Luận án: Thiết kế cấu trúc tinh thể quang tử 1D và 2D ứng dụng linh kiện lưỡng trạng thái ổn định
Nghiên cứu cấu trúc tinh thể quang tử 1D/2D cho linh kiện lưỡng trạng thái, ứng dụng trong quang điện tử tiên tiến.
Khoa học vật liệu, chuyên ngành Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử
Luan An
Luận án tiến sỹ
Số trang
139
Thời gian đọc
21 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
40 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- Tinh thể quang tử: Phát triển linh kiện quang tử
- Số trang:
- 139 trang
- Chuyên ngành:
- Khoa học vật liệu, chuyên ngành Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử
- Tác giả:
- Luan An
Tóm tắt nội dung luận án
I.Tinh thể quang tử Phát triển linh kiện quang tử
Nhu cầu về các linh kiện quang tử và quang-điện tử có cấu trúc micro và nano đang tăng lên đáng kể. Các nghiên cứu tập trung vào việc tạo ra các thiết bị này nhằm ứng dụng trong mạch vi quang-điện tử tích hợp. Các linh kiện này hứa hẹn mang lại tốc độ xử lý và khả năng lưu trữ vượt xa giới hạn của định luật Moore. Mục tiêu là hiện thực hóa một thế hệ linh kiện mới với nhiều ưu điểm. Các ưu điểm này bao gồm kích thước và trọng lượng cực kỳ nhỏ, hiệu suất hoạt động vượt trội, chi phí sản xuất thấp và tiêu thụ năng lượng tối thiểu. Sự phát triển này mở ra kỷ nguyên mới cho ngành khoa học quang tử, một lĩnh vực đã phát triển sôi động từ những năm 1980 và tiếp tục bùng nổ trong thế kỷ 20. Để nâng cao hiệu suất, cải thiện tính năng và giảm giá thành của các linh kiện quang tử, hai phương pháp tiếp cận chính được áp dụng. Phương pháp thứ nhất tập trung vào việc thiết kế và sử dụng các cấu trúc mới cho các phần tử cơ bản của linh kiện. Phương pháp thứ hai là khai thác các vật liệu tiên tiến, sở hữu nhiều tính năng đặc biệt. Nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực này tập trung vào việc phát triển cấu trúc nhân tạo cho vật liệu và linh kiện quang tử, những cấu trúc không tồn tại tự nhiên. Các cấu trúc này được định hướng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, truyền thông và xử lý quang học. Sự xuất hiện của các cấu trúc như tinh thể quang tử (Photonic Crystals - PhCs), cấu trúc plasmonics và cấu trúc siêu vật liệu (Metamaterials - MMs) đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của ngành quang tử.
1.1. Nhu cầu linh kiện quang tử tích hợp
Nhu cầu về các linh kiện quang tử và quang-điện tử có cấu trúc micro và nano đang tăng lên đáng kể. Các nghiên cứu tập trung vào việc tạo ra các thiết bị này nhằm ứng dụng trong mạch vi quang-điện tử tích hợp. Các linh kiện này hứa hẹn mang lại tốc độ xử lý và khả năng lưu trữ vượt xa giới hạn của định luật Moore. Mục tiêu là hiện thực hóa một thế hệ linh kiện mới với nhiều ưu điểm. Các ưu điểm này bao gồm kích thước và trọng lượng cực kỳ nhỏ, hiệu suất hoạt động vượt trội, chi phí sản xuất thấp và tiêu thụ năng lượng tối thiểu. Sự phát triển này mở ra kỷ nguyên mới cho ngành khoa học quang tử, một lĩnh vực đã phát triển sôi động từ những năm 1980 và tiếp tục bùng nổ trong thế kỷ 20.
1.2. Xu hướng vật liệu và cấu trúc mới
Để nâng cao hiệu suất, cải thiện tính năng và giảm giá thành của các linh kiện quang tử, hai phương pháp tiếp cận chính được áp dụng. Phương pháp thứ nhất tập trung vào việc thiết kế và sử dụng các cấu trúc mới cho các phần tử cơ bản của linh kiện. Phương pháp thứ hai là khai thác các vật liệu tiên tiến, sở hữu nhiều tính năng đặc biệt. Nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực này tập trung vào việc phát triển cấu trúc nhân tạo cho vật liệu và linh kiện quang tử, những cấu trúc không tồn tại tự nhiên. Các cấu trúc này được định hướng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, truyền thông và xử lý quang học. Sự xuất hiện của các cấu trúc như tinh thể quang tử (Photonic Crystals - PhCs), cấu trúc plasmonics và cấu trúc siêu vật liệu (Metamaterials - MMs) từ những năm 1980 đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của ngành quang tử.
II.Cấu trúc tinh thể quang tử Khe dải quang tử
Tinh thể quang tử (PhCs) là một cấu trúc nhân tạo đặc biệt, được đặc trưng bởi sự tuần hoàn trong không gian của các phần tử có hằng số điện môi khác nhau. Các phần tử này được sắp xếp xen kẽ một cách định kỳ. Chính tính tuần hoàn về chiết suất trong vật liệu thuần điện môi này mang lại khả năng độc đáo cho tinh thể quang tử: giam giữ ánh sáng mà không gây ra sự tiêu hao năng lượng đáng kể. Khi sóng ánh sáng hoặc sóng điện từ truyền qua cấu trúc tinh thể quang tử, chúng tương tác với sự sắp xếp tuần hoàn của các phần tử có điện môi khác nhau. Sự tương tác này dẫn đến sự hình thành của một vùng cấm quang (Photonic Band Gap - PBG), một đặc tính cơ bản và quan trọng nhất của tinh thể quang tử. Vùng cấm quang (Photonic Band Gap - PBG) là một dải tần số đặc biệt trong cấu trúc tinh thể quang tử. Các sóng ánh sáng hoặc sóng điện từ có tần số nằm trong vùng PBG sẽ không thể truyền qua cấu trúc này. Đặc tính này làm cho hai thuật ngữ "cấu trúc tinh thể quang tử" và "vật liệu có vùng cấm quang" trở nên đồng nhất về ý nghĩa. Ý nghĩa quan trọng của PBG là khả năng giam giữ, điều khiển và định hướng sóng ánh sáng. PBG cho phép ánh sáng được dẫn truyền theo một phương xác định mong muốn, không bị thất thoát. Đặc tính này là nền tảng để tạo ra các linh kiện quang học tiên tiến, nơi việc kiểm soát đường đi của ánh sáng là rất cần thiết. Nó cho phép các nhà khoa học và kỹ sư thiết kế các hệ thống quang học với độ chính xác cao.
2.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động
Tinh thể quang tử (PhCs) là một cấu trúc nhân tạo đặc biệt, được đặc trưng bởi sự tuần hoàn trong không gian của các phần tử có hằng số điện môi khác nhau. Các phần tử này được sắp xếp xen kẽ một cách định kỳ. Chính tính tuần hoàn về chiết suất trong vật liệu thuần điện môi này mang lại khả năng độc đáo cho tinh thể quang tử: giam giữ ánh sáng mà không gây ra sự tiêu hao năng lượng đáng kể. Khi sóng ánh sáng hoặc sóng điện từ truyền qua cấu trúc tinh thể quang tử, chúng tương tác với sự sắp xếp tuần hoàn của các phần tử có điện môi khác nhau. Sự tương tác này dẫn đến sự hình thành của một vùng cấm quang (Photonic Band Gap - PBG), một đặc tính cơ bản và quan trọng nhất của tinh thể quang tử.
2.2. Vùng cấm quang Bản chất và ý nghĩa
Vùng cấm quang (Photonic Band Gap - PBG) là một dải tần số đặc biệt trong cấu trúc tinh thể quang tử. Các sóng ánh sáng hoặc sóng điện từ có tần số nằm trong vùng PBG sẽ không thể truyền qua cấu trúc này. Đặc tính này làm cho hai thuật ngữ "cấu trúc tinh thể quang tử" và "vật liệu có vùng cấm quang" trở nên đồng nhất về ý nghĩa. Ý nghĩa quan trọng của PBG là khả năng giam giữ, điều khiển và định hướng sóng ánh sáng. PBG cho phép ánh sáng được dẫn truyền theo một phương xác định mong muốn, không bị thất thoát. Đặc tính này là nền tảng để tạo ra các linh kiện quang học tiên tiến, nơi việc kiểm soát đường đi của ánh sáng là rất cần thiết. Nó cho phép các nhà khoa học và kỹ sư thiết kế các hệ thống quang học với độ chính xác cao.
III.Điều khiển ánh sáng bằng tinh thể quang tử 1D 2D
Khả năng dẫn truyền sóng ánh sáng trong vùng cấm quang của tinh thể quang tử là một tính năng đột phá. Điều này được thực hiện thông qua việc tạo ra các khuyết tật có chủ đích, có thể là khuyết tật điểm hoặc khuyết tật hàng. Các khuyết tật này không phải là lỗi mà là các cấu trúc được thiết kế để thay đổi tính tuần hoàn cục bộ của tinh thể. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các bộ cộng hưởng quang học hoặc các kênh dẫn sóng quang học. Cụ thể, khuyết tật điểm có thể tạo ra các bộ cộng hưởng nhỏ, giam giữ ánh sáng trong một không gian hẹp. Khuyết tật hàng có thể tạo ra các kênh dẫn sóng, định hướng ánh sáng đi theo một con đường xác định. Các phần tử này là nền tảng cơ bản để xây dựng các linh kiện quang tử và quang-điện tử tích hợp phức tạp, bao gồm cả cấu trúc tinh thể quang tử 1D và tinh thể quang tử 2D. Các bộ cộng hưởng và kênh dẫn sóng quang học, được hình thành từ việc tạo khuyết tật trong cấu trúc tinh thể quang tử, đóng vai trò là các khối xây dựng cơ bản cho linh kiện quang tử tích hợp. Các linh kiện này bao gồm các bộ chuyển mạch quang tốc độ cao và các bộ xử lý quang học tiên tiến. Tinh thể quang tử cung cấp một nền tảng hiệu quả để hiện thực hóa các chức năng này. Khả năng điều khiển ánh sáng một cách chính xác, từ việc giam giữ đến định hướng truyền, là yếu tố then chốt. Mục tiêu là tích hợp nhiều chức năng quang học khác nhau lên một con chip quang học duy nhất, giảm kích thước và tăng hiệu suất. Việc phát triển các linh kiện này mở ra tiềm năng lớn cho các hệ thống thông tin và truyền thông quang học trong tương lai.
3.1. Tạo khuyết tật Kênh dẫn sóng và cộng hưởng
Khả năng dẫn truyền sóng ánh sáng trong vùng cấm quang của tinh thể quang tử là một tính năng đột phá. Điều này được thực hiện thông qua việc tạo ra các khuyết tật có chủ đích, có thể là khuyết tật điểm hoặc khuyết tật hàng. Các khuyết tật này không phải là lỗi mà là các cấu trúc được thiết kế để thay đổi tính tuần hoàn cục bộ của tinh thể. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các bộ cộng hưởng quang học hoặc các kênh dẫn sóng quang học. Cụ thể, khuyết tật điểm có thể tạo ra các bộ cộng hưởng nhỏ, giam giữ ánh sáng trong một không gian hẹp. Khuyết tật hàng có thể tạo ra các kênh dẫn sóng, định hướng ánh sáng đi theo một con đường xác định. Các phần tử này là nền tảng cơ bản để xây dựng các linh kiện quang tử và quang-điện tử tích hợp phức tạp, bao gồm cả cấu trúc tinh thể quang tử 1D và tinh thể quang tử 2D.
3.2. Linh kiện quang tử tích hợp cơ bản
Các bộ cộng hưởng và kênh dẫn sóng quang học, được hình thành từ việc tạo khuyết tật trong cấu trúc tinh thể quang tử, đóng vai trò là các khối xây dựng cơ bản cho linh kiện quang tử tích hợp. Các linh kiện này bao gồm các bộ chuyển mạch quang tốc độ cao và các bộ xử lý quang học tiên tiến. Tinh thể quang tử cung cấp một nền tảng hiệu quả để hiện thực hóa các chức năng này. Khả năng điều khiển ánh sáng một cách chính xác, từ việc giam giữ đến định hướng truyền, là yếu tố then chốt. Mục tiêu là tích hợp nhiều chức năng quang học khác nhau lên một con chip quang học duy nhất, giảm kích thước và tăng hiệu suất. Việc phát triển các linh kiện này mở ra tiềm năng lớn cho các hệ thống thông tin và truyền thông quang học trong tương lai.
IV.Linh kiện lưỡng trạng thái Chuyển mạch và bộ nhớ quang
Lĩnh vực linh kiện lưỡng trạng thái quang học nhận được sự quan tâm lớn do tiềm năng ứng dụng của chúng. Các linh kiện này hoạt động dựa trên các cơ chế quang học phi tuyến, nơi tính chất quang học của vật liệu thay đổi đáng kể khi tương tác với ánh sáng. Một cơ chế quan trọng là hiệu ứng Kerr quang học, trong đó chiết suất của vật liệu thay đổi tỷ lệ với cường độ ánh sáng tới. Ngoài ra, hiệu ứng nhiệt quang cũng góp phần vào sự thay đổi chiết suất, thông qua sự gia nhiệt cục bộ do ánh sáng gây ra. Cả hai hiệu ứng này đều có thể tạo ra hai trạng thái truyền dẫn ánh sáng khác nhau (ví dụ: truyền qua hoặc không truyền qua, cường độ cao hoặc cường độ thấp). Khả năng tự điều biến pha cũng là một yếu tố quan trọng trong cơ chế này. Việc kiểm soát các trạng thái này là nền tảng cho việc phát triển các chức năng chuyển mạch và lưu trữ thông tin quang học. Linh kiện lưỡng trạng thái quang học có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin và truyền thông, đặc biệt cho chuyển mạch quang và bộ nhớ quang. Khả năng chuyển đổi trạng thái truyền dẫn ánh sáng một cách nhanh chóng và hiệu quả là yếu tố then chốt. Việc tích hợp các cơ chế quang học phi tuyến vào cấu trúc tinh thể quang tử, đặc biệt là tinh thể quang tử 1D và tinh thể quang tử 2D, cho phép tạo ra các linh kiện nhỏ gọn và hoạt động hiệu quả. Các linh kiện này đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng hệ thống thông tin quang thế hệ mới, nơi xử lý và lưu trữ dữ liệu được thực hiện hoàn toàn bằng ánh sáng. Việc này giúp vượt qua các giới hạn của điện tử truyền thống, mang lại tốc độ và băng thông cao hơn.
4.1. Cơ chế lưỡng trạng thái quang học
Lĩnh vực linh kiện lưỡng trạng thái quang học nhận được sự quan tâm lớn do tiềm năng ứng dụng của chúng. Các linh kiện này hoạt động dựa trên các cơ chế quang học phi tuyến, nơi tính chất quang học của vật liệu thay đổi đáng kể khi tương tác với ánh sáng. Một cơ chế quan trọng là hiệu ứng Kerr quang học, trong đó chiết suất của vật liệu thay đổi tỷ lệ với cường độ ánh sáng tới. Ngoài ra, hiệu ứng nhiệt quang cũng góp phần vào sự thay đổi chiết suất, thông qua sự gia nhiệt cục bộ do ánh sáng gây ra. Cả hai hiệu ứng này đều có thể tạo ra hai trạng thái truyền dẫn ánh sáng khác nhau (ví dụ: truyền qua hoặc không truyền qua, cường độ cao hoặc cường độ thấp). Khả năng tự điều biến pha cũng là một yếu tố quan trọng trong cơ chế này. Việc kiểm soát các trạng thái này là nền tảng cho việc phát triển các chức năng chuyển mạch và lưu trữ thông tin quang học.
4.2. Ứng dụng chuyển mạch và bộ nhớ quang
Linh kiện lưỡng trạng thái quang học có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin và truyền thông, đặc biệt cho chuyển mạch quang và bộ nhớ quang. Khả năng chuyển đổi trạng thái truyền dẫn ánh sáng một cách nhanh chóng và hiệu quả là yếu tố then chốt. Việc tích hợp các cơ chế quang học phi tuyến vào cấu trúc tinh thể quang tử, đặc biệt là tinh thể quang tử 1D và tinh thể quang tử 2D, cho phép tạo ra các linh kiện nhỏ gọn và hoạt động hiệu quả. Các linh kiện này đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng hệ thống thông tin quang thế hệ mới, nơi xử lý và lưu trữ dữ liệu được thực hiện hoàn toàn bằng ánh sáng. Việc này giúp vượt qua các giới hạn của điện tử truyền thống, mang lại tốc độ và băng thông cao hơn.
V.Nghiên cứu tinh thể quang tử Hiện trạng và mục tiêu
Nghiên cứu về cấu trúc tinh thể quang tử đã và đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu. Một trong những nhóm nghiên cứu hàng đầu là của Giáo sư J. Joannopoulos tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Hoa Kỳ. Nhóm này nổi tiếng với nhiều công trình công bố xuất sắc trên các tạp chí khoa học uy tín quốc tế như Science và Nature. Ngoài ra, họ còn phát triển các phần mềm khoa học tính toán và mô phỏng nổi tiếng như MIT Photonic Bands (MPB) và MIT Electromagnetic Equation Propagation (MEEP), được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Nhiều ứng dụng vật liệu và linh kiện đã được phát triển dựa trên kết quả tính toán và mô phỏng tối ưu từ các nghiên cứu này. Tại Việt Nam, hướng nghiên cứu về linh kiện quang tử sử dụng tinh thể quang tử còn tương đối mới nhưng đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học tại các viện nghiên cứu và trường đại học. Cụ thể, nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Vật liệu đã chế tạo thành công cấu trúc tinh thể quang tử 1D và 3D trên nền silic xốp và silica, ứng dụng ban đầu cho cảm biến đo chất lỏng. Dù có những thành tựu ban đầu, nghiên cứu về linh kiện quang tử và quang-điện tử, đặc biệt là các cấu trúc micro và nano, tại Việt Nam vẫn còn khá khiêm tốn và chưa mang tính hệ thống. Để khắc phục điều này, mục tiêu nghiên cứu là kết hợp chặt chẽ các phương pháp tính toán và mô phỏng để thiết kế các linh kiện quang tử micro và nano. Trọng tâm là khai thác hiệu quả cấu trúc tinh thể quang tử 1D và cấu trúc tinh thể quang tử 2D. Bên cạnh đó, các cấu trúc buồng vi cộng hưởng và cấu trúc cộng hưởng plasmon bề mặt cũng được đưa vào nghiên cứu. Các ứng dụng định hướng chính là linh kiện thông tin quang, bao gồm linh kiện chuyển mạch quang và linh kiện xử lý quang học. Mục tiêu cuối cùng là xây dựng một hệ thống hóa các kết quả nghiên cứu, từ khía cạnh lý thuyết và mô phỏng cho đến các thực nghiệm kiểm chứng, tạo nền tảng vững chắc cho sự phát triển tiếp theo của công nghệ quang tử tại Việt Nam.
5.1. Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế
Nghiên cứu về cấu trúc tinh thể quang tử đã và đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu. Một trong những nhóm nghiên cứu hàng đầu là của Giáo sư J. Joannopoulos tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Hoa Kỳ. Nhóm này nổi tiếng với nhiều công trình công bố xuất sắc trên các tạp chí khoa học uy tín quốc tế như Science và Nature. Ngoài ra, họ còn phát triển các phần mềm khoa học tính toán và mô phỏng nổi tiếng như MIT Photonic Bands (MPB) và MIT Electromagnetic Equation Propagation (MEEP), được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Nhiều ứng dụng vật liệu và linh kiện đã được phát triển dựa trên kết quả tính toán và mô phỏng tối ưu từ các nghiên cứu này. Tại Việt Nam, hướng nghiên cứu về linh kiện quang tử sử dụng tinh thể quang tử còn tương đối mới nhưng đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học tại các viện nghiên cứu và trường đại học. Cụ thể, nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Vật liệu đã chế tạo thành công cấu trúc tinh thể quang tử 1D và 3D trên nền silic xốp và silica, ứng dụng ban đầu cho cảm biến đo chất lỏng.
5.2. Mục tiêu nghiên cứu cấu trúc 1D và 2D
Dù có những thành tựu ban đầu, nghiên cứu về linh kiện quang tử và quang-điện tử, đặc biệt là các cấu trúc micro và nano, tại Việt Nam vẫn còn khá khiêm tốn và chưa mang tính hệ thống. Để khắc phục điều này, mục tiêu nghiên cứu là kết hợp chặt chẽ các phương pháp tính toán và mô phỏng để thiết kế các linh kiện quang tử micro và nano. Trọng tâm là khai thác hiệu quả cấu trúc tinh thể quang tử 1D và cấu trúc tinh thể quang tử 2D. Bên cạnh đó, các cấu trúc buồng vi cộng hưởng và cấu trúc cộng hưởng plasmon bề mặt cũng được đưa vào nghiên cứu. Các ứng dụng định hướng chính là linh kiện thông tin quang, bao gồm linh kiện chuyển mạch quang và linh kiện xử lý quang học. Mục tiêu cuối cùng là xây dựng một hệ thống hóa các kết quả nghiên cứu, từ khía cạnh lý thuyết và mô phỏng cho đến các thực nghiệm kiểm chứng, tạo nền tảng vững chắc cho sự phát triển tiếp theo của công nghệ quang tử tại Việt Nam.
Mục lục chi tiết luận án
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (139 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộ1 MỞ ĐẦU Các linh kiện quang tử và quang-điện tử cấu trúc micro và nano gần đây được quan tâm và nghiên cứu nhiều bởi các ứng dụng và tính năng vượt trội của nó trong các mạch vi quang-điện tử tích hợp, có tốc độ xử lý và bộ nhớ không tuân theo định luật Moore. Các tính chất đặc biệt của linh kiện quang tử và quang-điện tử cấu trúc micro và nano được hy vọng sẽ hiện thực hóa một thế hệ linh kiện mới với kích thước và trọng lượng nhỏ như ánh sáng, có hiệu suất cao, giá thành rẻ và tiêu hao ít năng lượng…[1-5]. Có hai phương pháp tiếp cận chủ yếu để nâng cao hiệu suất, tính năng và giảm giá thành của các linh kiện quang tử và quang-điện tử: (i) thứ nhất là sử dụng cấu trúc mới cho các phần tử tạo nên linh kiện đó; (ii) phương pháp tiếp cận còn lại là việc sử dụng các vật liệu tiên tiến với nhiều tính năng đặc biệt. Trong khuôn khổ luận án tiến sỹ ngành khoa học vật liệu, chuyên ngành vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử, tôi sẽ đi sâu nghiên cứu và trình bày việc sử dụng cấu trúc mới cho vật liệu và linh kiện quang tử (cấu trúc nhân tạo) không có sẵn trong tự nhiên, ứng dụng cho thông tin, truyền thông và xử lý quang học.
Ngành khoa học quang tử (Photonics) được ra đời từ những năm 80 của thế kỷ XIX [6] và phát triển rất sôi động trong thế kỷ XX, đặc biệt là từ khi khám phá ra một số loại vật liệu mới có cấu trúc nhân tạo như cấu trúc tinh thể quang tử (Photonic Crystals-PhCs), cấu trúc plasmonics và cấu trúc siêu vật liệu (Metameterials-MMs) [7-9]. Cấu trúc PhCs là một cấu trúc tuần hoàn trong không gian của các phần tử có hằng số điện môi khác nhau được sắp xếp tuần hoàn xen kẽ nhau. Tính tuần hoàn về chiết suất của vật liệu thuần điện môi làm cho PhCs có thể giam giữ được ánh sáng mà không bị tiêu hao năng lượng. Ánh sáng/sóng điện từ truyền trong cấu trúc PhCs tương tác với sự tuần hoàn của các phần tử có điện môi khác nhau và làm xuất hiện vùng cấm quang (Photonic Band Gap - PBG).
Các sóng ánh sáng/sóng điện từ có tần số nằm trong vùng PBG không thể truyền qua được cấu trúc PhCs. Như vậy, hai thuật ngữ “cấu trúc tinh thể quang tử” hay “vật liệu có vùng cấm quang” là đồng nhất. Ngoài ra, chúng ta có thể dễ dàng giam giữ, điều khiển, và định hướng sóng ánh sáng/sóng điện từ theo phương truyền xác định mà 2 chúng ta mong muốn. Có thể tạo ra sự dẫn truyền sóng ánh sáng/sóng điện từ trong vùng PBG bằng cách tạo khuyết tật điểm hoặc khuyết tật hàng trong cấu trúc PhCs.
Khuyết tật điểm và khuyết tật hàng được sử dụng để tạo ra bộ cộng hưởng hoặc kênh dẫn sóng quang học. Đây là những phần tử cơ bản tạo nên linh kiện quang tử và quang-điện tử tích hợp như các bộ chuyển mạch và xử lý quang học mà luận án sẽ đề cập. Cấu trúc tinh thể quang tử được nghiên cứu và phát triển rộng khắp trên thế giới, nổi bật trong các nhóm nghiên cứu về cấu trúc PhCs mà tôi được biết, là nhóm nghiên cứu khoa học của giáo sư J. Joannopoulos tại Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) [10,11].
Thành viên nghiên cứu chủ chốt của nhóm đến từ các khoa như: Vật lý, Khoa học vật liệu, Công nghệ Điện tử-Máy tính, Toán học…Hàng năm, nhiều công trình công bố xuất sắc được đăng tải trên các tạp chí khoa học uy tín hàng đầu như Science, Nature, Physical Review Letters…Nhiều sản phẩm phần mềm khoa học tính toán, mô phỏng được cả thế giới biết đến và sử dụng rộng rãi như MIT Photonic Bands (MPB), MIT Electromagnetic Equation Propagation (MEEP) [10,11]. Nhiều ứng dụng về vật liệu và linh kiện đã được phát triển và chế tạo dựa trên các kết quả tính toán và mô phỏng tối ưu. Trên thế giới, đặc biệt tại Mỹ, còn có rất nhiều các Tập thể nghiên cứu (Viện nghiên cứu, Phòng thí nghiệm, Nhóm nghiên cứu) nghiên cứu về cấu trúc PhCs cho các ứng dụng khác nhau từ thông tin, cảm biến và xử lý ô nhiễm môi trường [12,13]. Tại Việt Nam, hướng nghiên cứu về linh kiện quang tử và quang-điện tử sử dụng cấu trúc PhCs là một vấn đề mới hiện đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học tại các Viện Nghiên cứu, Trường Đại học: nhóm nghiên cứu ở Viện Khoa học vật liệu, Viện Vật lý (Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam), Đại học Bách Khoa, Học viện Bưu chính-Viễn thông, Đại học Vinh, Đại học Khoa học Huế.
Tại Viện Khoa học vật liệu, nhóm nghiên cứu của PGS. Phạm Văn Hội, PGS. Phạm Thu Nga đã chế tạo thành công cấu trúc PhCs 1D và 3D [15-17] trên nền vật liệu silic xốp và silica ứng dụng cho cảm biến đo chất lỏng. Tuy nhiên, các nghiên cứu về linh kiện nói chung và linh kiện quang- 3 điện tử cấu trúc micro và nano nói riêng còn rất khiêm tốn, rời rạc chưa có tính hệ thống.
Với lý do đó, mục tiêu của nhóm nghiên cứu của tôi tại Viện Khoa học vật liệu là kết hợp nghiên cứu tính toán, mô phỏng một số linh kiện quang tử micro và nano sử dụng cấu trúc PhCs 1D và 2D, cấu trúc buồng vi cộng hưởng, cấu trúc cộng hưởng plasmon bề mặt. định hướng ứng dụng cho linh kiện thông tin quang, linh kiện chuyển mạch và xử lý quang học. Để tạo thành một hệ thống hóa các kết quả từ lý thuyết, mô phỏng tới thực nghiệm. Nhóm nghiên cứu của tôi đã thu được một số kết quả khá tốt được đăng tải trên các tạp chí khoa học quốc tế có uy tín [18-26].
Hai phương pháp để tính toán và mô phỏng cấu trúc PhCs 1D và 2D ứng dụng cho thông tin và truyền thông quang học đặc biệt là linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định: (i) đạo hàm hữu hạn trong miền thời gian FDTD và (ii) khai triển sóng phẳng PWE. Đây là hai phương pháp toán hiện đại, có độ chính xác cao cho phép giải các bài toán cụ thể có sử dụng hệ phương trình Maxwell trên cả hai miền thời gian và miền tần số. Hai phương pháp toán này được nhúng trong hai phần mềm mã nguồn mở miễn phí, có độ tin cậy cao là MEEP và MPB, được phát triển bởi Viện Công nghệ Massachusetss (Hoa Kỳ) để tính toán, mô phỏng vật liệu và cấu trúc linh kiện quang tử. Cả hai phần mềm MEEP và MPB được chúng tôi cài đặt trên hệ thống tính toán song song hiệu năng cao tại phòng thí nghiệm.
Các kết quả về tính toán, mô phỏng khẳng định sự đúng đắn và chính xác của việc xây dựng mô hình lý thuyết. Dựa trên các kết quả rất tích cực có được trong thời gian qua gồm lý thuyết, tính toán và mô phỏng [18-26], luận án với tiêu đề: “Nghiên cứu, thiết kế cấu trúc tinh thể quang tử 1D và 2D ứng dụng cho linh kiện lưỡng trạng thái ổn định” sẽ nghiên cứu một cách có hệ thống ảnh hưởng của các tham số cấu trúc đến đặc tính và hiệu năng của linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sử dụng cấu trúc PhCs 1D và 2D. Đề xuất các cấu trúc PhCs mới có hệ số phẩm chất Q cao và cường độ quang đầu vào thấp ứng dụng cho các kênh dẫn sóng và cộng hưởng quang học, các linh kiện chuyển mạch và xử lý quang học. 4 Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Luận án đặt mục tiêu nghiên cứu cơ bản về xây dựng mô hình vật lý, đề xuất cấu trúc, tính toán và mô phỏng linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sử dụng cấu trúc PhCs 1D và 2D.
Ảnh hưởng của cấu hình và các tham số cấu trúc PhCs lên đặc tính và hiệu năng làm việc của linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sẽ được nghiên cứu một cách có hệ thống. Các vấn đề mà luận án tập trung giải quyết là: + Tổng quan về vật liệu có vùng PBG hay cấu trúc PhCs cũng như tính chất và đặc trưng của linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định. + Đề xuất mô hình cấu trúc linh kiện quang tử mới, tính toán lý thuyết các tham số đặc trưng của nó và so sánh với kết quả mô phỏng. + Nghiên cứu tính toán và mô phỏng một cách có hệ thống để xác định các tham số tối ưu của cấu trúc PhCs 1D và 2D ứng dụng cho linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định: hệ số phẩm chất Q cao, cường độ quang cho chuyển mạch thấp và thời gian chuyển mạch nhanh.
+ Đề xuất và thiết kế một số cấu trúc kết hợp để nâng cao hiệu suất và đặc tính của linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định. Đối tượng nghiên cứu của luận án: + Các phương pháp tính toán, mô phỏng để định lượng, phân tích các tham số của vật liệu và linh kiện quang tử. + Dẫn sóng và cộng hưởng trong các cấu trúc PhCs 1D và 2D. + Linh kiện lưỡng trạng thái quang ổn định sử dụng cấu trúc PhCs 1D và 2D, ứng dụng cho thông tin quang: chuyển mạch và xử lý quang học.
Nội dung và phương pháp nghiên cứu: Luận án là sự kết hợp giữa xây dựng mô hình lý thuyết, thiết kế, tính toán và mô phỏng các linh kiện quang tử sử dụng cấu trúc PhCs 1D và 2D, ứng dụng cho thông tin quang: chuyển mạch và xử lý quang học. Các kết quả tính toán và mô phỏng của luận án được so sánh với các công trình công bố trước để kiểm chứng. Ý nghĩa khoa học của luận án: + Nâng cao hiểu biết về các linh kiện quang tử thế hệ mới sử dụng vật liệu có vùng cấm quang (cấu trúc PhCs) 5 + Đề xuất các cấu trúc mới có tính chất đặc biệt cho phần tử của linh kiện chuyển mạch quang có hiệu suất cao sử dụng cấu trúc PhCs 1D và 2D. + Là tài liệu tham khảo cho nghiên cứu cơ bản và đào tạo sau đại học trong lĩnh vực quang tử cấu trúc micro và nano tại Việt Nam.
+ Là tài liệu có giá trị cho các nhà sản xuất linh kiện quang tử và quang-điện tử tích hợp. Điểm khác biệt và mới trong nội dung nghiên cứu của luận án: + Hiện tại ở Việt Nam, có rất ít các đề tài, luận án đi sâu nghiên cứu vật liệu có vùng cấm quang (cấu trúc PhCs) ứng dụng cho thông tin quang học, bởi vì thiếu các trang thiết cần thiết để chế tạo mẫu.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Nghiên cứu cấu trúc tinh thể quang tử 1D/2D cho linh kiện lưỡng trạng thái (n.d.) [Luận án tiến sĩ]. LuanAn.net. https://luanan.net/cong-nghe-thong-tin/luan-an-nghien-cuu-thiet-ke-cau-truc-tinh-the-quang-tu-1d-va-2d-ung-dung-cho
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Nghiên cứu cấu trúc tinh thể quang tử 1D/2D cho linh kiện lưỡng trạng thái" nghiên cứu về vấn đề gì?
Nghiên cứu cấu trúc tinh thể quang tử 1D/2D cho linh kiện lưỡng trạng thái, ứng dụng trong quang điện tử tiên tiến.
Luận án "Nghiên cứu cấu trúc tinh thể quang tử 1D/2D cho linh kiện lưỡng trạng thái" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Nghiên cứu cấu trúc tinh thể quang tử 1D/2D cho linh kiện lưỡng trạng thái" thuộc chuyên ngành Khoa học vật liệu, chuyên ngành Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử. Danh mục: Công Nghệ Thông Tin.
Luận án "Nghiên cứu cấu trúc tinh thể quang tử 1D/2D cho linh kiện lưỡng trạng thái" có bao nhiêu trang?
Luận án "Nghiên cứu cấu trúc tinh thể quang tử 1D/2D cho linh kiện lưỡng trạng thái" có 139 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Nghiên cứu cấu trúc tinh thể quang tử 1D/2D cho linh kiện lưỡng trạng thái" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.