Tóm tắt Luận án Nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser và khuếch đại quang trong buồng cộng hưởng liên kết với cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D

nghiệm vật liệu và ứng dụng quang sợi thuộc Viện Khoa học vật liệu đã chế tạo thành công cấu trúc 1D-PhC và có các công bố quốc tế cũng như đã có một số nghiên cứu sinh bảo vệ thành công về nội dung nghiên cứu này bao gồm cả chế tạo thực nghiệm và các ứng dụng liên quan [22,23]; các cảm biến quang tử trên cơ sở chọn lọc bước sóng trong cấu trúc 1D-PhC được chế tạo từ màng đa lớp silic xốp đã bước đầu ứng dụng trong thiết bị đo môi trường sinh-hóa [23,24]; các linh kiện quang sợi có cấu trúc chọn lọc bước sóng dựa trên FBG đã được nghiên cứu phát triển ứng dụng cho mạng thông quang và cảm biến [25,26], 3 Với cấu trúc 3D-PhC, nhóm nghiên cứu cũng đã chế tạo thành công các laser buồng vi cộng hưởng dạng cầu trên cơ sở thủy tinh silica- alumina pha tạp Er3+ phát xạ các mode WGM vùng 1550 nm ứng dụng cho thông tin quang và vùng khả kiến ứng dụng cho cảm biến với cường độ khá mạnh, độ rộng phổ cực hẹp và có thể điều khiển được số mode phát xạ từ buồng vi cộng hưởng [27,28]. Bên cạnh đó, một số công trình nghiên cứu linh kiện quang tử trên cơ sở 2D-PhC bằng mô phỏng đã đạt kết quả rất khả quan [29-32] mở ra hướng nghiên cứu mới về linh kiện quang tử, trong đó có khuếch đại quang bằng phương pháp thực nghiệm kết hợp tính toán mô phỏng. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu về PhC, việc liên kết buồng cộng hưởng micro-mét với cấu trúc PhC để phát xạ laser là hướng đi cần thiết thể hiện tính định hướng cao trong công nghệ chế tạo linh kiện quang tử tích hợp. Để tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu về cấu trúc quang tử kích thước micro và nano hướng tới ứng dụng trong lĩnh vực thông tin quang và cảm biến quang, chúng tôi chọn đề tài luận án với tiêu đề: “Nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser và khuếch đại quang trong buồng cộng hưởng liên kết với cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu, chế tạo vi cầu thủy tinh silica pha tạp Er3+ có kích thước khác nhau bằng phương pháp phóng điện hồ quang; xây dựng hệ thực nghiệm để khảo sát phổ phát xạ laser mode WGM vùng bước sóng thông tin quang  1550 nm của một số vi cầu đã chế tạo. - Thiết kế, mô phỏng cấu trúc tích hợp vi cầu silica với 2D-PhC dẫn sóng trên nền vật liệu SOI để nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser mode WGM vùng bước sóng thông tin quang  1550 nm. - Thiết kế và xây dựng hệ cảm biến đo chiết suất một số chất 4 lỏng sử dụng cấu trúc 1D-PhC trong sợi quang (FBG) tích hợp trong cấu hình laser sợi buồng cộng hưởng vòng không sử dụng thiết bị đo phổ quang. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng cả phương pháp tính toán mô phỏng và thực nghiệm. Phương pháp tính toán mô phỏng được sử dụng để xác định PBG, mode dẫn sóng, mode cộng hưởng dẫn sóng, mode WGM và sự phân bố trường trong cấu trúc PhC. Phương pháp thực nghiệm được sử dụng để chế tạo vi cầu, FBG, thiết kế và xây dựng hệ đo phổ phát xạ laser của vi cầu ghép với nguồn bơm và đầu thu bằng các sợi quang vuốt nhọn hình chóp nón, thiết kế và xây dựng hệ cảm biến chất lỏng trên cơ sở FBG tích hợp trong cấu hình laser vòng sợi. 3. Các nội dung nghiên cứu chính của luận án: - Tổng quan về PhC và ứng dụng trong nghiên cứu chế tạo laser. - Các phương pháp nghiên cứu. - Tính toán và mô phỏng một số linh kiện quang học sử dụng cấu trúc tinh thể quang tử hai chiều. - Nghiên cứu hiệu ứng phát xạ laser của vi cầu trên nền silica pha tạp Er3+, linh kiện quang tử và hướng ứng dụng. Bố cục của luận án Luận án bao gồm: phần mở đầu, 4 chương nội dung và kết luận chung. Nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương. Chương 1 trình bày những khái niệm, tình hình nghiên cứu về cấu trúc PhC và ứng dụng. Chương 2 giới thiệu các phương pháp nghiên cứu bao gồm các mô hình lý thuyết kết cặp buồng cộng hưởng - dẫn sóng, tính toán mô phỏng và thực nghiệm. Chương 3 trình bày kết quả tính toán và mô phỏng một số linh kiện quang sử dụng cấu trúc 2D-PhC. Chương 4 trình bày kết quả về sự phát xạ của laser vi cầu 5 trên nền silica pha tạp Er3+, mô phỏng cấu trúc tích hợp vi cầu silica pha tạp Er3+ với 2D-PhC dẫn sóng và một số kết quả đo thử nghiệm chiết suất dung dịch lỏng sử dụng linh kiện FBG tích hợp trong cấu hình laser sợi buồng cộng hưởng vòng. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TINH THỂ QUANG TỬ VÀ ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO LASER - Giới thiệu về cấu trúc tinh thể quang tử. - Trình bày các đặc trưng của 2D-PhC như: vùng cấm quang, dẫn sóng và giam giữ sóng, cộng hưởng dẫn sóng. - Trình bày các quá trình quang học trong buồng vi cộng hưởng dạng cầu: Mode WGM của vi cầu điện môi, phương trình trạng thái cho các mode và các phương pháp kết cặp vi cầu - kênh dẫn sóng. - Ứng dụng cấu trúc 1D-PhC trong sợi quang (FBG) để phát triển cảm biến quang. CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Các mô hình lý thuyết kết cặp buồng cộng hưởng - dẫn sóng 2.1.1. Lý thuyết kết cặp cộng hưởng - dẫn sóng Phương thức kết cặp mode đã được áp dụng cho nhiều hệ thống vật lý để xử lý các mode cộng hưởng hoặc các mode lan truyền. Chúng ta có thể xét mạch dao động LC đơn giản để minh họa ý nghĩa của các tham số vật lý liên quan [94]. - Nếu mạch dao động có tổn hao nhỏ, ta có: da/dt = joa – (1/o)a (2.10) a là biên độ mode, 1/o là tốc độ phân rã do tổn hao của mạch. - Khi bộ cộng hưởng được kết cặp với ống dẫn sóng ngoài, do bị rò rỉ vào ống dẫn sóng nên (2.10) được sửa đổi thành: da/dt = joa – (1/o + 1/e)a (2.15) 1/e biểu thị tỷ lệ bổ sung của phân rã do rò rỉ năng lượng. 6 - Trường hợp ống dẫn sóng mang sóng từ nguồn hướng về bộ cộng hưởng với biên độ s+, lúc này sẽ có sự kết hợp giữa ống dẫn sóng và mạch dao động nên (2.15) được viết thành: da/dt = joa – (1/o + 1/e)a + ks+ (2.19) k là hệ số thể hiện mức độ liên kết giữa bộ cộng hưởng và sóng tới s+. Ta chuẩn hóa s+ sao cho: 2s = công suất của sóng tới; ký hiệu sóng tới bộ cộng hưởng và sóng phản xạ bởi s+ và s- tương ứng. - Nếu nguồn có tần số , đáp ứng có cùng tần số và từ (2.19) ta nhận được: ja = joa – (1/o + 1/e)a + ks+ suy ra a = ks+ /[j(-o) + (1/o + 1/e)] (2.20) Mối quan hệ giữa k và e được cho bởi: 2 / ek  (2.28) (2.19) trở thành: da/dt = joa – (1/o + 1/e)a + 2 / e s+ (2.29) (2.29) chính là phương trình mô tả sự kích thích mode cộng hưởng bằng một sóng tới. 2.1.2. Kết cặp vi cộng hưởng - hai ống dẫn sóng Mô hình đơn giản được trình bày như trên Hình 2.4. U, o lần lượt là biên độ và tần số của mode cộng hưởng được kích thích trong bộ cộng hưởng. Mode cộng hưởng kết hợp với hai ống dẫn sóng () và () và tuân theo phương trình [96]: dU/dt=joU–(1/e +1/e +1/o)U + 2 / e a1 + 2 / e a4 (2.30) trong đó a1 và a4 là sóng tới trong hai ống dẫn sóng, được chuẩn hóa sao cho 21a và 2 4a bằng công suất sóng tới trong hai ống dẫn sóng; 1/ e và 1/ e là các tỷ lệ kết cặp giữa vi cộng hưởng với hai ống dẫn sóng () và () tương ứng; 1/0 là tốc độ phân rã do tổn hao (bức xạ và các tổn hao khác). Mode cộng hưởng U kết hợp lại thành 7 các sóng ra trong các ống dẫn sóng theo chiều kim đồng hồ: 2 1 2 / eb a U  (2.31) 3 4 2 / eb a U  (2.32) Hình 2.4. Cấu hình kết cặp mode của bộ cộng hưởng với hai ống dẫn sóng 2.1.3. Kết cặp vi cộng hưởng - dẫn sóng khi xét đến tán xạ ngược Việc kết cặp giữa một dẫn sóng và một buồng cộng hưởng khi có xét đến tán xạ ngược có thể được minh họa như trên Hình 2.5. Hình 2.5. Sơ đồ kết cặp vi cộng hưởng với một dẫn sóng khi xét đến tán xạ ngược Phương trình chuyển động cho các mode lan truyền ngược chiều nhau (CCW và CW) được kết cặp với nhau cũng như kết cặp với một mode dẫn sóng có thể được mô tả bởi các phương trình kết cặp mode tương tự các phương trình được trình bày ở [96,97]: dacw/dt = j.acw - (1/2)(1/e + 1/o)acw + (j/2)accw + k.s (2.33) daccw/dt = j.accw - (1/2)(1/e + 1/o)accw + (j/2)acw (2.34) ở đây acw và accw là biên độ của mode cùng chiều và ngược chiều kim đồng hồ của bộ cộng hưởng, s biểu thị sóng vào và được 8 lựa chọn để kích thích mode CW, tỷ lệ tán xạ 1/ biểu thị kết cặp tương hỗ của mode CW và mode CCW. 2.2. Phương pháp tính toán mô phỏng 2.2.1. Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian (FDTD) FDTD là phương pháp giải trực tiếp hệ phương trình Maxwell trong miền thời gian [117,118]. Hệ thức liên hệ bước thời gian FDTD như sau: tại một điểm bất kỳ trong không gian, giá trị tiếp theo của điện trường E  theo thời gian phụ thuộc vào giá trị của điện trường E  trước đó và rota số của phân bố cục bộ của từ trường H  theo không gian [117]. Từ trường H  cũng tiến triển theo bước thời gian hoàn toàn tương tự. Hình 2.7. Mô hình minh họa quy trình tính toán E  và H  tại các thời điểm khác nhau trong không gian K. Yee đã đề xuất sơ đồ nhảy cóc “leap-frog” cho sự tiến triển theo thời gian của E  và H  . Quy trình tính toán E  và H  được minh họa bằng lưu đồ biểu diễn ở Hình 2.7. Mối liên hệ của phép tính E  và H  như sau: - Tính các thành phần của E  tại một điểm trong không gian ở thời điểm n t . - Tính các thành phần của H  tại điểm đó ở thời điểm kế tiếp  1/ 2n t  . Với thuật toán “leap-frog” do K. Yee đề xuất, giá trị điện trường 9 trong không gian tại một thời điểm xác định được tính theo giá trị điện trường thời điểm trước đó và bốn giá trị từ trường lân cận nó. Tương tự đối với việc tính giá trị của từ trường. 2.2.2. Phương pháp khai triển sóng phẳng (PWE) Phương pháp PWE có thao tác đơn giản, được sử dụng trong những nghiên cứu về cấu trúc PhC [121-123]. Phương pháp PWE cho phép giải phương trình vector sóng đầy đủ của trường điện từ, tính toán tần số riêng với độ chính xác tiêu chuẩn và thời gian phù hợp, nó có thể được sử dụng để tính toán cấu trúc vùng năng lượng của cấu trúc PhC, phổ truyền qua [121,124,125],... 2.2.3. Điều kiện biên và sự hội tụ của thuật toán Có nhiều điều kiện biên khác nhau, nhưng hai loại cơ bản được đề cập là các biên tuần hoàn Bloch và các lớp hấp thụ PML. Các điều kiện biên tuần hoàn có ích trong các hệ thống tuần hoàn. Với các biên tuần hoàn, trong một ô có kích thước L, các thành phần trường thỏa mãn f(x + L)= f(x) . Để mô phỏng các điều kiện biên mở, ta cần các biên để hấp thụ tất cả các sóng hướng tới chúng mà không có phản xạ. Điều này được thực hiện bởi các PML. 2.3. Phương pháp chế tạo vi cầu thủy tinh và FBG 2.3.1. Chế tạo vi cầu bằng phương pháp phóng điện hồ quang Vi cầu silica và vi cầu silica pha tạp Er3+ đã được chúng tôi chế tạo bằng phương pháp phóng điện hồ quang trên đầu sợi quang viễn thông chuẩn và sợi quang pha tạp Er3+ theo quy trình: - Tách vỏ ở đầu sợi quang một đoạn dài  1,0 cm. - Ăn mòn hóa học đoạn đầu sợi  0,4 cm bằng dung dịch HF. - Phóng điện hồ quang ở điểm đầu sợi quang đã được ăn mòn. 2.3.2. Chế tạo FBG sử dụng kỹ thuật quang khắc Trong luận án này, chúng tôi chỉ trình bày phương pháp chế tạo 10 FBG bằng hệ giao thoa kế, đây chính là phương pháp mà chúng tôi đã sử dụng để chế tạo FBG. Bước sóng của chùm tia UV chúng tôi sử dụng là UV = 248 nm và sợi quang có lõi SiO2 pha tạp nặng vật liệu nhạy quang GeO2 (14% đến 20%). Khi chiếu chùm UV vào một vị trí nào đó của sợi quang, cấu trúc của GeO2 tại đó bị phá vỡ. Vùng nhận cường độ UV lớn thì chiết suất tăng, vùng nhận cường độ UV nhỏ thì xem như chiết suất được giữ nguyên, từ cơ sở đó ta được cấu trúc FBG. Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG được minh họa ở Hình 2.9. Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý chế tạo FBG bằng hệ gương giao thoa 2.4. Một số cấu hình thực nghiệm khảo sát phổ phát xạ laser Phần này trình bày cấu hình khảo sát phổ phát xạ laser trên cơ sở kết cặp vi cầu silica pha tạp Er3+ với sợi quang vuốt nhọn một đầu hình chóp nón và cấu hình laser sợi của hệ cảm biến chất lỏng sử dụng e-FBG. 2.5. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) Phần này trình bày ý nghĩa của phương pháp SEM và nguyên lý hoạt động chung của các máy SEM. CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG MỘT SỐ LINH KIỆN QUANG HỌC SỬ DỤNG CẤU TRÚC 2D-PhC 3.1. Vùng cấm quang cho bởi cấu trúc phiến 2D-PhC Cấu trúc 2D-PhC dẫn sóng được chọn có mô hình như Hình 3.1: mạng tam giác hằng số mạng a của các hố không khí bán kính r, độ 11 sâu h =220 nm được thiết kế trên nền điện môi Si độ dày d = 220 nm chiết suất n1 = 3,48 đặt trên đế SiO2 chiết suất n2 = 1,44. Mô phỏng PBG được thực hiện bằng phương pháp 3D-PWE, điều kiện biên PML đặt ở trên và dưới phiến (song song với bề mặt cấu trúc), điều kiện biên tuần hoàn Bloch được áp dụng theo các phương tuần hoàn của cấu trúc, độ phân giải để thực hiện mô phỏng là 10 nm. Hình 3.1. Cấu trúc phiến 2D-PhC mạng hình tam giác có hằng số mạng a của các hố không khí hình trụ tròn bán kính r, độ sâu h được thiết kế trên đế điện môi Si độ dày d = h = 220 nm Trường hợp a = 400 nm, r = 100 nm, kết quả cho trên Hình 3.2. Hình 3.2. Cấu trúc PBG của phiến 2D-PhC với mode đối xứng Hình 3.2 cho chúng ta thấy tồn tại PBG hoàn toàn với mode đối xứng và có bước sóng nằm trong vùng từ  1369 nm đến  1607 nm ứng với tần số chuẩn hóa 0, 2922( / 2 )a c  và 0, 2489( / 2 )a c  . Cấu trúc đã chọn có PBG chứa bước sóng 1470 nm và 1550 nm, nghĩa là cấu trúc này có thể được sử dụng để chế tạo kênh dẫn sóng 12 với bước sóng 1470 nm và 1550 nm thỏa mãn mục tiêu đặt ra. 3.2. Dẫn sóng trong mặt phẳng sử dụng cấu trúc phiến 2D-PhC Sử dụng cấu trúc phiến 2D-PhC Hình 3.1 với các tham số được chọn: a = 400 nm, h = d = 220 nm, r = 100 nm. Điều kiện biên PML đã được sử dụng và đặt ở xung quanh cấu trúc, độ phân giải thực hiện mô phỏng là 10 nm. Nguồn được đặt ở đầu vào kênh dẫn và sau lớp PML, bộ thu đặt bao quanh cấu trúc và nằm trong lớp PML. 3.2.1. Kênh dẫn sóng W1 và sự phân bố trường trong kênh dẫn Kênh dẫn sóng W1 được tạo ra bằng việc lấp đầy một hàng hố không khí của cấu trúc đã cho trên Hình 3.1. Để mở rộng dải dẫn [132], chúng tôi giảm bán kính của hai hàng hố không khí lân cận với kênh dẫn sóng W1 từ giá trị r = 100 nm về giá trị r1 = 95 nm. Hình 3.7. Giản đồ tán sắc và phân bố điện trường của thành phần Ey trong kênh dẫn ở bước sóng  = 1550 nm Bằng phương pháp 3D-PWE, chúng tôi nhận được giản đồ tán sắc, sự phân bố điện trường thành phần Ey trong cấu trúc ở  = 1550 nm như trên Hình 3.7. Các kết quả mô phỏng cho thấy cấu trúc 2D-PhC đã chọn dẫn sóng tốt với  = 1550 nm qua cấu trúc. 3.2.2. Kênh dẫn sóng khe và sự phân bố điện trường trong kênh Mô hình cấu trúc 2D-PhC dẫn sóng được cho trên Hình 3.8. Giản đồ tán sắc, sự phân bố điện trường trong cấu trúc tương ứng với các bước sóng  = 1470 nm,  = 1550 nm và phân bố chiết suất của cấu trúc được chúng tôi thực hiện mô phỏng bằng phương 13 pháp 3D-PWE. Kết quả mô phỏng cho trường hợp w = 165 nm, W = 1,18 W1 và w = 125 nm, W = 1,25 W1 được trình bày trên Hình 3.9 và Hình 3.10 tương ứng. Kết quả cho thấy 2D-PhC với các tham số đã chọn có khả năng dẫn sóng tốt với  = 1470 nm và 1550 nm. Hình 3.8. Cấu trúc 2D-PhC dẫn sóng khe mạng hình tam giác Hình 3.9. Giản đồ tán sắc, sự phân bố điện trường của thành phần Ey trong kênh dẫn ở bước sóng  = 1470 nm và phân bố chiết suất của cấu trúc Hình 3.10. Giản đồ tán sắc, sự phân bố điện trường của thành phần Ey trong kênh dẫn ở bước sóng  = 1550 nm và phân bố chiết suất của cấu trúc 3.3. Bộ lọc sóng quang học dựa trên hiệu ứng GMR Để kiểm tra và đánh giá tính chọn lọc bước sóng của cấu trúc phiến 2D-PhC, chúng tôi thực hiện việc nghiên cứu, tính toán và mô 14 phỏng các bộ lọc sóng quang học sử dụng phiến 2D-PhC trên cơ sở hiệu ứng GMR. Các tham số đặc trưng cho bộ lọc như bước sóng cộng hưởng 0, hệ số phẩm chất Q, được xác định gián tiếp thông qua việc sử dụng biểu thức (1.1) đặc trưng của phổ Fano. Các kết quả mô phỏng phổ GMR, phân bố trường cho bởi cấu trúc mạng đơn và hai kiểu cấu trúc mạng kép được chúng tôi trình bày một cách chi tiết trong phần này. CHƯƠNG 4. PHÁT XẠ LASER CỦA VI CẦU TRÊN NỀN SILICA PHA TẠP Er3+, LINH KIỆN QUANG TỬ VÀ HƯỚNG ỨNG DỤNG 4.1. Kết quả chế tạo vi cầu silica pha tạp Er3+ Hình 4.3. Ảnh SEM của vi cầu thủy tinh silica pha tạp Er3+ Hình 4.3 hiển thị ảnh SEM của một số vi cầu silica pha tạp Er3+ do chúng tôi chế tạo bằng phương pháp phóng điện hồ quang. 4.2. Phổ phát xạ của laser vi cầu silica pha tạp Er3+ Hình 4.12. Phổ phát xạ mode WGM từ vi cầu silica pha tạp Er3+: khoảng cách kết cặp  1,5  0,1 m theo cấu hình CW 15 Hình 4.13. Phổ phát xạ mode WGM từ vi cầu silica pha tạp Er3+: khoảng cách kết cặp  1,5  0,1 m theo cấu hình CCW Hình 4.14. Phổ phát xạ mode WGM phụ thuộc vào khoảng cách kết cặp theo cấu hình CW Phổ của laser vi cầu silica pha tạp Er3+ đường kính  29,7 m thu được từ thực nghiệm ứng với một số khoảng cách kết cặp khác nhau theo hai cấu hình CW và CCW được cho trên Hình 4.12-4.14. 4.3. Mô phỏng mode WGM của vi cầu silica 4.3.1. Mode WGM của vi cầu kích thước 38,5 m Phần này trình bày một số kết quả mô phỏng mode WGM của vi cầu silica đường kính 38,5 m theo mặt phẳng xích đạo của vi cầu. 4.3.2. Mode WGM của vi cầu kích thước 29,7 m Hình 4.16 hiển thị một số kết quả mô phỏng mode WGM của vi cầu silica đường kính 29,7 m theo mặt phẳng xích đạo của vi cầu. 16 Hình 4.16. Phổ phản xạ trên bề mặt vi cầu (a), phân bố độ lớn điện trường của mode WGM tại  = 1551,53 nm với mode TM (b), phân bố trường với thành phần EZ tại  = 1551,53 nm với mode TM (c) và thành phần HZ tại  = 1550,82 nm với mode TE (d) 4.3.3. Tính toán các bộ số mode lượng tử bằng phương pháp số Bảng 4.1 trình bày các kết quả về các bộ giá trị (l, n) đặc trưng cho các mode WGM phân bố trên mặt phẳng xích đạo của hai vi cầu silica được tính bằng phương pháp số bởi các biểu thức gần đúng từ (1.40) đến (1.44) [87] và phương pháp mô phỏng 3D-FDTD. Bảng 4.1. Các bộ tham số (l, n) tính theo hai phương pháp Đường kính vi cầu (m) Phân cực Bước sóng cộng hưởng (nm) Phương pháp số Mô phỏng FDTD 38,5 TM 1550,74 (104, 1), (98, 2), (92, 3) (88, 4), (84, 5), (80, 6) (80, 6) 38,5 TE 1549,01 (105, 1), (99, 2), (93, 3) (88, 4), (84, 5), (80, 6) (85, 5) 29,7 TM 1551,53 (79, 1), (73, 2), (68, 3) (64, 4), (61, 5) (64, 4) 29,7 TE 1550,82 (80, 1), (74, 2), (69, 3) (65, 4), (61,5) (66, 4) 17 Bảng 4.1 cho thấy có sự phù hợp tốt giữa một trong các bộ giá trị lượng tử (l, n) khi tính toán theo phương pháp số với bộ giá trị (l, n) xác định được bằng phương pháp mô phỏng 3D-FDTD. 4.4. Linh kiện quang tử tích hợp vi cầu và 2D-PhC dẫn sóng 4.4.1. Đề xuất thiết kế Hình 4.17. Sơ đồ cấu trúc tích hợp vi cầu silica pha tạp Er3+ và hai kênh dẫn sóng PhC dạng khe trên nền tảng SOI Cấu trúc tích hợp gồm hai kênh dẫn sóng PhC kết cặp với vi cầu đường kính 29,7 m được thể hiện ở Hình 4.17. Phiến 2D-PhC dẫn sóng là một mạng tam giác của các hố hình trụ không khí có hằng số mạng a = 400 nm, bán kính r = 100 nm, độ sâu h =220 nm được thiết kế trên nền điện môi Si độ dày d = 220 nm chiết suất n1 = 3,48 và được đặt trên đế SiO2 chiết suất n2 = 1,44. Độ rộng kênh và khe không khí của kênh dẫn sóng vào và kênh dẫn sóng ra lần lượt là W = 1,18 W1, w = 165 nm và W’ = 1,25 W1, w’ = 125 nm. Để duy trì các mode WGM trong vi cầu silica pha tạp Er3+, chúng tôi đưa vào một vòng không khí bao bọc quanh đường xích đạo của vi cầu theo bề mặt cấu trúc, độ rộng được chọn tối ưu với giá trị   0,9 m. Sơ đồ cấu trúc đề xuất được cho trên Hình 4.17. Thực hiện mô phỏng bằng phương pháp 3D-PWE, chúng tôi nhận được giản đồ tán sắc và sự phân bố điện trường phân cực mode TE theo thành phần Ey trong hai kênh dẫn vào và ra ở các bước sóng 18 1470 nm và 1550,84 nm tương ứng như trình bày trên Hình 4.18. Kết quả mô phỏng cho thấy cấu trúc 2D-PhC dẫn sóng với các tham số đã chọn có khả năng dẫn được bước sóng 1470 nm theo kênh dẫn sóng vào và 1550,84 nm theo kênh dẫn sóng ra. Hình 4.18. Giản đồ tán sắc và sự phân bố điện trường thành phần Ey trong hai kênh ở  = 1470 nm và  = 1550,84 nm 4.4.2. Mô phỏng phổ đặc trưng của linh kiện quang tử tích hợp Hình 4.19. Phân bố chiết suất của cấu trúc gồm vi cầu đường kính 29,7 m tích hợp với hai kênh dẫn sóng vào - ra PhC dạng khe trên nền SOI (a) và phân bố trường (b,c) 19 Sử dụng phương pháp 3D-PWE và 3D-FDTD với các điều kiện biên PML đặt ở xung quanh cấu trúc. Nguồn kích thích phát xạ mode WGM là các lưỡng cực điện phân cực TE có bước sóng trong dải 1400 - 1600 nm đặt bên trong và ở gần bề mặt vi cầu, kích thước lưới được chọn để mô phỏng là 10 nm; nguồn mode Bloch đặt ở kênh dẫn sóng vào PhC dạng khe sau PML. Các kết quả mô phỏng được thể hiện trên Hình 4.19. Kết quả cho thấy hệ tích hợp này có khả năng ghép mode Bloch của kênh dẫn sóng với mode WGM của vi cầu. 4.5. Linh kiện cảm biến trên cơ sở FBG 4.5.1. Thiết bị cảm biến sử dụng hai FBG tích hợp trong cấu hình laser vòng Sơ đồ nguyên lý thiết bị cảm biến đo chiết suất chất lỏng chúng tôi đã xây dựng được trình bày như trên Hình 4.20. Khi mode phát xạ laser do re-FBG chọn lọc trùng với bước sóng phản xạ Bragg của e- FBG đặt trong môi trường đo (re-B = e-B), cộng hưởng cực đại trong buồng cộng hưởng vòng của laser sẽ xảy ra và tín hiệu quang-điện thu được từ photodiode sẽ đạt giá trị cực đại. Hình 4.20. Sơ đồ nguyên lý hệ cảm biến 4.5.2. Quy trình đo chiết suất dung dịch - B1: Dựng đường chuẩn bước sóng B - nhiệt độ cho re-FBG. 20 - B2: Dựng đường chuẩn bước sóng B - chiết suất cho e-FBG trên cơ sở sử dụng các dung dịch mẫu chuẩn. - B3: Đặt đầu dò cảm biến e-FBG vào trong dung dịch cần xác định chiết suất, thay đổi nhiệt độ áp đặt lên re-FBG, đo công suất quang thu được từ photodiode rồi vẽ đường đặc trưng công suất quang - nhiệt độ. - B4: Xác định nhiệt độ áp đặt lên re-FBG tương ứng với giá trị cực đại của công suất quang. - B5: Dựa vào đường chuẩn bước sóng phản xạ - nhiệt độ đã xây dựng cho re-FBG để xác định giá trị bước sóng phản xạ tương ứng với nhiệt độ tìm được ở Bước 4. - B6: Từ bước sóng phản xạ nhận được ở Bước 5, dựa vào đường chuẩn bước sóng phản xạ - chiết suất đã xây dựng cho e-FBG ta sẽ xác định được chiết suất dung dịch cần đo. 4.5.3. Một số kết quả thử nghiệm Hình 4.26. Sự dịch chuyển bước sóng Bragg của e-FBG theo nồng độ Ethanol và Methanol trong xăng RON 92 Hình 4.26 hiển thị các kết quả thử nghiệm để phát hiện xăng RON 92 pha trộn với Ethanol hoặc Methanol trong khoảng nồng độ 0% - 14% v/v. Độ nhạy của cảm biến đạt được  45 nm/RIU. Giới hạn phát hiện của phép đo được tính bởi LOD = /QS [145] và giá trị 21 đạt được  1,5 x 10-4 RIU (S là độ nhạy của cảm biến,  là bước sóng của tín hiệu cảm biến và Q là hệ số phẩm chất của mode laser). Hình 4.27. Sự dịch chuyển bước sóng Bragg của e-FBG theo nồng độ Nitrat trong môi trường nước Hình 4.27 trình bày kết quả thử nghiệm phát hiện Nitrat trong khoảng nồng độ 0 - 50 ppm. Giới hạn phát hiện của phép đo được ước tính  4,5 ppm, giới hạn này gần với giá trị mà hệ cảm biến thu được bằng máy đo phổ quang có độ phân giải cao [25]. KẾT LUẬN CHUNG Một số điểm chính mà luận án đã đạt được: 1. Đã tính toán và mô phỏng được một số linh kiện quang học như ống dẫn sóng, bộ lọc sóng quang học sử dụng cấu trúc phiến 2D-PhC bằng phương pháp FDTD và PWE. 2. Chế tạo một số vi cầu silica pha tạp Er3+ kích thước  30 m  60 m bằng phương pháp phóng điện hồ quang. Thiết kế và xây dựng thành công hệ thực nghiệm để khảo sát hiệu ứng phát xạ laser mode WGM của vi cầu silica pha tạp Er3+, đồng thời mô phỏng và giải số các bộ số lượng tử đặc trưng cho các mode WGM đối với các vi cầu đã chế tạo. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng thực hiện trên hai vi cầu kích thước  38,5 m và  29,7 m cho thấy các vi cầu này đều có khả năng phát xạ mode WGM vùng bước sóng thông tin 22 quang  1550 nm. 3. Cấu trúc tích hợp vi cầu silica pha tạp Er3+ kích thước  29,7 m với 2D-PhC dẫn sóng hai kênh trên nền vật liệu SOI đã được thiết kế và mô phỏng mode phát xạ WGM. Kết quả mô phỏng cho thấy cấu trúc tích hợp với các tham số đã chọn có khả năng phát xạ laser mode WGM vùng thông tin quang   1550 nm khi sử dụng nguồn laser bơm đơn mode có   1470 nm. 4. Xây dựng thành công hệ cảm biến quang sợi trên cơ sở laser vòng sợi kết hợp với hai phần tử FBG cho phép đo chiết suất một số dung dịch mà không cần sử dụng máy đo phổ quang. Các kết quả đạt được cho thấy triển vọng của việc sử dụng hệ cảm biến quang giá thành thấp kiểu mới không dùng máy đo phổ quang cho nhiều lĩnh vực khác nhau như nông nghiệp, chất lỏng công nghiệp, thực phẩm, y tế, công nghiệp dược phẩm, kiểm soát môi trường, giám sát chất lượng nước uống, NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN - Đã chế tạo thành công các vi cầu silica pha tạp Er3+ có kích thước v