Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc tinh thể quang tử 1D và 2D ứng dụng cho linh kiện lưỡng trạng thái ổn định

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:160

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án đặt mục tiêu nghiên cứu cơ bản về xây dựng mô hình vật lý, đề xuất cấu trúc, tính toán và mô phỏng linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sử dụng cấu trúc PhCs 1D và 2D. Ảnh hưởng của cấu hình và các tham số cấu trúc PhCs lên đặc tính và hiệu năng làm việc của linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sẽ được nghiên cứu một cách có hệ thống.

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, thiết kế cấu trúc tinh thể quang tử 1D và 2D ứng dụng cho linh kiện lưỡng trạng thái ổn định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ -----***----- Hoàng Thu Trang NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ 1D VÀ 2D ỨNG DỤNG CHO LINH KIỆN LƯỠNG TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH 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 -----***----- Hoàng Thu Trang NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ 1D VÀ 2D ỨNG DỤNG CHO LINH KIỆN LƯỠNG TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH 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. GS.TS. Arnan Mitchell Hà Nội - 2020
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Ngô Quang Minh và GS.TS. Arnan Mitchell. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. NGHIÊN CỨU SINH HOÀNG THU TRANG
ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đối với sự hướng dẫn tận tình của hai thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS. Ngô Quang Minh và GS.TS. Arnan Mitchell. Các thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ và khích lệ của GS.TS. Vũ Đình Lãm, TS. Lê Quang Khải đã dành cho tôi trong những năm qua. Tôi xin chân thành cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ của các anh chị đồng nghiệp tại Phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, nơi tôi hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của cơ sở đào tạo là Học viện Khoa học và Công nghệ cùng Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, cơ quan mà tôi công tác, trong quá trình thực hiện luận án. Sau cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận án này. NGHIÊN CỨU SINH HOÀNG THU TRANG
iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii Danh mục các chữ viết tắt vii Danh mục các ký hiệu ix Danh mục các hình vẽ, đồ thị x Danh mục các bảng xix MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 6 1.1. Cấu trúc tinh thể quang tử 6 1.1.1. Tổng quan về cấu trúc tinh thể quang tử 6 1.1.2. Cấu trúc tinh thể quang tử một chiều và cách tử dẫn sóng 8 1.1.2.1. Khái niệm cấu trúc tinh thể quang tử một chiều 8 1.1.2.2. Giản đồ vùng cấm quang 8 1.1.2.3. Buồng cộng hưởng 10 1.1.2.4. Cấu trúc cách tử dẫn sóng 11 1.1.3. Cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều 13 1.1.3.1. Khái niệm 13 1.1.3.2. Vùng Brillouin 13 1.1.3.3. Mode dẫn sóng: điện trường ngang (TE) và từ trường ngang (TM) 14 1.1.3.4. Giản đồ năng lượng 15
iv 1.1.3.5. Giam giữ ánh sáng trong cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều 16 1.1.4. Ứng dụng của cấu trúc tinh thể quang tử 23 1.2. Linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định 27 1.2.1. Khái niệm chung về chuyển mạch quang 27 1.2.2. Nguyên lý lưỡng ổn định quang học 28 1.2.3. Ứng dụng của linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định 31 1.3. Kết luận chương 1 32 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 33 2.1. Lý thuyết ghép cặp mode theo thời gian 33 2.2. Phương pháp khai triển sóng phẳng 37 2.3. Phương pháp đạo hàm hữu hạn trong miền thời gian 41 2.4. Kết luận chương 2 50 CHƯƠNG 3. TỐI ƯU HÓA HỆ SỐ PHẨM CHẤT VÀ PHỔ CỘNG 52 HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC CÁCH TỬ DẪN SÓNG 3.1. Cộng hưởng dẫn sóng trong cấu trúc cách tử và lý thuyết dẫn sóng 52 cộng hưởng 3.1.1. Cộng hưởng dẫn sóng trong cấu trúc cách tử 52 3.1.2. Lý thuyết dẫn sóng cộng hưởng 54 3.2. Cộng hưởng bất đối xứng dạng Fano 57 3.2.1. Cơ sở lý thuyết 57 3.2.2. Cộng hưởng dạng Fano trong cấu trúc quang tử 59 3.3. Tối ưu hóa hệ số phẩm chất và phổ cộng hưởng của cấu trúc cách tử 62 dẫn sóng 3.3.1. Cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng kết hợp với màng mỏng kim loại 64
v 3.3.1.1. Đặc trưng phản xạ của màng mỏng kim loại trong cấu trúc đơn cách 64 tử dẫn sóng 3.3.1.2. Đặc trưng cộng hưởng trong cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng nhờ sự có 66 mặt của hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt 3.3.2. Cấu trúc ghép hai đơn cách tử dẫn sóng 69 3.3.3. Cấu trúc cách tử dẫn sóng dựa trên màng mỏng đa lớp 72 3.4. Kết luận chương 3 76 CHƯƠNG 4. LƯỠNG TRẠNG THÁI QUANG ỔN ĐỊNH TRONG CẤU 78 TRÚC CÁCH TỬ DẪN SÓNG 4.1. Lưỡng trạng thái quang ổn định trong cấu trúc cách tử dẫn sóng kết 78 hợp với màng mỏng kim loại 4.1.1. Hiệu ứng tăng cường phản xạ của màng mỏng kim loại 78 4.1.2. Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt 81 4.2. Lưỡng trạng thái quang ổn định trong cấu trúc ghép hai đơn cách tử 83 dẫn sóng 4.3. Lưỡng trạng thái quang ổn định trong cấu trúc cách tử dẫn sóng dựa 87 trên màng mỏng đa lớp 4.4. Kết luận chương 4 89 CHƯƠNG 5. LƯỠNG TRẠNG THÁI QUANG ỔN ĐỊNH DỰA TRÊN SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA CỘNG HƯỞNG VÀ DẪN SÓNG KHE HẸP 91 TRONG CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ HAI CHIỀU 5.1. Linh kiện quang tử và cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều trên nền 91 vật liệu silic 5.1.1. Vật liệu quang tử silic 91 5.1.2. Sự cần thiết của vật liệu lai silic và hữu cơ 96 5.2. Kênh dẫn sóng và buồng cộng hưởng dạng khe hẹp 97 5.2.1. Kênh dẫn sóng dạng khe hẹp 97 5.2.2. Buồng cộng hưởng dạng khe hẹp 101
vi 5.2.2.1. Thể tích mode cộng hưởng 101 5.2.2.2. Buồng cộng hưởng dạng khe hẹp 102 5.3. Sự tương tác giữa buồng cộng hưởng và kênh dẫn sóng dạng khe hẹp 104 5.3.1. Cấu trúc ghép trực tiếp nhiều buồng cộng hưởng qua kênh dẫn sóng 105 dạng khe hẹp 5.3.1.1 Mô hình lý thuyết 105 5.3.1.2 Kết quả mô phỏng 107 5.3.2. Cấu trúc ghép gián tiếp nhiều buồng cộng hưởng qua kênh dẫn sóng 110 dạng khe hẹp 5.3.2.1 Mô hình lý thuyết 110 5.3.2.2 Kết quả mô phỏng 114 5.4. Lưỡng trạng thái quang ổn định 116 5.5. Kết luận chương 5 118 KẾT LUẬN CHUNG 119 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 121 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 124
vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tiếng Anh Chữ viết tắt Tiếng Việt Auxiliary Differential Equation ADE Phương trình vi phân phụ trợ Available Highly Effective ABCs Biên hấp thụ Boundary Conditions Carbon Nanotubes CNTs Ống nano các bon Complementary Metal Oxide CMOS Công nghệ CMOS Semiconductor Lý thuyết ghép cặp mode theo Coupled Mode Theory in Time CMT thời gian Cross Phase Modulation XPM Điều biến pha chéo Distributed Bragg Reflectors DBR Gương phản xạ Bragg Figure of Merit FOM Hệ số phẩm chất Đạo hàm hữu hạn trong miền Finite-Difference Time-Domain FDTD thời gian Four Wave Mixing FWM Trộn bốn bước sóng Free Carrier Absorption FCA Hiệu ứng hấp thụ hạt tải tự do Full-Width at Half-Maximum FWHM Bán độ rộng phổ cộng hưởng One Dimensional 1D Một chiều Perfect Matched Layer PML Biên hấp thụ hoàn hảo Photonic Band Gap PBG Vùng cấm quang Photonic Crystals PhCs Tinh thể quang tử Photonic Integrated Circuits PICs Mạch quang tích hợp Plane Wave Expansion PWE Khai triển sóng phẳng Recursive Convolution RC Kỹ thuật đệ quy Rigorous Coupled-Wave Theory RCWT Lý thuyết dẫn sóng cộng hưởng Self Phase Modulation SPM Tự điều biến Silicon Organic Hybrid SOH Vật liệu tích hợp lai silic-hữu cơ Silicon On Insulator SOI Phiến SOI Surface Plasmon Polaritons SPPs Hiệu ứng cộng hưởng plasmon
viii bề mặt Stimulated Raman Scattering SRS Tán xạ Raman kích thích Three Dimensional 3D Ba chiều Transverse Electric TE Điện trường ngang Two Dimensional 2D Hai chiều Transverse Magnetic TM Từ trường ngang Two Photon Absorption TPA Hiệu ứng hấp thụ hai photon
ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Tiếng Việt  Bán độ rộng phổ cộng hưởng λo Bước sóng cộng hưởng Iin Cường độ quang đầu vào neff Chiết suất hiệu dụng δ Độ ăn mòn cách từ t Độ dày cách tử d Độ dày lớp Ag  Độ lệch pha a Hằng số mạng F Hệ số nhân Q Hệ số phẩm chất  Hệ số ghép cặp   2 Hệ số phi tuyến bậc hai   3 Hệ số phi tuyến bậc ba Δ Tần số chuẩn hóa ω Tần số cộng hưởng ω0 Tần số cộng hưởng trung tâm ωL Tần số plasma τ Thời gian sống của photon c Vận tốc ánh sáng T(ω) Hệ số truyền qua Δ Tần số chuẩn hóa
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Tên hình Nội dung Hình 1.1 Ba loại cấu trúc PhCs (a) 1D, (b) 2D và (c) 3D. Hình 1.2 Minh họa các cách sắp xếp của đơn tinh thể tạo nên các cấu trúc PhCs 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. Hình 1.3 Hai loại mạng tinh thể của cấu trúc PhCs 2D. (a) Mạng tinh thể hình vuông (b) Mạng tinh thể hình lục giác. Hình 1.4 Màng đa lớp, cấu trúc PhCs 1D gồm các lớp vật liệu có chiết suất khác nhau nằm xen kẽ nhau tuần hoàn (chu kỳ a) theo trục z. Hình 1.5 Giản đồ vùng PBG đối với 3 cấu trúc. Hình (a) cấu trúc đồng nhất có hằng số điện môi ε = 13, (b) hằng số điện môi của 2 lớp lần lượt là ε = 13 và 12, và (c) hằng số điện môi của 2 lớp lần lượt là ε = 13 và 1. Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc của một gương DBR tuần hoàn với n1 và n2 là chiết suất của hai lớp vật liệu; d1 và d2 là bề dày tương ứng. Hình 1.7 (a) Tia phản xạ và tia truyền qua trong trường hợp màng mỏng đơn lớp và (b) trong trường hợp màng mỏng đa lớp. Hình 1.8 Sơ đồ cắt ngang của một buồng vi cộng hưởng. Chiết suất của lớp đệm là ns và bề dày là ds. Lớp đệm được đưa vào giữa hai gương DBR đối xứng với chiết suất của các lớp là n1, n2 và bề dày d1 và d2. Hình 1.9 Cấu trúc cách tử dẫn sóng. Hình 1.10 Phản xạ Bragg. Hình 1.11 Cấu trúc PhCs 2D: (a) Cấu trúc điện môi hình trụ dài trong không khí và hình trụ không khí trong nền điện môi (b). Hình 1.12 (a) Không gian mạng thực, (b) không gian mạng đảo và (c) vùng Brillouin của cấu trúc PhCs mạng tinh thể hình vuông. Hình 1.13 (a) Không gian mạng thực, (b) không gian mạng đảo và (c) vùng Brillouin của cấu trúc PhCs mạng tinh thể hình lục giác. Hình 1.14 Mô tả sự phân cực (a) mode TE, (b) mode TM.
xi Hình 1.15 Giản đồ năng lượng: (a) các hình trụ điện môi bán kính r = 0,2a, hằng số điện môi ε = 12 trong không khí, (b) các hình trụ không khí bán kính r = 0,3a trong nền điện môi ε = 12. Hình 1.16 Linh kiện tích hợp kênh dẫn sóng và buồng cộng hưởng sử dụng cấu trúc PhCs 2D. Hình 1.17 Các loại buồng cộng hưởng: (a) buồng cộng hưởng loại H0, (b) buồng cộng hưởng loại H1 và phân bố điện từ trường bên trong buồng cộng hưởng, (c) buồng cộng hưởng loại L3, (d) buồng cộng hưởng dị thường. Hình 1.18 (a) Cấu trúc buồng cộng hưởng có khe hẹp với vị trí các hố không khí bị thay đổi. (b) Cấu trúc buồng cộng hưởng có khe hẹp dị thường. (c) Cấu trúc buồng cộng hưởng khe hẹp có độ dài thay đổi L = 9a (d) Cấu trúc buồng cộng hưởng khe hẹp được tạo ra bằng cách thay đổi độ rộng của khe hẹp. Hình 1.19 Đường cong tán sắc của kênh dẫn sóng sử dụng cấu trúc PhCs 2D mạng tinh thể hình lục giác theo hướng   K . Phân bố điện trường bên trong kênh dẫn sóng. Hình 1.20 (a) Kênh dẫn sóng sử dụng cấu trúc PhCs 2D, (b) Phân bố điện từ trường bên trong kênh dẫn sóng, (c) Kênh dẫn sóng bẻ cong sử dụng cấu trúc PhCs 2D, (d) Phân bố điện từ trường bên trong kênh dẫn sóng bẻ cong. Hình 1.21 (a) Khe dẫn sóng hẹp, (b) Dải dẫn sóng bên của khe dẫn sóng nằm trong vùng PBG, (c) và (d) là phân bố điện từ trường bên trong khe dẫn sóng Hình 1.22 (a) Bộ lọc sóng quang học sử dụng cấu trúc PhCs 2D, (b) Phổ truyền qua của bộ lọc. Hình 1.23 Kênh dẫn sóng uốn cong sử dụng cấu trúc PhCs 2D. Hình 1.24 (a) Bộ chia quang học sử dụng cấu trúc PhCs 2D. (b) Phổ truyền qua của bộ chia quang. Hình 1.25 (a) Sơ đồ minh họa sự hội tụ của ánh sáng sử dụng tấm phẳng làm từ
xii siêu vật liệu có chiết xuất âm nˆ  1 , với độ dày D. Nguồn sáng điểm P đặt tại vị trí cách bề mặt trái của tấm phẳng một khoảng L. Ảnh của nguồn sáng điểm P có thể được quan sát thấy tại điểm P ' tại vị trí cách bề mặt bên phải của tấm phẳng một khoảng cách là (D – L). (b) Kết quả mô phỏng sự truyền ánh sáng qua siêu thấu kính phẳng sử dụng cấu trúc PhCs 2D. Hình 1.26 Sự truyền ánh sáng chậm bên trong cấu trúc PhCs 2D. Hình 1.27 Cấu trúc PhCs 2D bên trong sợi quang học. Hình 1.28 (a) Buồng cộng hưởng bên trong cấu trúc PhCs 2D. (b) Hoạt động lưỡng trạng thái ổn định. Hình 1.29 (a) 1 x 1 chuyển mạch hai đường kết nối hoặc không kết nối, (b) 1 x 2 chuyển mạch một đường kết nối với hai đường khác, (c) 2 x 2 chuyển mạch hai đường kết nối với hai đường. (d) N x N chuyển mạch N đường kết nối với N đường. Hình 1.30 Nguyên lý hoạt động của linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định. Hình 1.31 Đồ thị f(Ira) có dạng hình chuông. Hình 1.32 Mối quan hệ vào-ra khi hàm truyền qua f có dạng hình chuông. Hình 1.33 Mối quan hệ ra - vào của hệ lưỡng trạng thái quang ổn định. Đường đứtt nét biểu diễn trạng thái không ổn định. Hình 1.34 Mối quan hệ ra-vào của hệ lưỡng trạng thái ổn định. Hình 1.35 Các mạch logic quang. Hình 2.1 Mạch dao động LC (C là điện dung và L là độ tự cảm). Hình 2.2 Mô tả vị trí của các véc tơ điện trường và từ trường trong ô Yee. Hình 2.3 Mô hình minh họa việc tính toán E và H tại các thời điểm khác nhau trong không gian. Hình 2.4 Đối xứng quay 180° (C2) của cấu trúc có dạng hình chữ S. Hình 2.5 (a) Cấu trúc bộ lọc quang học; (b,c) là phổ truyền qua và phổ phản xạ của cấu trúc được trình bày trong bài báo. Hình 2.6 Các kết quả mô phỏng sử dụng phương pháp FDTD: (a) cấu trúc bộ lọc
xiii quang học, (b,c) Phổ truyền qua và phổ phản xạ của cấu trúc. Hình 2.7 (a) Cấu trúc bộ lọc quang học với 5 kênh đầu ra. (b) Phổ truyển qua tại các kênh đầu ra A, B, C, D, E được trình bày trong bài báo [109]. Hình 2.8 Kết quả mô phỏng kiểm chứng lại của luận án sử dụng phương pháp FDTD. (a) Cấu trúc bộ lọc quang học, (b) Phổ truyền qua tại các kênh đầu ra. Hình 3.1 (a) Ánh sáng chiếu tới phiến điện môi khối, (b) Hệ số phản xạ thu được khi ánh sáng phản xạ qua phiến điện môi khối, (c) Ánh sáng chiếu tới cấu trúc cách tử dẫn sóng, (d) Hệ số phản xạ thu được khi ánh sáng phản xạ qua cấu trúc cách tử dẫn sóng. Hình 3.2 Ánh sáng truyền qua cấu trúc cách tử: (a) không xuất hiện cộng hưởng dẫn sóng GMRs và (b) xuất hiện cộng hưởng dẫn sóng GMRs. Phân bố điện trường của ánh sáng tới từ bên ngoài và mode dẫn sóng bên trong cấu trúc được chỉ ra như trong các hình nhỏ. Hình 3.3 (a) Ánh sáng chiếu tới phiến điện môi kim loại khối, (b) Hệ số phản xạ thu được khi ánh sáng phản xạ qua phiến điện môi kim loại khối, (c) Ánh sáng chiếu tới cấu trúc cách tử điện môi kim loại, (d) Hệ số phản xạ thu được khi ánh sáng phản xạ qua cấu trúc cách tử điện môi kim loại. Hình 3.4 Cách tử dẫn sóng. Hình 3.5 (a) Sơ đồ của hai dao động dưới tác dụng của lực bên ngoài. (b, c) Sự phụ thuộc tần số cộng hưởng vào biên độ dao động cưỡng bức c1 và c2. Hình 3.6 Minh họa công thức (3.13) cho quá trình hình thành phổ cộng hưởng dạng Fano. Hình 3.7 Phổ cộng hưởng Fano với các giá trị hệ số bất đối xứng q khác nhau. Hình 3.8 Phổ cộng hưởng dạng Lorentzian. Hình 3.9 Cộng hưởng Fano trong tán xạ Mie. Tán xạ Mie của một hình trụ điện môi có chiết suất cao (ε = 60) được nhúng trong không khí (ε = 1). Hình 3.10 Cộng hưởng Fano trong cấu trúc 0 chiều: (a) Cấu trúc hình khối cầu và (b) cấu trúc hình trụ điện môi.
xiv Hình 3.11 Cộng hưởng Fano trong cấu trúc: (a) 1 chiều và (b) 2 chiều. Hình 3.12 Các cấu trúc được tối ưu hóa từ cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng. (a) Cấu trúc đơn cách tử, (b,c) Cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng kết hợp với màng mỏng kim loại, (d,e) Cấu trúc ghép các đơn cách tử dẫn sóng. Hình 3.13 (a) Cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng. (b) Phổ phản xạ thu được với các giá trị độ ăn mòn cách tử δ khác nhau. Hình 3.14 (a) Cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng kết hợp với lớp kim loại Ag được đưa vào giữa lớp dẫn sóng và lớp đế. (b) Phổ truyền qua và phổ phản xạ đối với độ dày lớp Ag khác nhau. Hình 3.15 Cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng kết hợp với màng mỏng kim loại được điền đầy bằng vật liệu DDMEBT. Hình 3.16 Giản đồ bước sóng thay đổi theo véctơ sóng k|| trong trường hợp góc của ánh sáng tới nhỏ trong cấu trúc với độ rộng w và độ dày t khác nhau: (a) t = 300 nm và độ rộng cách tử w thay đổi, (b) w = 150 nm và độ dày t thay đổi. Hình 3.17 (a) Phổ phản xạ tuyến tính của cấu trúc cách tử điện môi kết hợp với màng mỏng kim loại có độ dày cách tử t = 300 nm và độ rộng cách tử lần lượt là w = 150nm, w = 120nm. (b), (c), (d) là phân bố điện trường trong 3 ô đơn vị tại 2 bước sóng 1548 nm và 1557 nm với độ rộng cách tử w khác nhau. Hình 3.18 Cấu trúc ghép hai đơn cách tử dẫn sóng. Hai đơn cách tử được đặt cách nhau một khoảng d và có độ lệch s. Hình 3.19 Phổ phản xạ của cấu trúc ghép hai đơn cách tử dẫn sóng được sắp xếp thẳng hàng s = 0. Hình 3.20 (a) Phổ phản xạ đối với các độ lệch s khác nhau, (b) dải cộng hưởng F2 và F2 bậc 2 khi độ lệch s = 100 nm, 150 nm. Hình 3.21 Cấu trúc màng mỏng đa lớp bao gồm N cặp As2S3/SiO2 giống hệt nhau được sắp xếp xen kẽ nhau. Hình 3.22 Phổ truyền qua của cấu trúc có 3 cặp lớp vật liệu As2S3/SiO2 với các độ rộng cách tử w khác nhau: (a) trong dải bước sóng dài và (b) trong dải bước sóng ngắn. Hình nhỏ bên cạnh là phân bố điện trường tại đỉnh
xv cộng hưởng của một ô đơn vị. Hình 3.23 Sự phụ thuộc của đỉnh cộng hưởng và hệ số phẩm chất vào số cặp lớp N trong (a) dải bước sóng dài và (b) dải bước sóng ngắn. Hình 3.24 Đặc trưng truyền qua của cấu trúc phụ thuộc vào độ rộng khe cách tử khi số cặp lớp N = 3,5: (a) lớp vật liệu thêm vào là As2S3 và (b) SiO2. Hình 4.1 Đặc trưng lưỡng trạng thái quang ổn định với các độ ăn mòn cách tử khác nhau. (a) δ = 90 nm, (b) δ = 50 nm, (c) δ = 10 nm, (d) sự truyền qua đối với δ = 10 nm. Hình 4.2 Sự phụ thuộc của cường độ chuyển mạch, hệ số tăng cường điện trường vào hệ số phẩm chất Q. Hình 4.3 Hiệu ứng lưỡng trạng thái quang ổn định của cấu trúc cách tử được mô tả trong Hình 3.15. Hình 4.4 Phân bố điện trường trong 3 ô đơn vị của cấu trúc cách tử tại các bước sóng hoạt động và cường độ quang đầu vào khác nhau: (a) opt = 1548 nm; Iin = 4,75x10-4 (1/n2), (b) opt = 1548 nm; Iin = 15,7x10-4 (1/n2), (c) opt = 1557 nm; Iin = 4,75x10-4 (1/n2), (d) opt = 1557 nm; Iin = 15,7x10-4 (1/n2). Hình 4.5 Lưỡng trạng thái quang ổn định của cấu trúc ghép hai đơn cách tử sắp xếp thẳng hàng (s = 0) khi khoảng cách giữa hai cách tử d thay đổi. Hình 4.6 Lưỡng trạng thái quang ổn định tại các giá trị bước sóng hoạt động khác nhau: 20%, 30%, 40%, 50% và 60% của phổ phản xạ. Hình 4.7 Lưỡng trạng thái quang ổn định phụ thuộc vào bước sóng hoạt động khi độ lệch s = 100 nm: (a) cộng hưởng F2 bậc 2 và (b) cộng hưởng F2. Hình 4.8 Lưỡng trạng thái quang ổn định phụ thuộc vào bước sóng hoạt động khi độ lệch s = 150 nm: (a) cộng hưởng F2 bậc 2 và (b) cộng hưởng F2. Hình 4.9 Lưỡng trạng thái quang ổn định của cấu trúc trong trường hợp N = 3 với độ rộng khe cách tử w = 30 nm (Hình a,c) và w = 150 nm (Hình b,d) hoạt động trong dải bước sóng dài (Hình a,b) và dải bước sóng ngắn (Hình c,d). Hình 4.10 Sự phụ thuộc của cường độ chuyển mạch vào hệ số phẩm chất Q trong trường hợp số cặp lớp N = 3.
xvi Hình 5.1 (a) Cấu trúc PhCs 2D trên nền SOI. (b) Ảnh SEM chụp từ bề mặt cấu trúc. Hình 5.2 Mạch quang tích hợp trên nền SOI. Hình 5.3 Mô tả sự kích thích lưỡng cực điện và sơ đồ mức năng lượng. (a) Một sóng điện từ trường với điện trường E đi qua một nguyên tử và tạo ra dao động lưỡng cực P(E). (b) Sơ đồ mức năng lượng cho thấy sự chuyển tiếp lưỡng cực của một photon có thể đóng góp cho sự thay đổi chiết suất (trái) hoặc sự hấp thụ sóng mang tự do (phải). (c) Sơ đồ chuyển tiếp lưỡng cực phi tuyến bậc ba. Hình 5.4 Bốn cấu trúc kênh dẫn sóng silic và sự phân bố điện trường bên trong các kênh dẫn sóng. (a) Ống dẫn sóng thẳng có lõi chứa vật liệu phi tuyến. (b) Ống dẫn sóng thẳng có lớp vỏ làm bằng vật liệu phi tuyến. (c) Kênh dẫn sóng dạng khe hẹp được điền đầy bằng vật liệu phi tuyến. (d) Kênh dẫn sóng dạng khe hẹp trong cấu trúc PhCs 2D. Hình 5.5 Giản đồ liên hệ giữa hệ số truyền sóng và chiết suất hiệu dụng của cấu trúc. Hình 5.6 (a) Cấu trúc PhCs 2D mạng tinh thể hình lục giác của các hình trụ được điền đầy bằng vật liệu DDMEBT bán kính r = 0,3a, hằng số mạng a = 380 nm trên nền vật liệu SOH. (b) Vùng PBG của cấu trúc PhCs 2D, (1) là giới hạn dẫn ánh sáng trong lớp vật liệu DDMEBT, (2) là giới hạn dẫn ánh sáng trong lớp đế, (3) là giới hạn dẫn ánh sáng trong lớp không khí. Hình 5.7 (a) Kênh dẫn sóng sử dụng cấu trúc PhCs 2D mạng tinh thể hình lục giác của các hình trụ DDMEBT bán kính r = 0,3a, hằng số mạng a = 380 nm trên nền vật liệu SOH, (b) Giản đồ năng lượng của kênh dẫn sóng, (c) Phân bố điện từ trường bên trong kênh dẫn sóng. Hình 5.8 (a) Kênh dẫn sóng dạng khe hẹp có độ rộng d sử dụng cấu trúc PhCs 2D mạng tinh thể hình lục giác của các hình trụ DDMEBT bán kính r = 0,3a, hằng số mạng a = 380 nm, (b) Giản đồ năng lượng của kênh dẫn sóng dạng khe hẹp, (c) Phân bố điện từ trường bên trong kênh dẫn sóng dạng khe hẹp.
xvii Hình 5.9 Các dải dẫn sóng tương ứng với độ động khe hẹp d khác nhau. Hình 5.10 (a) Buồng cộng hưởng có độ rộng khe hẹp d = 50 nm, chiều dài khe hẹp L và độ rộng vách ngăn sóng điện từ d = 120 nm. (b, c, d) tương ứng là phân bố điện từ trường bên trong buồng cộng hưởng có chiều dài L =1a, L = 3a, và L = 5a. Hình 5.11 (a) Buồng cộng hưởng có độ rộng khe hẹp tại trung tâm d = 50 nm và chiều dài khe hẹp trung tâm L. Độ rộng khe hẹp tăng dần đều những khoảng bằng nhau 10 nm/a cho tới khi đạt độ rộng vách ngăn sóng điện từ d = 120 nm. (b, c, d) tương ứng là phân bố điện từ trường bên trong buồng cộng hưởng có chiều dài khe hẹp tại trung tâm L =1a, L = 3a, và L = 5a. Hình 5.12 Mô hình của n buồng cộng hưởng ghép nối tiếp với nhau thông qua một kênh dẫn sóng. Hình 5.13 Phổ truyền qua lý thuyết của các buồng cộng hưởng thu được nhờ sử dụng phương pháp CMT với các độ lệch pha  khác nhau. (a)  = π/2, (b)  = π/3, (c)  = 2π/3 và (d) năm buồng cộng hưởng với độ lệch pha  khác nhau. Hình 5.14 Cấu trúc năm buồng cộng hưởng kết nối trực tiếp với nhau thông qua một kênh dẫn sóng dạng khe hẹp và chi tiết một buồng cộng hưởng (hình phụ). Hình 5.15 (a) Phổ truyền qua mô phỏng của các cấu trúc có số lượng buồng cộng hưởng khác nhau sử dụng phương pháp FDTD. (b) Đường cong làm khớp theo hàm Fano cho trường hợp cấu trúc có ba và năm buồng cộng hưởng. Hình 5.16 Phân bố năng lượng điện trường trong cấu trúc có một buồng cộng hưởng (a), ba buồng cộng hưởng (b) và năm buồng cộng hưởng (c) tương ứng với các bước sóng cộng hưởng λ1 = 1555,28 nm, λ3 = 1555,38 nm và λ5 = 1555,46 nm. Hình 5.17 (a) Cấu trúc hai buồng cộng hưởng kết nối gián tiếp thông qua một kênh dẫn sóng thông thường. (b) Kết quả tính toán lý thuyết (các chấm
xviii tròn) và mô phỏng (đường nét liền) trường hợp cấu trúc có một buồng cộng hưởng (2) và hai buồng cộng hưởng (1) kết nối gián tiếp. Hình 5.18 (a) Ảnh SEM buồng cộng hưởng kết nối gián tiếp qua kênh dẫn sóng. (b) Hệ số truyền qua cấu trúc. Hình 5.19 Mô hình cấu trúc của hai buồng cộng hưởng ghép gián tiếp với nhau thông qua một kênh dẫn sóng. Hình 5.20 (a) Phổ truyền qua cấu trúc có hai buồng cộng hưởng với các độ lệch pha  khác nhau. (b) Phổ quyền qua cấu trúc với các giá trị μ, φ rất nhỏ. Phổ truyền qua cấu trúc có một buồng cộng hưởng cũng được mô tả trên (b). Hình 5.21 Cấu trúc có hai buồng cộng hưởng kết nối gián tiếp thông qua một kênh dẫn sóng dạng khe hẹp (Hình chính) và chi tiết của một buồng cộng hưởng. Hình 5.22 (a) Phổ truyền qua mô phỏng của cấu trúc có hai buồng cộng hưởng với khoảng cách giữa hai buồng cộng hưởng khác nhau là L = 1a và L = 3a. (b) Phổ truyền qua của cấu trúc có một và hai buồng cộng hưởng kết nối gián tiếp với nhau. Hình 5.23 (a) Phân bố điện trường của cấu trúc có một buồng cộng hưởng và hai buồng cộng hưởng được kết nối gián tiếp thông qua một kênh dẫn sóng hẹp tại bước sóng cộng hưởng: (b) 21 = 1555,98 nm, (c) 22 = 1556,08 nm, và (d) 23 = 1556,33 nm. Hình 5.24 (a) Hoạt động lưỡng trạng thái và (b) thời gian chuyển mạch của trường hợp cấu trúc có một buồng cộng hưởng kết nối trực tiếp thông qua kênh dẫn sóng dạng khe hẹp được mô tả trong Hình 5.14. Hình 5.25 Công suất chuyển mạch và bình phương độ rộng phổ phụ thuộc vào số bộ cộng hưởng n được sử dụng.