BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN THỊ ÁNH NGUYỆT

ỨNG DỤNG BUỒNG CỘNG HƢỞNG
TINH THỂ QUANG TỬ
TRONG HỆ DAO ĐỘNG QUANG ĐIỆN TỬ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

*******************************

Tp. Hồ Chí Minh – năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN THỊ ÁNH NGUYỆT

ỨNG DỤNG BUỒNG CỘNG HƢỞNG
TINH THỂ QUANG TỬ
TRONG HỆ DAO ĐỘNG QUANG ĐIỆN TỬ

Chuyên ngành: Vật lý đại cƣơng

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGÔ THỊ PHƢƠNG

*******************************

Tp. Hồ Chí Minh – năm 2015


i

LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, em xin đƣợc gửi lời cám ơn tới quý thầy cô, các anh/chị và các bạn trong
trƣờng ĐH Sƣ Phạm tp.HCM nói chung và khoa Vật Lý nói riêng đã tận tình dạy dỗ, định
hƣớng, tạo điều kiện thuận lợi cho em học tập và nghiên cứu trong suốt bốn năm học vừa
qua.
Và đặc biệt, em xin chân thành cám ơn cô giáo – Tiến Sĩ Ngô Thị Phƣơng – giảng
viên khoa Vật Lý trƣờng ĐH Sƣ Phạm tp.HCM đã tận tình hƣớng dẫn, quan tâm sâu sắc,
và giúp đỡ nhiệt tình trong suốt quá trình em thực hiện khóa luận tốt nghiệp này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến chị Nguyễn Thị Ngân Hà đã hỗ trợ và giúp đỡ em
hoàn thành khóa luận tốt nghiệp.
Cuối cùng, em xin gửi lời cám ơn đến gia đình là nguồn động viên to lớn trong
suốt quá trình em học tập tại trƣờng.
Tuy đã rất cố gắng nhƣng do kiến thức còn hạn hẹp nên khóa luận tốt nghiệp
không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Kính mong nhận đƣợc sự góp ý, sửa chữa
của thầy cô và các bạn.
Tp. Hồ Chí minh, ngày 21 tháng 4 năm 2015

Sinh viên

Nguyễn Thị Ánh Nguyệt


SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


ii

MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................................... i
MỤC LỤC ............................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... viii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ TTQT VÀ HỆ DAO ĐỘNG QUANG ĐIỆN TỬ ...... 4
1.1.

Sự ra đời của tinh thể quang tử ............................................................................... 4

1.2.

Định nghĩa và phân loại .......................................................................................... 5

1.2.1.

Định nghĩa ........................................................................................................ 5

1.2.2.

Phân loại .......................................................................................................... 5


1.2.2.1. Tinh thể quang tử một chiều ....................................................................... 5
1.2.2.2. Tinh thể quang tử hai chiều ........................................................................ 6
1.2.2.3. Tinh thể quang tử ba chiều ......................................................................... 7
1.3.

Các đại lƣợng và thông số đặc trƣng cho tinh thể quang tử ................................... 7

1.3.1.

Vùng cấm quang tử .......................................................................................... 8

1.3.1.1. Định nghĩa .................................................................................................. 8
1.3.1.2. Nguồn gốc của vùng cấm quang tử ............................................................ 8
1.3.2.

Hệ số Q ............................................................................................................ 9

1.3.3.

Thể tích mode ................................................................................................ 10

1.3.4.

Hệ số Purcell .................................................................................................. 10

1.4.

Sai hỏng trong tinh thể quang tử .......................................................................... 10


1.4.1.

Sai hỏng điểm ................................................................................................ 11

1.4.2.

Sai hỏng đƣờng .............................................................................................. 11

1.5.

Ứng dụng .............................................................................................................. 12

1.5.1.

Một số ứng dụng quan trọng của tinh thể quang tử ....................................... 12

1.5.2.

Ứng dụng của tinh thể quang tử trong hệ dao động quang điện tử ............... 13

1.5.2.1. Giới thiệu về hệ dao động quang điện tử .................................................. 13
1.5.2.2. Cấu tạo của hệ dao động quang điện tử .................................................... 14
1.5.2.3. Hoạt động của hệ dao động quang điện tử ............................................... 15
SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


iii


CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG TINH
THỂ QUANG TỬ ................................................................................................................ 17
2.1.

Phƣơng pháp mở rộng sóng phẳng (PWE) ........................................................... 17

2.2.

Phƣơng pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD) ............................. 18

2.3.

Phần mềm mô phỏng MPB ................................................................................... 21

2.3.1.

Giới thiệu ....................................................................................................... 21

2.3.2.

Các bƣớc tính toán ......................................................................................... 21

2.3.2.1. Bƣớc 1: Tạo file ctl ................................................................................... 21
2.3.2.2. Bƣớc 2: Chạy chƣơng trình ...................................................................... 25
2.4.

Phần mềm mô phỏng MEEP ................................................................................ 26

2.4.1.


Giới thiệu ....................................................................................................... 26

2.4.2.

Các bƣớc tính toán ......................................................................................... 26

2.4.2.1. Bƣớc 1: Tạo file ctl. .................................................................................. 26
2.4.2.2. Bƣớc 2: Chạy chƣơng trình mô phỏng ..................................................... 30
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG TÍNH CHẤT QUANG HỌC CỦATINH THỂ QUANG
TỬ CẤU TRÚC SAI HỎNG H2 ........................................................................................ 32
3.1

Các thông số mạng ............................................................................................... 33

3.1.2.

Hằng số mạng a.............................................................................................. 33

3.1.3.

Bán kính r ....................................................................................................... 33

3.1.4.

Hằng số điện môi ε ........................................................................................ 33

3.1.5.

Vector cơ sở của mạng................................................................................... 33


3.2.

Tinh thể quang tử không sai hỏng ........................................................................ 33

3.2.1.

Các thông số mạng sử dụng trong quá trình mô phỏng ................................. 33

3.2.2.

Chƣơng trình tính toán ................................................................................... 33

3.2.3.

Cấu trúc vùng ................................................................................................. 35

3.2.3.1. Cấu trúc vùng TE ...................................................................................... 35
3.2.3.2. Cấu trúc vùng TM..................................................................................... 35
3.2.4.
3.3.

Mối quan hệ giữa vùng cấm và bán kính lỗ khí ............................................ 36

Tinh thể quang tử sai hỏng H2 ............................................................................. 37

3.3.2.

Cấu trúc vùng ................................................................................................. 38

3.3.3.


Mối quan hệ giữa vùng cấm và bán kính lỗ khí ............................................ 39

3.3.4.

Phân bố điện từ trƣờng................................................................................... 40

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


iv

3.3.5.

Phổ truyền qua của tinh thể quang tử sai hỏng H2 ........................................ 43

3.3.6.

Khảo sát mode cộng hƣởng Whispering Gallery........................................... 46

3.3.6.1. Giới thiệu mode cộng hƣởng Whispering Gallery ................................... 46
3.3.6.2. Khảo sát tính chất mode cộng hƣởng Whispering Gallery theo tỉ lệ r/a .. 49
3.3.6.3. Khảo sát giá trị hệ số chất lƣợng Q .......................................................... 50
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN............................................................................. 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 56

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt


GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chiều, hƣớng

D

Dimension

FTDT

Finite Difference Time Domain

MEEP

MIT Electromagnetic Equation Propagation

MIT

Massachusetts Institute of Technology

MPB

MIT Photonic Bands

OEO


Opto Electronic Oscillator

PBG

Photonic Band gap

PWE

Plane Wave Expansion

P

Purcell factor

Hệ số Purcell

Q

Quality factor

Hệ số chất lƣợng

RI

Refractive Index

TE

Transverse Electric


TM

Transverse Magnetic

Từ trƣờng ngang

V – mode

Mode Volume

Thể tích mode V

WGM

Whispering Gallery Mode

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

Sai phân hữu hạn trong miền thời gian

Hệ dao động quang điện tử
Vùng cấm quang tử
Mở rộng sóng phẳng

Chiết suất của môi trƣờng
Điện trƣờng ngang

Mode cộng hƣởng Whispering Gallery

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng



vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Cấu trúc trên thân các loại côn trùng ........................................................................ 4
Hình 1.2 Tinh thể quang tử 1D có cấu trúc các màng điện môi với hằng số điện môi
tuần hoàn theo phƣơng z. Hằng số mạng là a, hai màu khác nhau thể hiện hai vật liệu
với hằng số điện môi khác nhau [3] ........................................................................................ 5
Hình 1.3 Tinh thể quang tử 2D dạng cột (rod) [3] .................................................................. 6
Hình 1.4 Tinh thể quang tử 2D dạng lỗ (hole)[3] .................................................................. 6
Hình 1.5 Một số cấu trúc tinh thể quang tử 3D [3] ................................................................. 7
Hình 1.6 Ví dụ về vùng cấm của tinh thể quang tử [3] ........................................................... 8
Hình 1.7 Quá trình truyền sóng điện từ qua tinh thể quang tử 2D với các lỗ điện môi
trên nền không khí [2] ............................................................................................................. 8
Hình 1.8 Tinh thể quang tử sai hỏng điểm đƣợc tạo thành bằng cách lấy đi 7 lỗ khí
trong cấu trúc tinh thể quang tử không sai hỏng ................................................................... 11
Hình 1.9 Tinh thể quang tử sai hỏng đƣờng đƣợc tạo ra bằng cách lấy đi ba lỗ khí trong
cấu trúc của tinh thể quang tử không sai hỏng ...................................................................... 12
Hình 1.10 Một số loại sợi tinh thể quang tử .......................................................................... 12
Hình 1.11 Sơ đồ cấu tạo hệ dao động quang điện tử [16] ..................................................... 14
Hình 1.12 Sơ đồ cấu tạo đơn giản hóa hệ dao động quang điện tử [16] ............................... 14
Hình 1.13 Hệ dao động quang điện tử đơn vòng [1] ............................................................. 15
Hình 1.14 Hệ dao động quang điện tử đa vòng [1] ............................................................... 16
Hình 2.1 Ô Yee đơn vị phục vụ cho tính toán trƣờng trong cấu trúc [7] ............................ 19
Hình 3.1 Cấu trúc tinh thể quang tử 2D mạng tam giác có cấu trúc sai hỏng H2 ............... 32
Hình 3.2 Cấu trúc tinh thể quang tử không sai hỏng 2D mạng tam giác ............................ 35
Hình 3.3 Cấu trúc vùng cho mode TE của tinh thể quang tử không sai hỏng .................... 35
Hình 3.4 Cấu trúc vùng cho mode TM của tinh thể quang tử không sai hỏng ................... 36
Hình 3.5 Đồ thị sự phụ thuộc độ rộng vùng cấm vào bán kính lỗ khí của tinh thể quang

tử không sai hỏng .................................................................................................................. 37
Hình 3.6 Cấu trúc tinh thể quang tử sai hỏng H2 ................................................................. 38
Hình 3.7 Cấu trúc vùng cho mode TE của tinh thể quang tử sai hỏng H2 .......................... 38
Hình 3.8 Đồ thị sự phụ thuộc độ rộng vùng cấm vào bán kính lỗ khí của tinh thể
quang tử không sai hỏng ........................................................................................................ 40
Hình 3.9 Các mode cộng hƣởng tại vị trí sai hỏng của tinh thể quang tử H2 ....................... 41

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


vii

Hình 3.10 Tần số mode cộng hƣởng trong tinh thể quang tử H2 .......................................... 43
Hình 3.11 Phổ truyền qua của tinh thể quang tử H2 ............................................................. 46
Hình 3.12 Sóng âm trong nghiên cứu của Lord Rayleigh [6] .............................................. 47
Hình 3.13 Mode Whispering Gallery của buồng cộng hƣởng quang học dạng quả cầu
điện môi [4]…… ................................................................................................................... 48
Hình 3.14 Một số phân bố điện từ trƣờng dạng mode WG trong nghiên cứu tổng quát
[6]........................................................................................................................................... 48
Hình 3.15 Tần số ứng với mode WG theo tỉ lệ r/a của tinh thể quang tử sai hỏng H2 ......... 50
Hình 3.16 Hệ số Q phụ thuộc vào tỉ lệ r/a ứng với các giá trị tần số mode WG ................... 53

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


viii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Chƣơng 3
Bảng 3.1. Sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm vào bán kính lỗ khí của tinh thể quang tử
không sai hỏng ....................................................................................................................... 36
Bảng 3.2. Các tần số ánh sáng trong vùng cấm cho phép truyền qua tinh thể quang tử
sai hỏng H2 ............................................................................................................................ 39
Bảng 3.3. Sự phụ thuộc của độ rộng vùng cấm vào bán kính lỗ khí của tinh thể quang tử
sai hỏng H2 ............................................................................................................................ 39
Bảng 3.4. Các mode cộng hƣởng trong tinh thể quang tử sai hỏng H2 ứng với tỉ lệ
r/a=0.3 .................................................................................................................................... 41
Bảng 3.5. Tần số mode cộng hƣởng theo tỉ lệ r/a trong tinh thể quang tử sai hỏng .............. 42
Bảng 3.6. Tần số ứng với mode WG theo tỉ lệ r/a của tinh thể quang tử sai hỏng H2 .......... 49
Bảng 3.7. Hệ số chất lƣợng Q ứng với mode WG của tinh thể quang tử sai hỏng H2 ......... 53

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


Chƣơng 1: Giới thiệu

1

MỞ ĐẦU
Việc tìm ra và ứng dụng sóng điện từ trên nhiều lĩnh vực của đời sống và kỹ thuật
đóng vai trò to lớn trong sự phát triển của nhân loại. Từ việc nghiên cứu các thiên hà xa
xôi, điều khiển tàu vũ trụ, truyền thanh, truyền hình, đến việc chữa bệnh, đun nấu bằng lò
vi sóng… tất cả đều có sự hiện diện của sóng điện từ. Thang sóng điện từ trải dài tạo thành
nhiều miền: từ miền sóng vô tuyến, miền hồng ngoại, miền ánh sáng nhìn thấy, tử ngoại,

tia X, tia Gamma… mỗi miền đều có những ứng dụng riêng.
Đối với miền sóng vô tuyến, sau ứng dụng đầu tiên thành công đƣợc triển khai từ
đầu thế kỷ 20 – truyền thông tin bằng máy điện báo với tín hiệu Morse vƣợt Đại Tây
Dƣơng, miền sóng điện từ này đã đƣợc tập trung khai thác và có những ứng dụng hết sức
quan trọng với đời sống con ngƣời nhƣ: phát thanh radio, truyền hình, công nghệ truyền
dẫn không dây (bluetooth, wifi,…), radar, thiết bị định vị GPS, và vô số ứng dụng tiện ích
khác. Song song với sự phát triển của những ứng dụng ấy, nguồn phát sóng vô tuyến và tín
hiệu vi sóng cũng đƣợc nghiên cứu và nâng cấp bằng nhiều công nghệ khác nhau: những
thế hệ máy phát tín hiệu sóng vô tuyến từ cơ bản đến hiện đại lần lƣợt ra đời.
Một trong những thiết bị đó là hệ dao động quang điện tử (OEO – Opto Electronic
Oscillator). Hệ dao động quang điện tử là thiết bị có khả năng tạo ra các tín hiệu với tần
số siêu cao (hàng chục GHz) bằng cách chuyển đổi trực tiếp năng lƣợng từ một nguồn ánh
sáng liên tục thành tín hiệu vô tuyến hay tín hiệu vi sóng theo yêu cầu với chất lƣợng tín
hiệu tốt [16].
Chất lƣợng tín hiệu tạo ra từ hệ dao động này đƣợc xác định bởi hệ số chất lƣợng Q
là hệ số đƣợc đánh giá thông qua thời gian mà photon ánh sáng tồn tại trong bộ quang học
của hệ, thời gian càng lớn, thì chất lƣợng của tín hiệu đầu ra càng cao [15]. Trong việc cải
thiện chất lƣợng hệ dao động quang điện tử, ngƣời ta quan tâm đến cả hai việc cải tiến
phần điện và phần quang của hệ. Mỗi phần có vai trò riêng. Trong đó, bộ quang học đƣợc
nghiên cứu rất nhiều về mặt thực nghiệm và lí thuyết. Cụ thể là ngƣời ta hay dùng những
dạng bộ quang học có cấu trúc dạng đĩa (microdisk), sợi quang học (optical fiber), vòng
điện môi (dielectric ring)… Mục đích chính là tăng cƣờng hệ số Q và giảm kích thƣớc của
bộ quang học. Điều này giúp chúng ta thu nhận những tín hiệu tốt, rõ nét khi sử dụng hệ
dao động quang điện tử. Trong một vài nghiên cứu gần đây, ngƣời ta đã khảo sát thực
nghiệm dạng đĩa tròn CaF2, cải tiến Q bằng việc giảm tối thiểu sự gồ ghề bề mặt đĩa.
Dùng cấu trúc sợi quang học dạng vòng để làm tăng thời gian lƣu trú của photon, đồng
nghĩa với việc tăng hệ số Q. Ngoài ra ngƣời ta còn sử dụng bó sợi quang học đa vòng
nhằm làm tăng thời gian lƣu trú và độ rộng phổ tín hiệu [1].
Yêu cầu của một bộ quang học chuẩn là có hệ số chất lƣợng Q lớn, thời gian dừng
của photon lâu. Với những tính chất đặc biệt của vật liệu tinh thể quang tử có sai hỏng về


SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


Chƣơng 1: Giới thiệu

2

cấu trúc, khóa luận đề xuất một cách tạo ra bộ quang học chất lƣợng cao sử dụng loại vật
liệu này.
Tinh thể quang tử đƣợc hiểu là sự sắp xếp tuần hoàn của vật liệu có hằng số điện
môi khác nhau trong không gian, trong đó hằng số điện môi đƣợc biến đổi tuần hoàn trên
một phạm vi chiều dài tƣơng đƣơng với các bƣớc sóng hoạt động. Thuật ngữ “tinh thể”
đƣợc dùng để mô tả cấu trúc này do nó đƣợc hình thành từ sự sắp xếp tuần hoàn của các
vật liệu điện môi, tƣơng tự với sự sắp xếp tuần hoàn của các nguyên tử, phân tử trong một
tinh thể vật chất; còn thuật ngữ “quang tử” nêu bật lên tính chất của tinh thể quang tử là
cấu trúc có tác động đến phƣơng thức lan truyền của photon trong khối vật liệu. Tính chất
đặc trƣng của một cấu trúc tinh thể quang tử là khả năng tạo ra vùng cấm quang tử - vùng
tần số mà ánh sáng không thể truyền qua [5].
Đối với cấu trúc tinh thể quang tử có sai hỏng cụ thể là sai hỏng H2 – sai hỏng
đƣợc thực hiện bằng cách lấp 7 lỗ khí trong cấu trúc tinh thể quang tử không sai hỏng
tƣơng ứng, trong vùng cấm quang tử của tinh thể quang tử này sẽ xuất hiện một số tần số
cộng hƣởng cho phép ánh sáng truyền qua. Sự xuất hiện của các tần số ấy khiến cấu trúc
có những tính chất vô cùng đặc biệt. Khi ánh sáng truyền đến với tần số bằng tần số cộng
hƣởng, thì photon ánh sáng sẽ bị giam giữ tại vị trí sai hỏng – tạo nên các mode cộng
hƣởng làm cho cƣờng độ ánh sáng tại vị trí này đƣợc khuếch đại lên nhiều lần cho đến khi
bị rò rỉ, hấp thụ, hay tán xạ [11]. Thời gian phân rã năng lƣợng photon τ liên quan trực tiếp
đến hệ số chất lƣợng hay hệ số Q.

Để đạt đƣợc hệ số chất lƣợng Q cao nhất, trong quá trình khảo sát ứng dụng tinh thể
quang tử sai hỏng vào hệ dao động quang điện tử nhƣ một buồng cộng hƣởng, ta chú ý đến
mode cộng hƣởng Whispering Gallery là dạng phân bố điện từ trƣờng truyền liên tục,
khép kín trong phạm vi của vị trí sai hỏng nhờ hiện tƣợng phản xạ toàn phần của ánh sáng,
có sự khuếch đại năng lƣợng lớn và thời gian lƣu trữ photon kéo dài hơn so với các mode
cộng hƣởng khác [6].
Vì vậy bài toán cụ thể của khóa luận là khảo sát tính chất quang học của tinh thể
quang tử sai hỏng H2 nhằm nghiên cứu tính thực tế của việc ứng dụng tinh thể quang tử
sai hỏng H2 vào một hệ dao động quang điện tử.
Do tính chất hạn chế về thực nghiệm, nội dung nghiên cứu của khóa luận sẽ tập
trung vào việc khảo sát tính chất của vật liệu tinh thể quang tử ở mảng lý thuyết và mô
phỏng, từ đó xem xét khả năng ứng dụng của tinh thể quang tử vào hệ dao động quang
điện tử. Cụ thể là hệ thống khái niệm cơ bản, tính chất đặc trƣng của tính thể quang tử và
những ứng dụng quan trọng của vật liệu này. Sử dụng phần mềm chuyên dụng để mô
phỏng tính chất của loại vật liệu với mô hình cấu trúc cụ thể.

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


Chƣơng 1: Giới thiệu

3

Mục đích cần đạt đƣợc của khóa luận bao gồm những vấn đề chính sau đây:
 Hệ thống lại các khái niệm, những đặc trƣng cơ bản cũng nhƣ những ứng dụng
quan trọng của tinh thể quang tử, đặc biệt là ứng dụng hệ dao động quang điện tử
 Sử dụng thành thạo những phần mềm tính toán, mô phỏng chuyên dụng cho tinh
thể quang tử

 Khảo sát tính chất quang học của cấu trúc mạng tinh thể không sai hỏng
 Khảo sát tính chất quang học của cấu trúc mạng tinh thể sai hỏng H2
 Sản phẩm tính toán: chƣơng trình tính toán mô phỏng sai hỏng H2
Do đó, nội dung công việc đƣợc chia thành 3 phần chính đƣợc tóm tắt nhƣ sau:
Chương 1: Giới thiệu về tinh thể quang tử và hệ dao động quang điện tử
Chƣơng này sẽ giới thiệu sơ lƣợc về các khái niệm, các vần đề cơ bản liên quan đến
tinh thể quang tử. Những đặc tính chính của vật liệu quang tử và các dạng sai hỏng sẽ
đƣợc trình bày. Chƣơng 1 cũng giới thiệu sơ lƣợc về hoạt động và ứng dụng của hệ dao
động quang điện tử.
Chương 2: Phƣơng pháp tính toán và phần mềm mô phỏng
Các phƣơng pháp tính toán và phần mềm mô phỏng đƣợc sử dụng trong khóa luận
sẽ đƣợc trình bày chi tiết và cụ thể ở chƣơng này.
Chương 3: Mô phỏng tính chất quang học của tinh thể quang tử cấu trúc sai hỏng H2
Phần này tác giả sẽ trình bày các kết quả khảo sát về cấu trúc vùng, tần số cộng
hƣởng, độ truyền qua cấu trúc T, mode cộng hƣởng Whispering Gallery và hệ số chất
lƣợng Q tƣơng ứng của tinh thể quang tử 2D mạng tam giác cấu trúc sai hỏng H2.

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


Chƣơng 1: Giới thiệu

4

CHƢƠNG 1

GIỚI THIỆU VỀ TINH THỂ QUANG TỬ
VÀ

HỆ DAO ĐỘNG QUANG ĐIỆN TỬ
1.1.

Sự ra đời của tinh thể quang tử

Năm 1887, trong quá trình thực hiện những thí nghiệm với cấu trúc màng đa lớp có
sự tuần hoàn của điện môi, nhà bác học ngƣời Mỹ Lord Rayleigh đã đƣa ra những khái
niệm ban đầu về vùng cấm quang tử – vùng tần số mà ánh sáng không truyền qua đƣợc
trong một cấu trúc vật liệu. Khái niệm này đã mở ra một hƣớng đi mới cho vật lý trong
việc nghiên cứu ánh sáng hay sóng điện từ – khả năng điều khiển và giam giữ chúng.
Một thế kỷ sau, năm 1987, khái niệm về một vật liệu có vùng cấm quang tử - tinh
thể quang tử chính thức ra đời. Hai công trình khoa học đánh dấu sự ra đời của loại vật
liệu đặc biệt này chính là công trình của E. Yablonovitch và S. John đƣợc độc lập công bố
trên tạp chí Physical Review Letters: tác giả đầu tiên E. Yablonovitch trong công trình
khoa học của mình đã đề cập đến “khả năng giam hãm của bức xạ sóng điện từ trong cấu
trúc không gian ba chiều” và sự xuất hiện của vùng cấm quang tử, tác giả thứ hai - nhà
khoa học S. John nói về “sự tồn tại của các sai hỏng trong cấu trúc mạng tuần hoàn có thể
tạo ra những trạng thái trong vùng cấm quang tử” [5].
Sau khi khái niệm tinh thể quang tử ra đời trong lý thuyết, những mẫu tinh thể
quang tử trong thực tế cũng lần lƣợt đƣợc biết đến, đó là: những mẫu tinh thể quang tử có
sẵn trong tự nhiên: ví dụ cấu trúc của cánh bƣớm và các loại côn trùng – cấu trúc có khả
năng tạo ra sóng giao thoa thay đổi theo hƣớng truyền sáng dẫn đến hệ màu sắc lộng lẫy
của các loại bƣớm và côn trùng trên, những mẫu tinh thể quang tử trong phòng thí nghiệm
phục vụ các nghiên cứu về tinh thể quang tử và ứng dụng của nó.

Hình 1.1

Cấu trúc trên thân các loại côn trùng

Năm 1991, mẫu tinh thể quang tử đầu tiên đƣợc chế tạo. Khi khảo sát tính chất

quang học, ngƣời ta thu đƣợc một dải tần số không cho ánh sáng truyền qua – vùng cấm

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


Chƣơng 1: Giới thiệu

5

quang tử; điều này đã chứng minh cho sự đúng đắn của những lý thuyết đƣợc nghiên cứu
trƣớc đó, đồng thời mở ra một giai đoạn mới, giai đoạn mà tinh thể quang tử trở thành đề
tại đƣợc nghiên cứu rộng rãi cả về thực nghiệm và lý thuyết.

1.2.

Định nghĩa và phân loại

1.2.1 Định nghĩa
Tinh thể quang tử đƣợc hiểu là sự sắp xếp tuần hoàn của vật liệu có hằng số điện
môi khác nhau trong không gian. Trong đó hằng số điện môi đƣợc biến đổi tuần hoàn trên
một phạm vi chiều dài tƣơng đƣơng với các bƣớc sóng hoạt động tƣơng ứng. Thuật ngữ
“tinh thể” đƣợc dùng để mô tả cấu trúc này do nó đƣợc hình thành từ sự sắp xếp tuần hoàn
của các vật liệu điện môi tƣơng tự với sự sắp xếp tuần hoàn của các nguyên tử, phân tử
trong một tinh thể vật chất, còn thuật ngữ “quang tử” nêu bật lên tính chất của tinh thể
quang tử là cấu trúc có tác động đến phƣơng thức lan truyền của photon trong khối vật liệu
[5].

1.2.2 Phân loại

Dựa vào cấu trúc của tinh thể quang tử ta có thể phân tinh thể quang tử thành ba
loại chính: tinh thể quang tử một chiều (1D), tinh thể quang tử hai chiều (2D), tinh thể
quang tử ba chiều (3D). Cụ thể nhƣ sau:
1.2.2.1.

Tinh thể quang tử một chiều

Tinh thể quang tử một chiều (1D) là màng điện môi đa lớp bao gồm hai loại màng
điện môi (có hằng số điện môi khác nhau) sắp xếp xen kẽ nhau trong không gian tuần hoàn
theo một phƣơng nhất định [3].
Tinh thể quang tử này luôn luôn có vùng cấm xuất hiện, vùng cấm đƣợc mở ra ngay
khi có sự khác biệt hằng số điện môi giữa hai màng điện môi khác nhau. Độ rộng cùa vùng
cấm tùy thuộc vào độ chênh lệch giữa hằng số điện môi của hai màng tƣơng ứng.

Hình 1.2 Tinh thể quang tử 1D có cấu trúc các màng điện môi với hằng số điện môi
tuần hoàn theo phương z. Hằng số mạng là a, hai màu khác nhau thể hiện hai vật
liệu với hằng số điện môi khác nhau [3]

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


Chƣơng 1: Giới thiệu

1.2.2.2.

6

Tinh thể quang tử hai chiều


Tinh thể quang tử hai chiều (2D) là cấu trúc tinh thể có sự thay đổi hằng số điện
môi tuần hoàn theo hai phƣơng nhất định và đồng nhất theo phƣơng còn lại [3].
Tinh thể quang tử 2D có một số cấu trúc với dạng tuần hoàn khác nhau, nhƣng điển
hình là dạng cột (rod) và lỗ (hole).
Tinh thể quang tử 2D dạng cột (rod) bao gồm các cột vật liệu có hằng số điện môi ɛ
có bán kính tiết diện r và có chiều cao vô hạn sắp xếp tuần hoàn trên nền không khí. Tinh
thể quang tử 2D dạng này có sự sắp xếp tuần hoàn về cấu trúc điện môi trên phƣơng xy và
đồng nhất trên phƣơng z.

Hình 1.3

Tinh thể quang tử 2D dạng cột (rod) [3]

Tinh thể quang tử 2D dạng lỗ (hole) bao gồm các cột không khí có bán kính r chiều
cao vô hạn trên nền vật liệu có hằng số điện môi ɛ. Tinh thể quang tử 2D dạng này cũng
có sự sắp xếp tuần hoàn về cấu trúc điện môi trên phƣơng xy và đồng nhất trên phƣơng z.

Hình 1.4

Tinh thể quang tử 2D dạng lỗ (hole)[3]

Trong cấu trúc tinh thể quang tử 2D, ta quan tâm đến hƣớng nghiên cứu theo
phƣơng x và y, do sự tuần hoàn và đối xứng rời rạc của tinh thể 2D trong mặt xy, mode
điện từ bị phân tách thành 2 phân cực cơ bản: TM (Transverse Magnetic) và TE
(Transverse Electric) khi tƣơng tác với tinh thể 2D.

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng



Chƣơng 1: Giới thiệu

7

Tính chất phân cực của hai mode TM và TE là khác nhau dẫn đến cấu trúc vùng
cho hai mode này cũng khác nhau. Tùy vào loại cấu trúc, chúng ta có thể thu đƣợc vùng
cấm cho từng phân cực (vùng cấm riêng cho TE và TM) hoặc vùng cấm kết hợp cả hai
mode (vùng cấm hoàn toàn) [3].
1.2.2.3.

Tinh thể quang tử ba chiều

Tinh thể quang tử ba chiều (3D) là cấu trúc tinh thể quang tử có sự thay đổi hằng số
điện môi theo cả ba chiều [3].

Hình 1.5
a)
b)
c)
d)

Một số cấu trúc tinh thể quang tử 3D [3]

Cấu trúc đƣợc đề nghị bởi Yabnovite (1991)
Cấu trúc woodpile đƣợc đề nghị bởi Ho và các cộng sự (1994)
Cấu trúc tinh thể tổ hợp của tinh thể quang tử 2D dạng cột và dạng lỗ
Cấu trúc đƣợc đề nghị bởi Vlasov (2001)


Tinh thể quang tử 3D có thể tạo nên các vùng cấm hoàn toàn, có khả năng cản trở
ánh sáng theo ba chiều, điều khiển ánh sáng tốt hơn tinh thể quang tử 2D.
Tinh thể quang tử 3D có nhiều tính chất ƣu việt hơn so với tinh thể quang tử 2D và
1D, song việc tạo ra tinh thể quang tử 3D để phục vụ các ứng dụng thực tế thì còn gặp
nhiều khó khăn.

1.3.

Các đại lƣợng và thông số đặc trƣng cho tinh thể quang tử

Để khảo sát tính chất của một tinh thể quang tử ta dựa vào các đại lƣợng và thông
số đặc trƣng sau: vùng cấm quang tử, hệ số chất lƣợng Q, thể tích mode cộng hƣởng V và
hệ số Purcell (hệ số P).

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


Chƣơng 1: Giới thiệu

8

1.3.1 Vùng cấm quang tử
1.3.1.1.

Định nghĩa

Tinh thể quang tử là tinh thể có cấu trúc tuần hoàn về điện môi tạo nên đặc trƣng cơ
bản đó là tồn tại các vùng cấm quang tử (Photonic bandgap).

Vùng cấm quang tử là một dãy tần số ánh sáng không thể lan truyền qua cấu trúc
tinh thể quang tử [3].

Hình 1.6

Ví dụ về vùng cấm của tinh thể quang tử [3]

Độ rộng của vùng cấm quang tử (độ rộng của dải tần số không thể lan truyền qua
cấu trúc) đối với một tinh thể quang tử phụ thuộc vào nhiều yếu tố: điện môi của vật liệu
cấu tạo nên tinh thể quang tử, hằng số mạng tinh thể, kích thƣớc lỗ khí…
1.3.1.2.

Nguồn gốc của vùng cấm quang tử

Nguồn gốc hình thành vùng cấm quang tử, dựa trên quan điểm quang học sóng ta
có thể giải thích nguồn gốc này hình thành do sự tổng hợp sóng điện từ đƣợc truyền đến
tinh thể quang tử và sóng phản xạ từ tinh thể.

Hình 1.7

Quá trình truyền sóng điện từ qua tinh thể quang tử 2D với các lỗ điện môi
trên nền không khí [2]

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


Chƣơng 1: Giới thiệu


9

Khi sóng điện từ truyền đến tinh thể quang tử 2D, sóng điện từ sẽ tƣơng tác với cấu
trúc (các vị trí có sự chênh lệch hằng số điện môi) để hình thành các sóng phản xạ.
Sóng phản xạ này có thể lệch pha nhau dẫn đến sự triệt tiêu của sóng phản xạ trong
cấu trúc và không gây ảnh hƣởng gì đến sóng tới. Sóng điện từ truyền đến có thể lan
truyền qua khối tinh thể quang tử.
Nhƣng sóng phản xạ này cũng có thể cùng pha nhau dẫn đến sự tăng cƣờng của
sóng phản xạ mà sóng này ngƣợc pha với sóng tới, dẫn đến sự triệt tiêu của sóng tới, sóng
tới không thể truyền qua đƣợc tinh thể quang tử.
Tùy thuộc vào tần số của sóng điện từ truyền đến mà sóng điện từ có thể bị triệt tiêu
hay có thể truyền qua tinh thể quang tử. Tập hợp những tần số sóng điện từ không thể
truyền qua tinh thể quang tử tạo nên vùng cấm quang tử của một cấu trúc tinh thể quang tử
[2].

1.3.2 Hệ số Q
Tại vị trí cộng hƣởng, photon ánh sáng bị giam giữ cho đến khi chúng bị rò rỉ, hấp
thụ, hay tán xạ. Thời gian phân rã năng lƣợng photon τ liên quan trực tiếp đến hệ số chất
lƣợng hay hệ số Q. Chúng ta có hai cách thƣờng đƣợc sử dụng để tính toán hệ số Q của
một mode cộng hƣởng.
Cách tính toán thứ nhất là đo hệ số góc của đồ thị phân rã năng lƣợng theo hàm mũ
của mode cộng hƣởng [8].
( )

( )

(

( )


)

[ (

)

]

(1.1)

Trong đó U là năng lƣợng tại mode cộng hƣởng và liên hệ với thời gian sống của
photon trong mode cộng hƣởng τph với tần số góc w0 của mode cộng hƣởng đƣợc thể hiện
qua công thức:
(1.2)
Cách tính toán này rất hữu hiệu cho các mode có hệ số Q thấp. Tuy nhiên, với
những mode có hệ số Q cao, hệ số góc gần nhƣ bằng 0, cách tính toán khác sẽ đƣợc sử
dụng.
Cách tính toán thứ hai, ta lấy năng lƣợng lƣu trữ trong mode cộng hƣởng U(t) chia
cho năng lƣợng đƣợc hấp thụ ở vùng biên P(t) sẽ xác định đƣợc giá trị hệ số Q của mode
cộng hƣởng [8]:
( )
( )

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

(1.3)

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng



Chƣơng 1: Giới thiệu

10

Đối với các mode cộng hƣởng khác nhau, ta thấy có sự sai khác nhỏ giữa hai cách
tính toán này. Vì vậy, tùy vào mục đích và yêu cầu tính toán cũng nhƣ tính chất của mode
sai hỏng mà ta chọn lựa những cách tính toán hệ số Q cho phù hợp.

1.3.3 Thể tích mode
Đối với các mode cộng hƣởng, một thông số quan trọng để đánh giá tính chất của
mode cộng hƣởng thƣờng đƣợc quan tâm đó là thể tích mode cộng hƣởng.
Thể tích mode cộng hƣởng Veff đƣợc tính toán bởi tích phân của năng lƣợng điện
trƣờng trong không gian và đƣợc chuẩn hóa bởi năng lƣợng điện trƣờng tối đa.
∭ ( ⃗)| ⃗⃗ ( ⃗)|

⃗

(1.4)

* ⃗⃗ ( ⃗)| ⃗⃗ ( ⃗)| +

Với những ứng dụng khác nhau ta sẽ có yêu cầu về thể tích mode khác nhau. Mode
có thể tích nhỏ thích hợp cho việc chế tạo laser tích hợp với độ đơn sắc và định hƣớng cao.
Mode có thể tích lớn hơn sẽ dễ dàng đƣợc ứng dụng trong các mạch quang điện tử, hệ dao
động do có đƣợc giá trị hệ số Q cao hơn.

1.3.4 Hệ số Purcell
Hệ số Purcell dùng để đánh giá khả năng tƣơng tác ánh sáng vật chất trong một
mode sai hỏng. Hệ số này đƣợc xác định thông qua biểu thức [10]:
( ) (

Trong đó:

)

(1.5)

λC là bƣớc sóng tự do
nC là chiết suất vật liệu tại trƣờng antinode rC

Các sai hỏng có hệ số Q cao và thể tích tích mode Veff nhỏ sẽ tăng cƣờng sự tƣơng
tác vật chất. Vì vậy, khi nghiên cứu các tinh thể có sai hỏng ngƣời ta thƣờng quan tâm đến
việc nâng cao tỉ lệ Q/Veff, sao cho tỉ lệ này là lớn nhất [10].

1.4.

Sai hỏng trong tinh thể quang tử

Khi tinh thể quang tử có sai hỏng, cấu trúc vùng bị thay đổi. Trong vùng cấm quang
tử lúc này sẽ xuất hiện những tần số cho phép ánh sáng truyền qua. Sự xuất hiện của các
tần số ấy khiến cho tinh thể quang tử có những tính chất vô cùng đặc biệt: khả năng chọn
lọc, giam giữ ánh sáng, khả năng dẫn truyền và khuếch đại ánh sáng. Chính vì vậy, tinh
thể quang tử có sai hỏng đƣợc quan tâm nghiên cứu và ứng dụng nhiều hơn trong thực tế.
Trong tinh thể quang tử ta thƣờng tạo ra hai loại sai hỏng chính:

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


Chƣơng 1: Giới thiệu


11

1.4.1 Sai hỏng điểm
Sai hỏng điểm là sai hỏng đơn giản nhất mà ta có thể tạo ra với một cấu trúc tinh
thể quang tử, chỉ bằng cách làm sai lệch đi ít nhất một đối tƣợng ở vị trí xác định trong cấu
trúc tuần hoàn. Đối tƣợng ấy có thể bị bỏ đi, bị thay đổi kích thƣớc, hay thay đổi hằng số
điện môi của vật liệu làm nên chúng…[11]. Hình 1.8 là một ví dụ tinh thể quang tử có sai
hỏng điểm H2 khi bị lấp đầy một số lỗ khí so với tinh thể quang tử không sai hỏng.
Khi có sai hỏng điểm ở trong cấu trúc tinh thể quang tử, mạng tinh thể mất đối
xứng, làm cho sự phân bố điện từ trƣờng trong nó thay đổi, dẫn đến xuất hiện mode điện
từ trƣờng có cƣờng độ lớn – mode cộng hƣởng ứng với các tần số cho phép lan truyền ánh
sáng trong vùng cấm. Cụ thể là, khi tần số ánh sáng chiếu vào tinh thể quang tử thuộc
vùng cấm, ánh sáng lúc này sẽ tập trung tại vị trí sai hỏng mà không thể truyền sang khác
phần khác của cấu trúc, ánh sáng bị giam hãm và khuếch đại cƣờng độ lên rất nhiều lần.
Chính vì vậy, ta có thể coi sai hỏng điểm nhƣ một buồng cộng hƣởng giam giữ và khuếch
đại ánh sáng với tần số có thể lựa chọn là yếu tố quan trọng trong việc ứng dụng tinh thể
quang tử trong các thiết bị quang tử [11].

Hình 1.8

Tinh thể quang tử sai hỏng điểm được tạo thành bằng cách lấy đi 7 lỗ khí trong
cấu trúc tinh thể quang tử không sai hỏng

1.4.2 Sai hỏng đường
Sai hỏng đƣờng của tinh thể quang tử là một dãy các sai hỏng điểm liên tiếp trên
một đƣờng thẳng hay trên một hƣớng nào đó.
Hiện tƣợng xảy ra trong sai hỏng đƣờng tƣơng tự nhƣ đối với sai hỏng điểm, nếu
ánh sáng chiếu đến có tần số nằm trong vùng cấm quang tử thì sẽ bị giữ lại bên trong sai
hỏng đƣờng. Nhờ vậy, photon ánh sáng sẽ đƣợc lan truyền theo đƣờng dẫn là một sai hỏng

mà không thể xâm phạm các phần khác của cấu trúc, làm cho năng lƣợng tiêu hao rất ít,
chính vì thế sai hỏng đƣờng đƣợc ứng dụng trong ống dẫn sóng với ƣu điểm hơn hẳn so
với sợi đồng và sợi quang trƣớc đây.

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


Chƣơng 1: Giới thiệu

Hình 1.9

1.5.

12

Tinh thể quang tử sai hỏng đường được tạo ra bằng cách lấy đi ba lỗ khí trong
cấu trúc của tinh thể quang tử không sai hỏng

Ứng dụng

1.5.1 Một số ứng dụng quan trọng của tinh thể quang tử
Tinh thể quang tử đã và đang đƣợc phát triển với nhiều hƣớng ứng dụng hiệu quả
nhƣ: sợi quang học, công nghệ laser, pin mặt trời, các mạch điện – quang, các thiết bị biến
điệu, chọn và tách sóng điện từ….
Sợi quang học tinh thể quang tử đƣợc xem là ứng dụng nổi bật của tinh thể quang
tử. Trƣớc khi tinh thể quang tử đƣợc ứng dụng trong lĩnh vực này, thông tin đƣợc truyền
tải bằng sợi đồng hay sợi cáp quang có cấu tạo từ thủy tinh – những cách truyền dẫn này
đều kém hiệu quả và phức tạp, tốn kém. Với đặc tính có khả năng định vị và dẫn truyền

ánh sáng, tinh thể quang tử đã tăng đáng kể hiệu suất của quá trình truyền thông tin, giảm
sự mất mát năng lƣợng, tăng dung lƣợng truyền, mặt khác sợi quang học còn có kích
thƣớc nhỏ, chế tạo đơn giản và đỡ tốn kém hơn so với các vật liệu trƣớc đây.

Hình 1.10 Một số loại sợi tinh thể quang tử
a)
b)
c)
d)

Sợi dải cấm quang tử hình tổ ong.
Sợi lõi nhiễu xạ Bragg
Sợi dải cấm quang tử lõi rắn mạng lục giác
Sợi lõi mạng lỗ trống rộng.

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


Chƣơng 1: Giới thiệu

13

Công nghệ Laser cũng là một trong những ứng dụng quan trọng của tinh thể quang
tử. Nguyên tắc hoạt động của laser là hiện tƣợng phát xạ tự phát của các điện tử, chính vì
vậy sự mất mát năng lƣợng là yếu tố không thể tránh khỏi. Tinh thể quang tử sai hỏng
điểm với khả năng định vị ánh sáng, tập trung năng lƣợng lớn có thể đƣợc sử dụng nhƣ
một buồng cộng hƣởng. Buồng cộng hƣởng này có vai trò nhƣ một bộ lọc trong laser có
tính đơn sắc định hƣớng cao, làm giảm đáng kể sự mất mát năng lƣợng.

Ngoài ra tinh thể quang tử còn đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhƣ nâng
cao hiệu suất của pin mặt trời, diode phát quang, tích hợp các linh kiện quang học và linh
kiện điện tử để tạo thành các mạch quang điện tử, các thiết bị đƣợc sử dụng trong quá trình
truyền sóng điện từ…. Những ứng dụng này đều đã đƣợc thƣơng mại hóa ra thị trƣờng và
đạt hiệu quả cao.
Trong những ứng dụng của tinh thể quang tử - vật liệu có khả năng định vị và lƣu
trữ, dẫn truyền ánh sáng thì những ứng dụng liên quan đến việc truyền dẫn ánh sáng – hay
sóng điện từ cũng mang một tầm quan trọng nhất định. Ứng dụng của tinh thể quang tử
vào hệ dao động quang điện tử - thiết bị đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành khoa
học – kỹ thuật: phần ứng dụng chính đƣợc đề cập đến trong khóa luận sẽ đƣợc trình bày rõ
ràng và chi tiết hơn ngay sau đây.

1.5.2 Ứng dụng của tinh thể quang tử trong hệ dao động quang điện tử
1.5.2.1.

Giới thiệu về hệ dao động quang điện tử

Hệ dao động quang điện tử là thiết bị có khả năng tạo ra các tín hiệu với tần số siêu
cao (hàng chục GHz) bằng cách chuyển đổi trực tiếp năng lƣợng từ một nguồn ánh sáng
liên tục thành tín hiệu vô tuyến hay tín hiệu vi sóng theo yêu cầu với chất lƣợng tín hiệu
tốt [16].
Hệ dao động quang điện tử lần đầu tiên đƣợc đề xuất bởi S. Yao và L. Makeli năm
1994, lúc này hệ dao động quang điện tử dùng một sợi quang học làm thành phần trễ đóng
vai trò quyết định chất lƣợng của tín hiệu mà hệ tạo ra [15].
Chất lƣợng tín hiệu tạo ra từ hệ dao động này xác định bởi hệ số chất lƣợng Q là hệ
số đƣợc đánh giá thông qua thời gian mà photon ánh sáng tồn tại trong bộ quang học của
hệ, thời gian càng lớn, thì chất lƣợng của tín hiệu đầu ra càng cao.
Hệ dao động quang điện tử với tần số hoạt động ổn định là thiết bị có nhiều ứng
dụng trong các ngành khoa học – kỹ thuật. Hệ dao động này đƣợc sử dụng trong kỹ thuật
truyền thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến nhằm mục đích tạo ra sóng mang; đồng bộ

hóa thiết bị; hệ dao động này còn đƣợc sử dụng nhiều trong kỹ thuật radar – định vị không
gian, đo thời gian, đo đạc sự thay đổi của các hằng số vật lý…[9].

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


Chƣơng 1: Giới thiệu

1.5.2.2.

14

Cấu tạo của hệ dao động quang điện tử

Một hệ dao động quang điện tử có cấu tạo gồm hai phần chính [16], đó là:
Phần quang bao gồm các thành phần chính sau: nguồn laser phát năng lƣợng liên
tục, bộ biến điệu cực nhạy, bộ quang học, bộ tách sóng quang và một cổng tín hiệu quang.
Phần điện bao gồm các thành phần chính sau: thiết bị khuếch đại tín hiệu, thiết bị
lọc tín hiệu (chọn lựa tín hiệu đầu ra), một cổng tín hiệu vô tuyến.
Cấu tạo của hệ dao động quang điện tử đƣợc thể hiện ở hình 1.11.

Hình 1.11 Sơ đồ cấu tạo hệ dao động quang điện tử [16]
Từ các bộ phận cấu tạo của hệ, ta có thể mô hình hóa đơn giản cấu tạo của hệ nhƣ
hình 1.12.

Hình 1.12 Sơ đồ cấu tạo đơn giản hóa hệ dao động quang điện tử [16]
Hệ dao động quang điện tử có thể đƣợc mô hình hóa đơn giản thành một dụng cụ
có sáu cổng: hai cổng tín hiệu quang, hai cổng tín hiệu điện và hai cổng điều chỉnh. Hai

cổng tín hiệu quang và hai cổng tín hiệu điện: một cổng là cổng tín hiệu ra (output), một
cổng là cổng cung cấp tín hiệu để đồng bộ hóa từ một nguồn ở bên ngoài (injection), hai
cổng điều khiển: một cổng điều khiển hoạt động của bộ biến điệu và một cổng giúp điều
khiển hoạt động của bộ quang học.

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng


Chƣơng 1: Giới thiệu

1.5.2.3.

15

Hoạt động của hệ dao động quang điện tử

Hầu hết các hệ dao động quang điện tử đều sử dụng các đặc tính truyền dẫn của
một bộ biến điệu quang học cùng với một bộ quang học để chuyển đổi ánh sáng thành tín
hiệu vô tuyến hay tín hiệu vi sóng ổn định.
Ánh sáng từ một nguồn laser đƣợc đƣa vào bộ biến tín hiệu quang, một phần tín
hiệu quang đi ra khỏi hệ ở cổng quang, một phần tiếp tục đƣợc chuyển đến bộ quang học,
sau đó là bộ tách sóng, bộ khuếch đại tín hiệu, một phần tín hiệu đƣợc lấy ra ở cổng điện,
một phần tín hiệu tiếp tục đƣợc lọc, sau đó sẽ đƣa trở lại bộ biến điệu quang học trong
chu kỳ mới.
Chất lƣợng tín hiệu đƣợc tạo ra từ hệ dao động quang điện tử chịu nhiều yếu tố tác
động, trong đó yếu tố đóng vai trò lớn là hoạt động của bộ quang học – thiết bị quyết định
hệ số chất lƣợng Q ảnh hƣởng trực tiếp đến chất lƣợng phổ tín hiệu (độ nhiễu pha, khoảng
cách giữa các giá trị tần số của các mode trong phổ tín hiệu).


Hình 1.13 Hệ dao động quang điện tử đơn vòng [1]
Hệ quang học đầu tiên ra đời với bộ quang học đƣợc sử dụng là một sợi quang học.
Trong đó, hệ số chất lƣợng Q tỉ lệ thuận với thời gian mà photon lan truyền trong sợi
quang Q=2
, với
thời gian truyền trong bộ quang học, tần số dao động,
c là tốc độ ánh sáng và n là chiết suất của chất làm sợi quang, L là chiều dài của sợi quang.
Bên cạch đó: khoảng cách giữa các giá trị tần số của các mode trong phổ tín hiệu đƣợc
tính toán theo công thức =1/ = c/nL [14]. Ta thấy, nếu giá trị của hệ số chất lƣợng Q
cao thể hiện chất lƣợng tín hiệu tốt thì khoảng cách giữa các tín hiệu trong phổ tín hiệu sẽ
nhỏ gây khó khăn trong hoạt động của bộ lọc tín hiệu.

SVTH: Nguyễn Thị Ánh Nguyệt

GVHD: TS. Ngô Thị Phƣơng