Tinh thể quang tử

Tinh thể quang tử

Photonic

Tinh thể quang tử

1. Một số khái niệm về tinh thể lượng tử ánh sáng

2. Cách thức tạo ra một band tinh thể tử ánh sáng và tính chất quang học của nó.

3. Một số tính năng quan trọng của tinh thể quang tử

4. Phương pháp chế tạo các tinh thể lượng tử ánh sáng khác nhau(1D,2D,3D)

5. Chỉ ra cách tạo ra các khuyết tật có hình dạng và kích thước khác nhau trong tinh thể lượng tử ánh

sáng

6. Tinh thể phi tuyến trong lượng tử ánh sáng

7. Tính năng của từng loại tinh thể lượng tử ánh sáng

8. Mô tả ứng dụng của tinh thể lượng tử ánh sáng trong truyền thông tin quang.

9. Ứng dụng chung của tinh thể lượng tử ánh sáng trong môi trường,hóa chất,cảm biến sinh học

Giới thiệu

• Cung cấp chi tiết lớp bảo vệ của tinh thể quang tử

• Tinh thể quang tử biểu diễn cho một lớp vật liệu quang mà ở dó xen kẽ chỉ số khúc xạ thấp

và cao để tạo ra cấu trúc có tính chu kỳ với bước sóng ánh sáng

• Lĩnh vực này đang được nghiên cứu trên toàn thế giới và lời hứa cho nhiều công nghệ trong tương lai.

1.Khái niệm cơ bản

• Các tinh thể lượng tử ánh sáng được sắp xếp theo cấu trúc nano với hằng số điện môi thay đổi hay là chỉ số khúc xạ được bố trí một cách tuần hoàn theo thứ tự của bước sóng ánh sáng.

3D:là các mặt cầu được sắp xếp theo cả mặt và khối

2D:tạo ra bằng cách chồng các khối trụ có chỉ số khúc xạ đã cho

1D : cấu trúc gồm các lớp xen kẽ có chỉ số khúc xạ khác nhau được xếp chồng lên nhau

• Trong cấu trúc tinh thể quang thông thường thì giữa các chỉ số khúc xạ cao và thấp sẽ tạo ra khoảng trống.

• Nếu đóng gói các hạt keo trong cấu trúc này thì gọi là các opal

• Để sản xuất ra các opal nghịch đảo trong lĩnh vực đóng gói rỗng(chỉ số khúc xạ của không khí =1) và khoảng trống được làm đầy với vật liệu có chiết suất cao(>2.9)

• Đóng gói hình cầu polystyrene và điền vào khe hở loại vật liệu có chỉ số khúc xạ

cao(GaP=3.5).Sau đó polystyrene được đốt nóng để lại lỗ khí

• Nếu đóng gói bằng silica thì ta sử dụng khắc HF trên sản phẩm để tạo ra opal nghịch đảo

2.Lý thuyết tạo ra tinh thể quang tử

• Cấu trúc band của tinh thể quang tử có thể xác định được tính chất quang học của nó( truyền tải,phản xạ,phụ thuộc góc).

• Cấu trúc bandgap(vùng cấm) của lượng tử ánh sáng được xác định qua các định luật và nó cũng đúng với thực nghiệm -tạo ra tinh thể quang tử mong muốn và phù hợp với từng ứng dụng

• Nhiều phương pháp xác định cấu trúc dải quang tử

Phương pháp xác định cấu trúc dải phân tử

• Kỹ thuật miền tần số mà phương trình photon giá trị riêng được mô tả trong Chương 2 (PWEM, TMM , KKR…)

• kỹ thuật miền thời gian, tính toán thời gian của trường điện từ đầu vào truyền qua tinh thể.Sau đó, cấu trúc band được tính bằng các chuyển đổi Fourier từ miền thời gian sang miền tần số Một phương pháp miền thời gian được sử dụng rộng rãi phương pháp là FDTD

PWEM(Plane Wave Expansion Method)

TMM(Transfer Matrix Method)

3.Các đặc điểm của tinh thể quang tử

• Bandgap(những khoảng trống -vùng cấm) tương ứng với bộ lọc băng hẹp chất lượng cao.Vị trí của bandgap có thể thay đổi bằng cách thay đổi tinh thể phi tuyến sử dụng Kerr phi

tuyến

• Nâng cao trường địa phương : Khi gần bandgap thì tần số thấp sẽ tập trung năng lượng trong vùng có chỉ số khúc xạ cao,còn tần số cao sẽ tập trung ở vùng vật liệu có chỉ số khúc xạ thấp.

• Phân tán vận tốc nhóm bất thường:

Vân tốc nhóm được xác định như một gói sóng quang học truyền trong một phương tiện và phân tán vận tốc nhóm như một hàm của tần số ánh sáng.

Các đặc điểm của tinh thể quang tử(tiếp)

• Phân tán chỉ số khúc xạ bất thường: khi gần vùng hấp thụ quang thì chỉ sổ số khúc xạ xảy ra bất thường(xuất hiện các đường congkhông tăng theo bước sóng)

Các đặc điểm của tinh thể quang tử(tiếp)

• Hiệu ứng Microcavity trong tinh thể quang tử:

Hai hiệu ứng microcavity cụ thể được trình bày ở đây là hiệu ứng Purcell và tái chế photon.

hiệu ứng Purcell:

 phổ phát xạ tự phát là he.p hơn so với các khoang cộng hưởng đỉnh cao,

 các tần số phát phù hợp với một trong các tần số chế độ khoang.

tái chế photon: đề cập đến quá trình tái hấp thu của một photon phát ra,phát xạ lại

Các đặc điểm của tinh thể quang tử(tiếp)

4.PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO

Một số kỹ thuật có sẵn để chế tạo keo lắp ráp:

các khối xây dựng, thời gian kết tinh, nhiệt độ, độ ẩm)

 phương pháp lắng đọng dọc

 phương pháp tự lắp ráp đối lưu

4.PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO

• In thạch bản hai photon.

5 Mạch quang lượng tử ánh sáng

• Cấu trúc khiếm khuyết tạo ra cố ý bên trong các tinh thể lượng tử ánh sáng 3D polystyrene

• (a) hình ảnh hai photon huỳnh quang (sử dụng kích thích 800 nm) chế tạo cấu trúc cách tử

• (b) hình ảnh một huỳnh quang đồng tiêu của photon chế tạo chùm 1X3 trong khu vực nhánh

5 Mạch quang lượng tử ánh sáng

6 Tinh thể quang tử phi tuyến

trúc lập phương tâm diện,đó là tinh thể blue và tinh thể green:

- Tinh thể blue : cấu tạo bởi các khối cầu đường kính 198 nm

- Tinh thể green : cấu tạo bởi các khối cầu đường kính 228 nm

• Chiếu chùm tia laser có bước sóng lần lượt là 1.36 um và 1.56 um vào tinh thể blue và tinh thể green,ta quan sát thấy một chùm tia bước sóng harmonic thứ ba trong cả truyền và phản xạ.

ba phát ra từ các tinh thể blue và green

7 Sợi tinh thể quang tử

- Là sợi có cấu trúc tuần hoàn được làm bằng các ống nhỏ (như ống mao dẫn) Những lỗ trống được chứa đầy không khí và nó có hình dạng giống mạng lục giác

- Ánh sáng có thể truyền dọc theo sợi bên trong những lỗ khuyết của cấu trúc tinh thể

- Sợi tinh thể quang tử là một loại mới của sợi quang học Kết hợp tính chất của sợi quang và tính chất của tinh thể quang tử sợi tinh thể quang tử có nhiều tính chất mà những sợi quang học trước đây không thể có được

- Việc thiết kế sợi tinh thể quang tử rất linh động, có một vài thông số cho việc thết kế như: bước nhảy mạng (chu kỳ mạng), h.nh dạng lỗ hổng không khí và đường kính của nó, chiết suất của thuỷ tinh và loại mạng

- có hai kỹ thuật truyền dẫn trong sợi tinh thể quang tử : một là kỹ thuật truyền dẫn index ( tương tự như trong sợi quang truyền thống), hai là kỹ thuật truyền dẫn dùng vùng cấm quang tử

• Efficient Waveguiding.

- PCF lõi đặc : Dẫn sóng được thực hiện bởi bẫy ánh sáng,có thê bao gồm phản xạ toàn phần bên trong

- PCF lõi rỗng : Dẫn sóng chỉ dựa trên bẫy ánh sáng tại tần số của bandgap quang

tử của PCF.Sự có mặt của bandgap này khiến cho tia sáng phản xạ từ bề mặt của PCF xung quanh lỗ không khí

Sợi tinh thể quang tử lõi đặc và lõi rỗng

• Sự phân tán vận tốc nhóm 0:

- Những cáp đặc biệt được chế tạo với sự phân tán nhóm 0 gần 1550 nm

- Có thể thiết kế sợi với sự phân tán vận tốc nhóm 0 tại bất kì bước sóng nào được chọn giữa 550 nm và 1.7um

8.Tinh thể quang tử và truyền thông quang

truyền qua các kênh lỗ khuyết cho phép bẻ cong ánh sáng mà không tổn hao đáng kể,đây chính là ưu điểm đáng kể của tinh thể quang tử

tới dải bước sóng được nói đến ở mục 9.7,do đó tần số sóng mang không bị giới hạn trong miền từ 1.3 um đến 1.55 um

Division Multiplexing ).Tăng cường độ dịch pha phi tuyến của tần số lọc trung tâm cho phép điều khiển linh hoạt trong định tuyến kênh WDM

10.Điểm nhấn của chương

hằng số điện môi khác nhau hay chiết suất được sắp xếp theo một chu kì

sáng trong dải bước sóng bị phản xạ lại nếu ở bên ngoài,hoặc khi bị bẫy nếu phát

ra từ bên trong

này không thể truyền qua tinh thể quang tử

thể quang tử này được gọi là photonic band gap material

hợp này bandgap được định nghĩa là pseudo-gap hay stop-gap

• Tinh thể quang tử bao gồm các topo : 1D,2D,3D

những vector sóng của chúng ngược lại với photon,phụ thuộc vào chiết suất tương phản,chu kì,và topo của tinh thể quang tử

tử,được xác định bởi cấu truc dải

chương trình,trong cả miền tần số lẫn thời gian

cho thấy sự thay đổi bất thường của vận tốc nhóm gần bandgap nơi nó thay đổi nhanh chóng giá trị từ max đến min

• Sự phân tán bất thường dẫn đến một hiện tượng quang mới như siêu lăng kính

chuẩn trực truyền ánh sáng

chiết suất dẫn tới sự khác nhau của chiết suất ngược lại với sự thay đổi tần số photon từ max tới min

những lỗ hổng nano và micro.Việc này đã được hoàn thành bằng cách tạo ra những lỗ khuyết trong nó

(i) Hiệu ứng Purcell:Tăng cường sự phát xạ tự nhiên

(ii) Tái sinh photon:Quá trình hút lại của các photon đã phát ra

• Một số lượng lớn các phương pháp đã được sử dụng để làm tinh thể quang tử

rất nhỏ dọc theo chiều dài

cho truyền thông quang

cường độ phi tuyến trong lõi

• Truyền thông quang là một ứng dụng quan trọng cho tinh thể quang tử.

truyền thông quang