Luận án tiến sĩ: Thiết kế ống dẫn sóng plasmonic nano cho hệ thống ghép kênh WDM - Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ỐNG DẪN SÓNG PLASMONIC NANO TRONG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƢỚC SÓNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI - 2022 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ỐNG DẪN SÓNG PLASMONIC NANO TRONG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƢỚC SÓNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 9 52 02 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HÀ NỘI - 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học đƣợc trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chƣa từng xuất hiện trong các công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt đƣợc là hoàn toàn chính xác và trung thực TÁC GIẢ LUẬN ÁN ii LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS không những đã chỉ bảo nhiệt tình, tỉ mỉ về mặt khoa học mà còn luôn động viên, hỗ trợ tôi về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành bản luận án này sau hơn 4 năm làm nghiên cứu sinh Qua đây, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Đào tạo Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật Điện tử, Học viện Công nghệ Bƣu chính Viễn thông đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu Cuối cùng, tôi xin dành những lời yêu thƣơng nhất đến gia đình tôi: bố mẹ, các em và đặc biệt là vợ và các con trai tôi Sự động viên, giúp đỡ và sự hy sinh của họ là động lực giúp cho tôi vƣợt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án này iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC HÌNH x MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài luận án 1 Mục tiêu nghiên cứu 3 Nội dung nghiên cứu của luận án 4 Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu 4 Phƣơng pháp nghiên cứu 4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4 Bố cục của luận án 4 CHƢƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỐNG DẪN SÓNG PLASMONIC 6 1 1 Kỹ thuật ghép kênh theo bƣớc sóng 6 1 1 1 Một số cấu kiện ghép/tách kênh quang trong hệ thống WDM 7 1 1 2 Ƣu điểm của WDM 8 1 2 Lý thuyết về plasmonic 9 1 2 1 Giới thiệu 9 1 2 2 Plasmonic 9 1 2 3 Phân cực plasmon bề mặt 11 iv 1 2 4 Cộng hƣởng plasmon bề mặt 14 1 3 Ống dẫn sóng plasmonic 14 1 3 1 Sơ đồ nguyên lý ống dẫn sóng khe hở 15 1 3 2 Ống dẫn sóng khe hở plasmonic 3D dƣới bƣớc sóng 16 1 3 3 Cấu trúc ống dẫn sóng plasmon IMI 19 1 3 4 Cấu trúc ống dẫn sóng plasmon MIM 20 1 4 Sự hình thành và truyền lan sóng plasmonic 20 1 5 Các phƣơng pháp phân tích và mô phỏng sử dụng trong luận án 23 1 5 1 Phƣơng pháp EME 23 1 5 2 Phƣơng pháp FDTD 28 Kết luận chƣơng 1 33 CHƢƠNG 2 Ố NG D Ẫ N SÓNG LAI GHÉP PLASMONIC - SILIC CÓ CH Ứ C NĂNG QUAY PHÂN CỰ C VÀ CÁC C Ổ NG LOGIC TOÀN QUANG KÍCH THƢỚ C NANO MÉT 35 2 1 Ố ng d ẫ n sóng lai ghép plasmonic - silic có ch ức năng quay phân cự c kích thƣớc nano mét 35 2 1 1 Thiết kế cấu trúc và phân tích hoạt động 39 2 1 2 Kết quả mô phỏng và nhận xét 42 2 2 Các cổng logic toàn quang dựa trên ống dẫn sóng plasmonic MIM 48 2 2 1 Nguyên lý thiết kế các cổng logic plasmonic 50 222 K ế t qu ả mô ph ỏng các c ổng logic và nh ậ n xét 52 2 3 Kết luận Chƣơng 2 58 CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ CÁC BỘ LỌC BƢỚC SÓNG SỬ DỤNG ỐNG DẪN SÓNG PLASMONIC KÍCH THƢỚC NANO MÉT 60 v 3 1 Thiết kế bộ lọc 2 băng sóng 1310nm và 1550nm dựa trên ống dẫn sóng nano plasmonic 60 3 1 1 Mô hình và nguyên lý thiết kế 62 3 1 2 Mô phỏng số và phân tích đặc tính 67 3 2 Bộ lọc 3 băng 1310nm, 1430nm và 1550nm dựa trên ống dẫn sóng nano plasmonic MIM 70 3 2 1 Mô hình và nguyên lý thiết kế 72 3 2 3 Hiệu suất và đặc điểm của bộ chia ba băng sóng 3dB 80 3 3 Thiết kế bộ lọc bƣớc sóng RGB để ứng dụng cho xử lý ảnh, trộn màu truyền hình, thông tin VLC 86 3 3 1 Mô hình và nguyên lý thiết kế 90 3 3 2 Thiết kế tối ƣu và mô phỏng 93 3 4 Kết luận Chƣơng 3 97 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 99 ĐÓNG GÓP KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN 99 HƢỚNG PHÁT TRIỂN TRONG THỜI GIAN TỚI 101 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 102 DANH M Ụ C TÀI LI Ệ U THAM KH Ả O 103 vi DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Cách tử ống dẫn sóng đƣợc AWG Arrayed Waveguide Grating xếp mảng Complementary Metal Oxide CMOS Bán dẫn ô xít kim loại bù Semiconductor HIệu ứng cảm ứng điện từ electromagenically induced EIT trong suốt transparency EM Điện từ Electro Magnetic EME Khai triển mode riêng Eigen - Mode Expansion FG Cổng Feynman Feynman Gate Sai phân hữu hạn miền thời FDTD Finite Difference - Time Domain gian FEM Phƣơng pháp phần tử hữu hạn Finite Element Method FG Cổng Feynman Feynman Gate FIB Chùm Ion hội tụ Focused Ion-Beam FP Giao thoa kế Fabry - Perot Fabry-Perot FTTH Cáp quang đến tận nhà Fiber to the home Ống dẫn sóng lai ghép HPW Hybrid Plasmonic Waveguide plasmonic Điện môi - Kim loại - Điện IMI Insulator - Metal - Insulator môi Các mạch tích hợp lai ghép Long Range Hybrid Plasmonic LRHPICs plasmonic tầm xa Integrated Circuits MGW Ống dẫn sóng khe hở kim loại Metal Gab Waveguide MIM Kim loại - Điện môi - Kim Metal – Insulator - Metal loại Kính hiển vi quang học quét Near-field Scanning Optical NSOM trƣờng gần Microscope PML Lớp kết hợp hoàn hảo Perfect-Matched Layer RGB Đỏ - Xanh lam - Xanh lục Red - Green - Blue Phân cực plasmon bề mặt tầm LR-SPP Long Range SPP xa vii SOI Silic trên nền chất cách điện Silicon On Insulator SP Surface Plasmon Ống dẫn sóng khe hở plasmon SPGW Surface Plasmon Gab Waveguide bề mặt SPP Phân cực plasmon bề mặt Surface Plasmon Polariton Phân cực plasmon bề mặt tầm SR-SPP Short Range SPP gần TE Sóng điện ngang Transverse Electric TEM Sóng điện từ ngang Transverse Electromangnetic TM Sóng từ ngang Transverse Magnetic VCL Thông tin ánh sáng khả kiến Visible Light Communication Ghép kênh phân chia bƣớc WDM Wavelength Division Multiplexing sóng viii CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ý nghĩa ∇ Ký hiệu Toán tử Hamilton ∇×A rotA ∇A divA ∇2 Toán tử Laplace B Cảm ứng từ c0 Vận tốc của ánh sáng trong chân không D Cảm ứng điện E Cƣờng độ điện trƣờng H Cƣờng độ từ trƣờng J Cƣờng độ điện trƣờng k Số sóng trong không gian tự do k0 Số sóng trong chân không kx Số sóng lan truyền theo chiều x ky Số sóng lan truyền theo chiều y kz Số sóng lan truyền theo chiều z L Chiều dài ống dẫn sóng LPro Chiều dài sóng lan truyền n Chỉ số chiết suất neff Chỉ số chiết suất hiệu dụng Si Silic SiO2 Silic dioxit tAg Chiều dày lớp kim loại bạc tSi Chiều dày lớp silic tSiO2 Chiều dày lớp silic dioxit w Chiều rộng ống dẫn sóng β Hằng số truyền và thành phần theo hƣớng z ε Độ thẩm điện λ0 bƣớc sóng trong chân không μ Độ thẩm từ ρ Cƣờng độ điện tích σ Điện trở suất ω Tần số góc ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2 1 So sánh ống dẫn sóng HPW với các công trình đã đƣợc công bố trên các tạp chí chuyên ngành 47 Bảng 2 2 So sánh các cổng logic đề xuất với các công trình đã đƣợc công bố trên các tạp chí chuyên ngành 57 Bảng 3 1 So sánh bộ tách kênh hai bƣớc sóng với các công trình đã đƣợc công bố trên các tạp chí chuyên ngành 69 Bảng 3 2 So sánh bộ tách kênh ba bƣớc sóng với các công trình đã đƣợc công bố trên các tạp chí chuyên ngành 85 Bảng 3 3 So sánh bộ lọc bƣớc sóng RGB với các công trình đã đƣợc công bố trên các tạp chí chuyên ngành 96 x DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1 1 Sơ đồ truyền dẫn quang 6 Hình 1 2 Bộ tách bƣớc sóng dùng bộ lọc màng mỏng (a); Bộ tách bƣớc sóng 2 kênh sử dụng bộ lọc giao thoa (b); Bộ tách nhiều bƣớc sóng (c, d) 7 Hình 1 3 Hai môi trƣờng bán vô hạn với hàm điện môi ε1 và ε2 phân cách nhau tại giao diện giữa hai mặt phẳng z = 0 12 Hình 1 4 Nguyên lý kết hợp điện từ trƣờng với phân cực plasmon bề mặt lan truyền dọc theo giao diện kim loại - điện môi Điện trƣờng Ei suy giảm theo hàm mũ với khoảng cách |z| từ bề mặt Dấu + và - lần lƣợt biểu diễn mật độ electron mức cao và mức thấp 13 Hình 1 5 Sơ đồ nguyên lý ống dẫn sóng khe hở 15 Hình 1 6 Sự phụ thuộc của (a) thành phần thực và (b) thành phần ảo của β của SPPs vào chiều rộng khe hở w và chỉ số khúc xạ n1 (= 1 0; 1 5; 1 8) của điện môi trong vùng dẫn 16 Hình 1 7 (a) Dạng hình học của ống dẫn sóng khe hở plasmonic 3D, mũi tên chỉ hƣớng làn truyền của mode sóng ánh sáng; (b) mặt cắt ngang của ống dẫn sóng khe hở plasmonic 3D; (c) - (e) tƣơng ứng là các cấu trúc IMI, MIM và màng kim loại cắt ngắn của ống dẫn sóng khe hở plasmonic 3D trong hình (b) 18 Hình 1 8 (a) Chỉ số chiết suất hiệu dụng neff của SR-SPP của cấu trúc ống dẫn sóng IMI (silic dioxit - bạc - silic dioxit) là một hàm của chiều rộng h của vùng bạc ở giữa (đƣờng nét liền), đƣờng nét đứt biểu diễn chỉ số khúc xạ của silic dioxit (b) Chỉ số chiết suất hiệu dụng neff của G-SPP của cấu trúc ống dẫn sóng MIM (bạc - silic dioxit - bạc) là một hàm của chiều rộng w của vùng bạc ở giữa (đƣờng nét liền), đƣờng nét đứt biểu diễn chỉ số khúc xạ của silic dioxit (c) Chỉ số chiết suất hiệu dụng neff của mode cạnh cơ sở của màng kim loại bạc cắt ngắn đƣợc nhúng vào silic dioxit là một hàm của chiều dày h của màng kim loại (đƣờng nét liền), đƣờng nét đứt biểu diễn chỉ số khúc xạ của silic dioxit 19 Hình 1 9 Nguyên lý tạo ra sóng tăng cƣờng kích thích (a) trong điện…