và phân bố chiết suất của cấu 75 trúc Cấu trúc 2D-PhC mạng vuông của các hố không khí hình trụ tròn Hình 3.11 77 bán kính r0, độ sâu h trong nền điện môi Si3N4 có độ dày d Phổ phản xạ của bộ lọc với các giá trị khác nhau của h và r0 (a) và Hình 3.12 78 phổ phản xạ của cấu trúc với các giá trị khác nhau của d (b) Minh họa việc làm khớp biểu thức đặc trưng của phổ Fano theo phổ phản xạ thu được từ mô phỏng trong trường hợp a = 370 nm, Hình 3.13 79 d = 180 nm, h = 90 nm ứng với hai giá trị r0 = 100 nm (a) và r0 = 125 nm (b) Sự phụ thuộc của bước sóng cộng hưởng và hệ số phẩm chất Q Hình 3.14 theo bán kính r0 (a); Độ sâu h (b) của các hố trụ không khí và độ 80 dày d của lớp điện môi (c) Phổ phản xạ của bộ lọc (a); Sự phân bố của điện trường ứng với Hình 3.15 bước sóng cộng hưởng 0 = 628,1 nm (b) và bước sóng không 81 cộng hưởng  = 650 nm (c) Cấu trúc 2D-PhC sau khi thiết kế thêm các hố không khí bán kính Hình 3.16 82 r cùng độ sâu h vào giữa mỗi ô đơn vị của mạng đơn Hình 3.11 Phổ phản xạ của bộ lọc GMR với các giá trị khác nhau của bán Hình 3.17 kính r (a); Minh họa việc làm khớp phổ phản xạ với biểu thức đặc 83 trưng của phổ Fano trong trường hợp r = 60 nm (b) Sự phụ thuộc của bước sóng cộng hưởng 0 và hệ số phẩm chất Q Hình 3.18 của phổ GMR theo bán kính r (a); Giản đồ thời gian của s1(t), s2(t) 84 và s(t) khi r = r0 = 80 nm (b) Sự phân bố của điện trường tại bước sóng cộng hưởng Hình 3.19 0 = 639,3 nm (a) và 0 = 632,8 nm (b) cho bởi cấu trúc Hình 3.16 85 ứng với trường hợp r = 0 và r = 60 nm Cấu trúc 2D-PhC sau khi thiết kế thêm các hố không khí khối hộp Hình 3.20 86 chữ nhật độ sâu h vào giữa mỗi ô đơn vị của mạng đơn Hình 3.11 Phổ phản xạ cho bởi cấu trúc Hình 3.20 với các giá trị khác nhau Hình 3.21 của wx khi wy = 50 nm (a) và wy = 100 nm (b) trong trường hợp 87 nguồn phân cực TE thành phần Ex Sự phụ thuộc của bước sóng cộng hưởng và hệ số phẩm chất Q Hình 3.22 theo wx khi wy = 50 nm (a) và wy = 100 nm (b) trong trường hợp 88 nguồn phân cực TE thành phần Ex Một số phổ phản xạ đặc trưng cho bởi cấu trúc Hình 3.20 (a) và sự phân bố của điện trường tại bốn bước sóng cộng hưởng 0 = 635,72 nm (b); 0 = 634,16 nm (c); 0 = 633,02 nm (d) và Hình 3.23 90 0 = 630,32 nm (e) tương ứng với wx x wy = 100 nm x 50 nm; 150 nm x 50 nm; 100 nm x 100 nm và 150 nm x 100 nm trong trường hợp nguồn sáng tới phân cực TE với thành phần Ex
xiii Phổ phản xạ cho bởi cấu trúc Hình 3.20 với các giá trị khác nhau Hình 3.24 của wx khi wy = 50 nm (a) và wy = 100 nm (b) trong trường hợp 90 nguồn phân cực TE thành phần Ey Sự phụ thuộc của bước sóng cộng hưởng và hệ số phẩm chất Q Hình 3.25 theo wx khi wy = 50 nm (a) và wy = 100 nm (b) trong trường hợp 92 nguồn phân cực TE thành phần Ey Một số phổ phản xạ đặc trưng cho bởi cấu trúc Hình 3.20 (a) và sự phân bố của điện trường tại bốn bước sóng cộng hưởng 0 = 635,14 nm (b); 0 = 634,7 nm (c); 0 = 633,02 nm (d) và Hình 3.26 93 0 = 632,32 nm (e) tương ứng với wx x wy = 100 nm x 50 nm; 150 nm x 50 nm; 100 nm x 100 nm và 150 nm x 100 nm trong trường hợp nguồn sáng tới phân cực TE với thành phần Ey Ảnh SEM bề mặt của đầu mút sợi quang sau khi cho ăn mòn  30 Hình 4.1 phút trong dung dịch HF nồng độ  25% (a) và sau khi tiếp tục cho 97 ăn mòn  60 phút trong dung dịch HF nồng độ  5% (b) Sơ đồ thực nghiệm hệ phóng điện hồ quang chế tạo vi cầu thủy Hình 4.2 98 tinh silica pha tạp Er3+ Ảnh SEM của vi cầu thủy tinh silica pha tạp Er3+ kích thước Hình 4.3 29,7 m (a); 37,3 m (b); 38,5 m (c) và 61,1 m (d) chúng tôi đã 99 chế tạo được bằng phương pháp phóng điện hồ quang Mô hình kết cặp nguồn bơm và đầu thu với vi cầu thủy tinh silica Hình 4.4 100 pha tạp Er3+ bằng sợi quang vuốt nhọn hình chóp nón Sơ đồ thực nghiệm đo phổ phát xạ laser mode WGM của vi cầu Hình 4.5 101 thủy tinh silica pha tạp Er3+ Ảnh SEM của một số đầu sợi bơm và sợi thu tín hiệu quang dạng Hình 4.6 101 hình chóp nón đã được chúng tôi chế tạo bằng thực nghiệm Quá trình thực nghiệm đo phổ phát xạ của laser vi cầu theo hai cấu Hình 4.7 102 hình kết cặp CW và CCW Phổ phát xạ mode WGM từ vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính Hình 4.8  38,5 m và khoảng cách kết cặp  1,5  0,1 m theo cấu hình 103 CW Phổ phát xạ mode WGM từ vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính Hình 4.9  38,5 m và khoảng cách kết cặp  1,5  0,1 m theo cấu hình 103 CCW Phổ phát xạ mode WGM từ vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính Hình 4.10  38,5 m và khoảng cách kết cặp  0,7  0,1 m theo cấu hình 104 CW Phổ phát xạ mode WGM từ vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính Hình 4.11  38,5 m và khoảng cách kết cặp  0,5  0,1 m theo cấu hình 104 CW Phổ phát xạ mode WGM từ vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính Hình 4.12  29,7 m và khoảng cách kết cặp  1,5  0,1 m theo cấu hình 105 CW
xiv Phổ phát xạ mode WGM từ vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính Hình 4.13  29,7 m và khoảng cách kết cặp  1,5  0,1 m theo cấu hình 106 CCW Phổ phát xạ mode WGM từ vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính Hình 4.14  29,7 m và các khoảng cách kết cặp  0,7  0,1 m; 106  0,5  0,1 m;  0,3  0,1 m theo cấu hình CW Chiết suất vi cầu thủy tinh silica (a); Phổ phản xạ toàn phần trên bề mặt vi cầu (b); Phân bố trường của mode WGM với thành phần EZ Hình 4.15 108 tại  = 1550,74 nm (c) và thành phần HZ tại  = 1549,01 nm (d) của vi cầu đường kính 38,5 m Phổ phản xạ toàn phần trên bề mặt vi cầu (a); Phân bố độ lớn điện trường của mode WGM tại  = 1551,53 nm (b); Phân bố trường Hình 4.16 109 với thành phần EZ tại  = 1551,53 nm (c) và thành phần HZ tại  = 1550,82 nm (d) của vi cầu đường kính 29,7 m Sơ đồ cấu trúc tích hợp vi cầu silica pha tạp Er3+ và hai kênh dẫn Hình 4.17 111 sóng PhC dạng khe trên nền tảng SOI Giản đồ tán sắc và sự phân bố điện trường của thành phần Ey trong Hình 4.18 113 hai kênh dẫn ở bước sóng  = 1470 nm và  = 1550,84 nm Phân bố chiết suất của cấu trúc gồm vi cầu đường kính 29,7 m tích hợp với hai kênh dẫn sóng vào - ra PhC dạng khe trên nền SOI (a); Phân bố thành phần trường HZ của mode WGM bên trong vi Hình 4.19 cầu (b); Phân bố độ lớn điện trường của mode WGM tại 114  = 1550,84 nm và độ lớn điện trường truy xuất từ hai kênh dẫn sóng vào - ra tại các bước sóng  = 1470 nm và  = 1550,84 nm tương ứng (c) Sơ đồ nguyên lý hệ cảm biến sinh hóa sử dụng hai FBG được tích Hình 4.20 116 hợp trong cấu hình laser vòng Hình 4.21 Sơ đồ hệ thống cảm biến thiết lập trong thực tế 118 Phổ phản xạ ánh sáng từ e-FBG và laser vòng sợi sử dụng cùng Hình 4.22 119 một e-FBG trong dung dịch Acetone 99,9% theo hai cấu hình đo Sơ đồ đo phổ phản xạ từ re-FBG theo nhiệt độ (a) và đường chuẩn Hình 4.23 120 bước sóng phản xạ Bragg - nhiệt độ của re-FBG (b) Hình 4.24 Đường chuẩn bước sóng phản xạ Bragg - chiết suất của e-FBG 121 Sự biến đổi của công suất quang theo nhiệt độ áp đặt lên re-FBG Hình 4.25 khi nhúng đầu dò cảm biến e-FBG trong dung dịch Methanol 122 99,9% (a) và Acetone 99,9% (b) Sự dịch chuyển bước sóng Bragg của e-FBG theo nồng độ Ethanol Hình 4.26 124 và Methanol trong xăng RON 92 Sự dịch chuyển bước sóng Bragg của e-FBG theo nồng độ Nitrat Hình 4.27 124 trong môi trường nước
1 MỞ ĐẦU Khoa học và Công nghệ micro và nano tạo nên một cuộc cách mạng trong công nghiệp điện tử, thông tin và truyền thông nhờ khả năng tích hợp các linh kiện điện tử với mật độ cực cao. Hiện nay, lĩnh vực quang tử đang tiếp cận với khoa học và công nghệ micro và nano, cấu trúc tiếp cận rõ ràng nhất trong thời gian qua là cấu trúc tinh thể quang tử (PhC). Cấu trúc PhC đang được đặc biệt quan tâm nghiên cứu cả về vật liệu lẫn linh kiện do chúng có khả năng tồn tại vùng cấm quang (PBG). Ngoài ra, PhC còn có khả năng giam giữ các photon với thời gian rất dài và có hiệu ứng lái tia sáng trong môi trường kích thước nhỏ cỡ bước sóng,… Dựa trên các hiệu ứng đặc biệt của PhC, các nhà khoa học và công nghệ đã và đang nghiên cứu để ứng dụng chúng trong việc điều khiển các bức xạ tự phát và kiểm soát sự lan truyền của ánh sáng. Trên cơ sở đó mở ra nhiều hướng nghiên cứu và phát triển linh kiện quang tử kiểu mới như: linh kiện chọn lọc bước sóng quang, ống dẫn sóng, chuyển mạch quang, linh kiện làm trễ và đổi hướng lan truyền quang, laser hốc cộng hưởng kích thước micro và nano với ngưỡng phát xạ  0, laser phổ cực hẹp, LED có hiệu suất chuyển đổi lượng tử ngoài cao,… Quang tử micro và nano đang được xem là hướng nghiên cứu trọng điểm của nhiều phòng thí nghiệm quang tử trên thế giới, chúng mở ra nhiều hướng nghiên cứu phát triển linh kiện quang tử với lĩnh vực ứng dụng rất đa dạng. Hiện nay, các linh kiện quang tử micro và nano đang được xem là cấu trúc then chốt để chế tạo các mạch quang tích hợp ứng dụng trong thông tin quang, cảm biến quang và là tiềm năng để chế tạo các hệ thống máy tính lượng tử trong tương lai. Sự truyền sóng điện từ bên trong tinh thể quang tử một chiều (1D-PhC) được nghiên cứu đầu tiên bởi Lord Rayleigh vào năm 1887. Năm 1987, các công trình nghiên cứu về tinh thể quang tử ba chiều (3D-PhC) liên quan đến hiệu ứng cấm phát xạ ngẫu nhiên trong PhC do tồn tại vùng cấm quang đã được công bố và đề xuất bởi E. Yablonovitch và S. John [1][2]. Bắt đầu từ thời điểm này, PhC đã thu hút sự chú ý đặc biệt của giới nghiên cứu về lĩnh vực sử dụng các cấu trúc mới trên cơ sở PhC để dẫn, truyền và điều khiển sóng điện từ cũng như việc sử dụng sóng điện từ để xử lý thông tin. Tinh thể quang tử hai chiều (2D-PhC) điều khiển được tính chất dẫn sóng, hội tụ trên bề mặt hai chiều và các sợi 1D-PhC dùng cho các laser đơn mode
2 với công suất lối ra cao đã được Birks đề xuất năm 1997 [3]. Đến năm 1999, sau khi nhóm nghiên cứu của O. Painter thành công trong việc chế tạo laser 2D-PhC với hiệu ứng phân bố phản hồi theo hướng trong cấu trúc mạng 2D-PhC [4], các loại laser trên cơ sở vật liệu quang tử đã được đẩy mạnh nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm quang tử trên thế giới. Với các khuyết tật định xứ của PhC, sự kiểm soát các dòng photon trở nên rất hiệu quả trong hốc cộng hưởng cực nhỏ dẫn đến có thể chế tạo các laser với độ phẩm chất (Q-factor) cực cao và ngưỡng laser cực thấp. Các hốc cộng hưởng 2D-PhC có mạng cận tuần hoàn khác nhau thiết kế cho laser với tính chất giam giữ quang học bằng PBG và phản xạ toàn phần đã được nhiều nhóm nghiên cứu bằng tính toán lý thuyết, mô phỏng và cả thực nghiệm chế tạo [5][6]. Cấu trúc 3D-PhC có thể điều khiển dẫn sóng trong không gian ba chiều do đó có khả năng ứng dụng lớn trong các mạch quang tích hợp kích thước siêu nhỏ và laser ngưỡng phát xạ cực thấp, 3D-PhC đầu tiên được E. Yablonovitch chế tạo vào năm 1991 dựa trên các hạt nano kim cương phân bố trong mạng thủy tinh hữu cơ [7]. Có hai loại hốc cộng hưởng cực nhỏ là loại “mở” và “kín”, hốc cộng hưởng “kín” mang nhiều thông tin về phát xạ quang lượng tử nên các nghiên cứu về hốc cộng hưởng “kín” với môi trường khuếch đại quang có tính tán xạ mạnh hiện đang được quan tâm rất lớn cả về phương pháp chế tạo cũng như tính chất vật lý. Các vi hốc cộng hưởng quang học đã được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều năm qua nhờ đặc tính độc đáo và các ứng dụng khác nhau của chúng, các buồng vi cộng hưởng với các mode vọng hành lang (WGM) cho hệ số phẩm chất (Q) cao và thể tích mode nhỏ nên có thể được sử dụng để giảm ngưỡng phát xạ laser và các hiệu ứng quang phi tuyến khác [8]-[10]. Ngoài ra, các buồng vi cộng hưởng với mode WGM cũng đã từng được áp dụng rộng rãi cho nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như quang học lượng tử, cộng hưởng điện động lực lượng tử (QED) và laser phổ hẹp [11]-[13]. Laser vi cộng hưởng dạng cầu với kích thước từ vài micro đến vài chục micro là một trong những đối tượng linh kiện quang tử được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, nhờ phản xạ toàn phần trên bề mặt trong của vi cầu mà ánh sáng bơm và laser phát xạ bị giam giữ rất chặt trong linh kiện, dẫn đến ngưỡng phát xạ laser cực thấp và phổ phát xạ cực hẹp. Các laser kiểu này có tính chất vật lý gần giống với laser sử dụng hốc cộng hưởng 3D-PhC loại “kín” nên chúng còn có các tính chất lượng tử trong phát xạ laser với hiệu ứng cộng hưởng QED. Laser vi cộng hưởng quang học với các đặc
3 trưng như ngưỡng phát xạ laser cực thấp, độ rộng phổ cực hẹp, điều khiển được số mode phát xạ đã trở thành đối tượng nghiên cứu phát triển của cảm biến quang tử cho sinh hóa và môi trường với độ nhạy cực cao [14]-[18]. Hiện nay, các nghiên cứu về laser vi hốc cộng hưởng quang học đã cho rất nhiều thông tin mới về vật lý quang tử và chúng hiện vẫn đang là đối tượng nghiên cứu rất sôi động trên thế giới với nhiều công trình rất có giá trị đăng trên các tạp chí đầu ngành vật lý và vi quang - điện tử [19]-[21]. Xu hướng nghiên cứu về các linh kiện quang tử micro và nano hiện nay luôn kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm. Các phương pháp mô phỏng cho cấu trúc PhC hiện nay đã phát triển rất mạnh, nhiều phần mềm mô phỏng đã trở nên phổ biến và hầu như được cung cấp miễn phí bởi các trung tâm nghiên cứu mạnh như MIT. Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (FDTD) và phương pháp khai triển sóng phẳng (PWE) hiện đang được sử dụng rất phổ biến để nghiên cứu cấu trúc 2D-PhC ở các Phòng thí nghiệm nghiên cứu linh kiện quang tử micro và nano trên thế giới. Về thực nghiệm, các phương pháp như khắc chùm điện tử (EBL), ăn mòn hóa học, điện hóa,... đang được quan tâm phát triển để có thể thu được các cấu trúc 2D-PhC hoặc các khuyết tật có kích thước đến vài chục nano. Hướng nghiên cứu chính về vật liệu và linh kiện quang tử micro và nano ở Việt Nam chủ yếu tập trung vào các lĩnh vực như: nghiên cứu, chế tạo và khảo sát đặc trưng quang của các hạt nano bán dẫn; nghiên cứu vật liệu quang tử dựa trên các hạt nano bán dẫn và kim loại phân tán trong các mạng vật liệu quang học; nghiên cứu tinh thể quang tử có tồn tại vùng cấm quang; nghiên cứu chế tạo và khảo sát linh kiện quang tử tích cực kích thước micro từ vật liệu quang tử. Lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vật liệu và linh kiện quang tử kích thước micro và nano nói chung trong thời gian qua ở Việt Nam cũng đã thu được nhiều kết quả quan trọng. Đáng chú ý trong lĩnh vực nghiên cứu này là Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Phòng thí nghiệm vật liệu và ứng dụng quang sợi đã chế tạo thành công cấu trúc 1D-PhC và đã có các công bố quốc tế cũng như một số nghiên cứu sinh bảo vệ thành công về nội dung nghiên cứu này [22][23]; các linh kiện cảm biến quang tử trên cơ sở chọn lọc bước sóng của cấu trúc 1D-PhC được chế tạo từ màng đa lớp silic xốp đã bước đầu ứng dụng trong thiết bị đo môi trường sinh - hóa [23][24]. Việc chế tạo thành công các loại vật liệu phát quang
4 vùng 1550 nm như silica pha tạp Er3+ và silica - alumina pha tạp nặng Er3+ đã cho phép tạo ra các linh kiện có môi trường khuếch đại cao vùng 1550 nm, điều này có ý nghĩa rất lớn trong việc nghiên cứu và chế tạo các linh kiện quang tử ứng dụng cho lĩnh vực thông tin quang và cảm biến quang. Các linh kiện quang sợi có cấu trúc chọn lọc bước sóng dựa trên FBG kết hợp với sợi quang thủy tinh silica pha tạp Er3+ đã được nghiên cứu phát triển các nguồn sáng ứng dụng cho mạng thông tin quang và cảm biến để đo các thông số của môi trường như thành phần dung môi hoặc Nitrate trong môi trường nước, Ethanol hoặc Methanol trong xăng [25][26],… Với cấu trúc 3D-PhC, nhóm nghiên cứu cũng đã chế tạo thành công các laser buồng vi cộng hưởng dạng cầu trên cơ sở thủy tinh silica - alumina pha tạp Er3+ phát xạ các mode WGM vùng 1550 nm ứng dụng cho thông tin quang và vùng khả kiến ứng dụng cho cảm biến với cường độ khá mạnh, độ rộng phổ cực hẹp và có thể điều khiển được số mode phát xạ từ buồng vi cộng hưởng [27][28]. Bên cạnh đó, một số công trình nghiên cứu linh kiện quang tử trên cơ sở 2D-PhC bằng mô phỏng đã đạt kết quả rất khả quan [29]-[32] mở ra hướng nghiên cứu mới về linh kiện quang tử, trong đó có khuếch đại quang bằng phương pháp thực nghiệm kết hợp tính toán mô phỏng. Nhìn chung, kết quả nghiên cứu về cấu trúc và linh kiện quang tử kích thước micro và nano của Viện Khoa học vật liệu có hàm lượng khoa học cao, nhiều công trình được đăng trên các tạp chí quốc tế có uy tín. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về PhC, việc liên kết buồng cộng hưởng với cấu trúc PhC để phát xạ laser và khuếch đại quang là hướng đi cần thiết thể hiện tính định hướng cao trong công nghệ chế tạo linh kiện quang tử tích hợp. Để tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu về cấu trúc quang tử kích thước micro và nano hướng tới ứng dụng trong lĩnh vực thông tin quang và cảm biến quang, chúng tôi chọn đề tài luận án với tiêu đề: “Nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser và khuếch đại quang trong buồng cộng hưởng liên kết với cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D”. Mục tiêu đặt ra cho luận án bao gồm: - Nghiên cứu, chế tạo vi cầu thủy tinh silica pha tạp Er3+ có kích thước khác nhau bằng phương pháp phóng điện hồ quang; xây dựng hệ thực nghiệm để khảo sát phổ phát xạ laser mode WGM vùng bước sóng thông tin quang  1550 nm của một số vi cầu đã chế tạo.