- Nghiên cứu và chế tạo bộ lọc quang (băng rộng và băng hẹp) dựa trên màng đa lớp silic xốp. - Tiền hành mô phỏng các đặc tính quang học của bộ lọc quang. - Trình bày các kết quả thực nghiệm chế tạo bộ lọc quang học giao thoa dựa trên quang tử một chiều và mô phỏng. - Bộ lọc quang. - chế tạo các bộ lọc quang, các chuyển mạch quang tốc độ cao, các hốc quang, các điốt quang, các laser ngƣỡng thấp, các ống dẫn sóng với các nhánh rẽ ánh sáng đột ngột ứng dụng trong thông tin quang và các sensor hóa, sinh học…. - Tinh thể quang tử một chiều với chiết suất đồng nhất trong mỗi lớp đƣợc biết đến dƣới tên gọi là tấm phản xạ Bragg phân bố hay thông dụng hơn là bộ lọc quang học giao thoa. - Loại bộ lọc này là một trong các linh kiện quang học khá thông dụng, trƣớc đây thƣờng đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp phún xạ hay bay hơi nhiệt một cách lần lƣợt các oxít để tạo ra màng mỏng đa lớp có chiết suất thay đổi tuần hoàn. - Ngày nay, dựa trên công nghệ điện hóa phiến silic chúng ta có thể chế tạo đƣợc màng silic xốp đa lớp có tính năng nhƣ một bộ lọc quang học giao thoa. - Các bộ lọc quang băng rộng hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ Bragg chế tạo từ màng silic xốp đa lớp có thể đạt đƣợc độ rộng phổ từ vài chục đến vài trăm nano mét. - Trên cơ sở bộ lọc quang băng rộng này, chúng ta có thể chế tạo đƣợc các bộ lọc băng hẹp có độ rộng phổ chỉ vài nano mét với độ suy hao thấp dƣới dạng các buồng vi cộng hƣởng. - Ƣu điểm của các bộ lọc chế tạo bằng phƣơng pháp này là tích hợp thuận lợi với công nghệ vi điện tử để tạo ra mạch tích hợp quang với vùng phổ hoạt động đƣợc trải rộng từ nhìn thấy, qua hồng ngoại đến tận vùng siêu vi ba.. - “Nghiên cứu và chế tạo bộ lọc quang (băng rộng và băng hẹp) trên cơ sở màng đa lớp silic xốp.”. - Chƣơng 2: Mô phỏng các đặc tính quang học của bộ lọc quang Chƣơng 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận. - Tinh thể quang tử một chiều( 1D) đƣợc sử dụng trong việc kiểm soát và điều chỉnh ánh sáng ở mức độ chính xác cỡ bƣớc sóng, nhƣ việc tạo ra tinh thể quang tử 1D đƣợc sử dụng nhƣ những bộ lọc quang học, ống dẫn sóng, cảm biến sinh học…. - 1.2.1 Tinh thể quang tử một chiều đƣợc thiết kế nhƣ một bộ lọc giao thoa a. - Bộ lọc quang giao thoa băng rộng – Gƣơng phản xạ Bragg (Distributed Bragg Reflectors). - Bộ lọc băng rộng hay gƣơng phản xạ Bragg là hệ gồm nhiều lớp điện môi hoạt động dựa trên hiện tƣợng nhiễu xạ Bragg của một chùm ánh sáng sau khi phản xạ tại mặt phân cách giữa các lớp điện môi. - Bộ lọc dải rộng đƣợc sử dụng nhiều nhất là bộ lọc (Gƣơng phản xạ Bragg - DBR) phần tƣ bƣớc sóng, đó là loại bộ lọc có độ dài quang học của các lớp là n H .h H =n L h L =λ/4 và chu kỳ. - Hình 1.8 Hình minh họa của các hiệu ứng phản xạ của một bộ lọc băng rộng. - a) ánh sáng phản xạ tại mỗi mặt phân cách giữa các lớp có chiết suất khác nhau, b) phổ phản xạ của một bộ lọc băng rộng dựa trên tinh thể quang tử một chiều [9],[19].. - Bộ lọc băng hẹp – Buồng vi cộng hƣởng (Microcavities). - 1.2.2 Cơ sở cho quá trình hình thành bộ lọc giao thoa trên cơ sở màng silic xốp đa lớp. - Tinh thể quang tử một chiều đơn giản nhất là bộ lọc giao thoa băng rộng (DBR), có cấu trúc gồm các lớp điện môi biến đổi tuần hoàn về chiết suất sao cho quãng đƣờng quang học mỗi lớp thỏa mãn điều kiện Bragg. - Dựa trên cấu trúc của bộ lọc băng rộng, chúng ta có thể phát triển để chế tạo bộ lọc băng hẹp. - Bộ lọc băng hẹp có cấu trúc buồng vi cộng hƣởng bao gồm hai bộ lọc băng rộng giống hệt nhau đặt đối xứng với nhau bởi một lớp đệm có độ dài quang học bằng λ/2 hoặc λ.. - MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH QUANG HỌC CỦA BỘ LỌC QUANG. - Trƣớc khi chế tạo bộ lọc quang học giao thoa, chúng tôi đã xây dựng chƣơng trình mô phỏng để có thể thiết kế và dự đoán đƣợc các tính chất quang học của bộ lọc một cách chính xác hơn. - Mỗi bộ lọc quang học giao thoa dựa trên màng đa lớp silic xốp đƣợc đặc trƣng bởi các thông số cơ bản nhƣ: số lớp N, chiết suất n và độ dày quang học d của lớp. - Có rất nhiều phƣơng pháp số để phân tích bộ lọc quang học giao thoa (hay hệ thống màng đa lớp) nhƣ:. - Dựa trên những ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp chúng tôi đã chọn phƣơng pháp Ma trận truyền để mô phỏng đặc trƣng phổ phản xạ cho các bộ lọc đƣợc nghiên cứu trong Luận văn.. - Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phƣơng pháp ma trận truyền để mô phỏng phổ phản xạ của bộ lọc quang giao thoa.. - Sơ đồ cấu trúc bộ lọc quang giao thoa 1 chiều băng rộng. - Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc của bộ lọc quang học giao thoa 1 chiều băng hẹp. - Kết quả mô phỏng bộ lọc quang học giao thoa dựa trên tinh thể quang tử 1 chiều:. - Mục đích để đánh giá kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán của lý thuyết, chúng tôi đã mô phỏng chi tiết khi thay đổi từng thông số của bộ lọc. - Đầu tiên trong phần này, tôi đƣa ra các kết quả mô phỏng về bộ lọc quang băng rộng, sau đó là các kết quả về bộ lọc quang băng hẹp.. - 2.2.1 Kết quả mô phỏng về bộ lọc quang giao thoa 1 chiều băng rộng . - Hình 2.3 Phổ phản xạ của bộ lọc quang băng rộng 1D với chu kỳ là 12, n H =2,5,n L =1,55,d H =155nm và d L =258,3nm.. - Nghiên cứu các thông số của bộ lọc quang:. - Phổ phản xạ của bộ lọc quang băng rộng với số chu kỳ N=12. - Hình 2.5 Phổ phản xạ của bộ lọc quang băng rộng 1D khi tỷ lệ chiết suất n 1 /n 2 của cặp lớp trong một chu kỳ thay đổi. - b) Số chu kỳ của bộ lọc:. - Phổ phản xạ của bộ lọc quang băng rộng 1D với n 1 =2,3. - Hệ số phản xạ. - Hình 2.7: Sự phụ thuộc của hệ số phản xạ vào số chu kỳ. - 2.2.2 Kết quả mô phỏng bộ lọc quang giao thoa 1 chiều băng hẹp dựa trên tinh thể quang tử 1 chiều [21]:. - Phổ phản xạ mô phỏng của một bộ lọc quang giao thoa băng hẹp 1D với bước sóng cộng hưởng ở λ 0 =650nm. - Nghiên cứu các thông số của bộ lọc quang giao thoa băng hẹp 1D a) Độ dày của lớp không gian (d ss. - Hình 2.8 Phổ phản xạ của một vi hốc cộng hưởng bao gồm 2 DBR với độ dày quang học là λ/4 và một lớp không gian độ dày là a)λ, b)λ/2.. - b) Chiết suất phản xạ của lớp giữa. - Hình 2.9 Phổ phản xạ của bộ lọc quang giao thoa dựa trên tinh thể quang tử 1 chiều bao gồm 2 DBR với n L =1,55 và n H =2,5. - Hình 2.10 Phổ phản xạ của bộ lọc quang học giao thoa băng hẹp dựa trên tinh thể quang tử một chiều tại bước sóng trung tâm 650nm trong đó các DBR có số chu kỳ khác nhau.. - phổ vào chu kỳ của bộ lọc quang học giao thoa băng hẹp tại bước sóng 650nm.. - Dựa vào phƣơng pháp này, chúng tôi đã mô phỏng đƣợc các đặc tính quang học của bộ lọc quang bằng cách thay đổi các thông số đầu vào nhƣ chiết suất và độ dày của các lớp, số chu kì, góc tới và khoảng bƣớc sóng. - Các đặc trƣng của phổ phản xạ của bộ lọc quang học giao thoa băng rộng và băng hẹp đƣợc nghiên cứu trong vùng bƣớc sóng từ 600nm đến 3000 nm.. - Các kết quả nghiên cứu phổ phản xạ của bộ lọc quang học băng rộng bằng chƣơng trình mô phỏng nhƣ sau:. - Khi số chu kỳ N tăng, phổ phản xạ của các bộ lọc hẹp lại và độ phản xạ tăng dần tới 1. - Sau khi mô phỏng các đặc tính quang học của bộ lọc quang học giao thoa băng hẹp ta thu đƣợc các kết quả nhƣ sau:. - Tuy nhiên, vùng cấm của bộ lọc với lớp không gian là λ/2 là rộng hơn vùng cấm của bộ lọc có độ dày là λ và các cực trị hai bên gần với vùng cấm hơn.. - 3.1.2 Chế tạo bộ lọc quang học dựa trên màng đa lớp silic xốp Bƣớc 1: Chuẩn bị mẫu, dụng cụ và hóa chất. - 3.2 Thiết kế chế tạo bộ lọc quang học giao thoa dựa trên tinh thể quang tử 1 chiều. - 3.2.1 Thiết kế bộ lọc quang học giao thoa băng rộng. - Hình 3.4: Lược đồ chế tạo màng đa lớp 3.2.2 Thiết kế bộ lọc quang giao thoa băng hẹp. - (a) Sơ đồ minh họa cấu trúc của một bộ lọc quang học băng hẹp thể hiện bởi lớp khuyết tật có độ dài quang học λ/2 xen giữa hai DBR gồm các lớp có chiết suất cao và thấp có độ dài quang học λ/4 xen kẽ lẫn nhau. - (b) Phổ phản xạ tương ứng của bộ lọc cho thấy một bước sóng cộng hưởng hẹp ở giữa đỉnh phản xạ cực đại.. - Các điều kiện ăn mòn để chế tạo bộ lọc quang học băng hẹp dựa trên tinh thể quang tử 1D. - 3.3 Các kết quả chế tạo bộ lọc quang học giao thoa dựa trên tinh thể quang tử 1D. - 3.3.1 Các kết quả chế tạo bộ lọc quang học giao thoa băng rộng dựa trên tinh thể quang tử 1D. - Cấu trúc bộ lọc quang băng hẹp. - Các kết quả nghiên cứu phổ phản xạ của PC một chiều dựa trên màng. - Điều khiển bƣớc sóng trung tâm của phổ phản xạ trong dải hồng ngoại. - Hình 3.11: Phổ phản xạ của các màng đa lớp được thiết kế với bước sóng trung tâm thay đổi trong dải hồng ngoại. - Ảnh hƣởng của sự tƣơng phản chiết suất lên độ rộng của cực đại phổ phản xạ. - Hình 3.12: Phổ phản xạ của các PC M4 và M5 được chế tạo với tỷ số mật Cƣờng độ phản xạ. - Nhƣ vậy bƣớc đầu có thể khẳng định rằng có thể điều chỉnh độ tƣơng phản về mật độ dòng điện của hai lớp liền kề trong quá trình chế tạo bộ lọc để điều chỉnh độ rộng của cực đại trong phổ phản xạ.. - Ảnh hƣởng của số chu kỳ N lên phổ phản xạ của bộ lọc dựa trên màng silic xốp đa lớp. - Hình 3.13: Phổ phản xạ của các bộ lọc a, b và c được chế tạo với số chu kỳ N tương ứng là 6, 18 và 12.. - So sánh phổ phản xạ mô phỏng (1) và thực nghiệm (2) của cùng một mẫu bộ lọc quang học băng rộng dựa trên PC 1D với bước sóng thiết kế λ=1460nm. - Các kết quả ban đầu về chế tạo bộ lọc quang học băng rộng hoạt động trong vùng nhìn thấy dựa trên màng silic xốp đa lớp chế tạo bằng phƣơng pháp ăn mòn điện hóa. - Cường độ phản xạ. - Phổ phản xạ của các mẫu bộ lọc quang học hoạt đông trong vùng nhìn thấy. - 3.3.2 Các kết quả chế tạo bộ lọc quang học giao thoa băng hẹp dựa trên tinh thể quang tử 1 chiều. - Ảnh FE-SEM của mặt cắt ngang một bộ lọc quang học giao thoa băng hẹp dựa trên tinh thể quang tử 1D với độ dài quang học của lớp đệm (lớp khuyết tật) là λ/2 với bước sóng cộng hưởng ở 650nm và độ tương phản chiết suất là 15/50mAcm -2 (a), và ảnh FE- SEM cho thấy kích thước của các lỗ xốp vào khoảng vài chục nanomet trong lớp đệm của bộ lọc (b). - Phổ phản xạ của vi hốc cộng hưởng 1D với 20 lớp silic xốp. - So sánh phổ phản xạ thực nghiệm (1) và mô phỏng (2) của cùng một mẫu bộ lọc quang học băng hẹp dựa trên PC 1D với bước sóng thiết kế λ=644nm. - Chúng tôi đã chế tạo thành công các bộ lọc quang học băng rộng trên cơ sở màng silic xốp đa lớp hoạt động trong vùng phổ từ hồng ngoại đến vùng nhìn thấy với hệ số phản xạ lên tới 80%.. - Phổ phản xạ của các bộ lọc chế tạo có sự phù hợp nhất định với các kết quả nhận đƣợc từ tính toán mô phỏng về ảnh hƣởng của độ tƣơng phản chiết suất của các lớp liền kề và số chu kỳ N của bộ lọc. - Sự sai lệch về phổ giữa thực nghiệm và mô phỏng chỉ xảy ra với các bộ lọc có số chu kỳ quá nhỏ hoặc quá lớn và đã đƣợc giải thích thông qua sự thay đổi cấu trúc của các lớp xốp trên bề mặt và dƣới đáy của bộ lọc.. - Chúng tôi cũng đã chế tạo thành công bộ lọc băng hẹp hoạt động trong vùng ánh sáng nhìn thấy dựa trên PC 1D bằng phƣơng pháp ăn mòn điện hoá phiến silic. - Các bộ lọc quang học này có độ phản xạ cao, trong khoảng từ 50% đến hơn 80%.. - Các kết quả thực nghiệm cũng cho thấy khi số chu kỳ của bộ lọc quang băng hẹp tăng lên thì cƣờng độ của đỉnh phổ phản xạ tăng lên và độ rộng nửa cực đại của dải truyền qua giảm. - Các đặc trƣng của phổ phản xạ của bộ lọc quang học giao thoa băng rộng và băng hẹp đƣợc nghiên cứu trong vùng bƣớc sóng từ 600nm đến 3000 nm. - Đã tìm đƣợc quy trình ổn định, phù hợp để chế tạo các bộ lọc quang học băng rộng có chất lƣợng tốt hoạt động trong một vùng dải phổ rộng từ vùng nhìn thấy đến vùng hồng ngoại. - Các bộ lọc này có cấu trúc trật tự dẫn đến hình thành vùng cấm quang theo phƣơng truyền, độ phản xạ cao. - Vùng cấm quang của các bộ lọc quang học phù hợp với các tính toán từ mô phỏng. - Ngoài ra, chúng tôi cũng đã nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố nhƣ độ tƣơng phản chiết suất, số chu kỳ đến phổ phản xạ của bộ lọc quang học. - Đã chế tạo thành công các bộ lọc quang băng hẹp trên cơ sở PC 1D. - Các bộ lọc này có vùng bƣớc sóng hoạt động trải dài trong vùng nhìn thấy và có độ phản xạ từ 50% đến 80%.. - Phổ phản xạ từ mô phỏng và thực nghiệm có sự phù hợp với nhau chứng tỏ chất lƣợng của bộ lọc chế tạo đƣợc. - Các kết quả thực nghiệm cũng cho thấy khi số chu kỳ của bộ lọc tăng lên thì cƣờng độ của đỉnh phổ phản xạ tăng lên và độ rộng nửa cực đại của dải truyền qua giảm