Nghiên cứu thiết kế và quy trình chế tạo chip chia công suất quang trên cơ sở vật liệu lai NaNô ASZ

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ






Nguyễn Tất Thành




NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ QUY TRÌNH
CHẾ TẠO CHIP CHIA CÔNG SUẤT QUANG TRÊN
CƠ SỞ VẬT LIỆU LAI NANÔ ASZ







LUẬN VĂN THẠC SĨ


Hà Nội, 2006

4
MỤC LỤC

Trang phụ bìa Trang
Lời cảm ơn
i
Lời cam đoan
ii
Mục lục
iii
Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt
v
Danh mục các bảng
vi
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
vii
MỞ ĐẦU
1
Chương 1 VẬT LÍ, VẬT LIỆU VÀ QUY TRÌNH CHẾ TẠO DẪN
SÓNG QUANG ………………

4
1.1. Dẫn sóng quang tấng
4
1.1.1. Điều kiện giam giữ ánh sáng
4
1.1.2. Điều kiện hình thành mode dẫn
6
1.2. Phương pháp lan truyền chùm tia BPM…
7
1.3. Vật liệu dẫn sóng quang ………… ………………………
10
1.3.1. Vật liệu Sợi Silica (SiO
2
)
13
1.3.2. Vật liệu Silica on Silicon (SOS)
13
1.3.3. Vật liệu Silicon on Insulator (SOI)
13
1.3.4. Vật liệu Silicon Oxynitride (SiON)
14
1.3.5. Vật liệu Indium Phosphide (InP)
14
1.3.6. Vật liệu Gallium Arsenide (GaAs)
14
1.3.7. Vật liệu Lithium Niobate (LiNbO
3
)
14

1.3.8. Vật liệu Polyme…………
15
1.3.9. Vật liệu Sol-Gel
16
1.4. Quy trình chế tạo vi cấu trúc dẫn sóng (3D)
16
1.5. Kết luận
17
Chương 2 TÍNH CHẤT VẬT LÍ CỦA VẬT LIỆU LAI ASZ
18
2.1. Thành phần vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ
18
2.2. Các tính chất vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ
19
2.2.1. Độ nhớt dung dịch vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ
19
2.2.2. Cấu trúc vi mô vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ
20
2.2.3. Phổ hấp thụ vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ
20
2.3. Tính chất vật lí của dẫn sóng tầng ASZ
21
2.3.1. Chế tạo dẫn sóng tầng từ vật liệu ASZ
21
2.3.2. Đo chiều dày và độ gồ ghề của màng ASZ
24
2.3.2.1.Thiết bị đo chiều dày màng và gồ ghề bề mặt
24
2.3.2.2. Đo chiều dày màng ASZ
24

5
2.3.2.3. Độ đồng đều chiều dày màng ASZ
25
2.3.2.4. Độ ghồ ghề màng ASZ
26
2.3.3. Đo tính chất quang màng vật liệu ASZ
26
2.3.3.1.Thiết bị đo Prism Coupler 2010
26
2.3.3.2. Đo chiết suất vật liệu ASZ
28
2.3.3.3. Đo tổn hao quang của dẫn sóng tầng ASZ……
31
2.3.3.4. Chiết suất vật liệu ASZ biến đổi theo nhiệt độ
33
2.3.3.5. Tính nhạy quang của vật liệu ASZ
35
2.4. Kết luận
38
Chương 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CHIP CHIA CÔNG SUẤT
QUANG ……

39
3.1. Nguyên lí hoạt động linh kiện chia quang 1xN
39
3.1.1. Dẫn sóng kênh thẳng
39
3.1.2. Điều kiện chia công suất quang

40
3.1.2. Tổn hao trong dẫn sóng chia công suất quang 1x2 (PS1x2)
40
3.2. Thiết kế linh kiện chia quang 1x2 và chế tạo mặt nạ (Mask)
41
3.3. Chế tạo chip chia quang 1x2
44
3.4. Đo các thông số chip chia quang 1x2
47
3.4.1. Hình thái bề mặt chip PS1x2
47
3.4.2. Hiệu suất truyền dẫn ánh sáng
48
3.4.3. Thảo luận kết quả
49
3.5. Kết luận
50
KẾT LUẬN ……………… ……………………………………
51
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
53
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………
54

6
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

n
1

Chiết suất màng dẫn sóng
n
0
Chiết suất lớp bao quanh màng dẫn sóng

Bước sóng ánh sáng lan truyền trong dẫn sóng tầng
k
Số sóng ánh sáng bước sóng  (k=2/)
β
Hằng số lan truyền ánh sáng theo phương ngang (oz)
κ
Hằng số lan truyền ánh sáng theo phương vuông góc (oy)
r
Hệ số phản xạ ánh sáng tại biên giữa lớp dẫn sóng (giữa) và vỏ

Độ lệch pha khi ánh sáng phản xạ tại biên giữa lớp dẫn sóng và vỏ



Góc nghiêng của chùm tia lan truyền

Góc đến chùm tia sáng từ lớp dẫn sóng đến lớp vỏ

Chiết suất tỉ đối của lớp giữa và lớp vỏ
M
Số mode của dẫn sóng tầng
H
Bước tính số mô phỏng trường ánh sáng lan truyền trong dẫn sóng tầng
m
i


Biên độ điện trường tại
xixx
i

và
zmzz
m


BPM
Phương pháp lan truyền tia sáng (Beam Propagation Method)
FFT
Phương pháp biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform)
FDM
Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method)

TBC
Điều kiện biên trong suốt (Transparent Boudary Condition)
ASZ
Viết tắt ba chữ cái đầu: Acrylic-Silica-Zirconia
n
Gía trị thay đổi chiết suất
dn/dT
Hệ số quang nhiệt
MCF
Hệ số chuyển đổi mode (Mode Conversion Factor)
R
Bán kính cong của dẫn sóng kênh
W
Độ rộng kênh dẫn sóng
h
Khoảng cách giữa hai kênh dẫn sóng song song












7
Danh mục các bảng

Bảng 1.1 Các thuộc tính chính của các loại vật liệu quang
11
Bảng 1.2. Ứng dụng chính cho mỗi loại vật liệu quang
12
Bảng 2.1. Chiết suất vật liệu lai hữu cơ-vô cơ cấu trúc nano ASZ
28
Bảng 2.2. Hệ số tổn hao quang của dẫn sóng tầng ASZ
32


Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1. Mô hình cấu trúc dẫn sóng tầng…………………………………
5
Hình 1.2. Phân bố chiết suất của dẫn sóng tầng…………………
5
Hình 1.3. Các tia sáng và các mặt pha trong dẫn sóng tầng……
6
Hình 1.4. Qui trình chế tạo mạch quang tích hợp…………………………
17
Hình 2.1. Độ nhớt vật liệu ASZ, ASZ(F) phụ thuộc vào thời gian lưu
20
Hình 2.2. Ảnh của vật liệu loại chế tạo từ TEOS nguyên chất…………….
20
Hình 2.3. Hạt nano zieconia trong vật liệu ASZ……………….…………
20
Hình 2.4. Phổ hấp thụ của vật liệu ASZ và AFSZ ………………………
21
Hình 2.5. Mô hình cấu trúc dẫn sóng tầng ASZ/SiO

2
………………………
21
Hình 2.6. Sơ đồ hệ thiết bị chế tạo dẫn sóng tầng …………………………
22
Hình 2.7. Hệ chế tạo dẫn sóng tầng Dip-Coating………… ……
22
Hình 2.8. Lò nhiệt Venticell 111, MMM Germany
22
Hình 2.9. Chế độ biến đổi nhiệt theo thời gian
23
Hình 2.10. Các dẫn sóng tầng ASZ
23
Hình 2.11. Hệ đo Alpha-Step IQ – Surface Profiler ………………………
24
Hình 2.12. Định vị vị trí đo trên mỗi mẫu
25
Hình 2.13. Biểu diễn 8 đường đo cho 8 mẫu khác nhau
25
Hình 2.14. Chiều dày màng tại tốc độ kéo-nhúng V=1.5 mm/s
25
Hình 2.15. Độ gồ ghề 8 mấu tại các vị trí khác nhau trên mỗi mẫu
26
Hình 2.16. Gồ ghề màng ASZF14/4/4
26
Hình 2.17. Hệ đo Prism Coupler 2010 (Metricon,US)
27
Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lí hệ đo Prism Coupler 2010
27
Hình 2.19. Chiết suất vật liệu ASZ tại bước sóng 632.8nm, phân cực TE

30
Hình 2.20. Chiết suất vật liệu ASZ tại bước sóng 632.8nm, phân cực TM
30
Hình 2.21. Chiết suất vật liệu ASZ tại bước sóng 1538 nm, phân cực TE…
30
Hình 2.22. Chiết suất vật liệu ASZ tại bước sóng 1538 nm, phân cực TM
31
Hình 2.23. Ánh sáng lan truyền trong dẫn sóng tầng ASZ
31
Hình 2.24. Cường độ ánh sáng lọt qua bề mặt dẫn sóng tầng ASZ dọc



8
theo phương truyền tại bước sóng 632.8 nm, phân cực TE
33
Hình 2.25. Cường độ ánh sáng lọt qua bề mặt dẫn sóng tầng ASZ dọc theo
phương truyền tại bước sóng 1538 nm, phân cực TE

33
Hình 2.26. Sơ đồ hệ đo Prism Coupler 2010 xác định hệ số quang nhiệt
34
Hình 2.27. Sự thay đổi chiết suất theo nhiệt độ của màng ASZ
34
Hình 2.28. Phổ MicroRaman của vật liệu ASZ pha DPA… …………
36
Hình 2.29. Phổ microraman của màng ASZ pha DPA (8%) ……………
37
Hình 2.30. Phổ microraman của màng ASZ pha DPA (30%) …………
37

Hình 2.31. Chiết suất màng ASZ phụ thuộc vào nồng độ chất khơi mào
quang DPA và HCPK………………………………………………

37
Hình 2.32. Sự thay đổi độ dày màng chế tạo từ vật liệu ASZ vàDPA………
37
Hình 3.1. Mô hình chip chia công suất quang 1x2
39
Hình 3.2. Ảnh thiết kế cấu trúc 2D linh kiện chia quang 1x2
42
Hình 3.3. Hình ảnh phân bố chiết suất của chip chia công suất 1x2
42
Hình 3.4. Cường độ ánh sáng tại các đầu vào ra của chip
43
Hình 3.5. Trường ánh sáng 3D lan truyền trong chip chia công suất 1x2
44
Hình 3.6. Mặt nạ của chip chia công suất quang 1x2 trên file Autocad…
44
Hình 3.7. Mặt nạ của chip chia công suất quang 1x2
44
Hình 3.8. Qui trình chế tạo chip chia công suất quang 1x2
45
Hình 3.9. Sơ đồ hệ chiếu UV tạo cấu trúc dẫn sóng……………… ………
45
Hình 3.10. Ảnh hệ chiếu UV tạo cấu trúc chip chia quang
46
Hình 3.11. Phổ quang của đèn Thuỷ ngân Xenon…………………………
46
Hình 3.12. Chu trình xử lí nhiệt cho chip sau khi tạo cấu trúc……………
46

Hình 3.13. Mẫu chip chia công suất 1x2…………………………
47
Hình 3.14. Cấu trúc chip phân chia công suất 1x2
47
Hình 3.15. Tăng chiều dày kênh dẫn sóng
47
Hình 3.16. Sơ đồ nguyên lí đo thông số hoạt động của chip PS1x2
48
Hình 3.17. Hệ đo công suất ánh sáng đầu vào/ra
49
Hình 3.18. Tín hiệu công suất ánh sáng đầu vào/ra của chip PS1x2………
49












9
MỞ ĐẦU

Hiện nay cáp quang đã trở thành một trong các vật liệu chủ chốt của công
nghiệp thông tin hiện đại. Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế xã hội đã
đặt ra nhu cầu cấp thiết phải xây dựng công nghệ truyền thông mới có đặc trưng

truyền dẫn thông tin trên khoảng cách dài (hàng nghìn km hoặc xuyên lục địa),
với băng thông rộng và tốc độ cao (hàng chục giga byte), đa năng, kết hợp qui
mô lớn. Những thiết bị chủ chốt để tạo ra sự đột phá về tốc độ đường truyền cao
là bộ ghép và gộp - tách kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division
Multiplexing), bộ khuyếch đại hoàn toàn quang, bộ mạch quang tích hợp, bộ
chuyển mạch hoàn toàn quang (xử lí tín hiệu theo nguyên tắc quang - quang thay
cho nguyên tắc quang-điện) [26, 29, 34, 37, 50].
Linh kiện chia công suất quang 1xN (N = 2, 4, 8 16, 32,…) nằm trên tuyến
đường truyền hoặc tại thiết bị đầu cuối có vai trò phân luồng công suất quang từ
một kênh đường truyền sợi quang đến N kênh đường truyền quang khác. Cấu
trúc chip chia công suất quang 1xN (power splitter) là một phần tử cấu thành nên
trong các mạch quang tích hợp, trong bộ giao thoa kế Mach - Zehnder [16, 17,
30, 39]. Ngoài ra, linh kiện chia quang được sử dụng trong hệ thiết bị quang, hệ
thiết bị sensor sợi [21,23]. Hiện nay linh kiện chia công suất quang 1xN được chế
tạo chủ yếu sử dụng vật liệu Silica on Silicon đạt được chất lượng rất tốt và đã
được thương mại hóa [2, 29, 44]. Tuy nhiên giá thành công nghệ chế tạo linh
kiện quang từ vật liệu Silica on Silicon còn cao, đặc biệt trong một số vị trí trên
hệ thống đường truyền thông tin quang như đầu cuối, các trạm sử dụng, thì yêu
cầu về linh kiện chia công suất quang chất lượng cao không phải là yếu tố quan
trọng mà là các linh kiện có giá thành thấp. Sự phát triển mở rộng mạng quang
ngày càng lớn, đặc biệt trong hệ thống mạng quang được truyền dẫn đến từng hộ
gia đình (FTTH) cần số lượng các linh kiện quang lớn và giá thành hạ.
Hiện nay bên cạnh vật liệu sợi quang, vật liệu quang tử planar đang ngày
càng được quan tâm nghiên cứu. Vật liệu quang tử planar chế tạo được các cấu
trúc dẫn sóng quang tích hợp làm cơ sở cho các hệ điều hành trong công nghệ
thông tin tương lai. Trong lĩnh vực này, vật liệu vô cơ (như hợp kim bán dẫn,
thủy tinh hay gốm), vật liệu hữu cơ cao phân tử và vật liệu lai hữu cơ-vô cơ đều
đã và đang được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Phần
lớn các nghiên cứu về vật liệu vô cơ tập trung vào hệ vật liệu bán dẫn trên cơ sở
silic và A

3
B
5
. Sau một thời gian dài nghiên cứu, công nghệ chế tạo vật liệu dẫn
sóng từ vật liệu oxit silic (SiO
2
) sử dụng oxit germani (GeO
2
) làm tác nhân điều
chỉnh đã được xây dựng. Bằng công nghệ quang khắc đã chế tạo thành công một
số loại linh kiện dẫn sóng làm cơ sở triển khai mạng thông tin thế hệ mới. Tuy
nhiên, hướng nghiên cứu dựa trên vật liệu bán dẫn như vậy phải xuất phát từ nền


10
tảng khoa học công nghệ tiên tiến và đòi hỏi có sự đầu tư lớn về cơ sở vật chất.
Trong những năm gần đây, xu hướng nghiên cứu về hệ vật liệu lai hữu cơ - vô cơ
đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu cả trong và ngoài
nước, do những ưu việt cả về công nghệ chế tạo vật liệu và linh kiện, cũng như
khả năng tương thích với công nghệ vi điện tử sẵn có, đặc biệt là khả năng ứng
dụng phát triển với đầu tư ban đầu thấp, gía thành sản phẩm hạ. Trong lĩnh vực
vật liệu lai thì vật liệu lai hữu cơ và vô cơ được chế tạo bằng phương pháp sol-
gel có ưu thế lớn và ngày càng được nhiều cơ sở nghiên cứu trên thế giới tập
trung nghiên cứu. Phương pháp hoá học keo sol-gel được đánh giá là một trong
những phương pháp quan trọng và đa năng trong việc tổng hợp các vật liệu mới
có chất lượng cao, được sử dụng trong công nghệ điện tử, vi điện tử và gần đây là
quang tử. Một điều rất đặc sắc của phương pháp này là có thể cho phép lắp ghép
các phần vật liệu hữu cơ với các phần vật liệu vô cơ có tính chất hoá lý rất khác
nhau ở mức độ trộn lẫn đến cỡ nanô mét thậm chí đến cả mức độ phân tử để thu
được một vật liệu mới, vật liệu lai có độ đồng nhất cao và tính chất mong muốn.

Một trong số các khả năng ứng dụng của vật liệu lai hữu cơ - vô cơ mà đang
thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học là ứng dụng làm vật liệu dẫn
sóng quang. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố cho thấy, những vật liệu
cao phân tử lai hữu cơ-vô cơ không những có nhiều tính chất lý thú mà còn là
những vật liệu có nhiều triển vọng cho việc chế tạo các linh kiện quang học như
bộ nối quang, bộ nối định hướng, bộ dồn kênh/phân kênh cách tử dẫn sóng
(AWG), bộ chuyển mạch, bộ lọc điều hướng, bộ làm suy yếu biến thiên (VOAs),
bộ khuyếch đại. Những linh kiện dẫn sóng quang trên sẽ là các thành phần chủ
chốt cho mạng truyền thông hiện đại dựa trên công nghệ gộp - tách sóng (WDM).
Việc tìm kiếm các công nghệ mới, nhằm chế tạo ra những vật liệu với mong
muốn giảm kích thước linh kiện, tăng mật độ, giảm giá thành. Chính các tiêu chí
chiến lược nêu trên đã thúc đẩy các nghiên cứu tìm kiếm vật liệu mới và công
nghệ chế tạo linh kiện mới cho hệ thống thông tin quang hiện nay.
Trong vài năm gần đây, một số cơ sở nghiên cứu lớn và trường đại học
trong nước đã bắt đầu tham gia vào hướng nghiên cứu nhiều triển vọng này.
Chính vì vậy đề tài nghiên cứu được lựa chọn cho luận văn là: Nghiên cứu
thiết kế và quy trình chế tạo chip chia công suất quang 1x2 từ vật liệu lai nanô
ASZ.
Mục tiêu nghiên cứu được đặt ra là thiết kế chip chia công suất quang 1xN
(N = 2, 4, 8), nhằm tối ưu cấu trúc của chip theo hệ vật liệu lai nanô ASZ và chế
tạo chip chia công suất quang 1x2 theo bản thiết kế và vật liệu lai nanô ASZ.
Thiết kế chip 1xN bằng phần mềm chuyên dụng OptiWave7.0, và phương pháp
chế tạo chip 1x2 là quang vi hình trực tiếp. Sử dụng các phương pháp nghiên cứu
các tính chất quang tử của vật liệu và chíp dẫn sóng quang trên cơ sở các thiết bị


11
hiện đại mới được trang bị tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về ―Vật
liệu và linh kiện điện tử‖.
Nội dung của luận văn là một phần nhánh của đề tài nhà nước KC.02.14,và

NCCB 801304 (2001-2005) thuộc chương trình nghiên cứu cơ bản (ngành Khoa
học Vật liệu).
Nội dung của luận văn được chia thành các chương như sau:
Chương 1: Trình bày tổng quan về vật lí, vật liệu và quy trình chế tạo dẫn
sóng quang phẳng.
Chương 2: Nghiên cứu các tính chất vật lí của vật liệu dẫn sóng nano ASZ .
Tiến hành đo các thông số chính vật liệu lai nano ASZ: chiết suất, hệ số tổn hao
quang của vật liệu.
Chương 3: Thiết kế chip chia công suất quang, triển khai thực nghiệm chế
tạo chip chia công suất quang và tiến hành đo đạc các thông số của chip.

12
Chương 1
VẬT LÍ, VẬT LIỆU VÀ QUY TRÌNH
CHẾ TẠO DẪN SÓNG QUANG PHẲNG

Trong chương này, chúng tôi trình bày tổng quan về: 1) Dẫn sóng quang
tầng và linh kiện chia quang 1xN, 2) Các phương pháp tính số dùng trong thiết
kế, mô phỏng lan truyền ánh sáng trong linh kiện quang, 3) Các loại vật liệu dẫn
sóng quang và kĩ thuật chế tạo dẫn sóng, 4) Vật lí các thông số của vật liệu dẫn
sóng quang và linh kiện chia quang. Những kiến thức cơ bản này làm cơ sở lí
luận liên quan trực tiếp đến nghiên cứu tính chất quang của vật liệu dẫn sóng
quang ở chương 2 và nghiên cứu chế tạo chip chia công suất quang 1x2 ở chương
3.
1.1. Dẫn sóng quang tầng
Dẫn sóng quang có chức năng điều khiển ánh sáng lan truyền, được phân
loại theo nhiều cách khác nhau như chia theo chức năng năng, chia theo cấu trúc
hình học, chia theo phương giam giữ ánh sáng. Tuy vậy, các dẫn sóng quang có
đặc điểm chung nhất là: giam giữ ánh sáng và lan truyền theo phương một
phương nhất định. Để mô tả hiện tượng vật lí ―giam giữ‖ và ―lan truyền‖ ánh
sáng trong dẫn sóng quang ta chọn dẫn sóng cơ bản là dẫn sóng tầng.
Hình 1.1 là cấu trúc dẫn sóng tầng, bao gồm một màng dẫn sóng (lõi) có
chiết suất n
1

và lớp vỏ chiết suất n
o
bao quanh. Các hệ số vật lí cơ bản trong dẫn
sóng quang tầng là: hằng số lan truyền và giam giữ ánh sáng, số mode dẫn, phân
bố năng lượng, tổn hao quang, tốc độ nhóm.
1.1.1. Điều kiện giam giữ ánh sáng
Trên hình 1.1 mô tả một chùm tia sáng bước sóng  từ một nguồn sáng (sợi
quang, laser hoặc led) nằm trong các mặt phẳng khác nhau tạo với pháp tuyến
của mặt lõi (trục Oz) các góc đến khác nhau. Có ba trường hợp xảy ra:
 Với các tia sáng nằm trong mặt phẳng xOz và tạo với trục Oz một góc 
thích hợp nhỏ hơn góc tới hạn 
max
(góc được tính theo công thức 1.3.a)
thì chúng lan truyền trong lõi.
 Với các tia sáng không nằm trong mặt phẳng xOz và có góc tới  nhỏ hơn
góc tới hạn 
max
thì chúng sẽ khúc xạ tại mặt đầu vào của lõi và lan truyền
trong màng dẫn sóng. Chùm tia khúc xạ này không được giam giữ theo
phương Ox nên chúng truyền thẳng theo phương Oy hoặc bị khúc xạ đi
vào vỏ.
 Với các tia sáng có góc tới  lớn hơn góc tới hạn 
max
thì chúng sẽ phản xạ
hoàn toàn mặt đầu vào của lõi.


13

Hình 1.1. Mô hình cấu trúc dẫn sóng tầng
Trong các dẫn sóng, chỉ quan tâm đến những chùm ánh sáng đồng thời
phản xạ toàn phần tại mặt phân cách lõi - vỏ và giam giữ theo một phương nhất
định, những chùm sáng như vậy thì có thể tạo ra mode dẫn sóng hay có thể trở
thành sóng sáng mang thông tin.
Sự phản xạ toàn phần tại mặt phân cách lõi - vỏ xảy ra khi các thông số
thoả mãn biểu thức:
01
)sin( nn 

(1.1)
Trong đó  góc tia sáng mặt biên hai môi trường,  = /2 - , với  là góc
nghiêng của chùm tia so với trục Oz. Góc  liên hệ với  (góc tới tia sáng tại đầu
vào lớp dẫn) theo biểu thức
2
0
2
11
sinsin nnn 

. Góc tới hạn (
max
) tại đầu
vào lớp dẫn để xảy ra phản xạ toàn phần tại mặt phân cách lõi - vỏ trong lõi dẫn:
·
2

0
2
1
1
sin
m
nn



(1.2)
Thông thường sự sai lệch về chiết suất giữa lõi và vỏ cỡ n
1
- n
0
= 0.01, do
vậy 
max
trong biểu thức (1.2) có thể tính gần đúng bằng
2
0
2
1max
nn 

(1.3)
1
2
0
2

1
max
n
nn 


(1.4)

max
là góc nhận ánh sáng cực đại của dẫn sóng, 
max
là góc nghiêng lớn nhất của
phương truyền ánh sáng với trục lan truyền ánh sáng (Oz).






Hình 1.2. Phân bố chiết suất của dẫn sóng tầng


Lâi
Vá


Đế n
0
Chùm tia
sáng tới

Chùm tia sáng ra

x
y
z
Lõi n
1
Vỏ n
0
0


14
Như vậy, điều kiện để chùm tia sáng giam giữ theo phương Ox và lan
truyền theo phương Oz trong dẫn sóng tầng là tia sáng đến phải nằm trong mặt
phẳng xOz và có góc đến nhỏ hơn góc nhận ánh sáng cực đại 
max
.
1.1.2. Điều kiện hình thành mode dẫn
Mode dẫn sóng là trường ánh sáng giữ nguyên tính phân cực và phân bố
ngang tại mọi vị trí dọc theo trục dẫn sóng [12]. Mode dẫn sóng đóng vai trò là
sóng mang thông tin trên đường sợi quang hoặc trong các linh kiện thụ động.
Hình 1.3 mô tả các mode tạo thành trong dẫn sóng tầng. Trong đó, mặt pha
của các sóng phẳng vuông góc với các tia sáng, bước sóng và số sóng của ánh
sáng trong lõi tương ứng là /n
1
và kn
1
(k=2/),  là bước sóng ánh sáng trong
chân không. Các hằng số truyền theo hướng z và x (hướng nằm ngang) cho bởi

biểu thức (1.5), (1.6):

cos
1
kn
(1.5)


sin
1
kn
(1.6)





Hình 1.3. Các tia sáng và các mặt pha trong dẫn sóng tầng

Hệ số phản xạ của ánh sáng phản xạ toàn phần phân cực vuông góc với mặt
phẳng tới (mặt phẳng do tia tới và tia phản xạ tạo nên) cho bởi biểu thức

[29]:
2
0
22
11
2
0
22

11
cossin
cossin
nnjn
nnjn
r





(1.7)
Đặt hệ số phản xạ phức
 
 jr exp
(với  là độ lệch pha khi ánh sáng phản
xạ tại biên giữa lõi và vỏ), thay vào (1.7) tính  bởi phương trình sau :
1
sin
2
tan2
sin
cos
tan2
2
1
1
2
0
2

2
1
1









n
nn
(1.8)
Trong đó
1
01
2
1
2
0
2
1
2
n
nn
n
nn 




là chiết suất tỉ đối giữa lõi và vỏ.
Khoảng cách giữa hai điểm P và Q:
Mặt pha
Tia sáng


15
)sin2
sin
1
(2cos)2
2
(
1




 aatg
tg
a
l
(1.9)
Khoảng cách giữa hai điểm R và S:

sin
2
2

a
l 
(1.10)
Tia sáng PQ truyền từ điểm P đến điểm Q không phản xạ, tia sáng RS
truyền từ điểm R đến điểm S phản xạ 2 lần (ở mặt trên và mặt dưới của lớp tiếp
giáp lõi - vỏ). Vì vậy các điểm P và R hay Q và S ở trên cùng một mặt pha, hiệu
quang trình PQ và RS sẽ bằng số nguyên lần 2 hay

 

2m lkn -2kn
1121
l
(1.11)
trong đó m là số nguyên. Đưa các phương trình (1.8) - (1.10) vào (1.11) ta nhận
được điều kiện cho góc truyền  là:
1
sin
2
2
sintan
2
1














m
akn
(1.12)
Phương trình (1.12) chứng tỏ rằng góc truyền của tia sáng là gián đoạn,
được xác định bằng cấu trúc dẫn sóng (bán kính lõi a, chiết suất n
1
, hiệu chiết
suất ) và bước sóng  của nguồn sáng (số sóng là k=2/). Ánh sáng lan truyền
trong dẫn sóng và thỏa mãn phương trình (1.12) được gọi là mode dẫn sóng
quang. Mode có góc  cực tiểu trong phương trình (1.12) (m=0) là mode cơ bản,
các mode khác có góc lớn hơn là các mode bậc cao (m1).
1.2. Phương pháp lan truyền chùm tia BPM
Phương pháp lan truyền chùm tia BPM (Beam Propagation Method) là kỹ
thuật hữu hiệu để nghiên cứu truyền sóng sáng tuyến tính và phi tuyến trong các
dẫn sóng thay đổi hướng trục, gồm các bộ ghép nối đường cong định hướng, các
dẫn sóng nhánh và tổ hợp, các dẫn sóng uốn khúc dạng S và các dẫn sóng dạng
côn [12,29].
Phương trình sóng vô hướng ba chiều (phương trình Helmholtz) là cơ sở
của BPM, được viết dưới dạng
 
0,,
22
2
2

2
2
2
2









Ezyxnk
z
E
y
E
x
E
(1.13)
Điện trường E(x,y,z) được tách thành hai phần dưới dạng:
     
zjknzyxzyxE
0
exp,,,, 

(1.14)

16
trong đó số hạng (x,y,z) và exp(-jkn
0
z) tương ứng là biến đổi chậm và biến đổi
nhanh theo hướng trục.
Thay (1.14) vào (1.13) thu được phương trình cho hàm (x,y,z):
 
02
2
0
22
0
2







nnk
z
knj
(1.15)
với
2
2
2
2
2

2
2
zyx 








(1.16)
Lấy gần đúng
 
 
0
2
0
2
2 nnnnn 
, phương trình (1.15) có thể viết lại như
sau:

 


2
0
22
0

2
1
nnjk
knjz



(1.17)
Trong (1.17) khi n = n
0
thì chỉ còn số hạng thứ nhất ở vế bên phải. Suy ra số
hạng thứ nhất vế bên phải của phương trình (1.17) biểu diễn sự truyền ánh sáng
trong không gian tự do ở môi trường có chiết suất n
0
và số hạng thứ hai mô tả
ảnh hưởng của vùng có chiết suất n(x,y,z). Cả hai số hạng này tác động đồng thời
lên sự truyền ánh sáng. Tuy nhiên, phương pháp BPM xem hai số hạng có thể
tách rời nhau và mỗi số hạng tác dụng lên sự truyền ánh sáng một cách riêng rẽ
trong một khoảng cách h hướng trục nhỏ. Qui trình cơ bản của phương pháp
BPM là tìm mối liên hệ giữa (x,z+h) với trường ban đầu (x,z) trên một khoảng
cách đường truyền nhỏ h. Sự truyền ánh sáng trong các loại dẫn sóng khác nhau
có thể tính được bằng cách lặp lại qui trình này nhiều lần.
Phương pháp BPM có hai dạng: dạng một dựa trên cơ sở biến đổi Fourier
nhanh (FFT) và dạng hai dựa trên phương pháp sai phân hữu hạn (FDM). Trong
luận văn này trình bày phương pháp BPM dựa trên biến đổi FDM[12,29].
Phương pháp tính FDM không liên quan đến định lý lấy mẫu nên nó có ưu thế
hơn phương pháp tính FFT.
Xét sự truyền sóng ánh sáng trong dẫn sóng tầng, giả sử
z
kn

z






0
2
2
2

khi đó phương trình 1.17 được viết lại:
   
 


2
0
2
0
2
2
0
,
2
,
2
1
nzxn

n
k
jzx
x
kn
j
z







(1.18)
Giả sử (1.18) được viết lại dưới dạng:
   


zxB
x
zxA
z
,,
2
2







(1.19)


17
Áp dụng phương pháp sai phân hữu FDM biến đổi hàm (x,z):
zz
m
i
m
i








1
(1.20)
Khi đó
 
   




















2
1
1
11
1
2
11
2
1
2
2
22
2
1
,
xx

A
x
yxA
m
i
m
i
m
i
m
i
m
i
m
i
m
i


(1.21)
 
 
m
i
m
i
m
i
BzxB





1
2
1
2
1
,
(1.22)
Trong đó x và z là các bước sóng tính theo các hướng x và z, ký hiệu i và m là
các điểm lấy mẫu dọc trục x và z tương ứng, số điểm chia theo trục x và z tương
ứng là N (i = 0,N) và M (m = 0,M). Khi đó số hạng
m
i

biểu diễn biên độ điện
trường tại
xixx
i

và
zmzz
m

. So sánh các phương trình (1.18) và
(1.19) thu được:
0
2
1

kn
jA 
(1.23)
   
 
2
0
2
0
,
2
1
, nyxn
n
jyxB 

(1.24)
Thay các phương trình (1.20) - (1.24) vào phương trình (1.18) nhận được
phương trình sau:
m
i
m
i
m
i
m
i
m
i
m

i
m
i
m
i
m
i
dqS 




 11
1
1
11
1

(1.25)
trong đó:
 
 
 
2
1
2
0
2
0
2

0
2
2
1
2
2
2
4
2



















m
i

m
i
m
i
xknj
z
xkn
jnnxkS

(1.26)
 
 
 
 
2/1
2
0
2
0
2
0
2
2/122
2
4
)(2






m
i
mm
i
xknj
z
xkn
jnnxkq
i

(1.27)
Khi biết sự phân bố điện trường ban đầu
0m
i

(i = 0, N) thì tiết diện điện
trường
m
i

tại
zmzz
m

(m = 1,M) được tính bằng phương trình (1.25).
Phương trình (1.25) là cơ sở cho phương pháp tính số cho mô phỏng hoặc thiết
kế trên máy tính cho linh kiện dẫn sóng.

18
1.3. Vật liệu dẫn sóng quang
Hệ thống vật liệu chủ chốt sử dụng trong thiết bị viễn thông quang bao gồm
silica fiber, silica on silicon, silicon on insulator, silicon oxynitride, sol-gel, màng
mỏng điện môi, lithium niobate (LiNbO
3
), indium phosphide (InP), galium
asenide (GaAs), magneto - optic và birefringent crystal. Bảng 1.1 tóm tắt các
thuộc tính chính của các loại vật liệu tại bước sóng 1550 nm [20,12,25,27,38,53],
bảng 1.2. tóm tắt ứng dụng mỗi loại vật liệu cho một số linh kiện quang [37].






19
Bảng 1.1 Các thuộc tính chính của các loại vật liệu quang


Propagation loss: hệ số tổn hao quang lan truyền trong dẫn sóng quang; Fiber Coupling loss: tổn hao quang khi ghép nối hai đầu
dẫn sóng quang với sợi quang; Index Contrast: giá trị chênh lệch chiết suất giữa các lớp dẫn sóng; Birefringence: hệ số lưỡng chiết
của vật liệu; dn/dT: hệ số quang nhiệt (độ tăng chiết suất của màng dẫn sóng khi nhiệt độ màng dẫn sóng tăng lên 1 độ); Maximum
modulation frequency: tần số dao động lớn nhất của phân tử vật liệu đáp ứng tác động bên ngoài như nhiệt độ (T/O) hoặc điện
trường (E/O); Passive/Active: linh kiện tích cực/linh kiện thụ động.


20

Bảng 1.2. Ứng dụng chính cho mỗi loại vật liệu quang





21
1.3.1. Vật liệu sợi Silica (SiO
2
)
Công nghệ dựa trên vật liệu sợi quang silica là công nghệ dẫn sóng quang
được ứng dụng nhiều nhất, vì công nghệ này thuận lợi cho việc ghép nối linh
kiện (làm từ sợi silica) với sợi quang truyền dẫn [49,50,52].
Công nghệ quang sợi bao gồm sợi nóng chảy (fused fiber), sợi pha tạp
(doped fiber), sợi tạo cấu trúc (patterned fiber), và sợi hoạt động (moving fiber).
Sợi silica dùng chế tạo laser, bộ khuyếch đại, bộ điều khiển phân cực, bộ kết nối
(coupler), bộ lọc (filter) bộ chuyển mạch (switch), bộ suy giảm (attenuator), bộ
bù CD (CD compensator) và bộ bù phân cực PMD (PMD compensator).
Công nghệ quang sợi không thuận lợi trong công nghệ chế tạo mạch tích
hợp mật độ cao và kích thước nhỏ, hơn nữa sợi quang rất mỏng và nhạy cảm với
các rung động cơ học. Do vậy linh kiện dựa trên sợi quang khó chế tạo, và như
thế giá thành cao.
1.3.2. Vật liệu silica on silicon (SOS)
Công nghệ dựa trên vật liệu silica on silicon được ứng dụng nhiều trong
công nghệ phẳng (planar technology) [12,19,21,55]. Công nghệ này liên quan
đến sự mọc lớp silica trên đế silicon bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hoá
học CVD (Chemical Vapor Deposition-CVD) hoặc phương pháp lắng đọng thuỷ
phân đốt cháy (Flame Hydrolysis Deposition – FHD). Lớp lõi (lớp dẫn ánh sáng)
được tạo cấu trúc dẫn sóng và được đánh bóng bằng ăn mòn ion (RIE), nhưng
còn xuất hiện độ gồ ghề bề mặt dẫn sóng, làm tăng tổn hao do tán xạ. Ngoài ra sự

gồ ghề hai thành bên của kênh dẫn sóng làm xuất hiện sự phân cực. Năng lượng
chuyển mạch cần thiết trong thiết bị chuyển mạch trên cơ sở silica cao, phạm vi
điều chỉnh bước sóng thấp, sự phụ thuộc bước sóng trung tâm vào nhiệt độ của
AWGs trên cơ sở silica là vấn đề chính cần được cải thiện của công nghệ này. Vì
vậy công nghệ silica on silicon là phức tạp và giá thành cao. Hơn thế nữa, độ
chênh lệch chiết suất cao nhất đạt được trong công nghệ này là 1.5%

[53].
Silica on silicon được dùng để chế tạo laser, bộ khuyếch đại, bộ ghép
(coupler), bộ lọc (filter), bộ chuyển mạch (switch), bộ suy giảm, bộ bù CD.
1.3.3. Vật liệu silicon on insulator (SOI)
Công nghệ dựa trên vật liệu silicon on insulator được phát triển trong vài
năm qua, có thể thay thế cho công nghệ silica on silicon [9,12]. Công nghệ này
có thể chế tạo linh kiện nhanh hơn và hiệu suất cao hơn. Đế ban đầu là một tầng
silicon có phủ lớp silica làm lớp đệm, tiếp theo lớp dẫn sóng là lớp silicon và lớp
vỏ là silica. Độ chênh lệch chiết suất giữa lớp dẫn và lớp xung quang lớn của
công nghệ này cho phép chế tạo cấu trúc dẫn sóng cong bán kính cong nhỏ. Tuy


22
nhiên, do chiết suất lớp dẫn (silicon) lớn (>3) so với lõi sợi quang (~1.48) nhiều
nên dễ gây ra tổn hao do tan xạ tại vị trí ghép nối.
1.3.4. Vật liệu silicon oxynitride (SiON)
Công nghệ SiON dựa trên vật liệu silicon oxynitride, liên quan đến công
nghệ dẫn sóng phẳng, sử dụng SiO
2
làm lớp vỏ, lớp lõi là hỗn hợp giữa SiO
2

(chiết suất 1.45) và SiON (chiết suất 2) [24]. Ưu điểm chính của công nghệ này

là điều chỉnh được độ tương phản chiết suất (có thể đạt đến 30%). Công nghệ này
tạo màng bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD), phương pháp
lắng đọng pha hơi hóa học áp suất thấp (LPCVD), hoặc CVD hỗ trợ plasma
(PECVD).
1.3.5. Vật liệu Indium phosphide (InP)
Vật liệu InP – chiếm khoảng 25 % tổng vật liệu bán dẫn được dùng trong
thiết bị dẫn sóng, vì khả năng tích hợp của chúng với các thiết bị hoạt động khác
như laser và bộ tách quang hoạt động xung quanh bước sóng 1550nm [10,45].
Tuy nhiên, InP là vật liệu khó chế tạo và khó gia công, dễ vỡ, có hiệu suất thấp,
giá thành đắt, có kích thước tiêu biểu từ 2 inch đến 4 inch. Vật liệu In
x
Ga
1-x
As
1-
y
P
y
có cùng hằng số mạng với InP và bức xạ bước sóng trong khoảng từ 1.0 µm
đến 1.7 µm, có thể làm laser bán dẫn làm nguồn quang trong hệ viễn thông
quang.

1.3.6. Vật liệu Gallium Arsenide (GaAs)
Vật liệu GaAs thuộc loại vật liệu bán dẫn, có thể dùng chế tạo linh kiện tích
cực hoặc thụ động, nhưng hạn chế chính giá thành cao [10,23,51]. Tuy vậy nó
vẫn còn rẻ hơn InP và có thể sử dụng đế đến 6 inch hoặc 8 inch. Laser
GaAs/Ga
x
Al
1-x

As phát vùng bước sóng 780-905 nm, và laser InP/In
x
Ga
1-x
As
1-y
P
y

phát vùng bước sóng 1.0-1.7µm. GaAs đáp ứng được tốc độ thông tin cao (lớn
hơn 40 GHz) và biến điệu quang điện thế áp thấp (dưới 5 V). Nền GaAs dùng
chế tạo laser, khuyếch đại, detector, modulator, bộ kết nối, chuyển mạch.
1.3.7. Vật liệu Lithium Niobate (LiNbO
3
)
Vật liệu LiNbO
3
có hệ số quang điện (r
33
= 30.9 pm/V) và hệ số quang âm
lớn, quá trình xử lí không phức tạp, ổn định với môi trường 11,22,26,39,44,47].
Vật liệu sử dụng để chế tạo biến điệu trong hệ thống thông tin tốc độ cao đến 10
GHz. Chế tạo dẫn sóng thường khuếch tán titanium và nickel vào LiNbO
3
. Trao
đổi proton (sử dụng benzoic và axít khác) là kĩ thuật chế tạo dẫn sóng đã thu hút
sự chú ý, vì nó cho phép tạo ra sự tương phản chiết suất lớn. Tuy nhiên, trong kĩ
thuật trao đổi proton, sự ổn định dẫn sóng và giảm hiệu ứng điện - quang đang

23
được xem xét. Ưu điểm của cả hai kĩ thuật trên là có thể thực hiện hoặc bằng sự
khuyếch tán titanium hoặc nickel và trao đổi proton trên cùng một linh kiện.
Tuy nhiên, rất khó có thể đưa hai kĩ thuật này vào các thiết kế mạch quang
tích hợp. Nguyên nhân do các cấu trúc dẫn sóng cần thực hiện ở các vùng gần bề
mặt, tại đấy chiết suất có thể tăng lên do khuếch tán ion hay cấy ion. Trong khi
đó các vật liệu nêu trên rất khó tạo thành màng mỏng chất lượng cao theo yêu
cầu của quang tích hợp. Mặt khác, về bản chất, các đế đơn tinh thể loại này
không thích hợp để tạo nên trên bề mặt chúng các lớp vật liệu bán dẫn, các lớp cơ
bản có thể chế tạo laser hay các mạch điều khiển và thu tín hiệu.
Lithium niobate được dùng trong chế tạo laser, bộ khuyếch đại, detector,
biến điệu, bộ điều khuyển phân cực, bộ ghép nối, chuyển mạch, suy giảm,
chuyển đổi bước sóng, bộ bù PMD.
1.3.8. Vật liệu polyme
Công nghệ dựa trên vật liệu polyme tạo cấu trúc dẫn sóng bằng kĩ thuật
chiếu sáng và spin-coating [31,32,34]. Một số polyme như polyimides và
polycarbonates không nhạy quang, vì vậy cần phải phủ lớp cảm quang và ăn
mòn RIE; loại polyme này có cùng nhược điểm như công nghệ silica on silicon là
tổn hao ảnh hưởng bởi sự gồ ghề, bởi tán xạ ứng suất và phụ thuộc phân cực. Các
polyme khác là nhạy quang, vì vậy có thể áp dụng phương pháp vi hình trực tiếp.
Những vật liệu này có thời gian chế tạo giảm 10 hoặc 1000 lần so với công nghệ
khác. Hơn thế nữa, công nghệ này sử dụng vật liệu giá thấp và thiết bị sử dụng
không đắt (spin - coating và đèn UV). Các polyme có độ trong suốt cao, tổn hao
hấp thụ dưới 0.1 dB/cm tại tất cả bước sóng thông tin quan trọng (840 nm, 1310
nm, 1550 nm). Ngược với công nghệ thuỷ tinh planar, công nghệ polyme được
thiết kế để hình thành các lớp ứng suất tự do (stress-free) mà không phải phụ
thuộc nhiều vào loại đế (có thể đế silicon, thuỷ tinh, thạch anh, nhựa, vv), không
phụ thuộc sự phân cực (lưỡng chiết thấp, tổn hao do phân cực ánh sáng thấp).
Hơn thế nữa, tổn hao tán xạ có thể giảm nhờ vào áp dụng kĩ thuật tạo cấu trúc
dẫn sóng trực tiếp thay vì áp dụng phương làm giảm gồ ghề bề mặt bằng ăn mòn

RIE. Chiết suất biến đổi dẫn đến sự giam giữ mode dẫn yếu, do phần đuôi mode
có thể thấm dễ dàng vào vỏ, vì thế sinh ra dao động mode. Thêm vào đó vật liệu
polyme có hệ số quang nhiệt âm lớn (dn/dT=-1x10
-4
’ -4x10
-4
) gấp 10 đến 40 lần
của thuỷ tinh, vì vậy năng lượng tiêu thụ của các linh kiện sử dụng hiệu ứng
quang nhiệt thấp (như bộ chuyển mạch, bộ lọc thay đổi, VOA). Một số polyme
có hệ số quang điện lớn (khoảng 200 pm/V, là giá trị lớn nhất so với các loại vật
liệu khác). Những polyme đặc biệt này thể hiện hệ số quang điện lớn tuỳ thuộc
vào sự phân cực và điện trường đặt vào để định hướng phân tử. Tuy nhiên sự
phân cực không ổn định theo thời gian hoặc điều kiện môi trường, điều này làm


24
giới hạn ứng dụng bộ biến điệu quang - điện polyme. Một đặc điểm khác của
polyme là có thể điều chỉnh sự chênh lệch chiết suất giữa lõi và vỏ lên đến 35%.
Ngoài ra do tính đồng nhất cơ học của polyme cao nên cho phép chế tạo dẫn
sóng bằng kĩ thuật mới như đúc khuôn (molding), đóng dấu (stamping), dập nổi
(embossing) và có thể ghép nối với vật liệu khác như màng mỏng tích cực, các
đĩa nửa bước sóng. Vật liệu polyme thường dùng để chế tạo laser, khuyếch đại,
detector, biến điệu, bộ điều khiển phân cực, bộ ghép nối, bộ lọc, chuyển mạch,
bộ suy giảm.
1.3.9. Vật liệu lai hữu cơ –vô cơ
Các chất như silica keo, tetraalkoxysilanes thường là tiền chất tạo ra mạch
thuỷ tinh phẳng và công nghệ không đắt tiền [8,11,14,15,24]. Trong quá trình
này, dung dịch gốc được giữ theo điều kiện nhất định và khuấy, chuyển sang
dạng sol, trong khi làm già hoá, chuyển sang dạng gel, khi đó làm khô và nung
thiêu kết tại nhiệt độ cao (1250

0
C), dưới tác động của khí, cuối cùng hình thành
thuỷ tinh silica đặc [10-12]. Sol-gel có thể dùng để chế tạo vật liệu lai hữu cơ-vô
cơ, vật liệu này có tính chất kết hợp, bao gồm gốm (ceramic) và polyme. Các vật
liệu lai dựa vào tính không phân tách của chức silicon-carbon-organic trong suốt
quá trình sol-gel vì thế nó có tồn tại cuối cùng ở trạng thái rắn. Trong trường hợp
đó chúng được gọi là ormocers (tính hữu cơ thay đổi tính gốm) hoặc ormosils
(tính hữu cơ thay đổi tính silica). Ưu điểm lớn nhất của ceramer so ceramic là
yêu cầu nhiệt độ xử lí thấp (dưới 200
0
C).
Công nghệ sol-gel có hạn chế về đồng nhất cơ học, đặc biệt sự rạn nứt xuất
hiện khi lớp màng trải dày trên đế có hệ số dãn nở nhiệt (CTE) khác nhau, đây là
hạn chế chính khi tạo màng đa lớp bằng phương pháp spin hoặc dip-coating.
Ngoài ra, công nghệ này phải tạo các lớp màng mỏng nên gặp phải vấn đế sức
căng bề mặt (ứng suất cơ học), do đó dẫn đến có tổn hao phụ thuộc độ phân cực.
Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel có thể tạo ra các lỗ xốp, cho
phép điều chỉnh chiết suất và dễ dàng thay đổi thành phần pha tạp (ví dụ như đất
hiếm) do có sự hút bám ion trên bề mặt [14].

Sol-gel cũng có thể chế tạo vật liệu
nhạy quang. Tầng màng phẳng tạo từ phương pháp sol-gel có thể dùng chế tạo
laser, bộ khuyếch đại

, bộ kết nối, bộ lọc, và bộ chuyển mạch [9,20].
1.4. Quy trình chế tạo vi cấu trúc dẫn sóng kiểu kênh
Có ba loại dẫn sóng kênh khác nhau: loại chìm (buried type), loại nổi (ridge
type), và loại hàng (load type), mỗi loại thích hợp với một số phương pháp chế
tạo tương ứng.
Quy trình kĩ thuật chế tạo vi cấu trúc có thể chia thành 3 giai đoạn như chỉ

ra trên hình 1.4:


25
1. Thiết kế và chế tạo mặt nạ
2. Chế tạo vi cấu trúc sử dụng vật liệu cảm quang
3. Chế tạo cấu trúc hoàn chỉnh
Cả 3 giai đoạn này chung cho tất cả, nhưng có 3 phương pháp chế tạo khác
nhau cơ bản như sau:
 Phương pháp 1: Tác dụng vào lớp nhạy quang bằng cách chiếu qua
mặt nạ bằng ánh sáng tử ngoại, chùm điện tử, chùm ion, hoặc tia X.
Phương pháp này được sử dụng trong kĩ thuật photo - lithography, UV
- light lithography, X - light lithography.
 Phương pháp 2: Không dùng mặt nạ, tác dụng trực tiếp lên lớp nhạy
quang bằng chùm laser hoặc chùm điện tử tác dụng. Phương pháp này
được sử dụng trong kĩ thuật photo - lithography, electron - beam
lithography, laser - beam lithography, ion - beam lithography.
 Phương pháp 3: Không dùng mặt nạ, không dùng lớp nhạy quang, viết
trực tiếp các mẫu lên đế bằng chùm laser (Laser direct writing) hoặc
chùm điện tử (Electrron-Beam Writing System). Trong chế tạo có hệ
thống vẽ tia điện tử và phương pháp viết trực tiếp thường áp dụng cho
màng chất vô định hình, màng polymer, thuỷ tinh đổi màu và các thuỷ
tinh ô xít (SiO
2
– Ta
2
O
5
).

Hình 1.4 Qui trình chế tạo mạch quang tích hợp
1.5. Kết luận
Trong chương này, chúng tôi đã trình bày các khái niệm cơ bản: điều kiện
dẫn sóng ánh sáng trong tấm, giải thích sự hình thành mode, phương pháp tính số
dùng trong thiết kế và mô phỏng, đặc điểm của các loại vật liệu dẫn sóng, quy
trình chế tạo dẫn sóng 2D và 3D.




Thiết kế
cấu trúc
dẫn sóng
Mặt nạ
Thông tin
cấu trúc
Tạo cấu
trúc lên
chất cảm

Xử lí


Linh kiện
Dẫn sóng
Xử lí trực
tiếp
3
2
1


26

Chương 2

TÍNH CHẤT VẬT LÍ VẬT LIỆU LAI ASZ

Trong chương này, chúng tôi trình bày về tính chất vật lí của vật liệu lai
ASZ. Vật liệu lai ASZ được chế tạo tại Viện Khoa học Vật liệu (Viện Khoa học
và Công nghệ Việt Nam) và là sản phẩm của đề tài cấp Nhà nước KC.02.14
(2001-2004), các kết quả nghiên cứu về vật liệu lai ASZ đã được công bố trong
các tạp chí khoa học [1-7,33,36,40,41,48,49], đề tài nghiệm thu suất sắc ngày
21/10/2004.
2.1. Thành phần vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ
Vật liệu dẫn sóng nano ASZ, thuộc loại vật liệu lai hữu cơ-vô cơ và được
chế tạo theo phương pháp sol-gel. Khi chiếu chùm ánh sáng tử ngoại (UV) thích
hợp vào vật liệu nano ASZ thì xảy ra phản ứng polyme hoá làm chiết suất của
màng thay đổi. Sự chênh lệch chiết suất (n) giữa vùng chiếu sáng và không
chiếu sáng là cơ sở để thiết kế các cấu trúc dẫn sóng quang.

Tổng hợp vật liệu nano ASZ từ 3 thành phần vật liệu ban đầu là Acrylic và
các hợp chất hữu cơ chứa Silic và Zirconia thành một siêu phân tử, các vật liệu
thành phần này có công thức hoá học tương ứng:
 Thành phần acrylic: Methacrylic acid [MAA, H
2
C=C(CH
3
)CO
2
], vì
vậy có thể sử dụng chế tạo vi cấu trúc dẫn sóng quang tích hợp.
 Hợp chất hữu cơ chứa silic: Methacryloxypropyltrimethoxysilane
[MAPTMS,H
2
C=C(CH
3
)CO
2
(CH
2
)
3
Si(OCH
3
)
3
], do đó có thể sử dụng
chế tạo màng đa lớp theo công nghệ pha dung dịch
 Zirconia: Zirconium n-propxide [ZOP, Zr(OC
3

H
7
)
4
]nhằm chế tạo cấu
trúc dẫn sóng quang dạng tầng.
Chức năng từng thành phần vật liệu là:
 Thành phần acrylic có chức năng tạo phản ứng quang hoá học hay gọi
nhạy quang làm thay đổi tính chất quang vật lý của vật liệu ASZ,
 Thành phần hợp chất hữu cơ chứa silic có chức năng tạo mạch nền.
 Thành phần Zirconia có chức năng điều chỉnh chiết suất và độ bền cơ.
Ở đây, MATPMS là một hợp chất rất linh hoạt, một đầu mạch là nhóm
alkoxide, tham gia vào phản ứng thủy phân để tạo mạch polymer, một đầu có
chứa nối đôi, đóng vai trò quan trọng trong việc tham gia vào phản ứng quang
hóa ở giai đoạn sau. Bên cạnh các ưu điểm nổi trội này, MAPTMS còn đóng vai
trò rất quan trọng trong việc tạo ra một hệ vật liệu có độ nhớt thích hợp cho việc


27
chế tạo màng với chiều dày vài micromet trở lên. Sản phẩm cuối cùng của phản
ứng thủy phân ZOP là mạng vô cơ Zr-O-Zr, với chiết suất nằm trong khoảng
1,80 – 1,90. Chính vì vậy, khi thay đổi tỷ lệ thành phần của ZOP trong phản ứng
chúng ta có thể thu được hệ vật liệu có chiết suất thay đổi. Còn thành phần MAA
vừa đóng vai trò là chất xúc tác và điều chỉnh pH của phản ứng vừa tham gia vào
quá trình phản ứng quang hóa ở giai đoạn sau. Trước khi sử dụng vật liệu lai
ASZ chế tạo các cấu trúc dẫn sóng quang, chúng ta cần phối hợp với một số chất
khơi mào thích hợp. Các chất khơi mào đóng vai trò tăng tính nhạy quang với
ánh sáng tử ngoại. Vì vậy, chỉ cần chiếu sáng ở cường độ thấp, với năng lượng
nhỏ, có thể đạt được sự thay đổi chiết suất phù hợp với yêu cầu chế tạo cấu trúc
dẫn sóng quang.

Tính chất của các vật liệu lai cấu trúc nanô phụ thuộc vào bản chất hoá học
của các thành phần và khả năng kết hợp giữa các thành phần. Do đó điểm mấu
chốt để tạo ra một vật liệu lai mới là sự điều chỉnh bản chất hoá học các thành
phần, qui mô thành phần cũng như khả năng kết hợp của các thành phần trong
vật liệu lai. Vì vậy, các yếu tố bản chất của phân biên, hoặc liên kết và các tương
tác trao đổi giữa thành phần hữu cơ và vô cơ được sử dụng làm cơ sở để phân
loại các vật liệu lai.
Các nghiên cứu về động học phản ứng cho thấy sự hình thành vật liệu lai
ASZ phụ thuộc vào tỷ lệ các chất tham gia phản ứng, vào độ pH của môi trường
và phương pháp tiến hành phản ứng.
Kết quả nghiên cứu đã chọn tỉ lệ hợp phần của vật liệu lai nano ASZ tương
ứng bằng 14/4/4.
2.2. Các tính chất vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ
2.2.1. Độ nhớt dung dịch vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ
Độ nhớt dung dịch của vật liệu ASZ đo bằng thiết bị CT-500 CANNON
(đặt tại PTN Quang hoá-Điện tử), hoạt động theo nguyên lý mao quản. Kết quả
đo sự phụ thuộc giá trị độ nhớt vào thời gian lưu trên hai hệ vật liệu là vật liệu
ASZ không chứa flo và có flo được trình bày ở hình 2.1.
Trên hình 2.1 cho thấy dung dịch nano ASZ thu được có độ nhớt từ vài cho
tới hàng chục centistock và ổn định theo thời gian sau 30 ngày. Trong thời gian
lưu, từ 3 đến 4 tháng, không có hiện tượng phân huỷ và mất độ nhớt hoặc keo tụ
(độ nhớt gia tăng đột ngột làm dung dịch quánh lại). Cùng một tỉ lệ thành phần
ASZ là 14/4/4, khi cho thêm hợp chất chứa flo vào thì độ nhớt dung dịch vật liệu
tăng lên rất mạnh, do đó chúng ta có thể biến tính độ nhớt vật liệu thông qua điều
khiển thành phần flo. Tuy nhiên, chúng ta sẽ thấy trong phần tiếp theo khi có
thêm hợp chất chứa flo chủ yếu để giảm tổn hao quang và tỉ lệ hợp chất chứa flo