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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CƠNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ
-----***-----

Hồng Thu Trang

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CẤU TRÚC TINH THỂ
QUANG TỬ 1D VÀ 2D ỨNG DỤNG CHO LINH KIỆN
LƯỠNG TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội - 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CƠNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ
-----***-----

Hồng Thu Trang

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CẤU TRÚC TINH THỂ
QUANG TỬ 1D VÀ 2D ỨNG DỤNG CHO LINH KIỆN

LƯỠNG TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH
Chuyên ngành: Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử
Mã số: 9.44.01.27

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Ngô Quang Minh
2. GS.TS. Arnan Mitchell

Hà Nội - 2020


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi, dưới sự hướng dẫn
của PGS.TS. Ngô Quang Minh và GS.TS. Arnan Mitchell. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận án là trung thực và chưa được cơng bố trong các cơng trình khác.

NGHIÊN CỨU SINH

HỒNG THU TRANG


ii

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đối với sự hướng dẫn tận tình
của hai thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS. Ngô Quang Minh và GS.TS. Arnan Mitchell.

Các thầy đã ln tận tình hướng dẫn, định hướng kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi
nhất để tơi hồn thành luận án này.
Tơi xin cảm ơn sự giúp đỡ và khích lệ của GS.TS. Vũ Đình Lãm, TS. Lê
Quang Khải đã dành cho tôi trong những năm qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự cộng tác và giúp đỡ của các anh chị đồng
nghiệp tại Phòng Vật liệu và Ứng dụng Quang sợi, Viện Khoa học Vật liệu, Viện
Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, nơi tơi hồn thành luận án.
Tơi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi của cơ sở đào
tạo là Học viện Khoa học và Công nghệ cùng Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, cơ quan mà tơi cơng tác, trong q trình
thực hiện luận án.
Sau cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình và
bạn bè đã động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tơi hồn thành luận án này.

NGHIÊN CỨU SINH

HOÀNG THU TRANG


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
Danh mục các chữ viết tắt
Danh mục các ký hiệu
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Danh mục các bảng

MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Cấu trúc tinh thể quang tử
1.1.1. Tổng quan về cấu trúc tinh thể quang tử
1.1.2. Cấu trúc tinh thể quang tử một chiều và cách tử dẫn sóng
1.1.2.1. Khái niệm cấu trúc tinh thể quang tử một chiều
1.1.2.2. Giản đồ vùng cấm quang
1.1.2.3. Buồng cộng hưởng
1.1.2.4. Cấu trúc cách tử dẫn sóng
1.1.3. Cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều
1.1.3.1. Khái niệm
1.1.3.2. Vùng Brillouin
1.1.3.3. Mode dẫn sóng: điện trường ngang (TE) và từ trường ngang (TM)
1.1.3.4. Giản đồ năng lượng


iv

1.1.3.5. Giam giữ ánh sáng trong cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều
1.1.4. Ứng dụng của cấu trúc tinh thể quang tử
1.2. Linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định
1.2.1. Khái niệm chung về chuyển mạch quang
1.2.2. Nguyên lý lưỡng ổn định quang học
1.2.3. Ứng dụng của linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định
1.3. Kết luận chương 1
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG
2.1. Lý thuyết ghép cặp mode theo thời gian
2.2. Phương pháp khai triển sóng phẳng
2.3. Phương pháp đạo hàm hữu hạn trong miền thời gian
2.4. Kết luận chương 2

CHƯƠNG 3. TỐI ƯU HÓA HỆ SỐ PHẨM CHẤT VÀ PHỔ CỘNG
HƯỞNG CỦA CẤU TRÚC CÁCH TỬ DẪN SĨNG
3.1. Cộng hưởng dẫn sóng trong cấu trúc cách tử và lý thuyết dẫn sóng
cộng hưởng
3.1.1. Cộng hưởng dẫn sóng trong cấu trúc cách tử
3.1.2. Lý thuyết dẫn sóng cộng hưởng
3.2. Cộng hưởng bất đối xứng dạng Fano
3.2.1. Cơ sở lý thuyết
3.2.2. Cộng hưởng dạng Fano trong cấu trúc quang tử
3.3. Tối ưu hóa hệ số phẩm chất và phổ cộng hưởng của cấu trúc cách tử
dẫn sóng
3.3.1. Cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng kết hợp với màng mỏng kim loại


v

3.3.1.1. Đặc trưng phản xạ của màng mỏng kim loại trong cấu trúc đơn cách
tử dẫn sóng
3.3.1.2. Đặc trưng cộng hưởng trong cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng nhờ sự có
mặt của hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt
3.3.2. Cấu trúc ghép hai đơn cách tử dẫn sóng
3.3.3. Cấu trúc cách tử dẫn sóng dựa trên màng mỏng đa lớp
3.4. Kết luận chương 3
CHƯƠNG 4. LƯỠNG TRẠNG THÁI QUANG ỔN ĐỊNH TRONG CẤU
TRÚC CÁCH TỬ DẪN SÓNG
4.1. Lưỡng trạng thái quang ổn định trong cấu trúc cách tử dẫn sóng kết
hợp với màng mỏng kim loại
4.1.1. Hiệu ứng tăng cường phản xạ của màng mỏng kim loại
4.1.2. Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt
4.2. Lưỡng trạng thái quang ổn định trong cấu trúc ghép hai đơn cách tử

dẫn sóng
4.3. Lưỡng trạng thái quang ổn định trong cấu trúc cách tử dẫn sóng dựa
trên màng mỏng đa lớp
4.4. Kết luận chương 4
CHƯƠNG 5. LƯỠNG TRẠNG THÁI QUANG ỔN ĐỊNH DỰA TRÊN
SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA CỘNG HƯỞNG VÀ DẪN SÓNG KHE HẸP
TRONG CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ HAI CHIỀU
5.1. Linh kiện quang tử và cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều trên nền
vật liệu silic
5.1.1. Vật liệu quang tử silic
5.1.2. Sự cần thiết của vật liệu lai silic và hữu cơ
5.2. Kênh dẫn sóng và buồng cộng hưởng dạng khe hẹp
5.2.1. Kênh dẫn sóng dạng khe hẹp
5.2.2. Buồng cộng hưởng dạng khe hẹp


vi

5.2.2.1. Thể tích mode cộng hưởng
5.2.2.2. Buồng cộng hưởng dạng khe hẹp
5.3. Sự tương tác giữa buồng cộng hưởng và kênh dẫn sóng dạng khe hẹp
5.3.1. Cấu trúc ghép trực tiếp nhiều buồng cộng hưởng qua kênh dẫn sóng
dạng khe hẹp
5.3.1.1 Mơ hình lý thuyết
5.3.1.2 Kết quả mơ phỏng
5.3.2. Cấu trúc ghép gián tiếp nhiều buồng cộng hưởng qua kênh dẫn sóng
dạng khe hẹp
5.3.2.1 Mơ hình lý thuyết
5.3.2.2 Kết quả mô phỏng
5.4. Lưỡng trạng thái quang ổn định

5.5. Kết luận chương 5
KẾT LUẬN CHUNG
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
TÀI LIỆU THAM KHẢO


vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tiếng Anh
Auxiliary Differential Equation
Available Highly Effective
Boundary Conditions
Carbon Nanotubes
Complementary Metal Oxide
Semiconductor
Coupled Mode Theory in Time
Cross Phase Modulation
Distributed Bragg Reflectors
Figure of Merit
Finite-Difference Time-Domain
Four Wave Mixing
Free Carrier Absorption
Full-Width at Half-Maximum
One Dimensional
Perfect Matched Layer
Photonic Band Gap
Photonic Crystals
Photonic Integrated Circuits

Plane Wave Expansion
Recursive Convolution
Rigorous Coupled-Wave Theory
Self Phase Modulation
Silicon Organic Hybrid
Silicon On Insulator
Surface Plasmon Polaritons


viii

Stimulated Raman Scattering
Three Dimensional
Transverse Electric
Two Dimensional
Transverse Magnetic
Two Photon Absorption


ix

Ký hiệu


λo
Iin
neff
δ
t
d


a
F
Q



2
3
ω
ω0
ωL
τ
c
T(ω)


x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Tên hình

Nội dung

Hình 1.1

Ba loại cấu trúc PhCs (a) 1D, (b) 2D và (c) 3D.

Hình 1.2

Minh họa các cách sắp xếp của đơn tinh thể tạo nên các cấu trúc PhCs
với các đối xứng khác nhau. a) lập phương đơn, b) lục giác đơn, c) lập
phương tâm thể, d) lập phương tâm mặt, e) lục giác xếp chặt, f) mạng
kim cương.

Hình 1.3

Hai loại mạng tinh thể của cấu trúc PhCs 2D. (a) Mạng tinh thể hình
vng (b) Mạng tinh thể hình lục giác.

Hình 1.4

Màng đa lớp, cấu trúc PhCs 1D gồm các lớp vật liệu có chiết suất khác
nhau nằm xen kẽ nhau tuần hồn (chu kỳ a) theo trục z.

Hình 1.5

Giản đồ vùng PBG đối với 3 cấu trúc. Hình (a) cấu trúc đồng nhất có
hằng số điện mơi ε = 13, (b) hằng số điện môi của 2 lớp lần lượt là ε =
13 và 12, và (c) hằng số điện môi của 2 lớp lần lượt là ε = 13 và 1.

Hình 1.6

Sơ đồ cấu trúc của một gương DBR tuần hoàn với n1 và n2 là chiết suất
của hai lớp vật liệu; d1 và d2 là bề dày tương ứng.

Hình 1.7

(a) Tia phản xạ và tia truyền qua trong trường hợp màng mỏng đơn lớp

và (b) trong trường hợp màng mỏng đa lớp.

Hình 1.8

Sơ đồ cắt ngang của một buồng vi cộng hưởng. Chiết suất của lớp đệm
là ns và bề dày là ds. Lớp đệm được đưa vào giữa hai gương DBR đối
xứng với chiết suất của các lớp là n1, n2 và bề dày d1 và d2.

Hình 1.9

Cấu trúc cách tử dẫn sóng.

Hình 1.10

Phản xạ Bragg.

Hình 1.11

Cấu trúc PhCs 2D: (a) Cấu trúc điện mơi hình trụ dài trong khơng khí
và hình trụ khơng khí trong nền điện mơi (b).

Hình 1.12 (a) Khơng gian mạng thực, (b) khơng gian mạng đảo và (c) vùng
Brillouin của cấu trúc PhCs mạng tinh thể hình vng.
Hình 1.13 (a) Khơng gian mạng thực, (b) không gian mạng đảo và (c) vùng
Brillouin của cấu trúc PhCs mạng tinh thể hình lục giác.
Hình 1.14

Mơ tả sự phân cực (a) mode TE, (b) mode TM.

xi

Hình 1.15 Giản đồ năng lượng: (a) các hình trụ điện mơi bán kính r = 0,2a, hằng
số điện mơi ε = 12 trong khơng khí, (b) các hình trụ khơng khí bán kính
r = 0,3a trong nền điện mơi ε = 12.
Hình 1.16 Linh kiện tích hợp kênh dẫn sóng và buồng cộng hưởng sử dụng cấu
trúc PhCs 2D.
Hình 1.17 Các loại buồng cộng hưởng: (a) buồng cộng hưởng loại H0, (b) buồng
cộng hưởng loại H1 và phân bố điện từ trường bên trong buồng cộng
hưởng, (c) buồng cộng hưởng loại L3, (d) buồng cộng hưởng dị
thường.
Hình 1.18 (a) Cấu trúc buồng cộng hưởng có khe hẹp với vị trí các hố khơng khí
bị thay đổi. (b) Cấu trúc buồng cộng hưởng có khe hẹp dị thường. (c)
Cấu trúc buồng cộng hưởng khe hẹp có độ dài thay đổi L = 9a (d) Cấu
trúc buồng cộng hưởng khe hẹp được tạo ra bằng cách thay đổi độ rộng
của khe hẹp.
Hình 1.19 Đường cong tán sắc của kênh dẫn sóng sử dụng cấu trúc PhCs 2D mạng
tinh thể hình lục giác theo hướng  K . Phân bố điện trường bên trong
kênh dẫn sóng.
Hình 1.20 (a) Kênh dẫn sóng sử dụng cấu trúc PhCs 2D, (b) Phân bố điện từ
trường bên trong kênh dẫn sóng, (c) Kênh dẫn sóng bẻ cong sử dụng
cấu trúc PhCs 2D, (d) Phân bố điện từ trường bên trong kênh dẫn sóng
bẻ cong.
Hình 1.21 (a) Khe dẫn sóng hẹp, (b) Dải dẫn sóng bên của khe dẫn sóng nằm
trong vùng PBG, (c) và (d) là phân bố điện từ trường bên trong khe dẫn
sóng
Hình 1.22 (a) Bộ lọc sóng quang học sử dụng cấu trúc PhCs 2D, (b) Phổ truyền
qua của bộ lọc.
Hình 1.23

Kênh dẫn sóng uốn cong sử dụng cấu trúc PhCs 2D.

Hình 1.24 (a) Bộ chia quang học sử dụng cấu trúc PhCs 2D. (b) Phổ truyền qua
của bộ chia quang.
Hình 1.25

(a) Sơ đồ minh họa sự hội tụ của ánh sáng sử dụng tấm phẳng làm từ


xii

siêu vật liệu có chiết xuất âm nˆ 1 , với độ dày D. Nguồn sáng điểm P
đặt tại vị trí cách bề mặt trái của tấm phẳng một khoảng L. Ảnh của
nguồn sáng điểm P có thể được quan sát thấy tại điểm P ' tại vị trí cách
bề mặt bên phải của tấm phẳng một khoảng cách là (D – L). (b) Kết quả
mô phỏng sự truyền ánh sáng qua siêu thấu kính phẳng sử dụng cấu
trúc PhCs 2D.
Hình 1.26
Hình 1.27

Sự truyền ánh sáng chậm bên trong cấu trúc PhCs 2D.
Cấu trúc PhCs 2D bên trong sợi quang học.
(a) Buồng cộng hưởng bên trong cấu trúc PhCs 2D. (b) Hoạt động

Hình 1.28
Hình 1.29
Hình 1.30
Hình 1.31
Hình 1.32
Hình 1.33

lưỡng trạng thái ổn định.
(a) 1 x 1 chuyển mạch hai đường kết nối hoặc không kết nối, (b) 1 x 2
chuyển mạch một đường kết nối với hai đường khác, (c) 2 x 2 chuyển
mạch hai đường kết nối với hai đường. (d) N x N chuyển mạch N
đường kết nối với N đường.
Nguyên lý hoạt động của linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định.
Đồ thị f(Ira) có dạng hình chng.
Mối quan hệ vào-ra khi hàm truyền qua f có dạng hình chng.
Mối quan hệ ra - vào của hệ lưỡng trạng thái quang ổn định. Đường đứt

Hình 1.34
Hình 1.35

nét biểu diễn trạng thái không ổn định.
Mối quan hệ ra-vào của hệ lưỡng trạng thái ổn định.
Các mạch logic quang.

Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6

Mạch dao động LC (C là điện dung và L là độ tự cảm).
Mô tả vị trí của các véc tơ điện trường và từ trường trong ơ Yee.
Mơ hình minh họa việc tính tốn E và H tại các thời điểm khác nhau
trong không gian.
Đối xứng quay 180° (C2) của cấu trúc có dạng hình chữ S.

(a) Cấu trúc bộ lọc quang học; (b,c) là phổ truyền qua và phổ phản xạ
của cấu trúc được trình bày trong bài báo.
Các kết quả mơ phỏng sử dụng phương pháp FDTD: (a) cấu trúc bộ lọc


xiii

quang học, (b,c) Phổ truyền qua và phổ phản xạ của cấu trúc.
Hình 2.7

(a) Cấu trúc bộ lọc quang học với 5 kênh đầu ra. (b) Phổ truyển qua tại
các kênh đầu ra A, B, C, D, E được trình bày trong bài báo [109].

Hình 2.8

Kết quả mơ phỏng kiểm chứng lại của luận án sử dụng phương pháp
FDTD. (a) Cấu trúc bộ lọc quang học, (b) Phổ truyền qua tại các kênh
đầu ra.

Hình 3.1

(a) Ánh sáng chiếu tới phiến điện môi khối, (b) Hệ số phản xạ thu được
khi ánh sáng phản xạ qua phiến điện môi khối, (c) Ánh sáng chiếu tới
cấu trúc cách tử dẫn sóng, (d) Hệ số phản xạ thu được khi ánh sáng
phản xạ qua cấu trúc cách tử dẫn sóng.

Hình 3.2

Ánh sáng truyền qua cấu trúc cách tử: (a) không xuất hiện cộng hưởng
dẫn sóng GMRs và (b) xuất hiện cộng hưởng dẫn sóng GMRs. Phân bố

điện trường của ánh sáng tới từ bên ngồi và mode dẫn sóng bên trong
cấu trúc được chỉ ra như trong các hình nhỏ.

Hình 3.3

(a) Ánh sáng chiếu tới phiến điện môi kim loại khối, (b) Hệ số phản xạ
thu được khi ánh sáng phản xạ qua phiến điện môi kim loại khối, (c)
Ánh sáng chiếu tới cấu trúc cách tử điện môi kim loại, (d) Hệ số phản
xạ thu được khi ánh sáng phản xạ qua cấu trúc cách tử điện mơi kim
loại.

Hình 3.4

Cách tử dẫn sóng.

Hình 3.5

(a) Sơ đồ của hai dao động dưới tác dụng của lực bên ngoài. (b, c) Sự
phụ thuộc tần số cộng hưởng vào biên độ dao động cưỡng bức c1 và c2.

Hình 3.6

Minh họa cơng thức (3.13) cho q trình hình thành phổ cộng hưởng
dạng Fano.

Hình 3.7

Phổ cộng hưởng Fano với các giá trị hệ số bất đối xứng q khác nhau.

Hình 3.8

Phổ cộng hưởng dạng Lorentzian.

Hình 3.9

Cộng hưởng Fano trong tán xạ Mie. Tán xạ Mie của một hình trụ điện
mơi có chiết suất cao (ε = 60) được nhúng trong khơng khí (ε = 1).

Hình 3.10

Cộng hưởng Fano trong cấu trúc 0 chiều: (a) Cấu trúc hình khối cầu và
(b) cấu trúc hình trụ điện mơi.


xiv

Hình 3.11

Cộng hưởng Fano trong cấu trúc: (a) 1 chiều và (b) 2 chiều.

Hình 3.12 Các cấu trúc được tối ưu hóa từ cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng. (a) Cấu
trúc đơn cách tử, (b,c) Cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng kết hợp với màng
mỏng kim loại, (d,e) Cấu trúc ghép các đơn cách tử dẫn sóng.
Hình 3.13 (a) Cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng. (b) Phổ phản xạ thu được với các giá
trị độ ăn mòn cách tử δ khác nhau.
Hình 3.14 (a) Cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng kết hợp với lớp kim loại Ag được
đưa vào giữa lớp dẫn sóng và lớp đế. (b) Phổ truyền qua và phổ phản
xạ đối với độ dày lớp Ag khác nhau.
Hình 3.15 Cấu trúc đơn cách tử dẫn sóng kết hợp với màng mỏng kim loại được
điền đầy bằng vật liệu DDMEBT.

Hình 3.16 Giản đồ bước sóng thay đổi theo véctơ sóng k|| trong trường hợp góc
của ánh sáng tới nhỏ trong cấu trúc với độ rộng w và độ dày t khác
nhau: (a) t = 300 nm và độ rộng cách tử w thay đổi, (b) w = 150 nm và
độ dày t thay đổi.
Hình 3.17 (a) Phổ phản xạ tuyến tính của cấu trúc cách tử điện môi kết hợp với
màng mỏng kim loại có độ dày cách tử t = 300 nm và độ rộng cách tử
lần lượt là w = 150nm, w = 120nm. (b), (c), (d) là phân bố điện trường
trong 3 ơ đơn vị tại 2 bước sóng 1548 nm và 1557 nm với độ rộng cách
tử w khác nhau.
Hình 3.18 Cấu trúc ghép hai đơn cách tử dẫn sóng. Hai đơn cách tử được đặt cách
nhau một khoảng d và có độ lệch s.
Hình 3.19 Phổ phản xạ của cấu trúc ghép hai đơn cách tử dẫn sóng được sắp xếp
thẳng hàng s = 0.
Hình 3.20 (a) Phổ phản xạ đối với các độ lệch s khác nhau, (b) dải cộng hưởng F2
và F2 bậc 2 khi độ lệch s = 100 nm, 150 nm.
Hình 3.21 Cấu trúc màng mỏng đa lớp bao gồm N cặp As2S3/SiO2 giống hệt nh
được sắp xếp xen kẽ nhau.
Hình 3.22 Phổ truyền qua của cấu trúc có 3 cặp lớp vật liệu As 2S3/SiO2 với các độ
rộng cách tử w khác nhau: (a) trong dải bước sóng dài và (b) trong dải
bước sóng ngắn. Hình nhỏ bên cạnh là phân bố điện trường tại đỉnh


xv

cộng hưởn
Hình 3.23

Sự phụ th

N trong (a

Hình 3.24

Đặc trưng

khi số cặp
Hình 4.1

Đặc trưng

khác nhau

qua đối vớ
Hình 4.2

Sự phụ thu
vào hệ số

Hình 4.3

Hiệu ứng

tả trong H
Hình 4.4

Phân bố đ

sóng hoạt

(a) opt =
15,7x10

Hình 4.5

-4

1557 nm;
Lưỡng trạ

xếp thẳng
Hình 4.6

Lưỡng trạ

khác nhau
Hình 4.7

Lưỡng trạ

khi độ lệc
Hình 4.8

Lưỡng trạ

khi độ lệc
Hình 4.9

Lưỡng trạ

với độ rộn

b,d) hoạt đ

ngắn (Hìn
Hình 4.10

Sự phụ th

trường hợ


xvi

Hình 5.1

(a) Cấu trúc PhCs 2D trên nền SOI. (b) Ảnh SEM chụp từ bề mặt cấu
trúc.

Hình 5.2

Mạch quang tích hợp trên nền SOI.

Hình 5.3

Mơ tả sự kích thích lưỡng cực điện và sơ đồ mức năng lượng. (a) Một
sóng điện từ trường với điện trường E đi qua một nguyên tử và tạo ra
dao động lưỡng cực P(E). (b) Sơ đồ mức năng lượng cho thấy sự
chuyển tiếp lưỡng cực của một photon có thể đóng góp cho sự thay đổi
chiết suất (trái) hoặc sự hấp thụ sóng mang tự do (phải). (c) Sơ đồ
chuyển tiếp lưỡng cực phi tuyến bậc ba.

Hình 5.4

Bốn cấu trúc kênh dẫn sóng silic và sự phân bố điện trường bên trong
các kênh dẫn sóng. (a) Ống dẫn sóng thẳng có lõi chứa vật liệu phi
tuyến. (b) Ống dẫn sóng thẳng có lớp vỏ làm bằng vật liệu phi tuyến.
(c) Kênh dẫn sóng dạng khe hẹp được điền đầy bằng vật liệu phi
tuyến.
(d)

Hình 5.5

Kênh dẫn sóng dạng khe hẹp trong cấu trúc PhCs 2D.

Giản đồ liên hệ giữa hệ số truyền sóng và chiết suất hiệu dụng của cấu
trúc.

Hình 5.6 (a) Cấu trúc PhCs 2D mạng tinh thể hình lục giác của các hình trụ được
điền đầy bằng vật liệu DDMEBT bán kính r = 0,3a, hằng số mạng a =
380 nm trên nền vật liệu SOH. (b) Vùng PBG của cấu trúc PhCs
2D,
(1) là giới hạn dẫn ánh sáng trong lớp vật liệu DDMEBT, (2) là giới
hạn dẫn ánh sáng trong lớp đế, (3) là giới hạn dẫn ánh sáng trong lớp
khơng khí.
Hình 5.7 (a) Kênh dẫn sóng sử dụng cấu trúc PhCs 2D mạng tinh thể hình lục giác
của các hình trụ DDMEBT bán kính r = 0,3a, hằng số mạng a =
380 nm trên nền vật liệu SOH, (b) Giản đồ năng lượng của kênh dẫn
sóng, (c) Phân bố điện từ trường bên trong kênh dẫn sóng.
Hình 5.8

(a) Kênh dẫn sóng dạng khe hẹp có độ rộng d sử dụng cấu trúc PhCs
2D mạng tinh thể hình lục giác của các hình trụ DDMEBT bán kính r =

0,3a, hằng số mạng a = 380 nm, (b) Giản đồ năng lượng của kênh dẫn
sóng dạng khe hẹp, (c) Phân bố điện từ trường bên trong kênh dẫn sóng
dạng khe hẹp.


xvii

Hình 5.9

Các dải dẫn sóng tương ứng với độ động khe hẹp d khác nhau.

Hình 5.10 (a) Buồng cộng hưởng có độ rộng khe hẹp d = 50 nm, chiều dài khe hẹp
L và độ rộng vách ngăn sóng điện từ d = 120 nm. (b, c, d) tương ứng là
phân bố điện từ trường bên trong buồng cộng hưởng có chiều dài L
=1a, L = 3a, và L = 5a.
Hình 5.11

(a) Buồng cộng hưởng có độ rộng khe hẹp tại trung tâm d = 50 nm và
chiều dài khe hẹp trung tâm L. Độ rộng khe hẹp tăng dần đều những
khoảng bằng nhau 10 nm/a cho tới khi đạt độ rộng vách ngăn sóng điện
từ d = 120 nm. (b, c, d) tương ứng là phân bố điện từ trường bên trong
buồng cộng hưởng có chiều dài khe hẹp tại trung tâm L =1a, L = 3a, và
L

= 5a.

Hình 5.12 Mơ hình của n buồng cộng hưởng ghép nối tiếp với nhau thơng qua một
kênh dẫn sóng.
Hình 5.13 Phổ truyền qua lý thuyết của các buồng cộng hưởng thu được nhờ sử
dụng phương pháp CMT với các độ lệch pha  khác nhau. (a)  = π/2,

(b)  = π/3, (c)  = 2π/3 và (d) năm buồng cộng hưởng với độ
lệch pha



khác nhau.

Hình 5.14 Cấu trúc năm buồng cộng hưởng kết nối trực tiếp với nhau thông qua
một kênh dẫn sóng dạng khe hẹp và chi tiết một buồng cộng hưởng
(hình phụ).
Hình 5.15 (a) Phổ truyền qua mơ phỏng của các cấu trúc có số lượng buồng cộng
hưởng khác nhau sử dụng phương pháp FDTD. (b) Đường cong làm
khớp theo hàm Fano cho trường hợp cấu trúc có ba và năm buồng cộng
hưởng.
Hình 5.16 Phân bố năng lượng điện trường trong cấu trúc có một buồng cộng
hưởng (a), ba buồng cộng hưởng (b) và năm buồng cộng hưởng (c)
tương ứng với các bước sóng cộng hưởng λ1 = 1555,28 nm, λ3 =
1555,38 nm và λ5 = 1555,46 nm.
Hình 5.17 (a) Cấu trúc hai buồng cộng hưởng kết nối gián tiếp thơng qua một
kênh dẫn sóng thơng thường. (b) Kết quả tính tốn lý thuyết (các chấm


xviii

trịn) và mơ phỏng (đường nét liền) trường hợp cấu trúc có một buồng
cộng hưởng (2) và hai buồng cộng hưởng (1) kết nối gián tiếp.
Hình 5.18

(a) Ảnh SEM buồng cộng hưởng kết nối gián tiếp qua kênh dẫn sóng.
(b) Hệ số truyền qua cấu trúc.

Hình 5.19 Mơ hình cấu trúc của hai buồng cộng hưởng ghép gián tiếp với nhau
thơng qua một kênh dẫn sóng.
Hình 5.20 (a) Phổ truyền qua cấu trúc có hai buồng cộng hưởng với các độ lệch
pha  khác nhau. (b) Phổ quyền qua cấu trúc với các giá trị μ, φ rất
nhỏ. Phổ truyền qua cấu trúc có một buồng cộng hưởng cũng được mơ
tả trên (b).
Hình 5.21 Cấu trúc có hai buồng cộng hưởng kết nối gián tiếp thơng qua một kênh
dẫn sóng dạng khe hẹp (Hình chính) và chi tiết của một buồng cộng
hưởng.
Hình 5.22 (a) Phổ truyền qua mơ phỏng của cấu trúc có hai buồng cộng hưởng với
khoảng cách giữa hai buồng cộng hưởng khác nhau là L = 1a và L = 3a.
(b) Phổ truyền qua của cấu trúc có một và hai buồng cộng hưởng kết
nối gián tiếp với nhau.
Hình 5.23 (a) Phân bố điện trường của cấu trúc có một buồng cộng hưởng và hai
buồng cộng hưởng được kết nối gián tiếp thông qua một kênh dẫn sóng
hẹp tại bước sóng cộng hưởng: (b) 21 = 1555,98 nm, (c) 22 = 1556,08
nm, và (d) 23 = 1556,33 nm.
Hình 5.24 (a) Hoạt động lưỡng trạng thái và (b) thời gian chuyển mạch của trường
hợp cấu trúc có một buồng cộng hưởng kết nối trực tiếp thông qua kênh
dẫn sóng dạng khe hẹp được mơ tả trong Hình 5.14.
Hình 5.25 Cơng suất chuyển mạch và bình phương độ rộng phổ phụ thuộc vào số
bộ cộng hưởng n được sử dụng.


xix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1

Các tham số của cộng hưởng dẫn sóng GMRs trong cấu trúc đơn cách tử
với các giá trị độ ăn mòn cách tử δ, độ dày cách tử t khác nhau.

Bảng 3.2

Đặc trưng tuyến tính của cấu trúc đối với độ dày lớp Ag khác nhau.

Bảng 3.3

Đặc trưng cộng hưởng của cấu trúc ghép hai đơn cách tử dẫn sóng với
các khoảng cách d khác nhau.

Bảng 3.4

Đặc trưng tuyến tính của cấu trúc màng mỏng đa lớp N = 3.

Bảng 4.1

Đặc trưng chuyển mạch của cấu trúc cách tử kết hợp với màng mỏng
kim loại Ag có độ dày d = 100 nm.

Bảng 4.2

Đặc trưng lưỡng trạng thái ổn định của cấu trúc ghép hai đơn cách tử
xếp thẳng hàng với các khoảng cách d khác nhau.

Bảng 4.3

Cường độ chuyển mạch phụ thuộc vào bước sóng hoạt động khi độ lệch
s = 150 nm của cộng hưởng F2 bậc 2 và cộng hưởng F2.

1

MỞ ĐẦU
Các linh kiện quang tử và quang-điện tử cấu trúc micro và nano gần đây
được quan tâm và nghiên cứu nhiều bởi các ứng dụng và tính năng vượt trội của nó
trong các mạch vi quang-điện tử tích hợp, có tốc độ xử lý và bộ nhớ khơng tn
theo định luật Moore. Các tính chất đặc biệt của linh kiện quang tử và quang-điện tử
cấu trúc micro và nano được hy vọng sẽ hiện thực hóa một thế hệ linh kiện mới với
kích thước và trọng lượng nhỏ như ánh sáng, có hiệu suất cao, giá thành rẻ và tiêu
hao ít năng lượng…[1-5]. Có hai phương pháp tiếp cận chủ yếu để nâng cao hiệu
suất, tính năng và giảm giá thành của các linh kiện quang tử và quang-điện tử: (i)
thứ nhất là sử dụng cấu trúc mới cho các phần tử tạo nên linh kiện đó; (ii) phương
pháp tiếp cận còn lại là việc sử dụng các vật liệu tiên tiến với nhiều tính năng đặc
biệt. Trong khn khổ luận án tiến sỹ ngành khoa học vật liệu, chuyên ngành vật
liệu quang học, quang điện tử và quang tử, tơi sẽ đi sâu nghiên cứu và trình bày việc
sử dụng cấu trúc mới cho vật liệu và linh kiện quang tử (cấu trúc nhân tạo) khơng có
sẵn trong tự nhiên, ứng dụng cho thông tin, truyền thông và xử lý quang học.
Ngành khoa học quang tử (Photonics) được ra đời từ những năm 80 của thế
kỷ XIX [6] và phát triển rất sôi động trong thế kỷ XX, đặc biệt là từ khi khám phá ra
một số loại vật liệu mới có cấu trúc nhân tạo như cấu trúc tinh thể quang tử
(Photonic Crystals-PhCs), cấu trúc plasmonics và cấu trúc siêu vật liệu
(Metameterials-MMs) [7-9]. Cấu trúc PhCs là một cấu trúc tuần hồn trong khơng
gian của các phần tử có hằng số điện mơi khác nhau được sắp xếp tuần hồn xen kẽ
nhau. Tính tuần hồn về chiết suất của vật liệu thuần điện môi làm cho PhCs có thể
giam giữ được ánh sáng mà khơng bị tiêu hao năng lượng. Ánh sáng/sóng điện từ
truyền trong cấu trúc PhCs tương tác với sự tuần hoàn của các phần tử có điện mơi
khác nhau và làm xuất hiện vùng cấm quang (Photonic Band Gap - PBG). Các sóng
ánh sáng/sóng điện từ có tần số nằm trong vùng PBG khơng thể truyền qua được

cấu trúc PhCs. Như vậy, hai thuật ngữ “cấu trúc tinh thể quang tử” hay “vật liệu có
vùng cấm quang” là đồng nhất. Ngồi ra, chúng ta có thể dễ dàng giam giữ, điều
khiển, và định hướng sóng ánh sáng/sóng điện từ theo phương truyền xác định mà


2

chúng ta mong muốn. Có thể tạo ra sự dẫn truyền sóng ánh sáng/sóng điện từ trong
vùng PBG bằng cách tạo khuyết tật điểm hoặc khuyết tật hàng trong cấu trúc PhCs.
Khuyết tật điểm và khuyết tật hàng được sử dụng để tạo ra bộ cộng hưởng hoặc
kênh dẫn sóng quang học. Đây là những phần tử cơ bản tạo nên linh kiện quang tử
và quang-điện tử tích hợp như các bộ chuyển mạch và xử lý quang học mà luận án
sẽ đề cập.
Cấu trúc tinh thể quang tử được nghiên cứu và phát triển rộng khắp trên thế
giới, nổi bật trong các nhóm nghiên cứu về cấu trúc PhCs mà tơi được biết, là nhóm
nghiên cứu khoa học của giáo sư J.D. Joannopoulos tại Viện Công nghệ
Massachusetts (Hoa Kỳ) [10,11]. Thành viên nghiên cứu chủ chốt của nhóm đến từ
các khoa như: Vật lý, Khoa học vật liệu, Công nghệ Điện tử-Máy tính, Tốn học…
Hàng năm, nhiều cơng trình công bố xuất sắc được đăng tải trên các tạp chí khoa
học uy tín hàng đầu như Science, Nature, Physical Review Letters…Nhiều sản
phẩm phần mềm khoa học tính tốn, mơ phỏng được cả thế giới biết đến và sử dụng
rộng rãi như MIT Photonic Bands (MPB), MIT Electromagnetic Equation
Propagation (MEEP) [10,11]. Nhiều ứng dụng về vật liệu và linh kiện đã được phát
triển và chế tạo dựa trên các kết quả tính tốn và mơ phỏng tối ưu. Trên thế giới, đặc
biệt tại Mỹ, cịn có rất nhiều các Tập thể nghiên cứu (Viện nghiên cứu, Phịng thí
nghiệm, Nhóm nghiên cứu) nghiên cứu về cấu trúc PhCs cho các ứng dụng khác
nhau từ thông tin, cảm biến và xử lý ô nhiễm môi trường [12,13].
Tại Việt Nam, hướng nghiên cứu về linh kiện quang tử và quang-điện tử sử
dụng cấu trúc PhCs là một vấn đề mới hiện đã và đang thu hút được nhiều sự quan
tâm của các nhà khoa học tại các Viện Nghiên cứu, Trường Đại học: nhóm nghiên

cứu ở Viện Khoa học vật liệu, Viện Vật lý (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam), Đại học Bách Khoa, Học viện Bưu chính-Viễn thơng, Đại học Vinh, Đại
học Khoa học Huế...[14]. Tại Viện Khoa học vật liệu, nhóm nghiên cứu của
PGS.TS. Phạm Văn Hội, PGS.TS. Phạm Thu Nga đã chế tạo thành công cấu trúc
PhCs 1D và 3D [15-17] trên nền vật liệu silic xốp và silica ứng dụng cho cảm biến
đo chất lỏng. Tuy nhiên, các nghiên cứu về linh kiện nói chung và linh kiện quang-


3

điện tử cấu trúc micro và nano nói riêng cịn rất khiêm tốn, rời rạc chưa có tính hệ
thống.
Với lý do đó, mục tiêu của nhóm nghiên cứu của tơi tại Viện Khoa học vật
liệu là kết hợp nghiên cứu tính tốn, mơ phỏng một số linh kiện quang tử micro và
nano sử dụng cấu trúc PhCs 1D và 2D, cấu trúc buồng vi cộng hưởng, cấu trúc cộng
hưởng plasmon bề mặt... định hướng ứng dụng cho linh kiện thông tin quang, linh
kiện chuyển mạch và xử lý quang học. Để tạo thành một hệ thống hóa các kết quả từ
lý thuyết, mơ phỏng tới thực nghiệm. Nhóm nghiên cứu của tôi đã thu được một số
kết quả khá tốt được đăng tải trên các tạp chí khoa học quốc tế có uy tín [18-26].
Hai phương pháp để tính tốn và mô phỏng cấu trúc PhCs 1D và 2D ứng dụng cho
thông tin và truyền thông quang học đặc biệt là linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn
định: (i) đạo hàm hữu hạn trong miền thời gian FDTD và (ii) khai triển sóng phẳng
PWE. Đây là hai phương pháp tốn hiện đại, có độ chính xác cao cho phép giải các
bài tốn cụ thể có sử dụng hệ phương trình Maxwell trên cả hai miền thời gian và
miền tần số. Hai phương pháp toán này được nhúng trong hai phần mềm mã nguồn
mở miễn phí, có độ tin cậy cao là MEEP và MPB, được phát triển bởi Viện Công
nghệ Massachusetss (Hoa Kỳ) để tính tốn, mơ phỏng vật liệu và cấu trúc linh kiện
quang tử. Cả hai phần mềm MEEP và MPB được chúng tôi cài đặt trên hệ thống
tính tốn song song hiệu năng cao tại phịng thí nghiệm. Các kết quả về tính tốn,
mơ phỏng khẳng định sự đúng đắn và chính xác của việc xây dựng mơ hình lý

thuyết. Dựa trên các kết quả rất tích cực có được trong thời gian qua gồm lý thuyết,
tính tốn và mơ phỏng [18-26], luận án với tiêu đề: “Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc
tinh thể quang tử 1D và 2D ứng dụng cho linh kiện lưỡng trạng thái ổn định” sẽ
nghiên cứu một cách có hệ thống ảnh hưởng của các tham số cấu trúc đến đặc tính
và hiệu năng của linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sử dụng cấu trúc PhCs
1D và 2D. Đề xuất các cấu trúc PhCs mới có hệ số phẩm chất Q cao và cường độ
quang đầu vào thấp ứng dụng cho các kênh dẫn sóng và cộng hưởng quang học, các
linh kiện chuyển mạch và xử lý quang học.


4

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
Luận án đặt mục tiêu nghiên cứu cơ bản về xây dựng mơ hình vật lý, đề xuất
cấu trúc, tính tốn và mơ phỏng linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sử dụng
cấu trúc PhCs 1D và 2D. Ảnh hưởng của cấu hình và các tham số cấu trúc PhCs lên
đặc tính và hiệu năng làm việc của linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sẽ được
nghiên cứu một cách có hệ thống. Các vấn đề mà luận án tập trung giải quyết là:
+
Tổng quan về vật liệu có vùng PBG hay cấu trúc PhCs cũng như
tính chất
và đặc trưng của linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định.
+

Đề xuất mơ hình cấu trúc linh kiện quang tử mới, tính tốn lý thuyết các

tham số đặc trưng của nó và so sánh với kết quả mơ phỏng.
+

Nghiên cứu tính tốn và mơ phỏng một cách có hệ thống để xác định các

tham số tối ưu của cấu trúc PhCs 1D và 2D ứng dụng cho linh kiện lưỡng trạng thái
quang ổn định: hệ số phẩm chất Q cao, cường độ quang cho chuyển mạch thấp và
thời gian chuyển mạch nhanh.
+

Đề xuất và thiết kế một số cấu trúc kết hợp để nâng cao hiệu suất và đặc

tính của linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định.
Đối tượng nghiên cứu của luận án:
+

Các phương pháp tính tốn, mơ phỏng để định lượng, phân tích các tham

số của vật liệu và linh kiện quang tử.
+

Dẫn sóng và cộng hưởng trong các cấu trúc PhCs 1D và 2D.

+
Linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sử dụng cấu trúc PhCs 1D
và 2D,
ứng dụng cho thông tin quang: chuyển mạch và xử lý quang học.
Nội dung và phương pháp nghiên cứu: Luận án là sự kết hợp giữa xây
dựng mơ hình lý thuyết, thiết kế, tính tốn và mơ phỏng các linh kiện quang tử sử
dụng cấu trúc PhCs 1D và 2D, ứng dụng cho thông tin quang: chuyển mạch và xử lý
quang học. Các kết quả tính tốn và mơ phỏng của luận án được so sánh với các
cơng trình cơng bố trước để kiểm chứng.
Ý nghĩa khoa học của luận án:
+

Nâng cao hiểu biết về các linh kiện quang tử thế hệ mới sử dụng vật liệu có

vùng cấm quang (cấu trúc PhCs)