Bài giảng Tinh thể photonic band gap

Tinh thể Photonic Band Gap CÔNG NGHỆ NANO Những nội dung chính • Vật lý học tinh thể vùng trống năng lượng quang tử • Phân loại tinh thể quang tử • Chế tạo • Ứng dụng • Các thiết bị PBG đầu tiên/ nguyên mẫu ? • Những nghiên cứu hiện nay • Xu hướng tương lai • Kết luận 22/5/2014Nhóm 2 Cấu trúc FCC • Hình dựng trên máy tính 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 những lực lượng 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 22/5/2014Nhóm 3 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, cái mà 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. 22/5/2014Nhóm 4 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 năng lượng vùng cấm ánh sáng. Năng lượng vùng cấm nhỏ nhưng chắc chắn bị cấm. Điều này được đề xuất bởi Joseph Haus và các đồng nghiệp. 22/5/2014Nhóm 5 Cấu trúc điều hướng 3D nghịch mờ • 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 năng lượng vùng cấm dẫn đến nhấp nháy trong và ngoài vùng tồn tại . Điều này có thể ảnh hưởng tới công nghệ hiện tai và sẽ được thảo luận sau. 22/5/2014Nhóm 6 Ứng dụng của PBG 22/5/2014Nhóm 7 Thiết bị Mô tả Trạng thái Cáp quang Vật liệu năng lượng 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 năng lượng vùng cấm 2D Chứng minh trong phòng thí nghiệm Chất nhuộm siêu trắng Vật liệu cónăng lượng vùng 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 - PCF • 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. 22/5/2014Nhóm 8 Các dạng của 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) • Sợi điều hướng chỉ số thấp dựa theo hiệu ứng năng lượng vùng cấm ánh sáng (PBG). 22/5/2014Nhóm 9 Sợi M-TIR • Lỗ hình trụ nhỏ của không khí được ngăn cách bởi khoảng trống theo cấu trúc trong một sợi. Chỉ số che phủ hiệu quả (của lỗ và khoảng trống) thấp hơn chỉ số lõi. • Thoạt nhìn chúng ta có thể cho rằng ánh sáng sẽ thoát ra giữa các sợi quang. Nhưng một thủ thuật hình học đã ngăn chặn điều này. 22/5/2014Nhóm 10 Sợi M-TIR • Ở chế độ cơ bản, ánh sáng với bước sóng dài nhất, sẽ bị mắc kẹt trong lõi, trong khi các chế độ bậc cao có khả năng nhanh chóng nén vào những khoảng trống bị rò rỉ, trong một quá trình mà chúng ta có thể liên tưởng đến cái sàng. • Với những lỗ đủ nhỏ, PCF còn lại duy nhất một chế độ ở tất cả các bước sóng, vì vậy nen nó được đặt tên là “chế độ sợi đơn vô tận”. 22/5/2014Nhóm 11 Sợi PBG • Sợi PBG dựa trên cơ chế khác nhau một cách căn bản từ sợi M-TIR fibers. • Hiệu ứng năng lượng 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. 22/5/2014Nhóm 12 Sợi PBG • 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 năng lượng vùng cấm ánh sáng, nó nhận được sự hạn chế trong lõi, thậm chí nếu nó có một chỉ số khúc xạ thấp hơn. • Trên thực tế, sợi mất rất thấp với môi trường chân không hay không khí như là lõi có thể được tạo ra 22/5/2014Nhóm 13 2. Laser quang tinh thể • 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). 22/5/2014Nhóm 14 2. Laser quang tinh thể • Kiến trúc cho vi laser quang tinh thể được chỉ ra ở hình trên. • (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). 22/5/2014Nhóm 15 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 22/5/2014Nhóm 16 4. Ống dẫn sóng phẳng tinh thể quang • Tạo ra một bán kính uốn cong khoảng hơn vài mm là rất khó vì không thỏa mãn điều kiện TIR nên dẫn đến suy hao • Ống dẫn sóng PC hoạt động sử dụng nguyên lý khác. Đường vòng khuyết được tạo ra đưa vào tinh thể mà gối tựa phương thức là trong kẽ hở . Phương thức này bị ngăn từ truyền đưa vào tinh thể vì nó rơi trong kẽ hở 22/5/2014Nhóm 17 4. Ống dẫn sóng phẳng tinh thể quang • Khi chỗ cuốn cần được đưa vào ống dẫn sóng, đường vòng khuyết của dạng tương tự được giới thiệu. Ánh sáng không thể thoát ( vì nó không thể truyền đưa vào tinh thể khối ). Khả năng duy nhất dành cho phương thức để truyền qua đường vòng khuyết dẫn đến truyền không tổn hao 22/5/2014Nhóm 18 5. PIC trên 1 vi mạch PBD 3D • Khái niệm cấu trúc 3D PBG: một vi mạch bằng laser và mạch đã được tích hợp (S. Noda, Đại học Kyoto, Nhật Bản). Các mạch tích hợp quang tử sẽ là số nguyên tố động lực cho sự thâm nhập sâu hơn của mạng quang vào viễn thông 22/5/2014Nhóm 19 Định hướng tương lai • Thiết kế của laser siêu nhỏ gọn với gần như bằng khôngvới hiện tại • Terahertz tất cả - quang học cầu dao cho đường đi số liệu dọc mạng internet • Chuyển mạch tập thể của nguyên tử hai cấp độ từ đất đến trạng thái kích động với cường độ thấp áp dụng lade dẫn đến quang học tranzito tác động. • Bộ tách chùm siêu nhỏ, Mach-Zehnder giao thoa,và các yếu tố vi quang học chức năng như bước sóng bộ lọc , đến lượng tử ánh sáng nhỏ gọn tích hợp mạch. • Hiệu ứng nhớ nguyên tử đơn cho ứng dụng máy tính lượng tử 22/5/2014Nhóm 20 1. Tất cả các Transistor quang • Micro-photonic tất cả - quang học tranzito có thể bao gồm vùng hoạt động vào giao nhau của hai ống dẫn sóng kênh đưa vào trang bị vật chất 3D PBG. Hệ thống hai cấp độ (" nguyên tử" ) đưa vào vùng hoạt động là mạch lạc máy bơm và kiểm soát bởi chùm tia laze đi qua bộ phận dẫn hướng sóng. Ngoài ra, trang bị vật chất 3D PBG được chọn để triển lãm khác nhau bất ngờ đưa vào quang tử mật độ trạng thái gần tần số chuyển tiếp của nguyên tử. 22/5/2014Nhóm 21 1. Tất cả các Transistor quang • Điều này dẫn đến nguyên tử "đảo ngược dân số" thông qua bơm mạch lạc, một hiệu ứng mà cấm trong chân không bình thường. đảo ngược ngưỡng được đặc trưng bởi một khu vực hẹp của tăng quang học lớn khác biệt (rắn đường cong trong hình chữ nhật). Một thứ hai, "điều khiển bằng laser" cho phép các thiết bị để đi qua này khu vực ngưỡng dẫn đến sự khuếch đại mạnh của tín hiệu đầu ra. trong bình thường đảo ngược chân không, dân số là không thể đạt được (đường cong nét đứt trong hình chữ nhật) 22/5/2014Nhóm 22 2. Tất cả các bộ định tuyến quang • Sự miêu tả một cách nghệ sĩ thì là một thiết bị định tuyến electron trong PBG một cách chủ động. Ở đây các vật liệu PBG đã bị xâm nhập với vật liệu quang học đẳng hướng ( như là một tinh thể lỏng ), biểu hiện là xuất hiện một phản ứng điện quang lớn. Khi điện áp được đưa vào electro PBG về phương diện quang học, trạng thái phân cực ( mũi tên màu vàng ) có thể quay, dẫn đến tương ứng dịch chuyển trong kẽ có chứa phô - ton cấu trúc. Điều này cho phép ánh sáng từ cáp quang để được dẫn đường vào một trong vài sợi công suất 22/5/2014Nhóm 23 3. Tính toán quang • Với quang học mạch tổ hợp và công nghệ học tranzito quang học được trả tiền cao có thể do tinh thể quang tử, điện toán lượng tử với xác định vị trí ánh sáng là công nghệ học rất hứa hẹn cho tương lai. Song song rộng lớn, tốc độ chưa từng có, mật độ cất giữ cao, rất nhỏ sự xuyên âm và giao thoa là một vài thuận lợi có được trong khi di chuyển hướng về quang học tính toán 22/5/2014Nhóm 24 4. Mạch tích hợp quang • Hình ảnh 3D của một thiết bị tinh thể quang trong một mạch tích hợp. • Các tòa nhà với những quả bóng màu xanh miêu tả cấu trúc metallo-điện môi. • Màu xanh lá cây hiển thị 2 chiều định kỳ của tinh thể quang tử. • Các đường màu đỏ với những lỗ hổng trong đó là một chiều định kỳ của tinh thể quang tử 22/5/2014Nhóm 25 Kết luận • Định vị ánh sáng xảy ra trong việc sắp xếp điện môi một cách chính xác • Cấu tạo Photonic Band Gap là sự ảnh hưởng lẫn nhau kết hợp giữa cộng hưởng vi mô và vĩ mô • Tinh thể quang1D và 2D dễ chế tạo. • Vật liệu PBG 3D: kim cương nghịch, đống gỗ, opal nghịch, giàn và xoắn ốc 22/5/2014Nhóm 26 Kết luận • Những sai hỏng mặt, đường hoặc điểm có thể được thâm nhập vào tinh thể quang tử và được dùng để chế tạo ống dẫn sóng, microcavities hoặc gương điện môi lý tưởng bằng xác định vị trí của ánh sáng • Ứng dụng – sợi tinh thểquang, laze, ống dẫn sóng, bô ḷọc, tất cả - quang tranzito, bộ khuếch đại, mạch tích hợp quang, bộđịnh tuyến, quang học tính toán 22/5/2014Nhóm 27