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
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội – 2020
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Ngô Quang Minh
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Phạm Văn Hội
Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..., ngày … tháng
… năm 202….
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Sự truyền sóng điện từ bên trong 1D-PhC được nghiên cứu đầu
tiên bởi Lord Rayleigh vào năm 1887. Năm 1987, các công trình
nghiên cứu về 3D-PhC liên quan đến hiệu ứng cấm phát xạ ngẫu
nhiên trong PhC do tồn tại PBG đã được công bố và đề xuất bởi E.
Yablonovitch và S. John [1,2]. 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, điều khiển sóng điện từ cũng như
việc sử dụng sóng điện từ để xử lý thông tin. 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 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. Các hốc
cộng hưởng PhC có mạng cận tuần hoàn khác nhau 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 3D 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]. 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 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
2
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 và
laser phổ hẹp [11-13]. Laser vi 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 do ánh sáng bơm và laser phát xạ bị
giam giữ rất chặt trong vi cầu nhờ phản xạ toàn phần trên bề mặt
trong của linh kiện, vì vậy ngưỡng phát xạ laser cực thấp và phổ phát
xạ cực hẹp. Laser vi cộng hưởng quang học với các đặc trưng như
ngưỡng phát xạ laser cực thấp, độ rộng phổ cực hẹp, điều khiển được
số mode phát xạ tùy thuộc vào cấu trúc của vi cộng hưởng và kỹ
thuật thu góp tín hiệu phát xạ từ vi hốc cộng hưởng 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 nói chung và laser vi cầu nói
riêng 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 [19-21].
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. Phòng thí nghiệm vật liệu và
ứng dụng quang sợi thuộc Viện Khoa học vật liệu đã chế tạo thành
công cấu trúc 1D-PhC và có các công bố quốc tế cũng như đã có một
số nghiên cứu sinh bảo vệ thành công về nội dung nghiên cứu này
bao gồm cả chế tạo thực nghiệm và các ứng dụng liên quan [22,23];
các cảm biến quang tử trên cơ sở chọn lọc bước sóng trong 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]; các linh kiện quang sợi
có cấu trúc chọn lọc bước sóng dựa trên FBG đã được nghiên cứu
phát triển ứng dụng cho mạng thông quang và cảm biến [25,26],…
3
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.
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về PhC, việc liên kết buồng
cộng hưởng micro-mét với cấu trúc PhC để phát xạ laser 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”.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
- 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.
- Thiết kế, mô phỏng cấu trúc tích hợp vi cầu silica với 2D-PhC
dẫn sóng trên nền vật liệu SOI để nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser
mode WGM vùng bước sóng thông tin quang 1550 nm.
- Thiết kế và xây dựng hệ cảm biến đo chiết suất một số chất
4
lỏng sử dụng cấu trúc 1D-PhC trong sợi quang (FBG) tích hợp trong
cấu hình laser sợi buồng cộng hưởng vòng không sử dụng thiết bị đo
phổ quang.
Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng cả phương pháp tính toán mô phỏng và thực
nghiệm. Phương pháp tính toán mô phỏng được sử dụng để xác định
PBG, mode dẫn sóng, mode cộng hưởng dẫn sóng, mode WGM và
sự phân bố trường trong cấu trúc PhC. Phương pháp thực nghiệm
được sử dụng để chế tạo vi cầu, FBG, thiết kế và xây dựng hệ đo phổ
phát xạ laser của vi cầu ghép với nguồn bơm và đầu thu bằng các sợi
quang vuốt nhọn hình chóp nón, thiết kế và xây dựng hệ cảm biến
chất lỏng trên cơ sở FBG tích hợp trong cấu hình laser vòng sợi.
3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án:
- Tổng quan về PhC và ứng dụng trong nghiên cứu chế tạo laser.
- Các phương pháp nghiên cứu.
- Tính toán và mô phỏng một số linh kiện quang học sử dụng
cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều.
- Nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser của vi cầu trên nền silica
pha tạp Er3+, linh kiện quang tử và hướng ứng dụng.
Bố cục của luận án
Luận án bao gồm: phần mở đầu, 4 chương nội dung và kết luận
chung. Nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương.
Chương 1 trình bày những khái niệm, tình hình nghiên cứu về cấu
trúc PhC và ứng dụng. Chương 2 giới thiệu các phương pháp nghiên
cứu bao gồm các mô hình lý thuyết kết cặp buồng cộng hưởng - dẫn
sóng, tính toán mô phỏng và thực nghiệm. Chương 3 trình bày kết
quả tính toán và mô phỏng một số linh kiện quang sử dụng cấu trúc
2D-PhC. Chương 4 trình bày kết quả về sự phát xạ của laser vi cầu
5
trên nền silica pha tạp Er3+, mô phỏng cấu trúc tích hợp vi cầu silica pha tạp Er3+ với 2D-PhC dẫn sóng và một số kết quả đo thử nghiệm
chiết suất dung dịch lỏng sử dụng linh kiện FBG tích hợp trong cấu
hình laser sợi buồng cộng hưởng vòng.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ
VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LASER
- Giới thiệu về cấu trúc tinh thể quang tử.
- Trình bày các đặc trưng của 2D-PhC như: vùng cấm quang,
dẫn sóng và giam giữ sóng, cộng hưởng dẫn sóng.
- Trình bày các quá trình quang học trong buồng vi cộng hưởng
dạng cầu: Mode WGM của vi cầu điện môi, phương trình trạng thái
cho các mode và các phương pháp kết cặp vi cầu - kênh dẫn sóng.
- Ứng dụng cấu trúc 1D-PhC trong sợi quang (FBG) để phát
triển cảm biến quang.
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Các mô hình lý thuyết kết cặp buồng cộng hưởng - dẫn sóng
2.1.1. Lý thuyết kết cặp cộng hưởng - dẫn sóng
Phương thức kết cặp mode đã được áp dụng cho nhiều hệ thống
vật lý để xử lý các mode cộng hưởng hoặc các mode lan truyền.
Chúng ta có thể xét mạch dao động LC đơn giản để minh họa ý nghĩa
của các tham số vật lý liên quan [94].
- Nếu mạch dao động có tổn hao nhỏ, ta có:
(2.10) da/dt = joa – (1/o)a
a là biên độ mode, 1/o là tốc độ phân rã do tổn hao của mạch.
- Khi bộ cộng hưởng được kết cặp với ống dẫn sóng ngoài, do bị
rò rỉ vào ống dẫn sóng nên (2.10) được sửa đổi thành:
(2.15) da/dt = joa – (1/o + 1/e)a
1/e biểu thị tỷ lệ bổ sung của phân rã do rò rỉ năng lượng.
6
- Trường hợp ống dẫn sóng mang sóng từ nguồn hướng về bộ
cộng hưởng với biên độ s+, lúc này sẽ có sự kết hợp giữa ống dẫn
sóng và mạch dao động nên (2.15) được viết thành:
(2.19) da/dt = joa – (1/o + 1/e)a + ks+
tới s+. Ta chuẩn hóa s+ sao cho:
k là hệ số thể hiện mức độ liên kết giữa bộ cộng hưởng và sóng 2s = công suất của sóng tới; ký hiệu sóng tới bộ cộng hưởng và sóng phản xạ bởi s+ và s- tương ứng.
- Nếu nguồn có tần số , đáp ứng có cùng tần số và từ (2.19) ta
nhận được:
ja = joa – (1/o + 1/e)a + ks+
(2.20) suy ra a = ks+ /[j(-o) + (1/o + 1/e)]
k
2 /
Mối quan hệ giữa k và e được cho bởi:
(2.28)
e
(2.19) trở thành:
e s+
(2.29) da/dt = joa – (1/o + 1/e)a + 2 /
(2.29) chính là phương trình mô tả sự kích thích mode cộng
hưởng bằng một sóng tới.
2.1.2. Kết cặp vi cộng hưởng - hai ống dẫn sóng
Mô hình đơn giản được trình bày như trên Hình 2.4.
U, o lần lượt là biên độ và tần số của mode cộng hưởng được
kích thích trong bộ cộng hưởng. Mode cộng hưởng kết hợp với hai
ống dẫn sóng () và () và tuân theo phương trình [96]:
e a4 (2.30)
e a1 + 2 /
dU/dt=joU–(1/e +1/e +1/o)U + 2 /
2
trong đó a1 và a4 là sóng tới trong hai ống dẫn sóng, được chuẩn
2 1a và
4a
hóa sao cho
e và 1/
sóng; 1/
bằng công suất sóng tới trong hai ống dẫn e là các tỷ lệ kết cặp giữa vi cộng hưởng với hai ống dẫn sóng () và () tương ứng; 1/0 là tốc độ phân rã do tổn hao
(bức xạ và các tổn hao khác). Mode cộng hưởng U kết hợp lại thành
7
2 /
e
2 /
các sóng ra trong các ống dẫn sóng theo chiều kim đồng hồ:
b 2 b 3
a 1 a 4
e
U U
Hình 2.4. Cấu hình kết cặp mode của bộ cộng hưởng với hai ống dẫn sóng 2.1.3. Kết cặp vi cộng hưởng - dẫn sóng khi xét đến tán xạ ngược
(2.31) (2.32)
Việc kết cặp giữa một dẫn sóng và một buồng cộng hưởng khi
Hình 2.5. Sơ đồ kết cặp vi cộng hưởng với một dẫn sóng khi xét đến tán xạ ngược
có xét đến tán xạ ngược có thể được minh họa như trên Hình 2.5.
Phương trình chuyển động cho các mode lan truyền ngược chiều
nhau (CCW và CW) được kết cặp với nhau cũng như kết cặp với một
mode dẫn sóng có thể được mô tả bởi các phương trình kết cặp mode
tương tự các phương trình được trình bày ở [96,97]:
dacw/dt = j.acw - (1/2)(1/e + 1/o)acw + (j/2)accw + k.s (2.33)
(2.34) daccw/dt = j.accw - (1/2)(1/e + 1/o)accw + (j/2)acw
ở đây acw và accw là biên độ của mode cùng chiều và ngược
chiều kim đồng hồ của bộ cộng hưởng, s biểu thị sóng vào và được
8
lựa chọn để kích thích mode CW, tỷ lệ tán xạ 1/ biểu thị kết cặp
tương hỗ của mode CW và mode CCW.
2.2. Phương pháp tính toán mô phỏng
2.2.1. Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (FDTD)
FDTD là phương pháp giải trực tiếp hệ phương trình Maxwell
trong miền thời gian [117,118]. Hệ thức liên hệ bước thời gian
theo của điện trường E
FDTD như sau: tại một điểm bất kỳ trong không gian, giá trị tiếp
theo thời gian phụ thuộc vào giá trị của điện trước đó và rota số của phân bố cục bộ của từ trường H
trường E theo không gian [117]. Từ trường H
cũng tiến triển theo bước thời
Hình 2.7. Mô hình minh họa quy trình tính toán E
và H
tại các thời điểm khác nhau trong không gian
gian hoàn toàn tương tự.
K. Yee đã đề xuất sơ đồ nhảy cóc “leap-frog” cho sự tiến triển
theo thời gian của E
và H
. Quy trình tính toán E
và H
được
và H
như sau: minh họa bằng lưu đồ biểu diễn ở Hình 2.7. Mối liên hệ của phép tính E
- Tính các thành phần của E
tại một điểm trong không gian ở
thời điểm n t .
- Tính các thành phần của H
n
1/ 2
. t
tại điểm đó ở thời điểm kế tiếp
Với thuật toán “leap-frog” do K. Yee đề xuất, giá trị điện trường
9
trong không gian tại một thời điểm xác định được tính theo giá trị
điện trường thời điểm trước đó và bốn giá trị từ trường lân cận nó.
Tương tự đối với việc tính giá trị của từ trường.
2.2.2. Phương pháp khai triển sóng phẳng (PWE)
Phương pháp PWE có thao tác đơn giản, được sử dụng trong
những nghiên cứu về cấu trúc PhC [121-123]. Phương pháp PWE
cho phép giải phương trình vector sóng đầy đủ của trường điện từ,
tính toán tần số riêng với độ chính xác tiêu chuẩn và thời gian phù
hợp, nó có thể được sử dụng để tính toán cấu trúc vùng năng lượng
của cấu trúc PhC, phổ truyền qua [121,124,125],...
2.2.3. Điều kiện biên và sự hội tụ của thuật toán
Có nhiều điều kiện biên khác nhau, nhưng hai loại cơ bản được
đề cập là các biên tuần hoàn Bloch và các lớp hấp thụ PML.
Các điều kiện biên tuần hoàn có ích trong các hệ thống tuần
hoàn. Với các biên tuần hoàn, trong một ô có kích thước L, các thành
phần trường thỏa mãn f(x + L)= f(x) . Để mô phỏng các điều kiện
biên mở, ta cần các biên để hấp thụ tất cả các sóng hướng tới chúng
mà không có phản xạ. Điều này được thực hiện bởi các PML.
2.3. Phương pháp chế tạo vi cầu thủy tinh và FBG
2.3.1. Chế tạo vi cầu bằng phương pháp phóng điện hồ quang
Vi cầu silica và vi cầu silica pha tạp Er3+ đã được chúng tôi chế tạo bằng phương pháp phóng điện hồ quang trên đầu sợi quang viễn thông chuẩn và sợi quang pha tạp Er3+ theo quy trình:
- Tách vỏ ở đầu sợi quang một đoạn dài 1,0 cm.
- Ăn mòn hóa học đoạn đầu sợi 0,4 cm bằng dung dịch HF.
- Phóng điện hồ quang ở điểm đầu sợi quang đã được ăn mòn.
2.3.2. Chế tạo FBG sử dụng kỹ thuật quang khắc
Trong luận án này, chúng tôi chỉ trình bày phương pháp chế tạo
10
FBG bằng hệ giao thoa kế, đây chính là phương pháp mà chúng tôi
đã sử dụng để chế tạo FBG. Bước sóng của chùm tia UV chúng tôi sử dụng là UV = 248 nm và sợi quang có lõi SiO2 pha tạp nặng vật liệu nhạy quang GeO2 (14% đến 20%). Khi chiếu chùm UV vào một vị trí
nào đó của sợi quang, cấu trúc của GeO2 tại đó bị phá vỡ. Vùng nhận
cường độ UV lớn thì chiết suất tăng, vùng nhận cường độ UV nhỏ thì
xem như chiết suất được giữ nguyên, từ cơ sở đó ta được cấu trúc
Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG bằng hệ gương giao thoa
FBG. Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG được minh họa ở Hình 2.9.
2.4. Một số cấu hình thực nghiệm khảo sát phổ phát xạ laser
Phần này trình bày cấu hình khảo sát phổ phát xạ laser trên cơ sở kết cặp vi cầu silica pha tạp Er3+ với sợi quang vuốt nhọn một đầu hình chóp nón và cấu hình laser sợi của hệ cảm biến chất lỏng sử
dụng e-FBG.
2.5. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
Phần này trình bày ý nghĩa của phương pháp SEM và nguyên lý
hoạt động chung của các máy SEM.
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG MỘT SỐ
LINH KIỆN QUANG HỌC SỬ DỤNG CẤU TRÚC 2D-PhC
3.1. Vùng cấm quang cho bởi cấu trúc phiến 2D-PhC
Cấu trúc 2D-PhC dẫn sóng được chọn có mô hình như Hình 3.1:
mạng tam giác hằng số mạng a của các hố không khí bán kính r, độ
11
sâu h =220 nm được thiết kế trên nền điện môi Si độ dày d = 220 nm
chiết suất n1 = 3,48 đặt trên đế SiO2 chiết suất n2 = 1,44. Mô phỏng
PBG được thực hiện bằng phương pháp 3D-PWE, điều kiện biên
PML đặt ở trên và dưới phiến (song song với bề mặt cấu trúc), điều
kiện biên tuần hoàn Bloch được áp dụng theo các phương tuần hoàn
Hình 3.1. Cấu trúc phiến 2D-PhC mạng hình tam giác có hằng số mạng a của các hố không khí hình trụ tròn bán kính r, độ sâu h được thiết kế trên đế điện môi Si độ dày d = h = 220 nm
của cấu trúc, độ phân giải để thực hiện mô phỏng là 10 nm.
Hình 3.2. Cấu trúc PBG của phiến 2D-PhC với mode đối xứng
Trường hợp a = 400 nm, r = 100 nm, kết quả cho trên Hình 3.2.
Hình 3.2 cho chúng ta thấy tồn tại PBG hoàn toàn với mode đối
xứng và có bước sóng nằm trong vùng từ 1369 nm đến 1607 nm
/ 2
a
c
)
a
c
)
và 0, 2489(
. / 2
ứng với tần số chuẩn hóa 0, 2922(
Cấu trúc đã chọn có PBG chứa bước sóng 1470 nm và 1550 nm,
nghĩa là cấu trúc này có thể được sử dụng để chế tạo kênh dẫn sóng
12
với bước sóng 1470 nm và 1550 nm thỏa mãn mục tiêu đặt ra.
3.2. Dẫn sóng trong mặt phẳng sử dụng cấu trúc phiến 2D-PhC
Sử dụng cấu trúc phiến 2D-PhC Hình 3.1 với các tham số được
chọn: a = 400 nm, h = d = 220 nm, r = 100 nm. Điều kiện biên PML
đã được sử dụng và đặt ở xung quanh cấu trúc, độ phân giải thực
hiện mô phỏng là 10 nm. Nguồn được đặt ở đầu vào kênh dẫn và sau
lớp PML, bộ thu đặt bao quanh cấu trúc và nằm trong lớp PML. 3.2.1. Kênh dẫn sóng W1 và sự phân bố trường trong kênh dẫn
Kênh dẫn sóng W1 được tạo ra bằng việc lấp đầy một hàng hố
không khí của cấu trúc đã cho trên Hình 3.1. Để mở rộng dải dẫn
[132], chúng tôi giảm bán kính của hai hàng hố không khí lân cận
Hình 3.7. Giản đồ tán sắc và phân bố điện trường của thành phần Ey trong kênh dẫn ở bước sóng = 1550 nm
với kênh dẫn sóng W1 từ giá trị r = 100 nm về giá trị r1 = 95 nm.
Bằng phương pháp 3D-PWE, chúng tôi nhận được giản đồ tán
sắc, sự phân bố điện trường thành phần Ey trong cấu trúc ở
= 1550 nm như trên Hình 3.7. Các kết quả mô phỏng cho thấy cấu
trúc 2D-PhC đã chọn dẫn sóng tốt với = 1550 nm qua cấu trúc.
3.2.2. Kênh dẫn sóng khe và sự phân bố điện trường trong kênh
Mô hình cấu trúc 2D-PhC dẫn sóng được cho trên Hình 3.8.
Giản đồ tán sắc, sự phân bố điện trường trong cấu trúc tương
ứng với các bước sóng = 1470 nm, = 1550 nm và phân bố chiết
suất của cấu trúc được chúng tôi thực hiện mô phỏng bằng phương
13
pháp 3D-PWE. Kết quả mô phỏng cho trường hợp w = 165 nm,
W = 1,18 W1 và w = 125 nm, W = 1,25 W1 được trình bày trên Hình
3.9 và Hình 3.10 tương ứng. Kết quả cho thấy 2D-PhC với các tham
Hình 3.8. Cấu trúc 2D-PhC dẫn sóng khe mạng hình tam giác
Hình 3.9. Giản đồ tán sắc, sự phân bố điện trường của thành phần Ey trong kênh dẫn ở bước sóng = 1470 nm và phân bố chiết suất của cấu trúc
Hình 3.10. Giản đồ tán sắc, sự phân bố điện trường của thành phần Ey trong kênh dẫn ở bước sóng = 1550 nm và phân bố chiết suất của cấu trúc
số đã chọn có khả năng dẫn sóng tốt với = 1470 nm và 1550 nm.
3.3. Bộ lọc sóng quang học dựa trên hiệu ứng GMR
Để kiểm tra và đánh giá tính chọn lọc bước sóng của cấu trúc
phiến 2D-PhC, chúng tôi thực hiện việc nghiên cứu, tính toán và mô
14
phỏng các bộ lọc sóng quang học sử dụng phiến 2D-PhC trên cơ sở
hiệu ứng GMR. Các tham số đặc trưng cho bộ lọc như bước sóng cộng hưởng 0, hệ số phẩm chất Q,… được xác định gián tiếp thông qua việc sử dụng biểu thức (1.1) đặc trưng của phổ Fano. Các kết
quả mô phỏng phổ GMR, phân bố trường cho bởi cấu trúc mạng đơn
và hai kiểu cấu trúc mạng kép được chúng tôi trình bày một cách chi
tiết trong phần này.
CHƯƠNG 4. PHÁT XẠ LASER CỦA VI CẦU TRÊN NỀN SILICA PHA TẠP Er3+, LINH KIỆN QUANG TỬ VÀ HƯỚNG ỨNG DỤNG
4.1. Kết quả chế tạo vi cầu silica pha tạp Er3+
Hình 4.3. Ảnh SEM của vi cầu thủy tinh silica pha tạp Er3+
Hình 4.3 hiển thị ảnh SEM của một số vi cầu silica pha tạp Er3+
Hình 4.12. Phổ phát xạ mode WGM từ vi cầu silica pha tạp Er3+: khoảng cách kết cặp 1,5 0,1 m theo cấu hình CW
do chúng tôi chế tạo bằng phương pháp phóng điện hồ quang. 4.2. Phổ phát xạ của laser vi cầu silica pha tạp Er3+
15
Hình 4.13. Phổ phát xạ mode WGM từ vi cầu silica pha tạp Er3+: khoảng cách kết cặp 1,5 0,1 m theo cấu hình CCW
Hình 4.14. Phổ phát xạ mode WGM phụ thuộc vào khoảng cách kết cặp theo cấu hình CW
Phổ của laser vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính 29,7 m
thu được từ thực nghiệm ứng với một số khoảng cách kết cặp khác
nhau theo hai cấu hình CW và CCW được cho trên Hình 4.12-4.14. 4.3. Mô phỏng mode WGM của vi cầu silica 4.3.1. Mode WGM của vi cầu kích thước 38,5 m
Phần này trình bày một số kết quả mô phỏng mode WGM của vi
cầu silica đường kính 38,5 m theo mặt phẳng xích đạo của vi cầu.
4.3.2. Mode WGM của vi cầu kích thước 29,7 m
Hình 4.16 hiển thị một số kết quả mô phỏng mode WGM của vi
cầu silica đường kính 29,7 m theo mặt phẳng xích đạo của vi cầu.
16
Hình 4.16. Phổ phản xạ trên bề mặt vi cầu (a), phân bố độ lớn điện trường của mode WGM tại = 1551,53 nm với mode TM (b), phân bố trường với thành phần EZ tại = 1551,53 nm với mode TM (c) và thành phần HZ tại = 1550,82 nm với mode TE (d)
4.3.3. Tính toán các bộ số mode lượng tử bằng phương pháp số
Bảng 4.1 trình bày các kết quả về các bộ giá trị (l, n) đặc trưng
cho các mode WGM phân bố trên mặt phẳng xích đạo của hai vi cầu
silica được tính bằng phương pháp số bởi các biểu thức gần đúng từ
Bảng 4.1. Các bộ tham số (l, n) tính theo hai phương pháp
Phương pháp số
Phân cực
Bước sóng cộng hưởng (nm)
Mô phỏng FDTD
Đường kính vi cầu (m)
38,5
TM
1550,74
(80, 6)
38,5
TE
1549,01
(85, 5)
29,7
TM
1551,53
(64, 4)
29,7
TE
1550,82
(66, 4)
(104, 1), (98, 2), (92, 3) (88, 4), (84, 5), (80, 6) (105, 1), (99, 2), (93, 3) (88, 4), (84, 5), (80, 6) (79, 1), (73, 2), (68, 3) (64, 4), (61, 5) (80, 1), (74, 2), (69, 3) (65, 4), (61,5)
(1.40) đến (1.44) [87] và phương pháp mô phỏng 3D-FDTD.
17
Bảng 4.1 cho thấy có sự phù hợp tốt giữa một trong các bộ giá
trị lượng tử (l, n) khi tính toán theo phương pháp số với bộ giá trị (l,
n) xác định được bằng phương pháp mô phỏng 3D-FDTD.
4.4. Linh kiện quang tử tích hợp vi cầu và 2D-PhC dẫn sóng
Hình 4.17. Sơ đồ cấu trúc tích hợp vi cầu silica pha tạp Er3+ và hai kênh dẫn sóng PhC dạng khe trên nền tảng SOI
4.4.1. Đề xuất thiết kế
Cấu trúc tích hợp gồm hai kênh dẫn sóng PhC kết cặp với vi cầu
đường kính 29,7 m được thể hiện ở Hình 4.17. Phiến 2D-PhC dẫn
sóng là một mạng tam giác của các hố hình trụ không khí có hằng số
mạng a = 400 nm, bán kính r = 100 nm, độ sâu h =220 nm được thiết
kế trên nền điện môi Si độ dày d = 220 nm chiết suất n1 = 3,48 và
được đặt trên đế SiO2 chiết suất n2 = 1,44. Độ rộng kênh và khe
không khí của kênh dẫn sóng vào và kênh dẫn sóng ra lần lượt là
W = 1,18 W1, w = 165 nm và W’ = 1,25 W1, w’ = 125 nm.
Để duy trì các mode WGM trong vi cầu silica pha tạp Er3+,
chúng tôi đưa vào một vòng không khí bao bọc quanh đường xích
đạo của vi cầu theo bề mặt cấu trúc, độ rộng được chọn tối ưu với giá
trị 0,9 m. Sơ đồ cấu trúc đề xuất được cho trên Hình 4.17.
Thực hiện mô phỏng bằng phương pháp 3D-PWE, chúng tôi
nhận được giản đồ tán sắc và sự phân bố điện trường phân cực mode
TE theo thành phần Ey trong hai kênh dẫn vào và ra ở các bước sóng
18
1470 nm và 1550,84 nm tương ứng như trình bày trên Hình 4.18. Kết
quả mô phỏng cho thấy cấu trúc 2D-PhC dẫn sóng với các tham số
đã chọn có khả năng dẫn được bước sóng 1470 nm theo kênh dẫn
Hình 4.18. Giản đồ tán sắc và sự phân bố điện trường thành phần Ey trong hai kênh ở = 1470 nm và = 1550,84 nm
sóng vào và 1550,84 nm theo kênh dẫn sóng ra.
Hình 4.19. 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) và phân bố trường (b,c)
4.4.2. Mô phỏng phổ đặc trưng của linh kiện quang tử tích hợp
19
Sử dụng phương pháp 3D-PWE và 3D-FDTD với các điều kiện
biên PML đặt ở xung quanh cấu trúc. Nguồn kích thích phát xạ mode
WGM là các lưỡng cực điện phân cực TE có bước sóng trong dải
1400 - 1600 nm đặt bên trong và ở gần bề mặt vi cầu, kích thước lưới
được chọn để mô phỏng là 10 nm; nguồn mode Bloch đặt ở kênh dẫn
sóng vào PhC dạng khe sau PML. Các kết quả mô phỏng được thể
hiện trên Hình 4.19. Kết quả cho thấy hệ tích hợp này có khả năng
ghép mode Bloch của kênh dẫn sóng với mode WGM của vi cầu.
4.5. Linh kiện cảm biến trên cơ sở FBG
4.5.1. Thiết bị cảm biến sử dụng hai FBG tích hợp trong cấu hình
laser vòng
Sơ đồ nguyên lý thiết bị cảm biến đo chiết suất chất lỏng chúng
tôi đã xây dựng được trình bày như trên Hình 4.20. Khi mode phát xạ
laser do re-FBG chọn lọc trùng với bước sóng phản xạ Bragg của e-
FBG đặt trong môi trường đo (re-B = e-B), cộng hưởng cực đại trong
buồng cộng hưởng vòng của laser sẽ xảy ra và tín hiệu quang-điện
Hình 4.20. Sơ đồ nguyên lý hệ cảm biến
thu được từ photodiode sẽ đạt giá trị cực đại.
4.5.2. Quy trình đo chiết suất dung dịch
- B1: Dựng đường chuẩn bước sóng B - nhiệt độ cho re-FBG.
20
- B2: Dựng đường chuẩn bước sóng B - chiết suất cho e-FBG
trên cơ sở sử dụng các dung dịch mẫu chuẩn.
- B3: Đặt đầu dò cảm biến e-FBG vào trong dung dịch cần xác
định chiết suất, thay đổi nhiệt độ áp đặt lên re-FBG, đo công suất
quang thu được từ photodiode rồi vẽ đường đặc trưng công suất
quang - nhiệt độ.
- B4: Xác định nhiệt độ áp đặt lên re-FBG tương ứng với giá trị
cực đại của công suất quang.
- B5: Dựa vào đường chuẩn bước sóng phản xạ - nhiệt độ đã xây
dựng cho re-FBG để xác định giá trị bước sóng phản xạ tương ứng
với nhiệt độ tìm được ở Bước 4.
- B6: Từ bước sóng phản xạ nhận được ở Bước 5, dựa vào
đường chuẩn bước sóng phản xạ - chiết suất đã xây dựng cho e-FBG
ta sẽ xác định được chiết suất dung dịch cần đo.
Hình 4.26. Sự dịch chuyển bước sóng Bragg của e-FBG theo nồng độ Ethanol và Methanol trong xăng RON 92
4.5.3. Một số kết quả thử nghiệm
Hình 4.26 hiển thị các kết quả thử nghiệm để phát hiện xăng
RON 92 pha trộn với Ethanol hoặc Methanol trong khoảng nồng độ
0% - 14% v/v. Độ nhạy của cảm biến đạt được 45 nm/RIU. Giới
hạn phát hiện của phép đo được tính bởi LOD = /QS [145] và giá trị
21
đạt được 1,5 x 10-4 RIU (S là độ nhạy của cảm biến, là bước sóng
Hình 4.27. Sự dịch chuyển bước sóng Bragg của e-FBG theo nồng độ Nitrat trong môi trường nước
của tín hiệu cảm biến và Q là hệ số phẩm chất của mode laser).
Hình 4.27 trình bày kết quả thử nghiệm phát hiện Nitrat trong
khoảng nồng độ 0 - 50 ppm. Giới hạn phát hiện của phép đo được
ước tính 4,5 ppm, giới hạn này gần với giá trị mà hệ cảm biến thu
được bằng máy đo phổ quang có độ phân giải cao [25].
KẾT LUẬN CHUNG
Một số điểm chính mà luận án đã đạt được:
1. Đã tính toán và mô phỏng được một số linh kiện quang học như
ống dẫn sóng, bộ lọc sóng quang học sử dụng cấu trúc phiến 2D-PhC
bằng phương pháp FDTD và PWE. 2. Chế tạo một số vi cầu silica pha tạp Er3+ kích thước 30 m
60 m bằng phương pháp phóng điện hồ quang. Thiết kế và xây
dựng thành công hệ thực nghiệm để khảo sát hiệu ứng phát xạ laser mode WGM của vi cầu silica pha tạp Er3+, đồng thời mô phỏng và
giải số các bộ số lượng tử đặc trưng cho các mode WGM đối với các
vi cầu đã chế tạo. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng thực hiện trên
hai vi cầu kích thước 38,5 m và 29,7 m cho thấy các vi cầu
này đều có khả năng phát xạ mode WGM vùng bước sóng thông tin
22
quang 1550 nm. 3. Cấu trúc tích hợp vi cầu silica pha tạp Er3+ kích thước 29,7 m
với 2D-PhC dẫn sóng hai kênh trên nền vật liệu SOI đã được thiết kế
và mô phỏng mode phát xạ WGM. Kết quả mô phỏng cho thấy cấu
trúc tích hợp với các tham số đã chọn có khả năng phát xạ laser
mode WGM vùng thông tin quang 1550 nm khi sử dụng nguồn
laser bơm đơn mode có 1470 nm.
4. Xây dựng thành công hệ cảm biến quang sợi trên cơ sở laser vòng
sợi kết hợp với hai phần tử FBG cho phép đo chiết suất một số dung
dịch mà không cần sử dụng máy đo phổ quang. Các kết quả đạt được
cho thấy triển vọng của việc sử dụng hệ cảm biến quang giá thành
thấp kiểu mới không dùng máy đo phổ quang cho nhiều lĩnh vực
khác nhau như nông nghiệp, chất lỏng công nghiệp, thực phẩm, y tế,
công nghiệp dược phẩm, kiểm soát môi trường, giám sát chất lượng
nước uống,…
NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Đã chế tạo thành công các vi cầu silica pha tạp Er3+ có kích
thước và chất lượng mong muốn và đã thu được phổ phát xạ laser mode WGM của các vi cầu silica pha tạp Er3+ bằng thực nghiệm.
- Đã mô phỏng và thiết kế thành công cấu trúc tích hợp vi cầu silica pha tạp Er3+ với 2D-PhC kênh dẫn dạng khe trên nền tảng SOI. - Đã thiết kế và xây dựng thành công hệ cảm biến quang sợi trên
cơ sở sử dụng hai phần tử FBG tích hợp trong cấu hình laser sợi
buồng cộng hưởng vòng cho phép đo chiết suất một số dung dịch mà
không cần sử dụng máy đo phổ quang.
23
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CÁC CÔNG BỐ ĐƯỢC SỬ DỤNG CHO LUẬN ÁN
in Er3+-doped
lasers integration towards
1. Van An Nguyen, Van Dai Pham, Thi Hong Cam Hoang, Huu Thang Le, Thu Trang Hoang, Quang Minh Ngo, Van Hoi Pham, A quantitative analysis of the whispering-gallery-mode lasers in Er3+- doped silica glass microspheres towards integration in SOI slotted photonic crystal waveguides, Opt. Comm., 2019, 440, 14-20. 2. Van An Nguyen, Quang Minh Ngo, and Khai Quang Le, Efficient Color Filters Based on Fano-Like Guided-Mode Resonances in Photonic Crystal Slabs, IEEE Photonics Journal, 2018, 10 (1), 2700208. 3. H Bui, T B Pham, V A Nguyen, V D Pham, T C Do, T V Nguyen, T H C Hoang, H T Le and V H Pham, Novel method of dual fiber Bragg gratings integrated in fiber ring laser for bio-chemical sensors, Meas. Sci. Technol., 2018, 29, 055105. 4. Nguyễn Văn Ân, Ngô Quang Minh, Nâng cao hệ số phẩm chất của bộ lọc phổ cộng hưởng Fano vùng khả kiến dựa trên sự giao thoa các mode dẫn sóng lệch pha trong phiến tinh thể quang tử 2D, Sci. Technol. Develop. Journal: Nat. Sci., 2018, 2 (4), 136-145. 5. Pham Van Hoi, Nguyen The Anh, Nguyen Thi Thu Trang, Le Huu Thang, Nguyen Van An, Enhancement of lasing emission in the metallic-coated microsphere cavity based on Er-doped silica glasses, Comm. in Phys., 2015, 25 (3), 195-201. 6. Van An Nguyen, Van Dai Pham, Thanh Binh Pham, Thu Trang Hoang, Thi Hong Cam Hoang, Quang Minh Ngo and Van Hoi Pham, Whispering-gallery-mode silica glass in SOI photonic crystal microspheres waveguides, Proc. of the 9th - IWAMSN2018, 2019, 269-275. 7. Nguyễn Văn Ân, Ngô Quang Minh, Phạm Văn Hội, Bộ lọc sóng quang học vùng khả kiến phẩm chất cao trên cơ sở giao thoa
24
của hai sóng lệch pha trong phiến tinh thể quang tử hai chiều, ICPA- 10, 2019, 121-126. 8. Nguyễn Văn Ân, Phạm Văn Đại, Hoàng Thị Hồng Cẩm, Phạm Thanh Bình, Ngô Quang Minh, Phạm Văn Hội, Nghiên cứu, chế tạo các hạt vi cầu định hướng kết hợp với cấu trúc tinh thể quang tử dẫn sóng 2D, CAEP V, 2018, 157-163. 9. Nguyễn Văn Ân, Ngô Quang Minh, Phạm Văn Hội, Nghiên cứu cộng hưởng dẫn sóng dạng Fano trong vùng ánh sáng đỏ sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều, ICPA-9, 2017, 215-218. 10. Phạm Thanh Bình, Phạm Văn Hội, Bùi Huy, Phùng Thị Hà, Nguyễn Văn Thịnh, Lê Hữu Thắng, Nguyễn Văn Ân, Ngô Quang Minh, Phạm Văn Đại, Thiết bị và phương pháp đo chiết suất của chất lỏng bằng đầu dò cách tử Bragg trong sợi quang được ăn mòn (E-FBG) tích hợp trong cấu hình laze cộng hưởng vòng, Sáng chế số: 20134, cấp theo QĐ số: 78881/QĐ-SHTT, ngày: 06/11/2018.
CÁC CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
1. Pham Van Hoi, Nguyen Thuy Van, Pham Van Dai, Bui Huy, Le Huu Thang, Nguyen Van An and Pham Thanh Binh, Wavelength Shift Measurement Method Without Spectrometer: The New Way for Environment Photonic Sensors, Comm. in Phys., 2018, 28 (2), 139. 2. Van An Nguyen, Thanh Binh Pham, Thi Ha Phung, Thuy Chi Do, Duc Binh Nguyen, Huy Bui, Quang Minh Ngo, and Van Hoi Pham, Spectral characterization of etched-Bragg Grating sensing probe integrated in fiber laser structure for determination of the low Nitrate concentration in water, ICPA-9, 2017, 414-418. 3. Thanh Binh Pham, Van Thinh Nguyen, Huy Bui, Van An Nguyen, Quang Minh Ngo, and Van Hoi Pham, High sensitivity etched-fiber Bragg grating sensor for determination of organic content mixtured in gasoline, Proc. of the ESASGD 2016, Session: Integrated Petroleum Engineering (IPE), 2016, 122-128.
