Tinh thể Photonic Band Gap Công nghệ Nano

Tinh thể
Photonic Band Gap
CÔ NG NGHỆ NA NO


Những nội dung chính
• Vật lý học tinh thể vùng trống năng lượng quang tử
• Phân loại tinh thể quang tử
• Chế tạo
• Ứng dụng
• Các thiết bị PBG đầu tiên/ nguyên mẫu ?
• Những nghiên cứu hiện nay
• Xu hướng tương lai
• Kết luận
Nhóm

22/5/2014

2


Cấu trúc FCC

• Hình dựng trên máy tính của một tinh thể ánh sáng 3 chiều , được đưa ra bởi
Joannopoulos và nhóm của ơng, cho thấy một số chu kì ngang và một chu kì
dọc của lưới FFC của lỗ khí (bán kính 0.293a, chiều cao 0.93a) trong chất điện
môi. Điều này cho phép tận dụng những lực lượng lớn của phân tích, thí
nghiệm và sự hiểu biết về những cấu trúc đơn giản hơn. Cấu trúc này có
khoảng cách 21% cho hằng số điện mơi bằng 12
Nhóm

22/5/2014

3


Cấu trúc xoắn ốc vng

• Mạng tinh thể tứ giác của cột xoắn ốc vuông thể hiện một 3D PBG đầy đủ và có
thể được tổng hợp bằng cách sử dụng phương pháp lắng đọng lướt góc
(GLAD). Cấu trúc đối xứng bàn tay này, được đề xuất bởi John and Toader, gồm
những cột xoắn ốc chồng lấn nhẹ trên một chất nền 2D, cái mà ban đầu hình
thành với một mạng vng của trung tâm phát triển. Máy tính điều khiển
chuyển động của bề mặt dẫn đến sự phát triển xoắn ốc của cột. Một PBG lớn và
mạnh xuất hiện giữa các băng thứ 4 và băng thứ 5 của sự tán xạ photon. Cấu
trúc đảo ngược bao gồm các cột khơng khí xuất hiện trong một nền rắn trưng
bày một 3D-PBG thậm chí cịn lớn hơn.
Nhóm

22/5/2014

4


Cấu trúc giàn

• Cấu trúc giàn (vì nó trơng tương tự như một giàn giáo) là một ví dụ hiếm
của một tinh thể quang tử có một đối xứng cơ bản rất khác biệt so với
cấu trúc của kim cương có năng lượng vùng cấm ánh sáng. Năng lượng
vùng cấm nhỏ nhưng chắc chắn bị cấm. Điều này được đề xuất bởi
Joseph Haus và các đồng nghiệp.

Nhóm

22/5/2014

5


Cấu trúc điều hướng 3D nghịch mờ

• Sự kết hợp của tinh thể lỏng và tinh thể quang tử được đưa ra theo ý
tưởng của Busch và John. Một cấu trúc tinh thể quang tử nghịch đảo mờ
xâm nhập từng phần vào chất lỏng phân tử tinh thể. Sự kết hơp Electrooptic có thể gây ra năng lượng vùng cấm dẫn đến nhấp nháy trong và
ngoài vùng tồn tại . Điều này có thể ảnh hưởng tới cơng nghệ hiện tai
và sẽ được thảo luận sau.
Nhóm

22/5/2014

6


Ứng dụng của PBG
Thiết bị
Cáp quang

Mô tả
Vật liệu năng lượng vùng cấm 2D kéo giãn dọc theo chiều thứ 3

Lỗ hổng quang học nhỏ nhất thế giới và laser nhỏ nhất, hình
Cơng nghệ laser kích thước nano thành trong một màng mỏng của vật liệu năng lượng vùng cấm

2D

Trạng thái
Những phiên bản thương mại đầu tiên đã sẵn sàng

Chứng minh trong phịng thí nghiệm

Chất nhuộm siêu trắng

Vật liệu cónăng lượng vùng cấm 3D không đầy đủ, thường theo
cấu trúc mờ

Đã được chứng minh, phương pháp sản xuất giá thành
thấp đang được phát triển

Anten tần số vô tuyến, phản xạ

Sử dụng cuộn cảm và tụ điện thay thế cho điện môi thông
thường

Chứng minh trong tạo ảnh cộng hưởng từ và anten

Diode phát xạ

Cấu trúc vùng cấm năng lượng ánh sáng có thể giải phóng ánh
sáng rất hiệu quả (tốt hơn 50%)

Đã được chứng minh, nhưng phải cạnh tranh với các
phương pháp khác có kết quả tương tự

Mạch lượng tử tích hợp

Màng mỏng 2D có thể được cấu trúc như là mạch tích hợp thơng
Đang phát triển
thường để tạo nên bộ lọc kênh, điều chế, bộ ghép…

Nhóm

22/5/2014

7


1. Sợi quang tinh thể - PCF

• Sợi quang tinh thể (PCF) là sợi quang sử dụng một cấu trúc sắp xếp vi
mô của vật liệu chỉ số thấp trong một vật liệu nền chiết suất cao.
• Vật liệu nền là silica không đặc và vùng chỉ số thấp cung cấp đặc trưng
bởi các khoảng trống khơng khí chạy dọc theo chiều dài của sợi.
Nhóm

22/5/2014

8


Các dạng của PCF
• PCFs có 2 dạng:
• Sợi điều hướng chỉ số cao dựa theo nguyên tắc về sự thay đổi tổng phản
xạ nội (M-TIR)

• Sợi điều hướng chỉ số thấp dựa theo hiệu ứng năng lượng vùng cấm ánh
sáng (PBG).

Nhóm

22/5/2014

9


Sợi M-TIR

• Lỗ hình trụ nhỏ của khơng khí được ngăn cách bởi khoảng trống theo
cấu trúc trong một sợi. Chỉ số che phủ hiệu quả (của lỗ và khoảng trống)
thấp hơn chỉ số lõi.
• Thoạt nhìn chúng ta có thể cho rằng ánh sáng sẽ thoát ra giữa các sợi
quang. Nhưng một thủ thuật hình học đã ngăn chặn điều này.
Nhóm

22/5/2014

10


Sợi M-TIR

• Ở chế độ cơ bản, ánh sáng với bước sóng dài nhất, sẽ bị mắc kẹt trong
lõi, trong khi các chế độ bậc cao có khả năng nhanh chóng nén vào
những khoảng trống bị rị rỉ, trong một q trình mà chúng ta có thể liên
tưởng đến cái sàng.

• Với những lỗ đủ nhỏ, PCF cịn lại duy nhất một chế độ ở tất cả các bước
sóng, vì vậy nen nó được đặt tên là “chế độ sợi đơn vơ tận”.
Nhóm

22/5/2014

11


Sợi PBG

• Sợi PBG dựa trên cơ chế khác nhau một cách căn bản từ sợi M-TIR fibers.
• Hiệu ứng năng lượng vùng cấm có thể được tìm thấy trong tự nhiên. Ví
dụ, màu sắc rực rỡ của cánh bướm là kết quả tự nhiên của vi cấu trúc
tuần hoàn. Cấu trúc vi tuần hoàn ở cánh bướm trong vùng cấm năng
lượng ánh sáng, ngăn chặn sự truyền dẫn của các dải nhất định. Ánh
sáng này được phản xạ trở lại và ta nhìn thấy nó rất rực rỡ.
Nhóm

22/5/2014

12


Sợi PBG

• Trong một sợi PBG, lỗ tuần hồn hoạt động như là lõi và một khuyết tật
được giới thiệu (một lỗ khơng khí được thêm vào) hoạt động như là một
lớp phủ. Vì khơng khí khơng thể truyền trong lớp phủ vì năng lượng
vùng cấm ánh sáng, nó nhận được sự hạn chế trong lõi, thậm chí nếu nó

có một chỉ số khúc xạ thấp hơn.
• Trên thực tế, sợi mất rất thấp với môi trường chân không hay khơng khí
như là lõi có thể được tạo ra
Nhóm

22/5/2014

13


2. Laser quang tinh thể

• Kiến trúc cho vi laser quang tinh thể được chỉ ra ở hình trên.
• (a) Mép dải vi laser sử dụng các phản hồi đơn trị và bộ nhớ hiệu ứng
kết hợp với mép dải ánh sáng và kích thích phát xạ (phát sinh từ sự tái
tổ hợp electrons-lỗ trống) từ nhiều khu vực lượng tử hoạt động tích cực
xảy ra ưu tiên ở mép dải. Khơng có chế độ khiếm khuyết được thiết kế
trong PBG – 2D. (theo S. Noda, Đại học Kyoto).
Nhóm

22/5/2014

14


2. Laser quang tinh thể

• Kiến trúc cho vi laser quang tinh thể được chỉ ra ở hình trên.
• (b) Chế độ hạn chế của vi laser yêu cầu sự thiết kế của một trạng thái
ánh sáng cục bộ bên trong 2D PBG. Điều này được tạo ra thông qua

một khe khuyết trong tinh thể ánh sáng 2D. Kích thích phát xạ từ nhiều
khu vực lượng tử hoạt động tích cực xảy ra ưu tiên ở chế độ cục bộ
(theo Axel Scherer, California Institute of Technology).
Nhóm

22/5/2014

15


3. Bộ lọc tinh thể ánh sáng

• Bộ lọc tăng giảm cho hệ thống viễn thơng quang. Nhiều dịng dữ liệu ở
các tần số khác nhau F1, F2...(màu vàng) tiến vào micro-chip quang từ
một sợi quang bên ngoài và được chun chở thơng qua một kênh
hướng dẫn sóng ( thiếu hàng của lỗ rỗng). Dòng dữ liệu ở tần số F1
(màu đỏ) và F2(màu xanh) băng vào chế độ khiếm khuyết cục bộ và gửi
đến các địa điểm khác nhau. Tần số của bộ lọc giảm được định nghĩa bởi
đường kính lỗ rỗng khiếm khuyết, cái mà khác nhau từ đường kính lỗ
rỗng của nền tinh thể ánh sáng
Nhóm

22/5/2014

16


4. Ống dẫn sóng phẳng tinh thể quang

• Tạo ra một bán kính uốn cong khoảng hơn vài mm là rất khó vì khơng

thỏa mãn điều kiện TIR nên dẫn đến suy hao
• Ống dẫn sóng PC hoạt động sử dụng nguyên lý khác. Đường vòng
khuyết được tạo ra đưa vào tinh thể mà gối tựa phương thức là trong kẽ
hở . Phương thức này bị ngăn từ truyền đưa vào tinh thể vì nó rơi trong
kẽ hở
Nhóm

22/5/2014

17


4. Ống dẫn sóng phẳng tinh thể quang

• Khi chỗ cuốn cần được đưa vào ống dẫn sóng, đường vịng khuyết của
dạng tương tự được giới thiệu. Ánh sáng không thể thốt ( vì nó khơng
thể truyền đưa vào tinh thể khối ). Khả năng duy nhất dành cho phương
thức để truyền qua đường vịng khuyết dẫn đến truyền khơng tổn hao

Nhóm

22/5/2014

18


5. PIC trên 1 vi mạch PBD 3D

• Khái niệm cấu trúc 3D PBG: một vi mạch bằng laser và mạch đã được tích
hợp (S. Noda, Đại học Kyoto, Nhật Bản). Các mạch tích hợp quang tử sẽ

là số nguyên tố động lực cho sự thâm nhập sâu hơn của mạng quang
vào viễn thơng
Nhóm

22/5/2014

19


Định hướng tương lai
• Thiết kế của laser siêu nhỏ gọn với gần như bằng khơngvới hiện tại
• Terahertz tất cả - quang học cầu dao cho đường đi số liệu dọc mạng
internet
• Chuyển mạch tập thể của nguyên tử hai cấp độ từ đất đến trạng thái kích
động với cường độ thấp áp dụng lade dẫn đến quang học tranzito tác
động.
• Bộ tách chùm siêu nhỏ, Mach-Zehnder giao thoa,và các yếu tố vi quang
học chức năng như bước sóng bộ lọc , đến lượng tử ánh sáng nhỏ gọn
tích hợp mạch.
• Hiệu ứng nhớ nguyên tử đơn cho ứng dụng máy tính lượng tử
Nhóm

22/5/2014

20


1. Tất cả các Transistor quang

• Micro-photonic tất cả - quang học tranzito có thể bao gồm vùng hoạt

động vào giao nhau của hai ống dẫn sóng kênh đưa vào trang bị vật
chất 3D PBG. Hệ thống hai cấp độ (" nguyên tử" ) đưa vào vùng hoạt
động là mạch lạc máy bơm và kiểm soát bởi chùm tia laze đi qua bộ
phận dẫn hướng sóng. Ngồi ra, trang bị vật chất 3D PBG được chọn để
triển lãm khác nhau bất ngờ đưa vào quang tử mật độ trạng thái gần tần
số chuyển tiếp của nguyên tử.
Nhóm

22/5/2014

21


1. Tất cả các Transistor quang

• Điều này dẫn đến nguyên tử "đảo ngược dân số" thông qua bơm mạch
lạc, một hiệu ứng mà cấm trong chân khơng bình thường. đảo ngược
ngưỡng được đặc trưng bởi một khu vực hẹp của tăng quang học lớn
khác biệt (rắn đường cong trong hình chữ nhật). Một thứ hai, "điều khiển
bằng laser" cho phép các thiết bị để đi qua này khu vực ngưỡng dẫn
đến sự khuếch đại mạnh của tín hiệu đầu ra. trong bình thường đảo
ngược chân khơng, dân số là khơng thể đạt được (đường cong nét đứt
trong hình chữ nhật)
Nhóm

22/5/2014

22

2. Tất cả các bộ định tuyến quang

• Sự miêu tả một cách nghệ sĩ thì là một thiết bị định tuyến electron trong
PBG một cách chủ động. Ở đây các vật liệu PBG đã bị xâm nhập với vật
liệu quang học đẳng hướng ( như là một tinh thể lỏng ), biểu hiện là xuất
hiện một phản ứng điện quang lớn. Khi điện áp được đưa vào electro
PBG về phương diện quang học, trạng thái phân cực ( mũi tên màu vàng
) có thể quay, dẫn đến tương ứng dịch chuyển trong kẽ có chứa phơ ton cấu trúc. Điều này cho phép ánh sáng từ cáp quang để được dẫn
đường vào một trong vài sợi cơng suất
Nhóm

22/5/2014

23


3. Tính tốn quang

• Với quang học mạch tổ hợp và công nghệ học tranzito quang học được
trả tiền cao có thể do tinh thể quang tử, điện tốn lượng tử với xác định
vị trí ánh sáng là cơng nghệ học rất hứa hẹn cho tương lai. Song song
rộng lớn, tốc độ chưa từng có, mật độ cất giữ cao, rất nhỏ sự xuyên âm
và giao thoa là một vài thuận lợi có được trong khi di chuyển hướng về
quang học tính tốn
Nhóm

22/5/2014

24

4. Mạch tích hợp quang
• Hình ảnh 3D của một thiết bị tinh thể quang
trong một mạch tích hợp.
• Các tịa nhà với những quả bóng màu xanh
miêu tả cấu trúc metallo-điện mơi.
• Màu xanh lá cây hiển thị 2 chiều định kỳ của
tinh thể quang tử.
• Các đường màu đỏ với những lỗ hổng trong
đó là một chiều định kỳ của tinh thể quang
tử

Nhóm

22/5/2014

25