Nghiên cứu và chế tạo bộ lọc quang (băng rộng và băng hẹp) dựa trên màng đa lớp silic xốp

Nghiên cứu và chế tạo bộ lọc quang (băng rộng và băng hẹp) dựa trên màng đa lớp silic xốp Nguyễn Thúy Vân Trƣờng Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70 Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Bùi Huy Năm bảo vệ: 2011

Nghiên cứu và chế tạo bộ lọc quang (băng rộng

và băng hẹp) dựa trên màng đa lớp silic xốp

Nguyễn Thúy Vân

Trường Đại học Công nghệ Luận văn Thạc sĩ ngành: Kỹ thuật Điện tử; Mã số: 60 52 70

Người hướng dẫn: TS Bùi Huy

Năm bảo vệ: 2011

Abstract: Tổng quan về tinh thể quang tử và tinh thể quang tử một chiều dựa trên 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

cá nhân gọn, nhẹ với tốc độ cao, những hệ thống thông tin viễn thông siêu tốc băng thông rộng Tinh thể quang tử là một cấu trúc không gian tuần hoàn của các vật liệu có hằng số điện môi khác nhau Sự biến đổi tuần hoàn của hằng số điện môi làm xuất hiện vùng cấm quang (photonic bandgap - PBG) trong cấu trúc vùng (được hiểu là mối liên hệ giữa tần số và số sóng) của tinh thể quang tử PBG trong tinh thể quang tử có vai trò giống như vùng cấm về

năng lượng trong tinh thể điện tử

Chúng ta có thể sử dụng tinh thể quang tử để điều khiển, giam giữ và kiểm soát ánh sáng trong không gian ba chiều Tinh thể quang tử có thể cấm hoàn toàn các sóng điện từ có bước sóng trong PBG lan truyền qua nó mà không phụ thuộc vào sự phân cực của ánh sáng Tinh thể quang tử có thể tạo ra sự dẫn sóng ít bị mất mát năng lượng để hướng dòng ánh sáng

thể quang tử được xem như linh kiện then chốt cho các mạch tích hợp quang trong thông tin

chế tạo các bộ lọc quang, các chuyển mạch quang tốc độ cao, các hốc quang, các điốt quang, các laser ngưỡng 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…

Trong các loại tinh thể quang tử, tinh thể quang tử một chiều là loại tinh thể đơn giản nhất Tuy nhiên tinh thể một chiều lại có những ưu điểm riêng như dễ dàng chế tạo hơn,

có thể sử dụng để nghiên cứu một số khía cạnh của tinh thể quang tử nhiều chiều hơn và có thể dẫn đến những ứng dụng và các linh kiện mà chúng không yêu cầu phải cấm hoàn toàn (về mọi hướng) sự lan truyền qua hay bức xạ ánh sáng Tinh thể quang tử một chiều với chiết suất đồng nhất trong mỗi lớp được biết đến dưới 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, trước đây thường được chế tạo bằng phương pháp phún xạ hay bay hơi nhiệt một cách lần lượt 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 được màng silic xốp đa lớp có tính năng như 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 được 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 được các bộ lọc băng hẹp có độ rộng phổ chỉ vài nano mét với độ suy hao thấp dưới dạng các buồng vi cộng hưởng Ưu điểm của các bộ lọc chế tạo bằng phương 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 được trải rộng từ nhìn thấy, qua hồng ngoại đến tận vùng siêu vi ba

Với những lý do trên và đồng thời dựa vào trang thiết bị hiện có của phòng thí nghiệm

tôi đã chọn đề tài cho luận văn thạc sĩ là:

“Nghiên cứu và chế tạo bộ lọc quang (băng rộng và băng hẹp) trên cơ sở màng đa lớp

silic xốp.”

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có ba chương với nội dung như sau: Chương 1: Tổng quan về tinh thể quang tử một chiều

Chương 2: Mô phỏng các đặc tính quang học của bộ lọc quang

Chương 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ MỘT CHIỀU

Tinh thể quang tử 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 có thể so sánh được với bước sóng ánh sáng đang được nghiên cứu

1.1.2 Các đặc tính và thông số quan trọng của tinh thể quang tử Tinh thể quang tử được đăc trưng bởi một số thông số cơ bản sau: Số chiều, sự đối

(δ)

1.1.3 Các ứng dụng của tinh thể quang tử

Sử dụng như các chuyển mạch quang học, bộ nhớ quang học, pin quang-điện-hóa… Tinh thể quang tử một chiều( 1D) được sử dụng trong việc kiểm soát và điều chỉnh ánh sáng ở mức độ chính xác cỡ bước sóng, như việc tạo ra tinh thể quang tử 1D được sử dụng như những

bộ lọc quang học, ống dẫn sóng, cảm biến sinh học…

1.2.1 Tinh thể quang tử một chiều được thiết kế như một bộ lọc giao thoa

Bragg Reflectors)

Bộ lọc băng rộng hay gương phản xạ Bragg là hệ gồm nhiều lớp điện môi hoạt động dựa trên hiện tượng nhiễu xạ Bragg của một chùm ánh sáng sau khi phản xạ tại mặt phân cách giữa các lớp điện môi Mô hình đơn giản của hiện tượng nhiễu xạ được trình bày trong hình 1.6 [9],[15], trong đó màng mỏng bao gồm nhiều cặp lớp giống hệt nhau, mỗi cặp lớp gồm hai

Hình 1.6: (a) Tia phản xạ và tia truyền qua trong trường hợp màng đơn lớp và (b) trong trường hợp màng đa lớp

Bộ lọc dải rộng được sử dụng nhiều nhất là bộ lọc (Gương phản xạ Bragg - DBR) phần

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]

Hình 1.9 Sơ đồ cắt ngang của một buồng vi cộng hưởng Chiết suất của lớp đệm là

1.2.2 Cơ sở cho quá trình hình thành bộ lọc giao thoa trên cơ sở màng silic xốp đa lớp

1.2.2.1 Sự hình thành silic xốp Silic xốp chủ yếu được tạo ra từ sự ăn mòn điện hoá các phiến Silic trong các dung dịch axit HF [2],[13] Hình 1.10 là sơ đồ chế tạo silic xốp: anot là phiến silic có bề mặt được tiếp

xúc với dung dịch HF, catốt được làm bằng platin

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý chế tạo silic xốp

1.2.2.2 Kích thước và hình thái lỗ xốp

Hình 1.12: Mặt cắt ngang hình ảnh TEM cho thấy sự khác nhau cơ bản trong hình thái

giữa các loại khác nhau của mẫu (a) silic pha tap loại p, (b) silic pha tạp loại n, (c) silic pha tap loại p+, (d) silic pha tạp loại n+

1.2.2.3 Các thông số anot hóa Các nghiên cứu sự hình thành silic xốp bằng ăn mòn điện hóa [1],[10] đều cho thấy các tham số ảnh hưởng tới quá trình này là:

- Sự pha tạp của phiến silic gồm: loại tạp và nồng độ tạp;

- Mật độ dòng;

- Nồng độ HF: nồng độ càng cao, kích thước lỗ và độ xốp càng nhỏ Nồng độ

- Các dung môi dùng để pha loãng HF: vì silic xốp là loại vật liệu kỵ nước nên việc sử dụng ethanol làm chất pha loãng HF sẽ đảm bảo tính đồng nhất và khả năng thấm ướt

bề mặt tốt hơn so với nước khử ion hóa

- Thời gian ăn mòn: thời gian ăn mòn dài dẫn đến các lớp dày hơn, nếu không

có thời gian dài sẽ xảy ra tính dị hướng đối với chiều sâu trong lớp do hoạt động hóa học của chất điện phân

- Sự chiếu sáng trong suốt quá trình ăn mòn: áp dụng cho đế silic loại n [10]

1.2.3 Đặc điểm của silic xốp

1.2.3.1 Độ xốp (P) Phương pháp đơn giản nhất để xác định độ xốp theo trọng lượng được thể hiện trong công thức 1.4:

Hình 1.13 : Mối quan hệ giữa độ xốp và mật độ dòng của tấm silic loại p + (~0,01 Ωcm) với dung dịch HF 15% trong ethanol Tăng mật độ dòng dẫn đến độ xốp cao hơn Độ xốp nằm

đến 100

1.2.3.2 Chiết suất hiệu dụng 1.2.3.3

Hình 1.14: Giản đồ minh họa khái niệm chiết suất hiệu dụng của silic xốp [22]

Hình 1.15: Mối quan hệ giữa độ xốp và chiết suất của silic xốp Sự khác biệt giữa lý

thuyết Bruggeman, Looyenga và Maxwell-Garnett là do những giả thiết để tạo ra các hình thái

của vật liệu hỗn hợp giữa silic và không khí [23]

1.2.3.4 Tốc độ ăn mòn 1.2.3.5

Hình 1.16: Giản đồ mối liên hệ giữa tốc độ ăn mòn với mật độ dòng điện của loại silic

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

1 Tinh thể quang tử có cấu trúc không gian tuần hoàn về chiết suất, đặc trưng cơ bản

nhất của nó là tồn tại vùng cấm quang, tác dụng quan trọng nhất là kiểm soát sự lan truyền và bức xạ ánh sáng

2 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 đường 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 hưởng 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

3 Điều kiện để tạo ra silic xốp bằng điện hoá phiến silic: dung dịch điện hoá chứa HF,

ở chế độ phân cực a-nốt, mật độ dòng thấp hơn ngưỡng đánh bóng điện cực và có sự tham gia của lỗ trống trong phản ứng hoà tan Si

4 Cơ sở cho việc chế tạo màng silic xốp đa lớp: (i) quá trình hình thành các nano tinh

thể Si trong silic xốp mang tính chất tự giới hạn do đó một khi nano Si được tạo ra hay một lớp xốp được tạo ra thì chúng sẽ không bị ảnh hưởng của các quá trình điện hoá tiếp theo; (ii) độ xốp của lớp xốp chỉ phụ thuộc vào mật độ dòng khi các điều kiện điện hoá còn lại được duy trì không đổi; (iii) chiết suất của lớp xốp phụ thuộc đơn nhất vào độ xốp của nó; (iv) tốc độ ăn mòn phụ thuộc đơn nhất vào thời gian ăn mòn khi các điều kiện điện hoá khác được duy trì không đổi Các điều kiện này cho phép thay thế việc kiểm soát chiết suất theo chiều sâu của màng nghĩa là tạo ra một màng đa lớp bằng việc kiểm soát mật độ dòng theo thời gian ăn mòn

5 Lý thuyết môi trường hiệu dụng đã đưa ra tiêu chuẩn cho vật liệu xốp gồm hai pha

có thể được xem như là môi trường hiệu dụng đơn nhất với một hằng số cách điện đặc trưng

mà nó là trung bình theo tỷ trọng của hằng số cách điện của hai vật liệu hợp phần khi khoảng không gian trống trong vật liệu nền nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng tới

CHƯƠNG 2

MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH QUANG HỌC CỦA BỘ LỌC QUANG

Trước khi chế tạo bộ lọc quang học giao thoa, chúng tôi đã xây dựng chương trình mô phỏng để có thể thiết kế và dự đoán được 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 được đặc trưng bởi

các thông số cơ bản như: số lớp N, chiết suất n và độ dày quang học d của lớp Có rất nhiều

phương pháp số để phân tích bộ lọc quang học giao thoa (hay hệ thống màng đa lớp) như: Phương pháp ma trận truyền (Transfer Matrix Method - TMM), phương pháp sóng phẳng (Plane Wave Method - PWM), và phương pháp miền thời gian khác biệt hữu hạn (Finite Difference Time Domain - FDTD) Dựa trên những ưu nhược điểm của từng phương pháp chúng tôi đã chọn phương pháp Ma trận truyền để mô phỏng đặc trưng phổ phản xạ cho các bộ lọc được nghiên cứu trong Luận văn

Phương pháp ma trận truyền (TMM) là một thuật toán rất hữu ích cho việc tính toán phổ phản xạ và truyền qua của các cấu trúc đa lớp

Phương pháp ma trận truyền có thể xử lý các cấu trúc có chỉ số tương phản cao giữa hai vật liệu hỗn hợp Điều này khiến cho TMM trở thành phương pháp phù hợp cho mô phỏng các cấu trúc màng đa lớp, là các cấu trúc có sự tương phản cao giữa các lớp

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc của bộ lọc quang học giao thoa 1 chiều băng hẹp

0.4 0.6 0.8 1

Pho phan xa cua bo loc quang bang rong 1D

Pho phan xa cua bo loc quang bang rong 1D

Hình 2.4 Phổ phản xạ của bộ lọc quang băng rộng với số chu kỳ N=12 Độ dày của

(2) (3)

lớp trong một chu kỳ thay đổi

chu kỳ lần lượt là 4, 6, 8 và 25 chu kỳ

Bảng 2.1 Bảng giá trị thể hiện sự phụ thuộc của độ phản xạ vào số chu k

Số chu

kỳ N

Hệ số phản xạ

Số chu

kỳ N

Hệ số phản xạ

8 0.9880 16 0.9999

Hình 2.7: Sự phụ thuộc của hệ số phản xạ vào số chu kỳ

Nhận xét: khi số chu kỳ N tăng lên, hệ số phản xạ tăng dần tới giá trị 1

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của số chu kỳ lên độ bán rộng phổ

Bảng 2.2 Bảng giá trị thể hiện sự phụ thuộc của độ bán rộng phổ

vào số chu kỳ

Số chu

kỳ N

Độ bán rộng phổ

Số chu

kỳ N

Độ bán rộng phổ

Hình 2.8 Sự phụ thuộc của độ bán rộng phổ vào số chu kỳ

Nhận xét: khi số chu kỳ N tăng lên thì độ bán rộng phổ có xu hướng giảm xuống và

dần tới giá trị xác định

rộng phổ

1000 1500 2000 2500 3000 3500 0

Hình 3.12 Sự phụ thuộc của độ bán rộng phổ vào bước sóng ánh sáng trung tâm (1)

Bảng 2.3: Bảng giá trị thể hiện sự phụ thuộc của độ bán rộng phổ vào bước sóng ánh

sáng trung tâm trong vùng 1000nm đến 2800 nm:

Bước sóng ánh sáng

trung tâm (

nm)

Độ bán rộng phổ

Bước sóng ánh sáng trung tâm (nm)

Độ bán rộng phổ

Nhận xét: Độ bán rộng phổ phụ thuộc gần như tuyến tính vào bước sóng của ánh sáng

tới, khi bước sóng ánh sáng tới tăng, thì độ bán rộng phổ cũng tăng

trên tinh thể quang tử 1 chiều [21]:

Hình 2.7 Phổ phản xạ mô phỏng của một bộ lọc quang giao thoa băng hẹp 1D với

Nghiên cứu các thông số của bộ lọc quang giao thoa băng hẹp 1D

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Pho phan xa cua bo loc quang giao thoa bang hep 1D

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

của lớp không gian là λ/2 và chiết suất phản xạ của nó lần lượt là a)1,4,

(3) (2) (1)

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

2 3 4 5 6 7 8 0

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

truyền là phương pháp rất hữu ích và đơn giản cho việc mô phỏng màng đa lớp Dựa vào phương pháp này, chúng tôi đã mô phỏng được các đặc tính quang học của bộ lọc quang bằng cách thay đổi các thông số đầu vào như chiết suất và độ dày của các lớp, số chu kì, góc tới và khoảng bước sóng Các đặc trưng của phổ phản xạ của bộ lọc quang học giao thoa băng rộng

và băng hẹp được nghiên cứu trong vùng bước sóng từ 600nm đến 3000 nm

nhưng với bất kỳ vật liệu nào chúng ta cũng có thể mô phỏng được bởi vì chiết suất có thể

được thay đổi tùy vào mỗi vật liệu khác nhau

chương trình mô phỏng như sau:

suất lớp thấp), độ rộng phổ tăng cùng với độ tương phản chiết suất giữa hai lớp liền kề

dần tới 1

sóng ánh sáng tới tăng, thì độ bán rộng phổ cũng tăng

hẹp ta thu được các kết quả như sau:

trường hợp λ và λ/2 là tương tự nhau Đỉnh truyền qua được đặt tại bước sóng trung tâm

sóng này 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

vùng cấm hoặc đỉnh truyền qua Sự khác nhau giữa các phổ phản xạ khi ta quan sát thấy được

đó là các side-lobes

cộng hưởng Khi N tăng, đỉnh truyền qua trở nên hẹp hơn, độ phản xạ của vùng cấm tăng lên

và hình dáng của phổ sắc nét hơn

CHƯƠNG 3

CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN

điện hóa

Bước 1: Chuẩn bị mẫu, dụng cụ và hóa chất

Hình 3.1: Hệ lò được dùng để ủ tiếp xúc cho phiến silic bốc bay nhôm

Bước 2: Chế tạo PC 1D bằng phương pháp ăn mòn điện hóa

Hình 3.2: Hệ thống ăn mòn điện hóa