Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của đề tài "Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm" nhằm trình bày cơ sở lý thuyết mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn; Kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm dựa trên ăn mòn dị hướng ướt; Kênh dẫn sóng plasmonic lai; Kênh dẫn sóng plasmonic lai tùy biến.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THANH HƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM Ngành: Khoa học vật liệu Mã số: 9440122 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2022
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. CHU MẠNH HOÀNG TS. PHẠM ĐỨC THÀNH Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nghiên cứu và ứng dụng SPP trong kênh dẫn sóng plasmonic đã được nhiều nhóm nghiên cứu triển khai. Tùy thuộc vào hình dạng, kích thước và vật liệu tạo nên mà các kênh dẫn sóng có những đặc tính khác nhau và phạm vi ứng dụng cũng khác nhau. Các ứng dụng của kênh dẫn sóng có thể kể đến như: truyền dẫn ánh sáng ở kích thước nano, điều biến quang, cảm biến quang và các mạch quang tử cho xử lý thông tin tốc độ cao. Vì vậy, NCS lựa chọn đề tài: "Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm" để nghiên cứu và thực hiện. 2. Mục đích nghiên cứu - Đạt được thiết kế tối ưu kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm (wedge) với độ nhám bề mặt thấp dựa trên công nghệ vi cơ khối ướt. - Tăng cường khoảng cách truyền của kênh dẫn sóng dựa trên giao diện điện môi/kim loại và kim loại/kim loại được cải tiến. - Thiết kế thành công kênh dẫn sóng plasmonic lai cải thiện suy hao truyền trong khi diện tích mode truyền với kích thước nhỏ hơn nhiều bước sóng ánh sáng. - Phát triển thành công các kênh dẫn sóng lai tùy biến, nhằm ứng dụng trong các linh kiện và mạch quang tử đa chức năng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là kênh dẫn sóng plasmonic và giới hạn phạm vi nghiên cứu các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm và kênh dẫn sóng plasmonic lai 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu của luận án dựa trên khảo sát các kết quả nghiên cứu liên quan đến kênh dẫn sóng plasmonic, từ đó đề xuất ý tưởng nghiên cứu của luận án phù hợp với điều kiện công nghệ hiện tại ở Việt Nam. - Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng số, nghiên cứu đặc trưng của kênh dẫn sóng trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn. 1
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án đưa ra một số kết quả nghiên cứu về: giảm suy hao truyền do tán sắc bề mặt; lựa chọn kim loại và thiết kế cấu trúc giao diện dẫn sóng plasmon; đề xuất cấu trúc kênh dẫn sóng lai cải tiến tăng khả năng truyền dẫn suy hao thấp với kích thước mode truyền nhỏ và các kênh dẫn sóng lai tùy biến. - Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Luận án đã phát triển và cải thiện chiều dài truyền các kênh dẫn sóng đơn dựa trên công nghệ vi cơ khối ướt silíc đơn tinh thể. Công nghệ vi cơ khối ướt là khả thi và có thể sử dụng chế tạo các kênh dẫn sóng đơn cho ứng dụng trong các cảm biến quang. Các kênh dẫn sóng lai được phát triển có suy hao truyền thấp với diện tích mode truyền nhỏ và khả năng tùy biến trong dải rộng có tiềm năng trong phát triển các linh kiện quang đa chức năng như bộ điều biến cường độ, truyền thông tin quang tốc độ cao. 6. Tính mới của luận án Tính mới của luận án được thể hiện ở các kết quả sau đây: - Luận án đã đưa ra được cấu trúc tối ưu của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm đơn. - Luận án đã đưa ra được các cấu trúc giao diện điện môi/kim loại và kim loại/kim loại có khả năng tăng cường dẫn sóng plasmon bề mặt. - Luận án đã đưa ra được hướng khắc phục giảm suy hao truyền trong kênh dẫn sóng khi diện tích mode truyền với kích thước nhỏ hơn nhiều bước sóng ánh sáng. - Luận án đã đề xuất một số cấu trúc kênh dẫn sóng lai tùy biến. 7. Nội dung luận án Luận án có nội dung như sau: Mở đầu: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn Chương 3: Kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm dựa trên ăn mòn dị hướng ướt Chương 4: Kênh dẫn sóng plasmonic lai Chương 5: Kênh dẫn sóng plasmonic lai tùy biến Kết luận: Trình bày tóm lược những kết quả chính của luận án. 2
Các kết quả chính của luận án đã được công bố trong 14 công trình khoa học (trong đó có 04 bài báo đã được đăng trên tạp chí chuyên ngành quốc tế ISI, 01 bài báo được đăng trên tạp chí chuyên ngành trong nước, 08 báo cáo được đăng trên kỷ yếu các hội thảo trong nước và quốc tế và 01 Bằng sáng chế Giải pháp hữu ích). CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Nội dung của chương 1 tập trung vào một số vấn đề chính sau: - Cơ sở lý thuyết về polariton plasmon bề mặt, nguyên lý cơ bản và các phương pháp kích thích kết cặp polariton plasmon bề mặt được trình bày với mục đích cung cấp những hiểu biết về cơ chế lan truyền các polariton plasmon bề mặt trong kênh dẫn sóng plasmonic. - Phân loại kênh dẫn sóng plasmonic, trong đó tập trung vào những đặc điểm và ứng dụng của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm. Kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm có những ưu điểm như có thể đạt được kích thước kênh nhỏ hơn bước sóng và có nhiều ứng dụng như: tập trung năng lượng ánh sáng vào các vùng nhỏ cỡ vài nm (nanofocusing), bộ điều biến, tạo ra laze nano…Tuy nhiên, do tổn hao Ohmic trong kim loại, kênh dẫn sóng dạng nêm thường có chiều dài lan truyền tương đối ngắn. - Đánh giá sự phát triển gần đây của kênh dẫn sóng plasmonic. Trong đó, các nghiên cứu liên quan đến kênh dẫn sóng plasmonic lai đang được phát triển mạnh mẽ. Các kênh dẫn sóng lai khắc phục được những nhược điểm của các kênh dẫn sóng đơn và có nhiều ứng dụng trong các mạch quang tích hợp và vi hệ thống. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Chương 2 trình bày những cơ sở tính toán, xác định giá trị của các đặc trưng truyền của kênh dẫn sóng plasmonic. Để giải các phương trình sóng, tìm ra hằng số truyền và các thành phần trường của kênh dẫn sóng plasmonic với cấu trúc phức tạp, luận án đã sử 3
dụng phương pháp mô phỏng số, tính toán dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn trong COMSOL Multiphysics. Để làm cơ sở tính toán cho các đề xuất cấu trúc cải tiến, trong chương này chúng tôi cũng nghiên cứu về đặc trưng hoạt động của kênh dẫn sóng phụ thuộc vào chia lưới và chiều dày kim loại. Với cùng một thông số cấu trúc, sự suy giảm chiều dài lan truyền khi sử dụng vàng mạnh hơn gấp 2 lần khi sử dụng bạc, trong khi các đặc tính khác gần như giống nhau. Vì vậy, chúng tôi chọn bạc để tạo thành giao diện kim loại/điện môi cho các nghiên cứu về sau. Chương này có thể coi là cơ sở cho các tính toán và khảo sát đặc trưng và chế tạo kênh ở những chương sau. CHƯƠNG 3: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC DẠNG NÊM DỰA TRÊN ĂN MÒN DỊ HƯỚNG ƯỚT Trong chương này, chúng tôi đề xuất các kênh dẫn sóng dạng nêm SPP và khảo sát các đặc trưng truyền của chúng. Các kênh dẫn sóng dạng nêm SPP với bề mặt nhẵn ở mức nguyên tử có thể được chế tạo bằng cách nghiên cứu tính chất ăn mòn dị hướng ướt của si-líc đơn tinh thể trong dung dịch kali hydroxit (KOH). Bề mặt nhẵn đóng một vai trò quan trọng trong kênh dẫn sóng dạng nêm SPP, bề mặt tổn hao thấp ở bước sóng truyền thông quang được nghiên cứu bằng mô phỏng số. Chúng tôi cũng phân tích và so sánh các đặc tính lan truyền của kênh dẫn sóng dạng nêm SPP, từ đó đề xuất kênh dẫn sóng dạng nêm SPP với hoạt động tối ưu. Cụ thể, chúng tôi đề xuất hai cấu trúc kênh dạng nêm cải tiến: cấu trúc kênh sử dụng thêm giao diện lớp oxit mỏng/kim loại và cấu trúc kênh sử dụng thêm giao diện kim loại/kim loại (Au/Ag). 3.3. Các đặc trưng của kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm Các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm bao gồm một lớp kim loại được phủ trên bề mặt của kênh silíc dạng nêm, được đặt trong không khí hoặc trong một môi trường khác. Các góc nghiêng được đề xuất dựa trên tính chất ăn mòn dị hướng ướt trong công nghệ vi cơ khối ướt. 4
Các đặc trưng truyền của kênh được khảo sát theo các tham số: góc mặt bên (Hình 3.5), độ rộng bề mặt đỉnh (Hình 3.6), chiều cao kênh (Hình 3.7), chiết suất môi trường (Hình 3.8) 3.4.1. Tăng cường truyền sóng plasmon bằng giao diện lớp oxit mỏng/kim loại 3.4.1.1. Mô hình Hình 3.9: Sơ đồ hai cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic: (a) cấu trúc truyền thống và (b) dạng nêm cải tiến với lớp giao diện ôxít mỏng/kimloại 3.4.1.2. Khảo sát các đặc trưng của mô hình kênh tăng cường truyền sóng plasmon bằng giao diện lớp ôxít mỏng/kim loại Hình 3.11: Độ dài truyền của kênh sử dụng giao diện lớp ôxít mỏng/kim loại là hàm của tỉ số (t0/tm) với 3 độ dày tm = 75 nm, 100 nm và 125 nm. Chúng tôi khảo sát độ dài lan truyền của mode SPP của kênh dẫn sóng (LSPP) phụ thuộc vào tỷ lệ độ dày của lớp SiO2 (to) và kim loại (tm). Hình 3.11 cho thấy LSPP là một hàm của tỷ lệ độ dày to/tm. Kết quả khảo sát cho thấy khi tăng độ dày của lớp bảo vệ SiO2, chiều dài truyền của kênh dẫn sóng bị giảm mạnh. Khi to/tm tăng đến 5
1, LSPP giảm 8 lần. Trong nghiên cứu này, tm được cố định ở 75 nm, 100 nm và 125 nm. Trong trường hợp, tổng độ dày của lớp SiO2 và Ag là không đổi, LSPP là hàm của tỷ lệ độ dày to/(tm + to) với ba giá trị khác nhau của tổng độ dày tm + to = 100 nm, 150 nm và 200 nm cũng thể hiện trong hình 3.12. LSPP phụ thuộc mạnh vào to/(tm + to). Hình 3.13: So sánh các đặc trưng của kênh đề xuất với kênh dạng nêm đơn Au: (a) Chiều dài truyền phụ thuộc vào tm của nêm kim loại Ag đặt trong môi trường SiO2 và nêm kim loại Au đặt trong không khí, (b) Hệ số phẩm chất FoM của nêm kim loại Ag đặt trong môi trường SiO2 và nêm kim loại Au đặt trong không khí. Để so sánh hoạt động của kênh dẫn sóng được đề xuất với kênh dẫn sóng dạng nêm kim loại khác, chúng tôi đã nghiên cứu các đặc trưng truyền của kênh dẫn sóng. Đối với nêm Ag, hai lớp SiO2 mỏng được chọn để lắng đọng là 2 nm và 5 nm. Những giá trị độ dày này phù hợp với các công nghệ lắng đọng màng mỏng hiện tại. Kênh dẫn sóng dạng nêm Au được sử dụng để nghiên cứu vì nó trơ với môi trường và cũng có khả năng dẫn sóng SPP khá tốt. Rõ ràng là 6
nêm Ag được bao phủ bởi một lớp SiO2 màng mỏng có khả năng dẫn sóng SPP tốt hơn nhiều so với kênh nêm Au trong không khí. Ngay cả đối với nêm Ag đặt trong môi trường SiO2, LSPP của kênh dẫn sóng được đề xuất cũng lớn hơn nhiều. Đối với lớp SiO2 mỏng 2 nm, LSPP của kênh dẫn sóng được đề xuất lớn hơn 8 lần so với nêm Au được đặt trong không khí, Hình 3.13 (a). Mặc dù kênh nêm Ag được nhúng trong môi trường SiO2 có LSPP thấp hơn nhiều so với nêm Ag được bao phủ bởi một lớp SiO2 mỏng (Hình 3.13a), nhưng giá trị FoM của nó cũng lớn hơn 2 lần so với nêm kim loại Au đặt trong môi trường không khí (Hình 3.13b). Do đó, bằng cách sử dụng nêm Ag được bao phủ bởi lớp ôxít mỏng bảo vệ, chúng tôi cũng thu được chiều dài truyền lớn gấp 2 lần so với sử dụng kênh dẫn sóng SPP dạng nêm dùng kim loại khác như Au. 3.4.2. Tăng cường truyền sóng plasmon bằng giao diện kim loại/kim loại 3.4.2.1. Mô hình Hình 3.14: Sơ đồ cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm cải tiến với lớp giao diện kim loại/kimloại 3.4.2.2. Khảo sát các đặc trưng của mô hình kênh tăng cường truyền sóng plasmon bằng giao diện lớp kim loại/kim loại So với các kênh dẫn sóng nêm được làm bằng Au, các nêm Ag có khả năng dẫn sóng SPP tốt hơn. Trong phạm vi khảo sát ứng với độ dày các lớp kim loại thay đổi từ 50 nm đến 250 nm, chiều cao kênh điện môi hDW = 0,5 m và 1 m, có thể thấy tỷ lệ chiều dài chiều của kênh nêm Ag/kênh nêm Au lớn hơn 4 lần (Hình 3.15). 7
Hình 3.15: Sự phụ thuộc của tỷ lệ độ dài truyền giữa các nêm Au/Ag vào độ dày của các lớp kim loại tương ứng, tAu và tAg, trong trường hợp chiều cao của kênh điện môi, hDW = 0,5 m và 1 m. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 Một số kết luận chính đạt được trong chương này gồm có: - Đã đề xuất các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm được nghiên cứu từ đặc tính ăn mòn ướt dị hướng của silíc đơn tinh thể. - Kênh dẫn sóng SPP dạng nêm với góc mặt bên α = 54,74° thể hiện hệ số phẩm chất FoM gần với giá trị tối ưu. - Các kênh dẫn sóng plasmonic dạng nêm được đặt trong môi trường điện môi chiết suất thấp cho thấy hiệu suất tốt hơn. - Khi lắng đọng một lớp oxit hoặc lớp kim loại mỏng có khả năng trơ về mặt hóa học lên một lớp kim loại có khả năng dẫn sóng plasmon tốt như Ag, nhưng dễ bị oxy hóa bởi môi trường, chúng ta có thể tạo ra kênh dẫn sóng plasmonic với đặc trưng truyền tốt hơn các kênh dẫn sóng plasmonic được tạo từ kim loại có khả năng trơ về hóa học, nhưng có tính chất dẫn sóng plasmonic kém hơn. . CHƯƠNG 4: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI Trong chương này, chúng tôi đề xuất các kênh dẫn sóng polariton plasmon bề mặt khe hẹp lai (HGSPPW) có những ưu điểm như suy hao lan truyền thấp và khả năng giam hãm mode truyền cao. 8
Chúng tôi đề xuất hai loại kênh HGSPPW. Loại thứ nhất bao gồm một nêm kim loại hình chữ nhật kết hợp với kênh dẫn sóng điện môi có chiết suất cao hình chữ nhật (Hình 4.1 a và c). Loại thứ hai bao gồm một nêm kim loại hình nón kết hợp với kênh dẫn sóng điện môi có chiết suất cao hình chữ nhật (Hình 4.1 b và d). Các nêm kim loại được chế tạo trên giá đỡ điện môi được tách ra khỏi kênh dẫn sóng điện môi bằng một khe hẹp không khí g. Chúng tôi cũng nghiên cứu về dung sai chế tạo kênh lai như: Sai lệch giữa nêm kim loại và kênh điện môi; Độ xoay của nêm kim loại; Độ tròn góc đỉnh của nêm kim loại; Nhiễu chéo gây ra bởi các thành phần điện môi kết cặp với kênh điện môi. 4.1. Cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai Hình 4.1: Sơ đồ hai loại HGSPPW tùy biến với hình chữ nhật (a, c) và với cặp nêm kim loại hình nón (b, d) kết hợp với kênh dẫn sóng điện môi RDW 9
4.2. Các đặc trưng của kênh HGSPPW-RMW-RDW Hình 4.3: Các đặc trưng LHGP, Aeff /A0, và FOM của HGSPPW-RMW- RDW là một hàm của khoảng cách, g, và độ dày của RMW, tm: (a - c) phụ thuộc vào g cho ba giá trị độ dày khác nhau của RMW, lần lượt là tm = 10, 12 và 15 nm; (d - f) là độ dày của RMW, tm , sự phụ thuộc vào ba khe khác nhau tương ứng với g = 2,5 và 10 nm Hình 4.4: Các tính chất quang học của mode HGP của HGSPPW- RMW-RDW là một hàm của kích thước mặt cắt ngang của DW, Hw (Ww ): (a) phần thực chỉ số mode hiệu dụng, Neff , (b) chiều dài, LHGP, (c) diện tích mode chuẩn hóa, A eff /A0 và (d) FoM. 10
Khi tm tăng, diện tích mode tăng trong khi chiều dài dẫn truyền giảm đơn điệu như trong Hình 4.3 (d và e). Sự biến đổi như vậy của Aeff và LHGP dẫn đến sự suy giảm đơn điệu của FoM, Hình 4.3 (f). Khi tm = 10 nm và g = 2 nm, LHGP có thể đạt được 1 mm, trong khi Aeff nhỏ bằng 2 /(4x105 ) và FoM có thể đạt được giá trị rất cao là 1.6x105. Do đó, tổn hao dẫn truyền thấp và giới hạn trường trong vùng khe hẹp với diện tích mode truyền nhỏ hơn nhiều bước sóng ánh sáng có thể đạt được đồng thời ở các giá trị tm nhỏ. Bên cạnh đó, suy hao truyền có thể được hạn chế bằng cách giảm tm trong khi thiết kế các khe hẹp lớn hơn (như quan sát thấy trong Hình 4.3 (a) và (d)). Chúng tôi nghiên cứu sự phụ thuộc của các đặc trưng truyền vào kích thước mặt cắt ngang của DW. Ở đây, chúng tôi xem xét hai trường hợp. Trường hợp đầu tiên là sự phụ thuộc của các đặc trưng truyền vào chiều cao Hw khi chiều rộng cố định ở Ww = 0,7 m của DW. Trường hợp ngược lại khi chiều cao Hw cố định ở 0,7 m và chiều rộng Ww thay đổi. Khi chiều cao hoặc chiều rộng của DW giảm, năng lượng trường điện từ tập trung mạnh hơn vào khe hẹp điện môi. Điều này có nghĩa là khi kích thước của DW giảm, HGSPPW-RMW-RDW ưu tiên mode HGP, giống như trường hợp giảm g như đã thảo luận ở trên. 4.3. Các đặc trưng của kênh HGSPPW-TMW-RDW Hình 4.5 (a và b) trình bày các profile điện trường tương ứng với ba góc nêm dọc theo trục x và y. Biên độ trường có sự thay đổi không đơn điệu với E. Như đã thấy trong hình 4.5(b), biên độ của điện trường bên trong khe hẹp điện môi giảm với E, đạt đến một giá trị tối thiểu vào khoảng 50o sau đó tăng ở một góc lớn hơn. Để đồng thời đạt được suy hao truyền thấp và diện tích mode nhỏ, góc đỉnh của nêm kim loại cần phải được chọn càng nhỏ càng tốt. Xu hướng biến đổi của chiều dài dẫn truyền LHGP , diện tích mode hiệu dụng Aeff , chiều rộng ở nửa cực đại (FWHM), FoM được nghiên cứu như là một hàm của E, Hình 4.5 (c và d). Ở đây, FWHM được tính cho profile điện trường dọc theo trục y cho thấy sự mở rộng của điện trường dọc theo trục y khi giá trị E ngày càng lớn. Những kết quả này cho thấy HGSPPW-TMW-RDW có suy hao truyền thấp khi E nhỏ. Đặc biệt, khi E  40o, HGSPPW-TMW-RDW duy trì đồng thời cả tổn hao dẫn truyền cực thấp (LHGP = 2mm) và diện tích 11
mode nhỏ hơn rất nhiều bước sóng ánh sáng (Aeff /A0 = 3.3x10 -4), và FoM cũng đạt được một giá trị siêu cao lên đến 1,3x105. Bản chất vật lý của suy hao truyền thấp là sự suy giảm tổn hao ohmic do diện tích tiếp xúc giảm giữa nêm kim loại và DW khi E nhỏ hơn. Hình 4.5: Các profile điện trường của HGSPPW-TMW-RDW tương ứng với trục x (a) và trục y (b). Hình nhỏ trong (b) cho thấy biên độ điện trường cực đại là một hàm của E. (c) và (d) là LHGP, Aeff/A0, FOM, và FWHM là một hàm của E. 4.4. Ảnh hưởng của dung sai chế tạo Dung sai chế tạo đầu tiên được xem xét là sai lệch vị trí, y, giữa nêm kim loại và mặt phẳng trung tâm của DW. Các kết quả nghiên cứu xác nhận rằng các HGSPPW được đề xuất có dung sai chế tạo rất tốt đối với sự sai lệch giữa nêm kim loại và DW. Dung sai chế tạo thứ hai có thể ảnh hưởng đến các đặc trưng truyền là góc xoay, φ, của nêm kim loại so với vị trí ban đầu của nó. Ở đây, khoảng cách điện môi luôn được giữ ở mức 5 nm. Các sai số của Neff , Aeff và LHGP được khảo sát theo góc xoay φ. Trong phạm vi 12
góc xoay với sai số từ 0o - 10o, chỉ số mode hiệu dụng gần như không bị ảnh hưởng, ngược lại diện tích mode Aeff tăng trong khi độ dài truyền giảm, LHGP giảm với φ tăng. Ở góc xoay 10o, sai số của Aeff và LHGP lần lượt là 20% và -20%. Kết quả này chứng tỏ rằng suy hao mode tăng theo góc xoay và nó không đáng kể ở sai số lớn của góc xoay. Các sai số của Neff , LHGP và Aeff đã được khảo sát theo hàm của bán kính tròn của góc ở đỉnh của nêm kim loại, Rw cho khoảng cách g = 5 nm. Kết quả chỉ ra rằng Neff và LHGP giảm đơn điệu với Rw trong khi Aeff tăng với Rw. Giá trị sai số của Aeff tăng nhanh hơn với Rw so với Neff và LHGP. Các sai số lớn của Rw dẫn đến sự thay đổi mạnh các đặc trưng truyền của kênh dẫn sóng. Chúng tôi cũng nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu chéo gây ra bởi các thành phần điện môi kết cặp với kênh dẫn sóng điện môi. Từ các kết quả nghiên cứu, có thể rút ra một quy tắc thiết kế chung cho các kênh dẫn sóng plasmonic lai. Các vật liệu điện môi phụ trợ nên được lựa chọn là loại vật liệu có chiết suất thấp, giao diện tiếp xúc giữa điện môi phụ trợ và DW nên được thiết kế với một khoảng cách đủ lớn và khu vực tiếp xúc nên càng nhỏ càng tốt. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 Chúng tôi đã đề xuất và nghiên cứu các kênh dẫn sóng SPP lai với suy hao truyền thấp bằng cách làm giảm suy hao ohmic trong kênh dẫn sóng, đồng thời suy hao truyền do tán xạ bề mặt được khắc phục bằng cách sử dụng kênh dẫn sóng điện môi dựa trên ăn mòn dị hướng ướt. Bằng cách chọn các tham số thiết kế một cách thích hợp, chúng ta có thể đạt độ dài truyền dẫn của HGSPPWs ở tỷ lệ centimet bằng cách sử dụng mode truyền được hình thành bởi sự kết cặp giữa các plasmon bề mặt và các mode quang điện môi, trong khi mode truyền được duy trì ở kích thước rất nhỏ so với bước sóng (2/105). Kết quả nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng do sai lệch về chế tạo, hiệu ứng kết cặp và chiều dài kết cặp thể hiện các kênh dẫn sóng được đề xuất có thể được chế tạo với sai số công nghệ hiện tại mà không ảnh hưởng đáng kể tới tính chất truyền đã được khảo sát lý thuyết. 13
CHƯƠNG 5: KÊNH DẪN SÓNG PLASMONIC LAI TÙY BIẾN Trong chương này, chúng tôi nghiên cứu các phương pháp điều khiển đặc trưng của kênh dẫn sóng lai. Trên cơ sở đó, chúng tôi đưa ra hai mô hình kênh dẫn sóng lai tùy biến: (1) Kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai tùy biến dựa trên chất lỏng; (2) Kênh dẫn sóng plasmonic tùy biến bằng cách nhiễu loạn sóng rìa. Một số kết quả khảo sát tùy biến các đặc trưng truyền sóng của hai mô hình kênh đề xuất như sau: 5.1. Các phương pháp điều khiển đặc trưng của kênh dẫn sóng plasmonic lai Hình 5.1: Minh họa ba cơ chế điều khiển của kênh dẫn sóng HGP dựa trên: (a) điều khiển chiết suất của môi trường khe điện môi, (c) điều khiển khe điện môi và (e) điều khiển chiết suất của kênh điện môi. (b), (d) và (f): phạm vi điều khiển các đặc trưng của kênh dẫn sóng HGP, LHGP (L) và Aeff (A), cho ba trường hợp được mô tả tương ứng trong (a), (c ) và (e). 14
Có ba phương pháp để điều khiển các đặc trưng của kênh dẫn sóng plasmonic lai, bao gồm điều khiển chiết suất của môi trường điện môi khe, kênh dẫn sóng điện môi hoặc khe hẹp điện môi. Chiết suất của môi trường khe điện môi và kênh dẫn sóng điện môi có thể được điều khiển bằng hiệu ứng quang nhiệt hoặc hiệu ứng quang điện, trong khi khoảng cách điện môi có thể được thay đổi bằng bộ truyền động điện cơ nano. Ưu điểm và nhược điểm của từng cơ chế điều khiển sẽ được phân tích trong phần này. 5.2. Kênh dẫn sóng plasmonic khe hẹp lai tùy biến dựa trên chất lỏng Ở đây chúng tôi đề xuất một loại kênh dẫn sóng plasmonic lai có thể điều khiển được dựa trên chất lỏng. Linh kiện này bao gồm một nêm kim loại được tách ra khỏi kênh dẫn sóng điện môi bằng một kênh nano không khí. Kết quả nghiên cứu về khả năng tùy biến của kênh dẫn sóng HGP được đề xuất được thể hiển trong Hình 5.2(b). Hình 5.2: Mô hình kênh dẫn sóng plasmonic lai có thể tùy biến dựa trên chất lỏng (a), và (b) Khả năng tùy biến, L và A , phụ thuộc vào chiết suất của chất lỏng 15
Kết quả cho thấy độ dài dẫn truyền có thể được điều khiển lên tới 43% trong khi biến thiên của chiết suất và diện tích mode nhỏ hơn 3 lần. Do đó, kênh dẫn sóng HGP điều khiển dựa trên chất lỏng hứa hẹn sẽ phát triển các thành phần quang tử tích cực cho các mạch tích hợp quang tử mật độ cao và các vi hệ thống trên một chíp (lab- on-a-chip). 5.3. Tùy biến các đặc trưng của kênh dẫn sóng plasmonic lai bằng cách nhiễu loạn sóng rìa Hình 5.3: Mô hình hình học kênh dẫn sóng plasmonic lai: (a) hình ba chiều của kênh; (b) mặt cắt ngang kênh. αE là góc đỉnh của nêm kim loại. g là khoảng cách giữa nêm kim loại và kênh dẫn sóng điện môi. Hw và Ww là kích thước mặt cắt ngang của kênh dẫn sóng điện môi. te và we là kích thước mặt cắt ngang của điện cực điều biến chiết suất. ge là khoảng cách giữa điện cực và kênh dẫn sóng. Điện cực điều biến có thể được di chuyển cơ học dọc theo hướng x hoặc hướng y. Các chuyển vị trong trục x và y lần lượt là x và y. 16
Để điều khiển các đặc trưng truyền của kênh dẫn sóng plasmonic lai, chiết suất của kênh dẫn sóng điện môi có chiết suất cao được điều khiển bằng cách làm nhiễu trường sóng rìa bởi điện cực điều biến chiết suất ở gần kênh dẫn sóng điện môi. . Chúng tôi cũng sẽ phân tích sự phụ thuộc của các đặc trưng vào các tham số hình học và các thay đổi vị trí của điện cực điều biến để thấy hiệu quả của phương pháp này. Điện cực có thể được dịch chuyển bằng các phương pháp truyền động như tĩnh điện, áp điện, hoặc lực quang. Trong số đó, sự dẫn động tĩnh điện rất được quan tâm do công suất hoạt động không đáng kể và khả năng tích hợp tương thích cao với các linh kiện quang học khác. Mode plasmon truyền trong kênh dẫn sóng plasmonic lai là mode plasmon khe hẹp được tạo ra bởi sự kết cặp giữa mode plasmon nêm kim loại và mode quang tử của kênh dẫn sóng điện môi. Do đó, bằng cách sử dụng một điện cực để làm nhiễu trường rìa của kênh dẫn sóng điện môi, chúng ta có thể kiểm soát các đặc trưng truyền của mode plasmon khe hẹp lai (HGP). 5.3.2. Tùy biến các đặc trưng truyền sóng Hình 5.6: Các đặc trưng của kênh dẫn sóng plasmonic lai, Neff , LHGP , Aeff /A0 và FoM , được khảo sát theo y 17
Sự phụ thuộc của các đặc trưng truyền sóng vào y, với we = 200, 400 và 800 nm, được thể hiện trong Hình 5.6 (a) và (d). Như đã thấy, Neff và LHGP tăng khi điện cực được di dời liền với kênh dẫn sóng điện môi (y giảm) trong diện tích mode Aeff (= 2,44 2 /105 ) là độc lập với y. Tại giá trị lớn của we , LHGP thay đổi mạnh theo  y và đạt một giá trị tiệm cận, Hình 5.6 (b). Trường hợp đặc biệt, khi điện cực điều biến với we = 800 nm được thay thế bởi y = 100 nm, phạm vi điều khiển của LHGP (L) có thể được điều biến lên đến 74%, từ 11,2 mm đến 19,6 mm. Hơn nữa, kết quả cho thấy phương pháp tùy biến cho kênh dẫn sóng plasmon lai với LHGP (ở tỷ lệ cm) hiệu quả trong khi duy trì kích thước mode truyền nhỏ hơn nhiều bước sóng ( 2/104 ). Hệ số phẩm chất FoM của linh kiện cũng đạt được giá trị rất cao, hơn 1,2x106, Hình 5.6(d), cao hơn hai bậc độ lớn so với báo cáo [38]. KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 Trong chương này, các cơ chế tùy biến cho kênh dẫn sóng plasmonic lai đã được nghiên cứu. Một kênh dẫn sóng lai có thể điều biến khoảng cách truyền cũng đã được đề xuất và khảo sát. Các kết quả đạt được trong chương này có thể được tóm tắt như sau: - Cơ chế tùy biến dựa trên thay đổi chiết suất của kênh điện môi thể hiện sự ưu việt hơn so với cơ chế thay đổi chiết suất môi trường khe hẹp điện môi và và khoảng cách khe hẹp. Khi sử dụng cơ chế này, chiều dài truyền sóng plasmon ở tỷ lệ cm có thể điều biến trong khi diện tích mode truyền được duy trì rất nhỏ (2 /105). - Đã đề xuất và minh họa thành công kênh dẫn sóng lai tùy biến dựa trên điều khiển chiết suất kênh dẫn sóng điện môi khi sử dụng phương pháp nhiễu loạn trường rìa. - Khả năng năng điều biến khoảng cách truyền có thể đạt tới hơn 80%, trong khi diện tích mode truyền không bị thay đổi trong quá trình điều biến (2,44 2/105). - Cơ chế điều khiển nhiễu loạn trường rìa kênh điện môi có thể thực hiện dựa trên chấp hành tĩnh điện có tốc độ tương đối nhanh, cỡ µs, trong khi công suất tiêu thụ rất thấp bởi hoạt động chấp hành dựa trên cơ chế chấp hành kiểu điện dung, không có dòng điện. 18