Nghiên cứu mô phỏng đặc tính lọc lựa ánh sáng buồng vi cộnghưởng phản hồi phân bổ bragg (DBR) theo cấu trúc đa lớp porous silicon ứng dụng trongcác hệ sensor quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hoàng Lê Hà

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH LỌC LỰA ÁNH SÁNG
BUỒNG VI CỘNG HƢỞNG PHẢN HỒI PHÂN BỔ BRAGG (DBR)
THEO CẤU TRÚC ĐA LỚP POROUS SILICON
ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỆ SENSOR QUANG

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG

Huế- 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hoàng Lê Hà

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH LỌC LỰA ÁNH SÁNG
BUỒNG VI CỘNG HƢỞNG PHẢN HỒI PHÂN BỔ BRAGG
(DBR) THEO CẤU TRÚC ĐA LỚP POROUS SILICON
ỨNG DỤNG TRONG CÁC HỆ SENSOR QUANG
Ngành: Công nghệ Điện tử- Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS. PHẠM VĂN HỘI

Huế– 2014


1

LỜI CẢM ƠN

Luận văn được thực hiê ̣n tại Phòng Vật liê ̣u và Ứng dụng Quang sợi
- Viện
Khoa học vật liệu- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam dưới sự hướng
dẫn khoa học của PGS.TS. Phạm Văn Hội.
Trước hết cho tôi xin gửi lới cảm ơn chân thành tới PGS. TS. Phạm Văn Hội,
người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi
trong suốt thời gian tôi làm luận văn. Tôi xin cám ơn TS. Ngô Quang Minh đã tận
tình hỗ trợ cũng như chỉ bảo tôi trong suốt thời gian làm luận văn. Tôi cũng xin gửi
lời cám ơn chân thành đến các anh/chị trong Phòng Vật liê ̣u và Ứng dụng Quang
sợi đã hỗ trợ và chỉ dẫn tôi hoàn thành các phần thực nghiệm và đo đạc.
Tôi xin được cảm ơn các thầy cô, anh/chị trong khoa Điện tử viễn thông,
trường Đại học Công nghệ- Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ
bảo và cho tôi những lời khuyên vô cùng quý báu.
Luận văn hoàn thành được sự hỗ trợ về kinh phí của đề tài cấp Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST) mã số VAST03.06/13-14.
Cuối cùng, tôi xin được cảm ơn các bạn bè và người thân đã tạo điều kiện
giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.

Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2013
Học viên

Hoàng Lê Hà

2

LỜI CAM ĐOAN
Lý thuyết về cảm biến quang dựa trên buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot cấu trúc
tinh thể quang tử một chiều và mô phỏng buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot cũng nhƣ bộ
lọc sóng quang học sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử đƣợc trình bày trong luận văn của
tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS. TS. Phạm Văn Hội và TS. Ngô Quang Minh.
Tôi xin cam đoan tất cả những tài liệu tham khảo của luận văn đều đƣợc nêu nguồn
gốc một cách rõ ràng. Trong khóa luận, không có việc sao chép tài liệu, công trình nghiên
cứu của ngƣời khác mà không chỉ rõ về tài liệu tham khảo.
Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2013
Học viên

Hoàng Lê Hà


3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. 2
MỤC LỤC ............................................................................................................................ 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................................. 7
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 10
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CẢM BIẾN QUANG TRÊN CƠ SỞ BUỒNG VI CỘNG
HƢỞNG CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU ........................................ 12
1.1. Tổng quan về tinh thể quang tử và ứng dụng trong thực tế ..................................................12
1.1.1. Giới thiệu chung ...............................................................................................................12

1.1.2. Ứng dụng tinh thể quang tử trong thực tế................................................................... 13
1.2. Buồng vi cộng hƣởng sƣ̉ du ̣ng cấu trúc quang tử một chiều ................................................14
1.2.1. Cấu tạo buồng vi cộng hƣởng ..................................................................................... 14
1.2.1.1. Gƣơng phản xạ Bragg ........................................................................................... 15
1.2.1.2. Lớp không gian ..................................................................................................... 16
1.2.2. Phổ phản xạ của buồng vi cộng hƣởng ........................................................................ 16
1.3. Bộ lọc sóng có cấu trúc ghép cặp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng trên cơ sở tinh thể quang
tử hai chiều .................................................................................................................................17
1.3.1. Cấu trúc bộ lọc sóng .................................................................................................... 17
1.3.2. Phổ truyền qua của bộ lọc sóng ................................................................................... 20
1.4. Quy trình chế tạo màng đa lớp Silíc xốp ..............................................................................22
1.4.1. Quá trình ăn mòn điện hóa phiến Silíc ....................................................................... 22
1.4.2. Cơ sở hóa học của quá trình hình thành Silíc xốp ...................................................... 23
1.4.3. Đặc điểm của silic xốp................................................................................................ 25
1.4.3.1. Độ xốp .................................................................................................................. 25
1.4.3.2. Xấp xỉ môi trƣờng hiệu dụng.............................................................................. 25
1.4.3.3. Tốc độ ăn mòn ...................................................................................................... 27
1.5. Cảm biến quang trên cơ sở buồng vi cộng hƣởng Fabry- Perot ...........................................27
1.5.1. Giới thiệu .................................................................................................................... 27
1.5.2. Các thông số đặc trƣng của cảm biến quang .............................................................. 28
1.5.2.1. Chỉ số phẩm chất .................................................................................................. 28
1.5.2.2. Độ nhạy của cảm biến ......................................................................................... 28

CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................... 31
2.1. Tính toán mô phỏng..............................................................................................................31
2.1.1. Phƣơng pháp sai phân hữu hạn trên miền thời gian (FDTD) ..................................... 31
2.1.1.1. Phƣơng pháp FDTD ............................................................................................ 31
2.1.1.2. Ƣu/nhƣơ ̣c điểm của FDTD và ứng dụng trong giải bài toán lan truyền sóng điện
từ ........................................................................................................................................ 36
2.1.2. Phần mềm mô phỏng MEEP ...................................................................................... 39

2.1.2.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 39
2.1.2.2. Tiến trình mô phỏng bài toán lan truyền sóng điện từ bằng MEEP .................... 40
2.1.2.3. Phƣơng pháp mô phỏng phổ phản xạ buồng cộng hƣởng Fabry- Perot ............... 42
2.1.2.4. Phƣơng pháp mô phỏng phổ truyền qua bộ lọc sóng ghép gián tiếp ống dẫn sóngbộ cộng hƣởng ................................................................................................................... 44
2.2. Phƣơng pháp chế ta ̣o mẫu và đo đa ̣c ....................................................................................45
2.2.1. Thiết kế cảm biến quang trên cơ sở buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot...................... 45


4

2.2.2. Nguyên lý đo phổ phản xạ bằng máy Cary UV- VIS- 5000........................................ 47

CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CẢM BIẾN QUANG ...................................... 52
TRÊN CƠ SỞ TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU VÀ HAI CHIỀU ........................ 52
3.1. Tính toán mô phỏng phổ phản xạ cảm biến quang trên cơ sở buồng vi cộng hƣởng FabryPerot cấu trúc tinh thể quang tử một chiều .................................................................................52
3.1.1. Mô phỏng cảm biến quang trƣớc khi nhúng vào các môi trƣờng có chiết suất khác
nhau ....................................................................................................................................... 52
3.1.2. Tính toán mô phỏng phổ phản xạ cảm biến quang khi nhúng vào các môi trƣờng khác
nhau ....................................................................................................................................... 54
3.1.2. Mối quan hệ giữa đỉnh cộng hƣởng phản xạ của cảm biến quang và chiết suất chất
lỏng ........................................................................................................................................ 55
3.2. Tính toán mô phỏng phổ truyền qua bộ lọc sóng ghép cặp gián tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng
hƣởng trên cơ sở tinh thể quang tử hai chiều .............................................................................57

CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO CẢM BIẾN QUANG VÀ SO
SÁNH VỚI TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ............................................................................ 61
4.1. Thực nghiệm chế tạo cảm biến quang trên cơ sở buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot ..........61
4.1.1. Quy trình chế tạo ......................................................................................................... 61
4.1.2. Thực nghiệm về chế tạo cảm biến ............................................................................... 63
4.2. Kết quả thực nghiệm cảm biến quang trong các môi trƣờng khác nhau ..............................64

4.2.1. Độ dịch bƣớc sóng cộng hƣởng theo chiết suất chất lỏng. .......................................... 64
4.2.2. Đánh giá phẩm chất của cảm biến quang .................................................................... 68

KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 72
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN VĂN ....................................................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 74
PHỤ LỤC ........................................................................................................................... 76


5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

1D
2D
3D
ABC
CFL

One dimension
Two dimension
Three dimension
Absorbing Boundary Condition
Courant–Friedrichs–Lewy

condition
Distributed Bragg Reflection

Một chiều
Hai chiều
Ba chiều
Điều kiện biên hấp thụ
Điều kiện hội tụ Courant–
Friedrichs–Lewy
Gƣơng phản xạ phân bổ
Bragg
Kính hiển vi điện tử
quét phát xạ trƣờng
Axit flohydric
Phầ n mề m mô phỏng sóng
điện từ của Viện cộng nghệ
Massachusetts
Hồng ngoại gần
Viện công nghệ
Massachusetts
Vùng cấm quang
Tinh thể quang tử
Tinh thể quang tử hai chiều
Tinh thể quang tử một chiều
Sai phân hữu hạn trong miền
thời gian
Lớp tƣơng hợp hoàn hảo
Silíc
Phƣơng pháp ma trận truyền
Tia tử ngoại

Khả kiến

DBR
FE- SEM

Field Emission Scanning Electron
Microscope

HF
MEEP

Hydrogen fluoride
MIT Electromagnetic Equation
Propagation

NIR
MIT
PBG
PC
PC-2D
PC-1D
FDTD

Near Infrared
Massachusetts Institute of
Technology
Photonic Band Gap
Photonic Crystal
Two dimensional Photonic Crystal
One dimensional Photonic Crystal

Finite Difference Time Domain

PML
Si
TMM
UV
VIS

Perfect Matched Layer
Silícon
Transfer Matrix Method
Ultraviolet
Visible


6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Các điều kiện ăn mòn để chế tạo buồng vi cộng hƣởng .................................... 47
dựa trên PC- 1D [5]. ........................................................................................................... 47
Bảng 3.1. Sự phụ thuộc của bƣớc sóng cộng hƣởng vào môi trƣờng xung quanh cảm biến
trong tính toán mô phỏng buồng vi cộng hƣởng Fabry-Perot..................................... 55
Bảng 3.3. Sự phụ thuộc bƣớc sóng cộng hƣởng theo chiết suất môi trƣờng trong tính toán
mô phỏng bộ lọc sóng ghép gián tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng ....................... 58
Bảng 4.1. Bảng đối chiếu bƣớc sóng cộng hƣởng theo chiết suất môi trƣờng................... 68


7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Mô tả tính tuần hoàn điện môi của tinh thể quang tử trong không gian a ) một
chiều (1D), b) hai chiều (2D) và c) ba chiều (3D). ..................................................... 12
Hình 1.2. Mặt cắt trong không gian 3D, 2D và 1D của tinh thể quang tử. ........................ 13
Hình 1.3. Mô tả quá trình phản xạ của sóng điê ̣n tƣ̀ khi truyền qua PC -1D ...................... 13
Hình 1.4. Minh họa ống dẫn sóng theo cấu trúc PC- 2D .................................................. 14
Hình 1.5. Cấu tạo của buồng vi cộng hƣởng có cấu trúc tinh thể quang tử một chiều. Chiết
suất của lớp không gian là ns và bề dày của lớp này là ds. Lớp không gian đƣợc đƣa
vào giữa hai DBR đối xứng với chiết suất của các lớp là nH, nL và bề dày dH, dL. ...... 14
Hình 1.6. Sơ đồ cấu trúc của một DBR tuần hoàn, ni và di là chiết suất và bề dày tƣong
ứng của lớp i, N là số chu kỳ....................................................................................... 15
Hình 1.7. (a) Tia phản xạ và tia truyền qua trong trƣờng hợp màng mỏng đơn lớp và (b)
trong trƣờng hợp màng mỏng đa lớp. ......................................................................... 15
Hình 1.8. Minh họa buồng vi cộng hƣởng cấ u trúc tinh thể quang tƣ̉ mô ̣t chiề u : N=5;
nH=1,78 ; nL= 1,26 ; dH=91,29 nm ; dL= 128,96 nm ; dS= 515,87 nm và nS=1,26
..................................................................................................................................... 16
Hình 1.9. Phổ phản xạ buồng vi cộng hƣởng: N= N=4.5/5; dH = 49.45 nm dL = 71.79
nm; dS= 143.59 nm; nH= 2.57; nL= 1.77; nS=nL =1.77. Bƣớc sóng cộng hƣởng CH
= 508.31 nm. ............................................................................................................... 17
Hình 1.10. Cấu trúc mạng tinh thể quang tử 2D ma ̣ng hin
̀ h vuông với bán kính cột điện
môi r = 0,2a và hằng số điện môi  = 11.68 đƣơ ̣c đă ̣t trong không khí . .................... 18
Hình 1.11. Minh họa cấu trúc tinh thể quang tử 2D mạng tinh thể hình vuông bị mất một
cột điện môi với bán kính r = 0,2a và  =11,68 (khuyết tật điểm). ............................. 18
Hình 1.12. Minh họa cấu trúc PC-2D mạng hình vuông bị mất một hàng cột điện môi với
bán kính r = 0,2a và  =11,68 (khuyết tật hàng) ......................................................... 19
Hình 1.13. Minh họa bộ lọc sóng ghép cặp trực tiếp hố c cộng hƣởng- ống dẫn sóng ....... 19
Hình 1.14. Minh họa bộ lọc sóng ghép cặp gián tiếp hố c cộng hƣởng- ống dẫn sóng ...... 20
Hình 1.15. Phổ truyền qua cấu trúc ghép cặp trực tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng. Ở
đây bƣớc sóng cộng hƣởng có độ truyền qua xấp xỉ bằng 1 là 1550 nm .................... 20
Hình 1.16. Minh họa quá trình lan truyền sóng trong bộ lọc sóng ghép cặp trực tiếp ống

dẫn sóng- hốc cộng hƣởng. Bƣớc sóng ánh sáng truyền qua đƣợc cấu trúc là 1550 nm
..................................................................................................................................... 21
Hình 1.17. Phổ truyền qua cấu trúc ghép cặp gián tiếp ống dẫn sóng và bộ cộng hƣởng. Ở
đây bƣớc sóng cộng hƣởng có hệ số truyền qua xấp xỉ bằng 0 là 1550 nm. .............. 21
Hình 1.18. Biểu diễn trƣờng của ánh sáng lan truyền sóng trong bộ lọc sóng ghép cặp
gián tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng. Bƣớc sóng ánh sáng không truyền qua đƣợc
cấu trúc là 1550 nm đúng bằng bƣớc sóng cộng hƣởng của hốc cộng hƣởng. ........... 22
Hình 1.19. Sơ đồ của hệ điện hóa Silíc ............................................................................. 23
Hình 1.20. Quá trình ăn mòn Silíc theo phƣơng pháp điện hóa ......................................... 23
Hình 1.2. Giản đồ mối liên hệ giữa độ xốp và mật độ dòng điện của loại p+Silíc (0,01
.cm ) với dung dịch axit HF 15% trong ethanol ........................................................ 25
Hình 1.22. Giản đồ minh họa khái niệm chiết suất hiệu dụng của Silíc xốp ..................... 26
Hình 1.23. Mối quan hệ giữa độ xốp và chiết suất của Silíc xốp đƣợc tính toán dựa theo
các phƣơng pháp xấp xỉ Bruggeman, Looyenga và Maxwell-Garnett [4].................. 27


8

Hình 1.24. Giản đồ mối liên hệ giữa tốc độ ăn mòn với mật độ dòng điện của loại p+Silíc (0,01 cm ) với dung dịch axit HF 15% ............................................................. 27
Hình 2.1. Mô tả vị trí của các véctơ điện trƣờng và từ trƣờng trong một ô lập phƣơng đơn
vị của lƣới K. S. Yee ................................................................................................... 32
Hình 2.2. Biểu diễn trƣờng của sóng điện từ khi truyền qua ............................................. 38
Hình 2.3. a) Minh họa buồng vi cộng hƣởng cấu trúc PC- 1D; b)Phổ phản xạ buồng vi
cộng hƣởng Fabry- Perot sau khi nhúng vào Ethanol. Phổ phản xạ có bƣớc sóng cộng
hƣởng là 576,63 nm. .................................................................................................. 38
Hình 2.4. a) Minh họa bộ lọc sóng ghép cặp trực tiếp ống dẫn sóng- hố c cộng hƣởng cấu
trúc PC- 2D; b) Phổ truyền qua của cấu trúc với bƣớc sóng cộng hƣởng 1550 nm ... 39
Hình 2.5. Phổ phản xạ của buồng vi cộng hƣởng Fabry- Perot có cấu trúc PC-1D đƣợc
xác định bằng phần mềm MEEP ................................................................................. 40
Hình 2.6. Mô phỏng phân bố trƣờng của ống dẫn sóng vuông góc đƣợc sƣ̉ du ̣ng phần

mềm MEEP[12] .......................................................................................................... 40
Hình 2.7. Cửa sổ đặt các dòng lệnh thực thi chƣơng trình từ chức năng Terminal của hệ
điều hình Ubuntu ......................................................................................................... 41
Hình 2.8. Quá trình xử lý số liệu bằng bảng tính Excel có sẵn trong máy tính ................. 42
Hình 2.9. Minh họa buồng vi cộng hƣởng dựa trên cấu trúc PC- 1D ................................ 42
Hình 2.10. Vị trí đặt Detector A trong môi trƣờng không gian tự do ................................ 43
Hình 2.11. Vị trí đặt Detector A trong môi trƣờng có tinh thể quang tử ........................... 43
Hình 2.12. Vị trí detector để xác định thông lƣợng ánh sáng truyền qua trong cấu trúc ... 44
Hình 2.13. Vị trí detector để xác định thông lƣợng ánh sáng truyền qua trong cấu trúc ... 44
Hình 2.14. Vị trí detector để xác định thông lƣợng ánh sáng truyền qua trong cấu trúc ... 45
Hình 2.15. a) Sơ đồ minh họa cấu trúc của một buồng vi cộng hƣởng thể hiện bởi lớp
không gian có bề dày quang học λ/2 xen giữa hai DBR gồm các lớp có chiết suất cao
và thấp có bề dày quang học λ/4 xen kẽ lẫn nhau. (b) Phổ phản xạ tƣơng ứng của
buồng vi cộng hƣởngcho thấy một bƣớc sóng cộng hƣởng hẹp ở giữa đỉnh phản xạ
cực đại. ........................................................................................................................ 45
Hình 2.16. Sơ đồ của quy trình tạo ra các lớp Silíc xốp. Thời gian và độ lớn của mật độ
dòng điện quyết định độ dày và độ xốp của lớp Silíc xốp sau khi điện hóa. Khi áp
dụng mật độ dòng theo thời gian (đồ thị bên trái), các lớp Silíc xốp đƣợc hình thành
tƣơng ứng (hình vẽ bên phải). Một thời gian ngắn đƣợc thiết lập (với mật độ dòng
bằng 0) để nồng độ HF cân bằng trong suốt các lỗ xốp và ngăn ngừa sự hình thành
của gradient độ xốp không mong muốn. ..................................................................... 47
Hình 2.17. Sơ đồ nguyên lý hệ quang học máy quang phổ Cary UV- VIS- 5000 ............ 48
Hình 2.18. Máy quang phổ Cary UV- VIS- 5000 ............................................................. 49
Hình 3.1. Minh họa buồng vi cộng hƣởng dựa trên cấu trúc tinh thể quang tử PC- 1D. ... 53
Hình 3.2. Mô phỏng phổ phản xạ cảm biến quang trong không khí. Ở đây bƣớc sóng cộng
hƣởng theo mô phỏng là 508.31 nm ........................................................................... 53
Hình 3.3. Mô phỏng phổ phản xạ buồng vi cộng hƣởng Fabry- Perot trong các trƣờng hợp
môi trƣờng khác nhau trên cùng một đồ thị. Đỉnh cộng hƣởng dịch về phía bƣớc sóng
dài theo độ tăng chiết suất môi trƣờng. ....................................................................... 55
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn độ dịch bƣớc sóng cộng hƣởng theo độ thay đổi chiết suất môi

trƣờng khác nhau ......................................................................................................... 56


9

Hình 3.5. Minh họa bộ lọc sóng ghép cặp gián tiếp ống dẫn sóng- bộ cộng hƣởng cấu trúc
PC- 2D. ........................................................................................................................ 57
Hình 3.6. Mô phỏng phổ truyền qua của bộ lọc sóng trong không khí. Bƣớc sóng cộng
hƣởng tại 508.37 nm. .................................................................................................. 57
Hình 3.7. Mô phỏng phổ truyền qua của bộ lọc sóng ứng các trƣờng hợp môi trƣờng chất
lỏng khác nhau trên cùng một đồ thị. Đỉnh cộng hƣởng dịch về phía bƣớc sóng dài
theo chiều tăng của chiết suất môi trƣờng. ................................................................. 58
Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn độ dịch bƣớc sóng cộng hƣởng theo độ thay đổi chiết suất .... 59
Hình 4.1. Lò nung nhiê ̣t đƣợc dùng để ủ tiếp xúc cho phiến Silíc bốc bay nhôm ............ 61
Hình 4.2. Hệ thống ăn mòn điện hóa ................................................................................. 62
Hình 4.3. Sơ đồ hệ điện hóa AUTOLAB. PGSTAT 30 ..................................................... 62
Hình 4.4. Ảnh chụp các mẫu buồng vi cộng hƣởng hoạt động trong vùng nhìn thấy ở các
bƣớc sóng khác nhau (tƣơng ứng với điều kiện chế tạo khác nhau) ........................... 63
Hình 4.5. a) Ảnh chụp FE- SEM biểu diễn trật tự các lỗ xốp trong cấu trúc b) Ảnh FESEM của hai lớp liền kề có mật độ dòng lần lƣợt 15 và 50 mA/cm2 .......................... 63
Hình 4.6.: Ảnh FE- SEM của một buồng vi cộng hƣởng Fabry- Perot [6] ........................ 64
Hình 4.7.: Đồ thị phổ phản xạ buồng vi cộng hƣởng đặt trong không khí. Bƣớc sóng cộng
hƣởng tại 508.31 nm. .................................................................................................. 64
Hình 4.8. Đồ thị phổ phản xạ buồng vi cộng hƣởng trƣớc và sau khi nhúng vào Methanol
(99.5 %) có chiết suất n=1.3280. Bƣớc sóng cộng hƣởng tại 573.62 nm. ................. 65
Hình 4.9. Đồ thị phổ phản xạ cảm biến quang trƣớc và sau khi nhúng vào Ethanol (99.7
%) có chiết suất n=1.3614. Bƣớc sóng cộng hƣởng tại 580.06 nm. ........................... 65
Hình 4.10. Đồ thị phổ phản xạ cảm biến quang trƣớc và sau khi nhúng vào Axeton (99.5
%) có chiết suất n=1.3644. Bƣớc sóng cộng hƣởng tại 580.91 nm. ........................... 65
Hình 4.11. Đồ thị phổ phản xạ cảm biến quang trƣớc và sau khi nhúng vào Isopropanol
(99.7 %) có chiết suất n=1.3776. Bƣớc sóng cộng hƣởng tại 583.17 nm. .................. 66

Hình 4.12. Đồ thị phổ phản xạ cảm biến quang trƣớc và sau khi nhúng vào Methylen
Chloride(CH2Cl2) có chiết suất n=1.4242. Bƣớc sóng cộng hƣởng tại 592.01 nm. ... 66
Hình 4.13. Phổ phản xạ cảm biến quang trƣớc và sau khi nhúng vào Toluen (99.5 %) có
chiết suất n=1.4940. Bƣớc sóng cộng hƣởng tại 605.11 nm. ...................................... 66
Hình 4.14. Phổ phản xạ trong các trƣờng hợp môi trƣờng khác nhau trên cùng một đồ thị.
Đỉnh cộng hƣởng dịch về bƣớc sóng dài theo độ tăng chiết suất môi trƣờng. .......... 67
Hình 4.15. Phổ phản xạ trong các trƣờng hợp môi trƣờng khác nhau trên cùng một đồ thị.
Đỉnh cộng hƣởng dịch về bƣớc sóng dài theo độ tăng của chiết suất môi trƣờng. ..... 67
Hình 4.16. Đồ thị biểu diễn độ dịch bƣớc sóng cộng hƣởng theo độ thay đổi chiết suất
môi trƣờng cảm biến nhúng vào. ................................................................................ 68
Hình 4.17. So sánh giữa kết quả thực nghiệm và tính toán mô phỏng phổ phản xạ cảm
biến trong không khí ................................................................................................... 69
Hình 4.18. So sánh giữa kết quả thực nghiệm và tính toán mô phỏng quan hệ giữa độ
dịch bƣớc sóng và độ thay đổi chiết suất môi trƣờng ................................................. 70


10

LỜI MỞ ĐẦU
Tinh thể quang tử là một loại vật liệu mới có nhiều nét tƣơng đồng với tinh thể bán
dẫn. Tinh thể quang tử là một cấu trúc không gian tuần hoàn của các vật liệu có hằng số
điện môi khác nhau. Sự biến đổi tuần hoàn của hằng số điện môi làm xuất hiện vùng cấm
quang (photonic band gap - PBG) trong cấu trúc vùng (đƣợc hiểu là mối liên hệ giữa tần
số và số sóng) của tinh thể quang tử. PBG trong tinh thể quang tử có vai trò tƣơng tự vùng
cấm về năng lƣợng trong tinh thể chấ t rắ n . Tinh thể quang tử có thể cấm hoàn toàn sự lan
truyền của các sóng điện từ có bƣớc sóng trong vùng PBG mà không phụ thuộc vào sự
phân cực của ánh sáng. Trong các loại tinh thể quang tử, tinh thể quang tử một chiều là
loại tinh thể đơn giản nhất. Tuy nhiên tinh thể quang tử một chiều lại có những ƣu điểm
riêng nhƣ dễ dàng chế tạo hay dễ dàng nghiên cứu so với tinh thể quang tử hai chiề u hay
ba chiều và có thể đƣợc ứng dụng trong các trƣờng hợp không yêu cầu phải cấm hoàn

toàn (về mọi hƣớng) sự truyền qua hay bức xạ ánh sáng.
Hiện nay cảm biến quang là một trong những ứng dụng khá quan trọng trong kiểm
soát và bảo vệ môi trƣờng, thí dụ nhƣ chúng đƣợc sử dụng để xác định đƣợc các loại hóa
chất và nồng độ của chúng trong môi trƣờng thông qua sự thay đổi nhỏ của chiết suất.
Các cảm biến quang đang trên đà phát triển và thể hiện những ƣu điểm vƣợt trội nhƣ kích
thƣớc nhỏ, khối lƣợng nhẹ, độ nhạy cao, ít bị ảnh hƣởng bởi nhiễu xạ từ trƣờng và có độ
bền cao trong môi trƣờng khắc nghiệt. Do đó nhiều cảm biến quang có khả năng thay thế
các cảm biến truyền thống trong các ứng dụng đo thông số vật lý, hóa học hay sinh học.
Buồng vi cộng hƣởng phản hồi phân bổ Bragg, hay buồng vi cộng hƣởng FabryPerot, sƣ̉ du ̣ng cấu trúc tinh thể quang tử một chiều gồm
2 tấm gƣơng phản xạ Bragg
(DBR) nằm đối xứng với nhau qua lớp không gian sai hỏng của cấu trúc. Cả hai thành
phần gƣơng Bragg và lớp không gian sai hỏng đều ảnh hƣởng mạnh đến đặc tính của
buồng vi cộng hƣởng. Buồng vi cộng hƣởng này còn đƣợc biết đến nhƣ là bộ lọc băng
hẹp có độ rộng phổ chỉ vài nano mét hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ Bragg chế tạo
từ màng Silíc xốp đa lớp. Bƣớc sóng cộng hƣởng trong buồng vi cộng hƣởng rất nhạy với
những thay đổi của độ dày và chiết suất của các lớp xốp trong màng. Do đó, thông qua sự
dịch phổ của buồng vi cộng hƣởng mà ta có thể xác định sự thay đổi của chiết suất nếu
cho rằng chiều dày là cố định. Dựa vào đặc tính này chúng ta có thể sử dụng buồng vi
cộng hƣởng làm cảm biến cho các chất sinh hóa trong môi trƣờng lỏng hoặc khí. Ngày
nay, dựa trên công nghệ điện hóa phiến silíc chúng ta có thể chế tạo đƣợc buồng vi cộng
hƣởng Fabry-Perot có tính năng nhƣ một bộ cảm biến quang hóa học.
Trong luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu các đặc điểm cơ bản của các bộ cảm
biến chất lỏng sử dụng buồng vi cộng hƣởng trên cơ sở màng Silíc xốp đa lớp, đồng thời
tiến hành mô phỏng phổ phản xạ của cảm biến với một số chất lỏng khác nhau bằng


11

phƣơng pháp sai phân hữu hạn trên miền thời gian (FDTD) và phần quan trọng nhất là
chế tạọ buồng vi cộng hƣởng, tiến hành thử nghiệm cảm biến trên các dung môi hữu cơ.

Với những lý do trên và đồng thời dựa vào trang thiết bị hiện có của phòng thí
nghiệm tôi đã chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là:
“Nghiên cứu mô phỏng đặc tính lọc lựa ánh sáng buồng vi cộng hưởng phản hồi
phân bổ Bragg (DBR) theo cấu trúc đa lớp porous silicon ứng dụng trong các hệ sensor
quang”
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có bốn chƣơng với nội dung nhƣ
sau:
Chƣơng 1: Tổng quan cảm biến quang trên cơ sở buồng vi cộng hƣởng cấu trúc
tính thể quang tử một chiều.
Chƣơng 2: Phƣơng pháp nghiên cứu.
Chƣơng 3: Tính toán mô phỏng cảm biến quang trên cơ sở tinh thể quang tử một
chiều và hai chiều.
Chƣơng 4: Thực nghiệm chế tạo cảm biến quang và so sánh kết quả đo đạc với tính
toán mô phỏng.


12

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN CẢM BIẾN QUANG TRÊN CƠ SỞ BUỒNG VI
CỘNG HƢỞNG CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU

Chƣơng này trình bày khái quát về tinh thể quang tử và ứng dụng trong thực tế.
Qua đó trình bày buồng vi cộng hƣởng trên cơ sở màng đa lớp Silíc xốp là cơ sở để chế
tạo cảm biến quang. Chƣơng này cũng sẽ trình bày một số thông số quan trọng của cảm
biến quang.
1.1. Tổng quan về tinh thể quang tử và ứng dụng trong thực tế
1.1.1. Giới thiệu chung
Trong hai thâ ̣p niên qua, các hƣớng nghiên cứu mới đã chỉ ra rằng chúng ta có thể
tác động đến quá trình truyền sóng ánh sáng tƣơng tự nhƣ đã thực hiện với các điện tử
trong chất bán dẫn. Hiện nay chúng ta chế tạo đƣợc các vật liệu mới đƣợc gọi là tinh thể

quang tử có thể tác động đến quá trình lan truyền của ánh sáng mà cụ thể là các hạt
photon, qua đó điều khiển đƣợc đƣờng đi của ánh sáng theo mong muốn [8].
Các tinh thể quang tử PC (Photonic Crystal) là các cấu trúc bao gồm các vùng điện
môi cao thấp phân biệt nằm xen kẽ nhau có tính tuần hoàn. Tính chất tuần hoàn này đƣợc
thể hiện nhƣ hình 1.1 [8]. Tinh thể quang tƣ̉ 1D, 2D và 3D đƣợc phân loại bằng tính chất
tuần hoàn của chiết suất theo 1D; 2D và 3D tƣơng ứng trong không gian .

a)
b)
c)
Hình 1.1. Mô tả tính tuần hoàn điện môi của tinh thể quang tử trong không gian a) một
chiều (1D), b) hai chiều (2D) và c) ba chiều (3D).
Một trong những đặc điểm nổi bật của PC đó là tính cho ̣n lọc ánh sáng . Nó có thể
ngăn cản ánh sáng truyền đi từ một hƣớng nhất định với bƣớc sóng xác định nào đó. Cụ
thể đối với một cấu trúc PC nhất định luôn tồn tại một vùng cấm quang PBG (Photonic
Band Gap). Ánh sáng truyền đến cấu trúc có bƣớc sóng nằm trong vùng cấm quang sẽ bị
phản xạ ngƣợc trở lại. Có thể nói vùng cấm quang đóng vai trò tƣơng tự nhƣ vùng cấm


13

của chất bán dẫn. Lợi dụng tính chất này, chúng ta có thể chế tạo PCs phù hợp cho các
ứng dụng khác nhau: buồng vi cộng hƣởng, bộ lọc, ống dẫn sóng…. .

Hình 1.2. Mặt cắt trong không gian 3D, 2D và 1D của tinh thể quang tử.
1.1.2. Ứng dụng tinh thể quang tử trong thực tế
Quá trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng tinh thể quang tử đã chứng minh
đƣợc các đặc điểm nổi bật và hứa hẹn trong tƣơng lai sẽ làm thay đổi diện mạo của nền
công nghiệp truyền thông trên thế giới. Phạm vi ứng dụng của PCs vô cùng đa dạng và
phong phú. Trong khuôn khổ luận văn tôi chỉ nêu một số ứng dụng điển hình của PCs nhƣ

sau.
Tinh thể quang tử một chiều (PC- 1D) có tính chất phản xạ ánh sáng cao đối với
các ánh sáng có bƣớc sóng nhất định [3]. Nó là thành phần cơ bản cấu thành các thiết bị
nhƣ gƣơng điện môi, bộ lọc Fabry- Perot hay laser DBR…

Hình 1.3. Mô tả quá trình phản xạ của sóng điê ̣n từ khi truyền qua PC-1D
Đối với tinh thể quang tử hai chiều (PC- 2D) tồn tại khuyết tật đƣờng (line defect)
bên trong cấu trúc, các ánh sáng có bƣớc sóng (tần số) nằm trong vùng cấm quang sẽ bị
giam giữ bởi khuyết tật và truyền dọc theo hƣớng xác định. Cấu trúc này đƣợc gọi là ống
dẫn sóng (waveguide) và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong hệ thống thông tin quang nhƣ bộ
lọc quang hay cảm biến quang [8,12]…


14

Hình 1.4. Minh họa ống dẫn sóng theo cấu trúc PC- 2D
Tinh thể quang tử ba chiều (PC- 3D) có khả năng tạo ra vùng cấm quang hoàn toàn
đối với mọi loại ánh sáng phân cực phát ra từ các nguồn khác nhau. Nó có tiềm năng rất
lớn trong việc chế tạo các linh kiện cho máy tính quang học trong tƣơng lai.
1.2. Buồng vi cộng hƣởng sƣ̉ du ̣ng cấu trúc quang tử một chiều
1.2.1. Cấu tạo buồng vi cộng hƣởng
Tinh thể quang tử một chiều là cấu trúc mà sự tuần hoàn của hằng số điện môi chỉ
hƣớng theo một chiều xác định trong khi hai chiều còn lại là không đổi . Buồng vi cộng
hƣởng sƣ̉ du ̣ng cấu trúc tinh thể quang tử một chiều gồm
2 tấm gƣơng phản xạ Bragg
(DBR) nằm đối xứng với nhau qua lớp không gian. Cấu trúc của buồng vi cộng hƣởng
đƣợc trình bày trên hình 1.5 bao gồm DBR1, DBR2 là các gƣơng Bragg và lớp không
gian. Cả hai thành phần gƣơng Bragg và lớp không gian đều ảnh hƣởng mạnh đến đặc
tính của buồng cộng hƣởng và dƣới đây chúng ta sẽ lần lƣợt nghiên cứu chi tiết các thành
phần này [3,4].

Hình 1.5. Cấu tạo của buồng vi cộng hưởng có cấu trúc tinh thể quang tử một chiều.
Chiết suất của lớp không gian là ns và bề dày của lớp này là ds. Lớp không gian được đưa
vào giữa hai DBR đối xứng với chiết suất của các lớp là nH, nL và bề dày dH, dL.


15

1.2.1.1. Gƣơng phản xạ Bragg
Gƣơng phản xạ Bragg là cấu trúc nhiều lớp đƣợc hình thành bởi sự lặp đi lặp lại
tuần hoàn của một cặp gồm hai lớp điện môi có chiết suất khác nhau nH và nL có bề dày
tƣơng ứng dH và dL. Số cặp lớp điện môi này chính là chu kỳ N của gƣơng DBR. Sơ đồ
cấu trúc của một DBR đƣợc trình bày nhƣ hình 1.6.

Hình 1.6. Sơ đồ cấu trúc của một DBR tuần hoàn, ni và di là chiết suất và bề dày tưong
ứng của lớp i, N là số chu kỳ.
Khi một chùm sáng đƣợc chiếu đến gƣơng DBR thì xuất hiện hiện tƣợng nhiễu xạ
Bragg: hiện tƣợng giao thoa giữa chùm ánh sáng đến và chùm ánh sáng phản xạ tại mặt
phân cách giữa các lớp điện môi. Mô hình đơn giản của hiện tƣợng nhiễu xạ đƣợc trình
bày trong hình 1.7 [3], trong đó màng mỏng bao gồm nhiều cặp lớp giống hệt nhau, mỗi
cặp gồm hai lớp có chiết suất nH và nL khác nhau tƣơng ứng với độ dày dH và dL. Khi
màng mỏng đƣợc chiếu sáng , quá trình phản xạ sẽ xảy ra tại mỗi bề mặt giữa 2 lớp vật
liệu với chiết suất khác nhau . Trong trƣờng hợp màng mỏng chỉ gồm một lớp điện m ôi
trên đế, tia phản xạ là kết quả của sự giao thoa của hai tia: một tia phản xạ ở mặt trên của
màng mỏng (mặt phân cách giữa màng mỏng và không khí) và một tia phản xạ ở mặt
dƣới của màng mỏng (mặt phân cách giữa màng mỏng và đế). Trong trƣờng hợp của
màng mỏng đa lớp, tia phản xạ là kết quả của sự giao thoa của các tia phản xạ tại các mặt
phân cách. Bằng cách lựa chọn thích hợp giá trị của chiết suất và độ dày các lớp, chúng ta
có thể tạo ra phổ phản xạ khác nhau.

Hình 1.7. (a) Tia phản xạ và tia truyền qua trong trường hợp màng mỏng đơn lớp và (b)
trong trường hợp màng mỏng đa lớp.


16

Trong phần giải thích quá trình hình thành Silíc xốp, tôi sẽ chứng tỏ rằng Silíc xốp là
vật liệu thích hợp cho việc chế tạo màng mỏng đa lớp bởi vì chiết suất và chiều dày của
mỗi lớp Silíc xốp có thể đƣợc kiểm soát bằng cách thay đổi các thông số điện hóa trong
quá trình chế tạo.
1.2.1.2. Lớp không gian
Lớp không gian đƣợc đă ̣t giữa các lớp điện môi của gƣơng phản xạ Bragg nhằm phá
vỡ tính tuần hoàn về hằng số điện môi trong các gƣơng Bragg , đƣợc xem là một sai hỏng
trong cấ u trúc tinh thể quang tử . Chiết suất của lớp không gian có thể đúng bằng hoặc
khác giá trị chiết suất cao/thấp của gƣơng DBR. Bề dày (độ dày) quang học lớp sai hỏng
có thể bằng mô ̣t phầ n hai hoă ̣c bƣớc sóng cộng hƣởng của buồng vi cộng hƣởng sẽ đƣợc
trình bày trong phần sau [3,4].

Hình 1.8. Minh họa buồng vi cộng hưởng cấ u trúc tinh thể quang tử một chiề u : N=5;
nH=1,78 ; nL= 1,26 ; dH=91,29 nm ; dL= 128,96 nm ; dS= 515,87 nm và nS=1,26
1.2.2. Phổ phản xạ của buồng vi cộng hƣởng
Tƣơng tự tính chất tuần hoàn của trƣờng thế trong đơn tinh thể chấ t rắ n làm nảy
sinh ra vùng cấm năng lƣợng, tính chất tuần hoàn của hàm điện môi trong tinh thể quang
tử làm xuất hiện vùng cấm quang mà thể hiện trên phổ phản xạ là một dải bƣớc sóng với
độ phản xạ rất cao nhƣ trên hình 1.9 [4]. Lớp không gian của buồng vi cộng hƣởng đƣợc
xem nhƣ là một sai hỏng của tính tuần hoàn của hàm điện môi trong tinh thể quang tử.
Điều này tƣơng ứng với trạng thái cho phép trong vùng cấm quang mà thể hiện trên phổ
phản xạ là một khe hẹp với độ phản xạ đột ngột giảm xuống rất thấp thậm chí xấp xỉ bằng
không. Bƣớc sóng ứng với trạng thái cho phép này đƣợc gọi là bƣớc sóng cộng
hƣởng CH . Bƣớc sóng này có quan hệ với bề dày quang học lớp không gian và bề dày

quang học DBR nhƣ sau.


17

nS d S 

CH hoặc
nS d S  CH

nL d L  nH d H 

Hệ số phản xạ (%)

(1.1)

2

CH

(1.2)

4

100
80
60
40
20
0

450

480

510

540

570

600

630

Bước sóng (nm)

Hình 1.9. Phổ phản xạ buồng vi cộng hưởng: N= N=4.5/5; dH = 49.45 nm dL = 71.79
nm; dS= 143.59 nm; nH= 2.57; nL= 1.77; nS=nL =1.77. Bước sóng cộng hưởng CH =
508.31 nm.
Bƣớc sóng cộng hƣởng rất nhạy với những thay đổi của bề dày vật lý và chiết suất
của lớp không gian. Nói cách khác, bề dày quang học lớp không gian sẽ quyết định đến
bƣớc sóng cộng hƣởng của buồng vi cộng hƣởng [4].
1.3. Bộ lọc sóng có cấu trúc ghép cặp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng trên cơ sở tinh
thể quang tử hai chiều
1.3.1. Cấu trúc bộ lọc sóng
Tinh thể quang tử hai chiều là một cấu trúc tuần hoàn dọc theo hai trục của nó và
đồng nhất dọc theo trục thứ ba. Cấu trúc tinh thể quang tử này có vùng cấm quang trong
mặt phẳng xy, và đồng nhất dọc theo trục z [8]. Trong vùng cấm quang, không có trạng
thái truyền dẫn ánh sáng nào tồn tại và ánh sáng tới sẽ bị phản xạ ngay tại bề mặt cấu trúc.
Đây là một tính chất rất thú vị của PC- 2D so với các loại vật liệu khác mà từ đó chúng ta

có thể tạo ra đƣợc các cấu trúc vật liệu theo ý muốn có tính ứng dụng cao.
Trong cấu trúc PC- 2D chúng ta có thể tạo ra hốc cộng hƣởng (cavity) bằng cách
làm bất bình thƣờng đi một /mô ̣t số vị trí trong cấu trúc . Khi làm bất bình thƣờng đi một
hàng/cột điện môi hoặc một hàng/cột không khí trong cấu trúc chúng ta có thể tạo ra ống
dẫn sóng/hốc cộng hƣởng. Với bộ dẫn sóng sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử, thì hiệu
suất truyền sóng có thể đạt 100% [8,12]. Bộ lọc sóng có cấu trúc PC- 2D trên cơ sở ghép
cặp ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng gồm hai thành phần: hốc cộng hƣởng và ống dẫn


18

sóng. Tùy vào vị trí tƣơng đối của hai thành phần này mà ta sẽ có các bộ lọc sóng có tính
chất khác nhau. Trong khuôn khổ luận văn, tôi xét đến cả hai bộ lọc sóng cơ bản : ghép
trƣ̣c tiế p và ghép gián tiế p ống dẫn sóng- hốc cộng hƣởng. Cả hai loại bộ lọc sóng này
đƣợc trình bày lần lƣợt nhƣ sau.
Để dễ hình dung cấu trúc mạng tinh thể quang tử hai chiều, hình vẽ 1.10 sau đây
mô tả cấu trúc mạng PC- 2D mạng hình vuông của những cột điện môi hình trụ với bán
kính r  0,2a (a là hằng số mạng), hằng số điện môi  = 11.68 đƣợc đặt trong không khí
[8].

Hình 1.10. Cấu trúc mạng tinh thể quang tử 2D mạng hình vuông với bán kính cột điện
môi r = 0,2a và hằng số điện môi  = 11.68 được đặt trong không khí .
Hố c cộng hƣởng đƣợc tạo ra bằng cách làm mất đi một cột điện môi (khuyết tật
điểm) với bán kính r = 0,2a và hằng số điện môi  =11,68 trong cấu trúc tinh thể quang tử
2D mạng hình vuông nhƣ dƣới đây.

Hình 1.11. Minh họa cấu trúc tinh thể quang tử 2D mạng tinh thể hình vuông bị mất một
cột điện môi với bán kính r = 0,2a và  =11,68 (khuyết tật điểm).
Bộ dẫn sóng sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều đƣợc tạo ra bằng cách
làm mất đi một hàng cột điện môi (khuyết tật đƣờng) với bán kính r = 0,2a và hằng số

19

điện môi  = 11,68 theo hƣớng xác định nhƣ hình dƣới đây. Khi ánh sáng truyền bên
trong ống dẫn sóng với các tần số (bƣớc sóng) nằm trong vùng cấm quang, chúng sẽ bị
giam giữ và bị giới hạn bởi khuyết tật và chỉ có thể truyền dọc theo hƣớng của bộ dẫn
sóng. Với ống dẫn sóng sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử hai chiề u này, ánh sáng có thể
đƣợc truyền với hiệu suất 100% [8,12]. Nói cách khác, cấu trúc PC- 2D có khuyết tật
đƣờng cho phép truyền ánh sáng tại tần số nằm trong dải tần cấm quang của PC- 2D và
đây chính là bộ lọc thông dải.

Hình 1.12. Minh họa cấu trúc PC-2D mạng hình vuông bị mất một hàng cột điện môi với
bán kính r = 0,2a và  =11,68 (khuyết tật hàng)
Bộ lọc sóng ghép cặp trực tiếp/gián tiếp ống dẫn sóng và hốc cộng hƣởng đƣợc
minh họa nhƣ các hình vẽ 1.13 và 1.14 sau.

Hình 1.13. Minh họa bộ lọc sóng ghép cặp trực tiếp hố c cộng hưởng- ống dẫn sóng


20

Hình 1.14. Minh họa bộ lọc sóng ghép cặp gián tiếp hố c cộng hưởng- ống dẫn sóng

Hệ số truyền qua (%)

1.3.2. Phổ truyền qua của bộ lọc sóng
Bộ lọc sóng ghép cặp trực tiếp hốc cộng hƣởng- ống dẫn sóng có khuyết tật điểm
nằm bên trong khuyết tật đƣờng nhƣ hình 1.13 nên chỉ có ánh sáng có bƣớc sóng (tần số)
đúng bằng bƣớc sóng (tần số) cộng hƣởng của hố c cộng hƣởng sẽ truyền qua đƣợc cấu

trúc. Điều này tƣơng ứng với phổ truyền qua của bộ lọc sóng sẽ tồn tại một bƣớc sóng mà
ở đó hệ số truyền qua xấp xỉ bằng 100 %. Cụ thể phổ truyền qua của bộ lọc sóng này
đƣợc diễn tả nhƣ hình 1.15 [8].

100
80
60
40
20
0
1500

1525

1550

1575

1600

Bước sóng (nm)
Hình 1.15. Phổ truyền qua cấu trúc ghép cặp trực tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hưởng. Ở
đây bước sóng cộng hưởng có độ truyền qua xấp xỉ bằng 1 là 1550 nm


21

Hình 1.16. Minh họa quá trình lan truyền sóng trong bộ lọc sóng ghép cặp trực tiếp ống
dẫn sóng- hốc cộng hưởng. Bước sóng ánh sáng truyền qua được cấu trúc là 1550 nm
Đối với bộ lọc sóng ghép cặp gián tiếp hốc cộng hƣởng- ống dẫn sóng thì khuyết

tật điểm nằm sát bên khuyết tật đƣờng nhƣ hình 1.14 nên ánh sáng có bƣớc sóng (tần số)
đúng bằng bƣớc sóng (tần số) cộng hƣởng của hố c cộng hƣởng sẽ bị giam giữ bên trong
cấu trúc. Nói cách khác ánh sáng có bƣớc sóng này sẽ không thể truyền qua cấu trúc. Điều
này tƣơng ứng với phổ truyền qua của bộ lọc sóng sẽ tồn tại một bƣớc sóng mà ở đó hệ số
truyền qua xấp xỉ bằng 0. Cụ thể phổ truyền qua của bộ lọc sóng này nhƣ sau [8].

Hệ số truyền qua (%)

100
80
60
40
20
0
1460

1500

1540

1580

1620

1660

Bước sóng (nm)

Hình 1.17. Phổ truyền qua cấu trúc ghép cặp gián tiếp ống dẫn sóng và bộ cộng hưởng.
Ở đây bước sóng cộng hưởng có hệ số truyền qua xấp xỉ bằng 0 là 1550 nm.

22

Hình 1.18. Biểu diễn trường của ánh sáng lan truyền sóng trong bộ lọc sóng ghép cặp
gián tiếp ống dẫn sóng- hốc cộng hưởng. Bước sóng ánh sáng không truyền qua được cấu
trúc là 1550 nm đúng bằng bước sóng cộng hưởng của hốc cộng hưởng.
Bƣớc sóng cộng hƣởng này phụ thuộc vào đặc điểm cấu trúc của bộ lọc sóng (nhƣ
bán kính cột điện môi) và phụ thuộc vào chiết suất của môi trƣờng xung quanh các cột
điện môi. Trong các phần tiếp theo của luận văn chúng tôi sẽ chứng tỏ rằng sự thay đổi
chiết suất môi trƣờng sẽ dẫn đến sự thay đổi của bƣớc sóng cộng hƣởng bộ lọc sóng ghép
gián tiếp hốc cộng hƣởng- ống dẫn sóng. Đây là cơ sở để ứng dụng cảm biến quang chất
lỏng sau này.
1.4. Quy trình chế tạo màng đa lớp Silíc xốp
1.4.1. Quá trình ăn mòn điện hóa phiến Silíc
Hiện nay phƣơng pháp chế tạo tinh thể quang tử 1D dựa trên màng Silíc xốp đa lớp
theo quy trình ăn mòn điện hóa đang rất đƣợc quan tâm do có thể điều khiển tƣơng đối
chính xác chiết suất và độ dày các lớp. Từ đó tạo ra buồng vi cộng hƣởng nhƣ ý muốn
bằng cách tạo ra các khuyết tật (sai hỏng) trong tinh thể quang tử 1D, tạo tiền đề cho phát
triển laser hay cảm biến hóa sinh…
Hiện nay Silíc xốp có thể đƣợc tạo ra bằng rất nhiều phƣơng pháp chế tạo. Phƣơng
pháp ăn mòn điện hóa là một trong những phƣơng pháp đơn giản để tạo ra Silíc xốp. Cụ
thể, việc điện hóa phiến Silíc trong các dung dịch có chứa HF sẽ tạo ra Silíc xốp với các
đặc tính nhƣ mong muốn [3,4,5].
Một sơ đồ đơn giản của một hệ điện hóa Silíc xốp đƣợc trình bày trên hình 1.19. Bề
mặt của một phiến Silíc đã có tiếp xúc Ohmic ở mặt sau đƣợc đặt tiếp xúc với dung dịch
có chứa HF. Sau khi đặt một điện thế (có chiều thích hợp) giữa mặt tiếp xúc phía sau của
phiến Silíc và một điện cực (thƣờng bằng platinum ) đƣợc đặt trong dung dịch HF , quá
trình hình thành các lỗ xốp (pores) đƣợc bắt đầu bằng việc hòa tan Silíc trong dung dịch

23

HF dƣới tác dụng của dòng điện. Khi đó những thông số cơ bản của Silíc xốp đƣợc thiết
lập một cách chính xác.

Hình 1.19. Sơ đồ của hệ điện hóa Silíc
Sự hòa tan Silíc chỉ xảy ra dƣới chế độ phân cực a-nốt. Ở thế phân cực a-nốt cao,
bề mặt Silíc sẽ đƣợc đánh bóng. Ngƣợc lại, ở thế phân cực thấp, hình thái học bề mặt chủ
yếu là các lỗ xốp có dạng nhƣ các kênh ăn sâu vào khối Silíc [3]. Việc tạo ra các lỗ xốp
chỉ xảy ra tại các giá trị điện thế thấp hơn giá trị điện thế ngƣỡng ứng với cực đại đầu tiên
của mật độ dòng trong đƣờng cong V-A. Mật độ dòng cực đại này gọi là dòng đánh bóng
điện cực Jps.
1.4.2. Cơ sở hóa học của quá trình hình thành Silíc xốp
Để tạo ra Silíc xốp, dòng điện ở phía Silíc bề mặt phân cách Si/HF cần phải mang
lỗ trống. Khi đó các lỗ trống đƣợc tiêm vào theo chiều từ khối Silíc đến bề mặt tiếp giáp.
Mật độ dòng cần phải đƣợc giữ giữa giá trị 0 và giá trị ngƣỡng đánh bóng điện cực Jps.
Nhằm đạt đƣợc dòng lỗ trống có giá trị đáng kể trong Silíc loại n, sự chiếu sáng từ bên
ngoài vào mẫu là cần thiết và điều này phụ thuộc vào mức độ pha tạp của đế Silíc. Nếu
vƣợt qua mức đánh bóng điện cực, quá trình a-nốt hóa sẽ dẫn đến ăn mòn hoàn toàn bề
mặt của Silíc [5]. Hình 1.20 sau đây minh họa quá trình ăn mòn điện hóa phiến Silíc.

Hình 1.20. Quá trình ăn mòn Silíc theo phương pháp điện hóa