Các nghiên cứu về tinh thể photonic nhằm mục đích ứng dụng cho viễn thông
đã được trình bầy trong nội dung của bản luận văn này. Một số kiến thức cơ bản về vật
lý và vật liệu tinh thể có cấu trúc tuần hoàn theo hằng số điện môi đã được trình bầy
trong chương 1. Các đặc trưng về vùng cấm quang của tinh thể photonic cũng đã được
nêu ra. Chúng tôi đã sử dụng phương pháp tự tập hợp để chế tạo nên các mẫu tinh thể
photonic từ các hạt cầu SiO2. Một số phương pháp tạo ra mẫu màng tinh thể photonic
và các kỹ thuật thực nghiệm liên quan trong quá trình nghiên cứu cũng đã được trình
bầy. Một số kết quả bước đầu nhận được về sự nhiễu xạ và phản xạ theo các góc nhất
định và theo kích thước hạt (hay là theo chu kỳ mạng tinh thể) cũng đã được trình bầy
trong bản luận văn này. Do đặc trưng cấu trúc tuần hoàn của tinh thể liên quan tới khả
năng định hướng ánh sáng trong vùng ánh sáng nhìn thấy, nên chúng tôi đã quan sát
được một cách rõ ràng các ánh sáng phản xạ theo các góc. Phổ phản xạ là một đặc
trưng quan trọng để nghiên cứu tinh thể photonic, cũng sẽ được trình bầy, cùng với
vùng cấm quang đối với các mẫu mà chúng tôi đã chế tạo được. Khả năng tạo ra một
tinh thể có cấu trúc tuần hoàn với vùng cấm quang hoàn toàn và rộng ở bước sóng 1,5
µm là có thể được và tạo ra các ứng dụng trong viễn thông.
58 trang |
Chia sẻ: longpd | Lượt xem: 2017 | Lượt tải: 3
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Vật liệu tinh thể photonic dùng cho quang học vùng gần 1,5 μm ứng dụng cho thông tin quang, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
====================
Họ và tên: Lê Văn Luật
VẬT LIỆU TINH THỂ PHOTONIC
DÙNG CHO QUANG HỌC VÙNG GẦN 1,5 µm
ỨNG DỤNG CHO THÔNG TIN QUANG
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Điện tử và Viễn thông
HÀ NỘI - 2005
SV LÊ VĂN LUẬT 1
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Họ và tên: Lê Văn Luật
VẬT LIỆU TINH THỂ PHOTONIC
DÙNG CHO QUANG HỌC VÙNG GẦN 1,5 µm
ỨNG DỤNG CHO THÔNG TIN QUANG
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Điện tử và Viễn thông
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Thu Nga
Cán bộ đồng hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Văn Hội
HÀ NỘI - 2005
SV LÊ VĂN LUẬT 2
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005
Mục lục
Mở đầu
Chương 1. Các cơ sở lý thuyết về tinh thể photonic
1.1. Giới thiệu về các tinh thể photonic
Các yếu tố cơ bản “lý thuyết” về các tinh thể photonic
1.1.1. Sự tương tự giữa các phương trình Schrodinger và Maxwell
1.1.2. Sự giải bằng số của bài toán
1.1.2.1. Các sóng phẳng
1.1.2.2. Phương pháp tính đến chiều xác định của tinh thể
1.1.2.3. Phương pháp tính một phần đến chiều xác định của tinh thể
1.1.3. Quy luật về chiều dài bước sóng
1.1.4. Các tính chất cơ bản
1.1.4.1. Sự tuần hoàn theo 1 chiều
1.1.4.2. Sự tuần hoàn theo 2 chiều
1.1.4.3. Sự tuần hoàn theo 3 chiều
1.1.5. Các khuyết tật
1.2. Các tinh thể photonic
1.2.1. Các phương pháp chế tạo các tinh thể photonic
1.2.2. Phương pháp điện hoá
1.2.3. Phương pháp oxy hoá chọn lọc theo chiều thẳng đứng
1.2.4. Các tinh thể photonic tự tổ chức từ opal (self-organised photonic crystals)
1.3. Sự phát xạ tự nhiên
1.4. Các ion erbium và các dịch chuyển phát xạ tại 1,530 µm
Chương 2. Phương pháp chế tạo và các kỹ thuật nghiên cứu
2.1. Phương pháp mới về nuôi từ dung dịch các màng mỏng SiO2 từ Si(C2H5O)4
2.1.1. Giới thiệu phương pháp
2.1.2. Thực nghiệm chế tạo màng mỏng:
2.1.2.1. Tự tập hợp các hạt cầu SiO2
2.1.2.2. Tự tập hợp các hạt hình cầu SiO2 cấy các ion erbium
2.2. Các kỹ thuật đặc trưng các tinh thể photonic
SV LÊ VĂN LUẬT 3
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005
2.2.1. Kết quả qua ảnh TEM và SEM về kích thước, về tính trật tự tuần hoàn theo chu
kỳ
2.2.2. Phép đo với ánh sáng trắng: phổ phản xạ trong vùng nhìn thấy đối với các tinh
thể được làm từ các hạt cầu SiO2
2.3. Kỹ thuật quang huỳnh quang từ các mẫu tinh thể được làm từ các hạt SiO2:Er3+
Chương 3. Các kết quả và thảo luận
3.1. Kết quả về chế tạo mẫu và đặc trưng chúng
3.2. Kết quả về chế tạo các tinh thể photonic dạng màng trên đế Si
3.3. Phép đo với ánh sáng trắng: các phổ phản xạ
3.4. Phép đo huỳnh quang
Kết luận
Tài liệu tham khảo
SV LÊ VĂN LUẬT 4
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005
Các từ viết tắt sử dụng trong luận văn
D dimension chiều, hướng
fcc face centre cubic lập phương tâm mặt
BIP bande interdite photonique vùng cấm quang
TEOS tetra-ethoxy-silane
SEM scanning electro microscopy kính hiển vi điện tử quét
TEM transmission electron microscopy kính hiển vi điện tử truyển qua
LDOS Local density of states Mật độ cục bộ trạng thái
SV LÊ VĂN LUẬT 5
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005
TÓM TẮT
Các nghiên cứu về tinh thể photonic nhằm mục đích ứng dụng cho viễn thông
đã được trình bầy trong nội dung của bản luận văn này. Một số kiến thức cơ bản về vật
lý và vật liệu tinh thể có cấu trúc tuần hoàn theo hằng số điện môi đã được trình bầy
trong chương 1. Các đặc trưng về vùng cấm quang của tinh thể photonic cũng đã được
nêu ra. Chúng tôi đã sử dụng phương pháp tự tập hợp để chế tạo nên các mẫu tinh thể
photonic từ các hạt cầu SiO2. Một số phương pháp tạo ra mẫu màng tinh thể photonic
và các kỹ thuật thực nghiệm liên quan trong quá trình nghiên cứu cũng đã được trình
bầy. Một số kết quả bước đầu nhận được về sự nhiễu xạ và phản xạ theo các góc nhất
định và theo kích thước hạt (hay là theo chu kỳ mạng tinh thể) cũng đã được trình bầy
trong bản luận văn này. Do đặc trưng cấu trúc tuần hoàn của tinh thể liên quan tới khả
năng định hướng ánh sáng trong vùng ánh sáng nhìn thấy, nên chúng tôi đã quan sát
được một cách rõ ràng các ánh sáng phản xạ theo các góc. Phổ phản xạ là một đặc
trưng quan trọng để nghiên cứu tinh thể photonic, cũng sẽ được trình bầy, cùng với
vùng cấm quang đối với các mẫu mà chúng tôi đã chế tạo được. Khả năng tạo ra một
tinh thể có cấu trúc tuần hoàn với vùng cấm quang hoàn toàn và rộng ở bước sóng 1,5
µm là có thể được và tạo ra các ứng dụng trong viễn thông.
SV LÊ VĂN LUẬT 6
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005
Mở đầu
Cuộc cách mạng điện tử với 50 năm đã qua có gốc rễ của nó trong cả hai lĩnh
vực khoa học và công nghệ. Một mặt, đã có nhiều tiến bộ vượt bậc trong sự hiểu biết
của cúng ta về vật lý các chất kim loại, điện môi và các chất bán dẫn, dẫn đến sự phát
triển các linh kiện như transistor… Mặt khác, vô số các quá trình công nghệ nuôi và
lắng đọng để chế tạo các màng mỏng, cấy ion và quang khắc đã cho phép tích hợp
khối các chức năng điện tử ở trong một diện tích rất nhỏ, đẫn đến các microprocessor,
hay microcontroler… và các bộ nhớ mật độ cao và trong các đổi mới cải tiến công
nghệ khác.
Sự truyền dẫn điện tử trong chất bán dẫn theo một thế năng tuần hoàn được
bắt nguồn từ cấu trúc mạng nguyên tử tuần hoàn trong chất rắn. Chính nhờ điều này
mà có một vùng dẫn và một vùng cấm xuất hiện trong chất bán dẫn.
Khả năng của chúng ta để kiểm soát các photon, trong nhiều trường hợp, còn
rất non trẻ, so với việc chúng ta đã kiểm soát được các điện tử. Các linh kiện thụ động
như là các sợi quang, các linh kiện dẫn sóng, các bộ tách sóng và ghép đa bước sóng
đã được phát triển tốt. Nhưng các cấu trúc phức tạp hoặc tích hợp hơn càng đòi hỏi, thì
các giải pháp quang học vẫn còn chưa xuất hiện. Ví dụ, các bộ chuyển mạch toàn
quang thì vẫn còn rất to và thô, và mạch tích hợp quang (IC) thì thường có kích thước
cỡ milimet hoặc hơn là kích thước dưới micromet như trong công nghệ điện tử [1].
Tuy nhiên, rõ ràng là cần thiết để phát triển các vật liệu và quan điểm mới, với
các chức năng quang được tăng lên cho rất nhiều các ứng dụng khác nhau. Thị trường
viễn thông toàn cầu đang phát triển theo một đường cong lạ thường và được dẫn dắt
bởi sự khai thác mạng internet một cách vô cùng rộng lớn, nó thâm nhập ngày càng
tăng vào cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Sự đòi hỏi về các mạng băng thông rộng
ngày càng tăng trong các năm tới. Các tiếp cận mới đối với việc điều khiển photon sẽ
được phát triển trong thập niên tới, để chế tạo các linh kiện quang học cần thiết cho
các mạng. Các tinh thể photonic có thể đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển
này [1].
Tinh thể photonic là một vật liệu có cấu trúc tuần hoàn, mà nó biểu lộ tương
tác mạnh với ánh sáng. Một ví dụ đơn giản nhất về quan điểm của loại vật liệu này là
một chồng nhiều lớp của các vật liệu có hằng số điện môi cao và thấp xếp liền kề
SV LÊ VĂN LUẬT 7
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005
nhau. Có tương tác mạnh với ánh sáng xày ra trong vật liệu như thế nhờ sự giao thoa
giữa các chùm ánh sáng mà chúng được phản xạ và được khúc xạ tại tất cả các mặt
tiếp giáp ở bên trong vật liệu. Sự đáp ứng quang học cuối cùng được xác định bởi sự
chồng chập cùng pha của toàn bộ các sóng quang này. Đã biết từ lâu rằng, các đống
xếp chồng nhiều lớp như vậy có thể điều khiển việc chế tạo được để có, ví dụ như sợi
phản xạ gần như là hoàn hảo trên một dãy bước sóng (hẹp hoặc rộng), còn được gọi là
vùng cấm (stop band). Các ví dụ về tinh thể photonic 1D là các gương điện môi, các
kính lọc, các cách tử sợi, các cấu trúc distributed-feedback và các laser phát xạ cộng
hưởng thẳng đứng trên bề mặt (vertical-cavity sưrface-emitting lasers).
Trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu triển khai từ quan điểm cấu
trúc các lớp tuần hoàn, đơn giản nhất là các tinh thể photonic 1D tới các cấu trúc nhiều
chiều hơn. Đầu tiên là đề nghị của E.Yablonovite và John [2,3], theo hai ông này, các
tính chất quang của vật liệu như thế có thể được miêu tả bởi một "cấu trúc vùng quang
học". Quan điểm này có sự tương tự với cấu trúc vùng trong các vật liệu điện tử, nghĩa
là trong các vật liệu với cấu trúc đặc biệt này, có thể tiên đoán sự tồn tại của vùng cấm
quang, hay là, một dãy các tần số quang học không thể lan truyền trong vật liệu này.
Quan điểm này đặc biệt đáng tò mò trong tinh thể photonic 3D, như được bao hàm là
trong dải tần số đặc biệt, phát xạ tự nhiên sẽ có thể được loại bỏ hoàn toàn. Các nghiên
cứu ban đầu đối với các cấu trúc vùng có vùng cấm hoàn toàn dẫn đến cấu trúc tinh thể
lập phương tâm diện (fcc), nhưng chúng không thể sinh ra kết qủa dương. Soukoulis
và các cộng sự đã có một phát hiện quan trọng là đối xứng kim cương loại bỏ được sự
suy biến trong các giản đồ vùng, như vậy là mở ra một vùng cấm trong các hướng tinh
thể. Trong các năm gần đây, nhiều cố gắng đã đạt được kết quả chế tạo cấu trúc này.
Các tinh thể photonic 2D có vẻ ít hấp dẫn hơn vì khó kiểm soát quang học
được theo chiều thứ ba thì chúng lại có nhiều ưu điểm là khả năng thích hợp với công
nghệ dẫn sóng quang theo mặt phẳng. Thêm nữa, các đầu dò hồng ngoại có thể được
dùng để xác định tính chất bên trong của tinh thể. Cũng cần phải nói thêm rằng các
khuyết tật và một vài điểm mất trật tự đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong nghiên
cứu tinh thể photonic, bởi vì chúng có thể điều khiển các tính chất đặc biệt đối với các
bước sóng đặc biệt.
Hiển nhiên là có rất nhiều ứng dụng của các tinh thể photonic trong vùng ánh
sáng nhìn thấy hoặc trong vùng hồng ngoại tương ứng với các cửa sổ viễn thông tại
SV LÊ VĂN LUẬT 8
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005
1,3 µm và 1,5 µm và độ phân giải dưới micromet là cần đòi hỏi cho công nghệ sản
xuất hiện nay.
Các chất bán dẫn như là Si và GaAs có độ tương phản về chiết suất cao và sự
hấp thụ thấp là các yêu cầu cần cho các tinh thể photonic có vùng cấm quang hoàn
toàn trong hai hoặc ba chiều. Cũng vậy, các tinh thể photonic làm từ các vật liệu điện
môi với chiết suất thấp hơn, như là SiO2, TiO2 và polymer, tuy không có vùng cấm
quang hoàn toàn, nhưng vẫn có thể tương tác mạnh với ánh sáng, và bởi vậy có các
tính chất photonic thú vị [1].
Các sợi quang học là xương sống của toàn bộ các mạng quang. Knight và các
cộng sự đã tổng quát nên một quan điểm mới trong các sợi quang vi cấu trúc được tích
hợp cấu trúc 2D được hình thành từ việc kéo preform sợi quang có cấu trúc. Trong các
sợi này, ánh sáng được truyền trong lõi hầu như là gồm không khí, và có một số tính
chất phi tuyến [1].
Sự đóng góp của nhóm Colvin bao phủ các tiếp cận để xây dựng nên các mẫu
có cấu trúc chu kỳ 3D với kích thước theo micromet bằng cách dùng các hạt hình cầu
tự tập hợp. Các tinh thể photonic này có thể lặp lại bằng cách dùng các kỹ thuật khác
nhau, và các đặc trưng cấu trúc và quang học đã được thảo luận đến.
Trong thập kỷ gần đây, các nghiên cứu về tinh thể photonic có tính thời sự rất
cao, số lượng các nghiên cứu về lĩnh vực này thì ngang bằng với các nghiên cứu về
carbon nanotube. Cần lưu ý rằng, các chương trình đầu tiên về việc tổng hợp các tinh
thể photonic xuất hiện từ năm 1997. Hiện nay các nghiên cứu liên quan tới tinh thể
photonic có thể tìm thấy trên trang web:
Việc nghiên cứu tinh thể photonic căn cứ trên cơ sở về sự tương tự của điện tử
và photon, cũng như là sự tương đồng của hai phương trình Maxwell và Schrodinger.
Sự tuần hoàn của tinh thể rắn gây ra sự phân chia thành 3 vùng điện tử của chất rắn, thì
tương ứng với sự tuần hoàn trong mạng tinh thể photonic thì một vùng cấm quang
cũng xuất hiện. Trong chất bán dẫn vùng cấm liên quan trực tiếp tới mức năng lượng
của các electron, thì trong tinh thể photonic vùng cấm quang liên quan trực tiếp tới
bước sóng hay tần số.
Nghiên cứu trong bản luận văn này liên quan đến các tinh thể photonic được
chế tạo từ các hạt silica hình cầu với kích thước từ 300 nm – 400 nm, một số mẫu tinh
SV LÊ VĂN LUẬT 9
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005
thể photonic cũng được chế tạo từ các hạt cầu SiO2 này pha tạp các ion erbium, bằng
kỹ thuật tự tập hợp, được phát triển dựa theo các công trình của J.D. Joannopoulos và
A. Blanco et al, được đăng trên tạp chí Nature, các số vol. 414, Nov. 2001, p.257-258
và Vol.405, May 2000, p.437-439. Các mẫu chế tạo được đã được nghiên cứu các tính
chất quang và các tính chất đặc biệt nhằm cho ứng dụng trong viễn thông quang.
Bố cục của luận văn bao gồm ba chương chính. Ngoài ra, còn có phần mở đầu
và kết luận về các vấn đề nghiên cứu được và còn tồn tại. Phần tài liệu tham khảo
được đưa ở phần cuối cùng của bản luận văn. Cụ thể là:
Chương 1. Các cơ sở lý thuyết về tinh thể photonic
Chương 2. Phương pháp chế tạo và các đặc trưng quang học
Chương 3. Các kết quả và thảo luận
SV LÊ VĂN LUẬT 10
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005
Chương 1
CÁC CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TINH THỂ PHOTONIC
1.1. Giới thiệu về các tinh thể photonic
Thế giới ngày nay có nhu cầu ngày càng tăng về các máy tính và thông tin liên
lạc, nên chúng ta ngày càng chú ý hơn tới các linh kiện quang mà độ rộng phổ và tốc
độ làm việc của nó có thể đóng góp cho rất nhiều ứng dụng to lớn khác nhau. Ta biết
rằng sự thay đổi cấu trúc sẽ dẫn đến sự thay đổi tính chất.
Đây chính là quan điểm đã dẫn Yablonovitch [2] tới giả thiết rằng chúng ta có
thể thực hiện với photon những gì mà ta đã làm được với điện tử. Tương tác của các
sóng điện từ với các cấu trúc tuần hoàn dẫn ta quay trở lại với Bragg và quan sát của
ông ta rằng các mặt phẳng của các nguyên tử có thể hạot động như các gương hoàn
hảo với tia X khi điều kiện Bragg được thoả mãn:
λ = 2d sin (θ ± δ)
(Xem hình 1)
Hình 1. Một ma trận các nguyên tử nhiễu xạ tia X khi điều kiện Bragg được
thoản mãn. Đối với các tia X tới bước sóng đã cho, các mặt phẳng khác
nhau sẽ phản xạ tại các góc Bragg khác nhau.
SV LÊ VĂN LUẬT 11
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005
Hình 2. Rất nhiều con bướm với mầu sắc của nó là do sự nhiễu xạ các vi
cấu trúc theo ba chiều ở trên các cánh bướm.
Hình 2 cho ta thấy một ví dụ cụ thể về sự nhiễu xạ ánh sáng của các cánh
bướm cho ta quan sát thấy các mầu sắc khác nhau của nó, do vi cấu trúc của các đôi
cánh bướm.
Các tinh thể photonic, cũng được biết như là các cấu trúc micro
(microstructures) hoặc là các cấu trúc có vùng cấm quang, là các vật liệu với cấu trúc
tuần hoàn về các hằng số điện môi khác nhau. Các tinh thể photonic là 1D, 2D hay 3D
tuỳ theo sự tuần hoàn về hằng số điện mội, theo không gian là 1 chiều, 2 chiều hay 3
chiều. Các tinh thể photonic 3D thì tương tự với các tinh thể chất rắn. ý tưởng tổng
quát là các tinh thể photonic có thể làm những việc với photon như là các tinh thể bán
dẫn có thể làm với các điện tử, có nghĩa là chúng có thể tạo ra tình trạng mà ở đó các
photon ở một dãy năng lượng nào đó thì không thể đi qua tinh thể được và chúng bị
phản xạ khi chạm vào tinh thể hoặc là không được phép truyền qua tại tất cả các
hướng ở bên trong nó. Điểm sau này rất quan trọng, vì ví dụ, ánh sáng có thể được
SV LÊ VĂN LUẬT 12
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005
phát ra từ một nguồn sáng, được phản xạ lại bởi tinh thể, hiển nhiên là được tái hấp
thụ, rồi lại tái phát xạ, và v.v…
Các nghiên cứu về tinh thể photonic thường được dẫn dắt tới các cấu trúc 3D
có thể làm việc trong vùng quang học (vùng nhìn thấy hoặc hồng ngoại gần) của sóng
điện từ. Có ba cách tiệm cận để tạo ra loại vật liệu này.
Các tinh thể photonic là các cấu trúc tuần hoàn của vật liệu với các hằng số
điện môi khác nhau. Các tinh thể photonic là 1D, 2D hay 3D tuỳ theo sự giả thiết
không gian là 1 chiều, 2 chiều hay 3 chiều. Các tinh thể photonic 3D thì tương tự với
các tinh thể chất rắn (xem hình 3)
Hình 3. Cấu trúc tinh thể photonic 1D, 2D và 3D là các cấu trúc tuần hoàn
hằng số điện môi của các vật liệu.
Các cấu trúc ứng với những không gian 1D, 2D hay 3D. Cấu trúc 3D có sự
phù hợp tốt, tương tự như là cấu trúc của chất rắn. Có thể coi tinh thể photonic như
một mạng nhiễu xạ quang học theo 1, 2 hoặc 3 chiều. Khi đó những lý thuyết được
biết đến về mạng thì hoàn toàn có thể áp dụng trong trường hợp mạng tinh thể
photonic. Sự khác nhau cơ bản là một mạng thường thì được sử dụng ở bề mặt ranh
giới với môi trường ngoài, trong khi đó tinh thể photonic thì cũng được dùng như vậy,
nhưng ở bên trong.
SV LÊ VĂN LUẬT 13
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005
1.1.1. Sự tương tự nhau giữa các phương trình Schrodinger và Maxwell [4]
Sự diễn biến theo không gian và thời gian của một trường điện từ được miêu
tả hoàn toàn bằng các phương trình của Maxwell. Trong một môi trường không từ,
hằng số điện môi tương đối ε( ), không có các nguồn của dòng điện lẫn từ trường, các
phương trình Maxwell được viết (theo đơn vị CGS) [4]:
rr
. ( ) ( ) 0r E rε∇r rr r = (1) . ( ) 0H r∇ =r r r (2)
( ) ( )( ) 0r E rxH r
c t
ε ∂∇ − =∂
rr rr r r (3) 1 ( )( ) 0H rxE r
c t
∂∇ − =∂
r rr r r (4)
E
r
và là điện trường và từ trường, c là vận tốc của ánh sáng trong chân
không và là vị trí trong không gian.
H
r
rr
Nếu ta giả thiết rằng môi trường là không giới hạn, hệ các phương trình này
thừa nhận các lời giải hàm điều hoà ( )( , ) i t H rH r t e ω= r rr r và ( )( , ) i t E rE r t e ω= r rr r , ở đây ω là
vận tốc góc của sóng. Ta có thể phân chia bài toán bằng cách xem xét hoặc là chỉ điện
trường, hoặc là từ trường:
21 ( ) ( )2( )
x xH r H r
r c
ω
ε
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
∇ ∇ =r r r rr rr (5) ( ) 2( ) ( ) ( )2x xE r r E rcω ε∇ ∇ =
r r r rr r r (6)
Với các giả thiết ban đầu và bằng cách thay thế ε bằng n2 (n là chiết suất
quang học), công thức ngắn gọn của phương trình của điện trường (7), trong một môi
trường đồng nhất, được biểu diễn như một phương trình vi phân bậc hai, mà nó giống
với phương trình Schrodinger (8) đối với một điện tử.
2
2
( )2E
n E r
c
ω∇ = −rr r r (7) 2 22 ( )m E Vhψ ψ= − −∇ (8)
Phương trình điện từ Phương trình của hàm sóng điện
Nguồn gốc thực sự của cái tên gọi “tinh thể photonic” xuất phát từ sự tương tự
về hình thức giữa các phương trình chi phối sự lan truyền các sóng điện trong các tinh
thể rắn và phương trình miêu tả sự lan truyền của các sóng điện từ trong một môi
trường tuần hoàn. Như vậy, chiết suất đóng vai trò đối với các photon giống như thế
năng đối với các điện tử. Trong trường hợp của phương trình Schrodinger, thế năng
tuầnhoàn V kéo theo sự suy biến các mức năng lượng và dẫn đến những dải năng
SV LÊ VĂN LUẬT 14
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Khoá luận tốt nghiệp đại học năm 2005
lượng mà trong đó sự lan truyền các sóng điện tử là bị cấm. Điều này cho chúng ta giả
thiết rằng, nếu hằng số điện môi thay đổi một cách tuần hoàn, các vùng phổ sẽ được
tạo ra để mà trong vùng đó sự lan truyền các sóng điện từ sẽ bị cấm trong vật liệu.
1.1.2. Sự giải bằng số của bài toán
Sự miêu tả lý thuyết sự lan truyền ánh sáng trong các tinh thể photonic được
cung cấp bởi phép tính toán cấu trúc vùng photonic từ các phương trình Maxwell. Các
tính toán như thế được thực hiện bằng số (numerically) và dùng tính tuần hoàn của
mạng bằng sự áp đặt các điều kiện biên tuần hoàn. Dựa trên cơ sở đã được biết từ vật
lý chất rắn, các lời giải của phương trình Maxwell được biểu diễn theo cấu trúc vùng
photonic hoặc là quan hệ tán sắc ω(k) (tương tự với cấu trúc vùng điện tử E(k) trong
các tinh thể bán dẫn). Các mode quang trong cấu trúc này là sóng Bloch, có nghĩa là
các hàm có tính chu kỳ mạng với sự bổ xung thêm một hệ số pha exp(ik.r). Cấu trúc
tuần hoàn có thể nhiễu xạ sóng,