- CỘNG HƢỞNG DẪN SÓNG VÀ LINH KIỆN QUANG TỬ LƢỠNG TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH SỬ DỤNG CẤU TRÚC TINH THỂ QUANG TỬ. - Tinh thể quang tử. - Khái niệm về tinh thể quang tử. - Tinh thể quang tử một chiều. - Linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định. - CHƢƠNG 3: CỘNG HƢỞNG DẪN SÓNG SỬ DỤNG CẤU TRÚC ĐƠN CÁCH TỬ VÀ GHÉP CẶP CÁCH TỬ 38 3.1. - Cộng hưởng dẫn sóng sử dụng cấu trúc đơn cách tử. - Cộng hưởng dẫn sóng trong cấu trúc ghép cặp cách tử. - 40 CHƢƠNG 4: LINH KIỆN QUANG TỬ LƢỠNG TRẠNG THÁI ỔN. - ĐỊNH DỰA TRÊN HIỆU ỨNG CỘNG HƢỞNG DẪN SÓNG TRONG CẤU TRÚC ĐƠN CÁCH TỬ. - Linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định trong cấu trúc đơn 45. - cách tử……….. - Nâng cao hiệu suất của linh kiện quang tử sử dụng màng mỏng kim loại để tăng hệ số phẩm chất và giảm cường độ quang đầu vào của linh kiện chuyển mạch………. - Cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D, và 3D. - Cấu trúc tinh thể 1D. - Cấu trúc này gồm các lớp vật liệu với chiết suất khác nhau có giá trị không đổi nằm xen kẽ nhau với chu kỳ tuần hoàn là a. - Vùng cấm quang của tinh thể quang tử một chiều với hằng số mạng a, độ rộng của lớp điện môi là 0.2a và độ rộng của lớp không khí là 0.8a. - Phản xạ Bragg. - Hình 1.10. - Hình 1.11. - Mối quan hệ vào-ra khi hàm truyền qua có dạng hình chuông 13 Hình 1.12. - Hình 1.13. - Hình 1.14. - Cách tử dẫn sóng. - θ i và θ ’ i là góc tới và góc phản xạ tại bề mặt thứ nhất, θ. - i là góc ló tại đầu ra của cấu trúc cách tử dẫn sóng. - Mô hình cấu trúc ghép cặp trực tiếp hai bộ cộng hưởng. - Mô hình cấu trúc ghép cặp gián tiếp hai bộ cộng. - (a) Cấu trúc linh kiện sử dụng cách tử dẫn sóng. - xạ đối với các độ ăn mòn cách tử khác nhau. - Minh họa cấu trúc ghép cặp hai GMRs trong cấu trúc cách tử. - dẫn sóng. - Tính toán hệ số phản xạ. - (a) và (b) là phổ phản xạ của hai cách tử có cùng độ ăn mòn cách tử. - Phổ phản xạ của hai cách tử có cùng độ ăn mòn với các độ. - (a) và (b) là phổ phản xạ của hai cấu cách tử giống nhau và khác nhau được đặt cách nhau một khoảng d có giá trị từ 1000 nm tới 2500 nm………. - Đặc trưng lưỡng trạng thái của linh kiện quang tử lưỡng trạng. - thái ổn định với các độ ăn mòn cách tử khác nhau. - (a) Cấu trúc MaGMR. - (b) Phổ truyền qua và phổ phản xạ đối. - Lưỡng trạng thái quang của cấu trúc cách tử phi tuyến. - (a) Cấu trúc MaGMR với ánh sáng tới. - (b) Phổ phản xạ đối. - Lưỡng trạng thái ổn định của cấu trúc MaGMR đối với bề dày lớp Ag khác nhau lần lượt là (a) d =20 nm, (b) d = 30 nm, (c) d = 50 nm, (d) d = 100 nm………. - Vật liệu và linh kiện quang tử sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử được nghiên cứu rất sôi động cả về lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm trong thời gian gần đây. - Các cấu trúc tinh thể quang tử 1 chiều (1D), 2 chiều (2D), và 3 chiều (3D) được thiết kế để điều khiển, dẫn sóng quang học và chuyển đổi năng lượng quang tử trong vùng ánh sáng khả kiến và thông tin quang đã mở ra nhiều ứng dụng quan trọng và có nhiều triển vọng. - Đây là một hướng nghiên cứu mới tạo nên một cuộc cách mạng trong công nghệ quang tử học là sử dụng cấu trúc mới cho các phần tử tạo nên linh kiện, được đánh giá có tầm quan trọng như các đơn tinh thể bán dẫn siêu sạch trong công nghệ điện tử giai đoạn đầu của sự phát triển.. - Các linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định được quan tâm 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 chuyển mạch nhanh. - Linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định sẽ xử lý tín hiệu nhanh và tiêu thụ ít năng lượng. - Các tính chất đặc biệt của linh kiện quang tử nói chung và linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định nói riêng được hy vọng sẽ hiện thực hóa một thế hệ linh kiện quang tử mới với kích thước và trọng lượng nhỏ, có hiệu suất cao, giá thành rẻ, và tiêu hao ít năng lượng. - Nhưng những đặc trưng (cả tuyến tính và phi tuyến) của linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định vẫn chưa được chú ý quan tâm rộng rãi.. - Việc nâng cao hiệu suất của linh kiện quang tử sử dụng công nghệ màng mỏng vẫn đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu…Đây cũng chính là những vấn đề chính mà luận văn tập trung đi sâu nghiên cứu. - Với lý do đó, tôi lựa chọn luận văn với tiêu đề là: “Cộng hƣởng dẫn sóng và linh kiện quang tử lƣỡng trạng thái ổn định sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử một chiều”.. - Thiết kế và mô phỏng cấu trúc tinh thể quang tử một chiều bao gồm cấu trúc đơn cách tử và cấu trúc ghép cặp cách tử.. - Nghiên cứu và khảo sát các đặc trưng cộng hưởng dẫn sóng đối với hai cấu trúc. - đơn cách tử và ghép cặp cách tử.. - Khảo sát đặc trưng lưỡng trạng thái ổn định trong cấu trúc đơn cách tử.. - Nâng cao hiệu suất của linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định.. - Chương 3: Cộng hưởng dẫn sóng sử dụng cấu trúc đơn cách tử và ghép cặp cách tử.. - Chương 4: Linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định dựa trên hiệu ứng cộng hưởng dẫn sóng trong cấu trúc đơn cách tử.. - Trong chương này, trước hết chúng tôi giới thiệu một cách khái lược về tinh thể quang tử 1D, 2D và 3D. - Tiếp theo, chúng tôi trình bày chi tiết những đặc trưng cơ bản của tinh thể quang tử 1D là loại tinh thể được chọn làm đối tượng nghiên cứu của Luận văn. - Phần cuối của chương trình bày về linh kiện quang tử lưỡng trạng thái ổn định bao gồm chuyển mạch quang, nguyên lý lưỡng ổn định quang học và hệ lưỡng ổn định quang học.. - 12 Tinh thể quang tử (photonic crystals - PCs) là một cấu trúc tuần hoàn trong không gian của các vật liệu với hằng số điện môi khác nhau được sắp xếp xen kẽ nhau, có chiết suất thay đổi theo chu kỳ trên một thang chiều dài và có thể so sánh được với bước sóng ánh sáng được sử dụng. - Do tính tuần hoàn dẫn đến trong PCs cũng xuất hiện một vùng cấm quang: tức là có một dải tần số trong đó các photon không thể truyền qua được cấu trúc này. - Bằng các ngăn chặn hoặc cho phép ánh sáng truyền qua một tinh thể quang tử việc điều khiển bước sóng ánh sáng có thể được thực hiện.. - Đây là cấu trúc 1D có sự tuần hoàn của chiết suất chỉ được thiết lập theo một hướng duy nhất trong khi đồng nhất theo hai hướng còn lại.. - Năm 1987, hai nhà khoa học là Eli Yablonovitch và Sajeev John đã đưa ra cấu trúc điện môi tuần hoàn 2D và 3D [39, 14]:. - Tinh thể quang tử 2D 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. - Trong vùng cấm quang, không có trạng thái nào được phép tồn tại và ánh sáng tới sẽ bị phản xạ ngược trở lại tại mặt phân cách giữa môi trường và cấu trúc tinh thể quang tử [30]. - Không giống như trường hợp tinh thể quang tử 1D, tinh thể quang tử 2D có thể ngăn chặn ánh sáng truyền tới từ bất kỳ hướng nào trong mặt phẳng.. - Tinh thể quang tử 3D là cấu trúc có sự tuần hoàn về chiết suất theo cả ba hướng.. - Cấu trúc của tinh thể quang tử 3D được biết đến nhiều nhất trong tự nhiên chính là các đá quý Opal. - Cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D, và 3D.. - Tinh thể quang tử đơn giản nhất là tinh thể quang tử một chiều. - Hình 1.2 là một hệ thống bao gồm các lớp vật liệu với hằng số điện môi khác nhau còn được gọi là một màng đa lớp. - Sự tương tác với ánh sáng xảy ra bên trong cấu trúc này mạnh là do sự giao thoa giữa các chùm ánh sáng mà chúng được phản xạ và được khúc xạ tại tất cả các mặt tiếp giáp ở bên trong vật liệu. - Ngày nay, cấu trúc tinh thể quang tử 1D được sử dụng nhiều trong các laser phát xạ bề mặt, cách tử Bragg trong sợi và bộ lọc quang học.. - Cấu trúc này gồm các lớp vật liệu với chiết suất khác nhau có giá trị không đổi nằm xen kẽ nhau với chu kỳ tuần hoàn là a.. - Chúng ta sẽ quan tâm kỹ hơn đến vùng cấm quang bởi vì rất nhiều ứng dụng đầy tiềm năng của tinh thể quang tử cho đến nay vẫn phụ thuộc vào vị trí và độ rộng của vùng cấm quang. - Vùng cấm quang của tinh thể quang tử một chiều với hằng số mạng a, độ rộng của lớp điện môi là 0.2a và độ rộng của lớp không khí là 0.8a.. - (1.1) Công thức này cho thấy rằng bất kỳ một sự tuần hoàn nào dù yếu cũng là nguồn gốc để tạo ra vùng cấm quang trong tinh thể quang tử một chiều.. - Hiện tượng cộng hưởng dẫn sóng được nghiên cứu đối với cấu trúc tinh thể quang tử 1D và 2D. - Nhưng do cấu trúc 1D là một cấu trúc đơn giản, có sự ghép cặp vào-ra dễ dàng nên luận văn đã chọn nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng dẫn sóng dựa trên cấu trúc tinh thể quang tử 1D.. - Tại bước sóng và góc tới đặc biệt thì ánh sáng không bị truyền qua phiến cách tử mà phản xạ hoàn toàn. - Sự phản xạ này hoạt động dựa trên định luật phản xạ Bragg. - Hiện tượng phản xạ xảy ra tại mỗi bề mặt giữa 2 lớp vật liệu với chiết suất khác nhau. - Gọi khoảng chênh lệch giữa hai tia phản xạ liên tiếp là a.. - (1.2.2) Công thức (1.2.2) gọi là điều kiện phản xạ Bragg.. - K i Véc tơ sóng ra khỏi cách tử K Véc tơ sóng bị phản xạ. - Trong cấu trúc cách tử dẫn sóng tia phản xạ ngược với tia tới nên : 90 0 sin 1. - 17 Kết hợp với điều kiện phản xạ Bragg ta được. - Mô hình đơn giản của hiện tượng nhiễu xạ được trình bày trong hình 1.5 trong đó màng mỏng bao gồm nhiều cặp lớp giống hệt nhau, mỗi cặp lớp gồm hai lớp có chiết suất n 1 và n 2 khác nhau tương ứng với độ dày d 1 , d 2 . - Hiện tượng phản xạ xảy ra tại mỗi bề mặt giữa 2 lớp vật liệu với chiết suất khác nhau.. - 18 Phổ phản xạ của nó có dạng một cực đại phản xạ trung tâm (cực đại chính). - [5] Fan S., and Joannopoulos J. - M., Ho N., and Vallee R. - [18] Magnusson R., and Gaylord T. - [19] Magnusson R., and Wang S