Tinh thể photonic band gap

Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap Công nghệ nano Tinh thể photonic band gap

Tinh thể Photonic Band Gap

Srivatsan

Balasubramanian

• Nghiên cứu hiện tại.

• Định hướng tương lai.

• Kết luận.

1 PBG là gì ?

chùm ánh sáng giống như điều khiển dòng điện trong các chất bán dẫn

lượng nằm trong vùng cấm điện tử Tương tự như vậy, một tinh thể quang tử không thể hỗ trợ các photon nằm trong khe hở lượng tử ánh sáng Bằng cách ngăn chặn hoặc cho phép ánh sáng truyền qua một tinh thể, xử lý ánh sáng có thể được thực hiện.

Điều này sẽ tạo ra cuộc cách mạng hóa lượng tử ánh sáng, cách mạng hóa các bóng bán dẫn điện tử.

1 PBG được chế tạo như nào?

• Tinh thể quang tử thường bao gồm vật liệu điện

môi, đó là vật liệu đóng vai trò là vật liệu cách điện hoặc trong đó có 1 trường điện từ có thể được lan truyền với tổn hao thấp.

• Các lỗ (trong thứ tự của các bước sóng liên quan)

được khoan vào điện môi trong một cấu trúc mạng tinh thể tương tự nhau và được lặp đi lặp lại.

• Nếu được xây dựng đủ chính xác, kết quả các tinh

thể holey sẽ như một PBG, một loạt các tần số mà trong đó một bước sóng riêng của ánh sáng sẽ bị chặn.

Một PBG làm việc như nào?

• Trong các chất bán dẫn, điện tử được phân tán bởi các hàng của

các nguyên tử trong mạng, phân cách bằng một vài nano mét và

do đó một vùng cấm điện tử được hình thành.

Kết quả là cấu trúc băng tần có thể sửa đổi bằng cách pha trộn.

• Trong một tinh thể quang tử, dãy lỗ là tương tự với các

nguyên tử trong chất bán dẫn Ánh sáng đi vào vật liệu đục lỗ sẽ phản xạ và khúc xạ ra khỏi mặt phân cách giữa kính và không khí Các chùm tia phức tạp và chồng chéo

sẽ dẫn đến hủy bỏ một dải bước sóng trong tất cả các hướng dẫn đến ngăn ngừa sự lan truyền của dải tần này vào tinh thể Kết quả là cấu trúc dải quang tử có thể

được thay đổi bằng cách điền vào một số lỗ hổng

hoặc tạo

ra các khiếm khuyết trong hệ thống chu kỳ hoàn toàn khác

Tính chất vật lý của PBG

Sự hình thành PBG có thể được coi là sự tương tác hiệp lực giữa hai cơ chế cộng hưởng tán xạ khác nhau Đầu tiên là cộng hưởng Bragg “vĩ mô” từ một mảng tuần hoàn của tán xạ Điều này dẫn đến khoảng cách dừng điện tử khi sóng lan truyền theo hướng điều chế định kỳ theo một số nguyên lần nửa bước sóng (m=1,2,3…, trùng với khoảng cách mạng L, các vi cấu trúc điện môi Thứ hai là một tán xạ cộng hưởng “vi mô” từ một tế bào đơn vị duy nhất của vật liệu Trong hình minh họa, điều này (tán xạ ngược tối đa) xảy r a khi một phần tư bư ớc sóng trùng v ới đư ờng kí nh 2a của một gi ếng duy nhất của đi ện môi chiế t suất n Sự hình thành PBG được tăng cường bằng cách chọn những vật liệu có thông số a, L, và n sao cho cả hai cộng hưởng vĩ mô và vi mô xảy

ra tại cùng một tần số.

Tại sao làm 1 PBG khó khăn ?

• Hình thành PBG được thuận lợi nếu các thông số hình học của các tinh thể quang tử được chọn sao cho cả cộng hưởng

vi mô và vĩ mô xảy ra chính xác ở cùng một bước sóng.

• Cả hai cơ chế tán xạ phải được phân biệt khá mạnh mẽ Trong thực tế, điều này có nghĩa là các vật liệu rắn cơ bản phải có một chỉ số khúc xạ tương phản rất cao (thường là khoảng 3.0 hoặc cao hơn và để đạt được độ chính xác tương phản này, các lỗ được khoan vào môi trường

).

• Các vật liệu nên hấp thụ ánh sáng không đáng kể ( hệ số suy giảm nhỏ hơn 1 dB/cm )

Các điều kiện về hình học, phát xạ năng lượng và độ tinh

khiết của vật liệu điện môi hạn chế nghiêm trọng các thiết lập

của chất điện môi để chế tạo một PBG.

Phân loại PBG

Ví dụ đơn giản về tinh thể quang tử một, hai, ba chiều Các màu sắc khác nhau đại diện cho các vật liệu có hằng số điện môi khác nhau Các tính năng xác định của một tinh thể quang tử là chu kỳ của vật liệu điện môi dọc theo một hoặc nhiều trục Mỗi cách phân loại sẽ được trình bày lần lượt trong các slide sau đây.

Tinh thể PBG 1 chiều

Những lớp phim mỏng ở hình trên là một tinh thể ánh sáng một chiều Thuật ngữ “một chiều” thực tế có ý nghĩa là điện môi chỉ tuần hoàn theo một hướng

Nó bao gồm các lớp vật liệu xen kẽ (màu xanh và xanh lá cây) với những hằng số điện môi khác nhau, cách nhau một khoảng a Vùng cấm ánh sáng thể hiện bởi vật liệu này tăng lên khi độ chênh lệch điện môi tăng.

Cấu trúc dải 1D

Cấu trúc vùng cấm ánh sáng lan truyền cho một trục được chỉ ra cho 3 lớp đa film, mỗi lớp có độ rộng 0.5a.

Bên trái: Mỗi lớp có chung một hằng số điện môi ε = 13

Trung tâm: Các lớp có hằng số điện môi xen kẽ ε = 13 và ε = 12.

Bên phải:Các lớp có hằng số điện môi xen kẽ ε = 13 and ε = 1.

Ta có nhận xét rằng khoảng cách ánh sáng trở nên lớn hơn khi độ chênh lệch điện môi tăng.

Bước sóng trong PBG 1 chiều

Bước sóng không trong PBG 1 chiều

(1) Một bước sóng bên ngoài vùng băng cấm đi vào vật liệu 1 chiều (2) Sóng phản xạ khác pha và triệt tiêu lẫn nhau.

(3) Ánh sáng truyền qua vật liệu chỉ hơi suy yếu.

Tinh thể PBG 2 chiều

Bên trái: một mảng tuần hoàn của trụ điện môi trong không khí tạo thành một vùng băng cấm 2 chiều.

Bên phải: Dạng phổ truyền của mảng tuần hoàn

Một vùng băng cấm 2 chiều đầy đủ được quan sát với bước sóng trong khoảng 0.22 µm đến 0.38 µm.

Khiếm khuyết trong tinh thể PBG 2D

Bên trái: một lỗi được đưa vào hệ thống bằng cách loại bỏ một trong những ống trụ Điều này sẽ dẫn đến nội địa hóa một chế độ tại vị trí khiếm khuyết.

Bên phải: Ta thấy một đỉnh truyền được quan sát trong vùng băng cấm Điều này tương ứng với trạng thái lỗi dẫn đến nội địa hóa không gian của ánh sáng và có ứng dụng hữu ích trong việc tạo ra hốc cộng hưởng.

Cấu trúc băng 2 chiều

Một tinh thể quang tử 2 chiều với 2 đường cong 60º, đưa ra bởi nhóm của Susumu Noda Những cấu trúc này dễ chế tạo nhưng chúng cps vấn đề bởi các photon không bị giữ lại bởi mặt trước và mặt sau Bằng cách tạo ra các lỗ như tạo thành lỗ nhỏ hơn hoặc lớn hơn bình thường, các tấm có thể hoạt động được như hốc cộng hưởng và có thể sử dụng để làm bộ lọc xen rẽ quang.

Bước sóng trong PBG 2D

(1) Đối với một vùng cấm 2 chiều, mỗi đơn vị tế bào của cấu trúc

tạo ra sóng phản xạ.

(2) Sóng phản xạ và khúc xạ kết hợp triệt tiêu sóng tới.

(3) Điều này sẽ xảy ra trong tất cả các hướng có thể cho 1 băng cấm 2 chiều đầy đủ.

Tinh thể PBG 3 chiều

PBG 3D được quan sát trong :

• Cấu trúc kim cương.

Cấu trúc kim cương

Cấu trúc kim cương đảo (ngược) là một trong những cấu trúc nguyên mẫu đầu tiên theo dự đoán của Chan và Soukoulis, thể hiện sự rộng lớn và vững chắc của PBG 3 chiều Nó bao gồm một mảng chồng chéo của khối cầu không khí sắp xếp trong một lưới kim cương Cấu trúc này có thể giống như khoan một loại các đan qua mặt trụ với số lượng lớn trong khối điện môi Mạng trục vững chắc bao gồm một chất chiết suất cao như là silicon tạo ra một PBG 3 chiều lớn bằng 27% tần số trung tâm Chiết suất tối thiểu của mạng cực cho sự hình thành 1 PBG là 2.0

Cấu trúc Yablonovite

Đây là tinh thể quang tử 3 chiều đầu tiên được thực hiện và nó được đặt tên theo Yablonovite sau khi Yablonovitch định nghĩa nó Một tắm vật liệu được bao phủ bởi một mặt lạ gồm các mảng hình tam giác của lỗ mỗi lỗ được khoan qua

3 lần, ở góc 35.26 so với khoan thẳng và dàn ra 120 trên góc phương vị Kết quả các lỗ đan chéo bên dưới bề mặt của tấm tạo ra một cấu trúc 3 chiều FCC đầy

đủ Khoang có thể được thực hiện bằng một mũi khoa vi sóng hoặc bằng cách khắc ion phản ứng để tạo ra một cấu trúc FCC ở các bước sóng quang học Các màu sẫm trên băng có nghĩa là vùng hoàn toàn bị cấm.

Cấu trúc Opal đảo

Hình ảnh SEM của một mặt cắt ngang dọc theo khối( 110) hướng của một Si opal ngược với 5% PBG khoảng 1.5 um Cấu trúc có được do

sự xâm nhập của một opal nhân tạo với silicon (vùng tô màu nhạt) và loại bỏ SiO2 các thành phần của opal Đường kính mặt cầu không khí

là 870 nm Rõ ràng sự xâm nhập đầy đủ (kim cương hình khoảng trống giữa mặt cầu) và ảnh hưởng của quá trình nung kết opal nhân tạo trước khi xâm nhập (lỗ nhỏ kết nối các mặt cầu lần cận).

Cấu trúc FCC

Hình dựng trên máy tính là của một tinh thể ánh sáng 3 chiều , được đưa ra bởi Joannopoulos và nhóm của ông, 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 năng lực 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 môi bằng 12.

Cấu trúc xoắn ốc vuông

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, ban đầu hình thành với một mạng vuông 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 không khí xuất hiện trong một nền rắn trưng bày một 3D-PBG thậm chí còn lớn hơn.

Cấu trúc giàn

Cấu trúc giàn (vì nó trông 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 vùng cấm ánh sáng Vùng cấm nhỏ nhưng chắc chắn bị cấm Điều này được

đề xuất bởi Joseph Haus và các đồng nghiệp.

Cấu trúc điều hướng 3D Opal đảo

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 Electro-optic có thể gây ra vùng cấm dẫn đến nhấp nháy trong và ngoài vùng tồn tại Điều này có thể ảnh hưởng tới công nghệ hiện tại và sẽ được thảo luận sau.

Ứng dụng của PBG

Thiết bị Mô tả Trạng thái

Cáp quang Vật liệu vùng cấm 2D kéo giãn dọc theo chiều thứ 3 Những phiên bản thương mại đầu tiên đã sẵn sàng

Công nghệ laser kích thước

nano

Lỗ hổng quang học nhỏ nhất thế giới và laser nhỏ nhất, hình thành trong một màng mỏng của vật liệu vùng cấm 2D Chứng minh trong phòng thí nghiệmChất nhuộm siêu trắng Vật liệu cóvùng 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 thông thường để tạo nên bộ lọc kênh, điều

chế, bộ ghép… Đang phát triển

1 Sợi quang tinh thể

• 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 không khí chạy dọc theo chiều dài của sợi.

Các dạng 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)

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

• Với những lỗ đủ nhỏ, PCF còn lại duy nhất một chế độ ở tất cả các bước sóng, chính vì vậy nên nó được đặt tên là “ chế độ sợi đơn vô tận “

Sợi PBG

• Sợi PBG dựa trên cơ chế khác nhau một cách căn bản từ sợi M-TIR.

• Hiệu ứng 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.

• Trong một sợi PBG, lỗ tuần hoàn hoạt động như là lõi và một khuyết tật được giới thiệu (một lỗ không khí được thêm vào) hoạt động như là một lớp phủ Vì không khí không thể truyền trong lớp phủ vì vùng cấm ánh sáng, nó nhận được sự hạn chế trong lõi, thậm chí nếu nó có một chỉ số khúc xạ thấp hơn

• Thực tế, sợi mất rất thấp với môi trường chân không hay không khí như là cốt lõi để tạo ra.

2 Laser tinh thể quang

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 Không có chế độ khiếm khuyết được thiết kế trong PBG – 2D (theo S Noda, Đại học Kyoto) (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).

3 Bộ lọc tinh thể ánh sáng

Bộ lọc tăng giảm cho hệ thống viễn thông quang Nhiều dòng 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 chuyên chở thông 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.

4 Photonic Crystal Planar Waveguides

• Creating a bend radius of more than few millimeters is difficult in

conventional fibers because the conditions for TIR fail leading to leaky modes.

• PC waveguides operate using a different principle A line defect is created in

the crystal which supports a mode that is in the band gap This mode is forbidden from propagating in the crystal because it falls in the band gap.

• When a bend needs to be created in the waveguide, a line defect of the same

shape is introduced It is impossible for light to escape (since it cannot propagate in the bulk crystal) The only possibility is for the mode to propagate through the line defect (which now takes the shape of a sharp bend) leading to lossless propagation.

5 PIC on a 3D PBG Microchip

An artist’s conception of a 3D PBG woodpile structure into which a micro-laser array and de-multiplexing (DEMUX) circuit have been integrated (courtesy of S Noda, Kyoto University, Japan) These photonic integrated circuits will be prime movers for deeper penetration of optical networking into telecommunications.

to all-optical transistor action.

• Ultra-small beamsplitters, Mach-Zehnder interferometers, and functional micro-optical elements such as wavelength add-drop filters leading to compact photonic integrated circuits.

• Single atom memory effects for possible quantum

computer applications.

1 All Optical Transistor

Micro-photonic all-optical transistor may consist of an active region buried in the intersection of two wave-guide channels in a 3D PBG material The two-level systems (“atoms”) in the active region are coherently pumped and controlled by laser beams passing through the wave guides In addition, the 3D PBG material is chosen to exhibit an abrupt variation in the photon density of states near the transition frequency of the atoms This leads to atomic “population inversion” through coherent pumping, an effect which is forbidden in ordinary vacuum The inversion threshold is characterized by a narrow region of large differential optical gain (solid curve in the inset) A second, “control laser” allows the device to pass through this threshold region leading to strong amplification of the output signal In ordinary vacuum, population inversion is unattainable (dashed curve in the inset).