Đồ Án Phân tích và thiết kế anten quang học dựa trên phân cực plasma bề mặt

Lời nói đầu
Ngày nay, với sự phát triển bùng nổ của khoa học và công nghệ các thiết bị điện tử và thiết bị quang ngày càng nhỏ đi. Các nhà khoa học luôn luôn không ngừng hướng tới các công nghệ mới để tối ưu và thu nhỏ kích thước của các thiết bị nhằm thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của con người. Vì thế những cấu trúc nhỏ hơn bước sóng ngày càng được quan tâm nghiên cứu và phát triển, các khe hẹp nhỏ hơn bước sóng trong các phiến kim loại mỏng (như vàng, bạc, đồng ) làm cho sự giam hãm ánh sang vượt qua giới hạn của sự nhiễu xạ trong quang học cơ bản. Điều này có vẻ vô lý vì theo lý thuyết nhiễu xạ hiệu suất năng lượng truyền qua khe suy giảm tỷ lệ với , trong đó là đường kính khe, còn là bước sóng. Như vậy phải có một hiệu ứng đặc biệt nào đó đã xảy ra trên bề mặt kim loại khi nó bị kích thích bởi sóng điện từ ở vùng tần số ánh sáng. Gần đây, người ta đã phát hiện và chứng minh được sự tồn tại của sóng phân cực plasmon trên bề mặt kim loại-điện môi, và chính hiệu ứng này làm cho năng lượng ánh sáng có thể truyền ở kích thước nhỏ hơn bước sóng.
Phân cực plasmon bề mặt là sóng điện từ truyền lan dọc theo bề mặt tiếp xúc giữa kim loai và điện môi, nó được kích thích bởi chùm bức xạ điện từ có bước sóng trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại chiếu lên bề mặt tiếp xúc kim loại – điện môi với một số điều kiện nhất định. Mặc dù phân cực plasmon bề mặt là sóng lan truyền suy hao rất nhanh theo hàm mũ với độ dài truyền dẫn khoảng vài , nhưng khoảng đó cũng đủ xa để truyền trong các mạch quang học tích hợp kích thước nano.
Anten quang học là một khái niệm mới mẻ trong lĩnh vực quang học vật lý. Tương tự như anten trong miền tần số vô tuyến, mục đích của anten quang là để chuyển đổi năng lượng điện từ dạng bức xạ tự do sang năng lượng tập trung và ngược lại. Anten quang khai thác những đặc tính độc nhất của kim loại với cấu trúc nano là sự xuất hiện của hiện tượng phân cực plasma bề mặt kim loại tại miền tần số quang học. Một số ứng dụng của anten quang là dùng tạo ảnh kích thước nano, dùng trong quang phổ học, quang voltaic. Nhiệm vụ của đồ án là đi nghiên cứu và tìm hiểu tích chất thú vị của anten quang học kích thước nano, từ đó hướng tới việc phân tích và thiết kế một anten quang học.

Tóm tắt đồ án
Khi chiếu sáng một sóng phẳng tới một màng mỏng bằng kim loại, trên màn đó có một khe với kích thước nhỏ hơn bước sóng, sóng plasmon có thể được kích thích tại đầu vào của khe. Sau khi chạy qua khe đến đầu ra năng lượng của trường SPPs sẽ bức xạ vào trong không gian tự do. Những khe truyền sóng plasmon như vậy có thể xem như là một anten khe plasmonic. Trong đồ án này, tôi sử dụng phân bố Chebyshev để điều chỉnh sự bức xạ của một mảng các anten khe plasmonic chữ nhật tuyến tính để đạt được một sự giảm búp sóng phụ nhỏ hơn.

Abstract
When illuminating a plane wave to a metal film with a sub-wavelength aperture, surface plasmon polaritons (SPPs) can be excited on top of the aperture. After tunneling through the aperture the energy in SPPs field is radiated into the far field. The aperture is known as plasmonic nano-slot antenna. In this thesis, we convert SPPs radiation by chebyshev distribution for the linear rectangular aperture array in order to achieve lower sidelobe.


Mục lục
Lời nói đầu. 1
Chương 1 Lý thuyết cơ bản. 8
1.1 Hệ phương trình Maxwell 10
1.2. Điều kiện biên. 11
1.3 Phương trình sóng. 13
1.4 Hàm điện môi của các khí electron tự do. 15
1.5 Giới thiệu phần mềm mô phỏng HFSS. 16
Chương 2 Lý thuyết về phân cực plasma bề mặt 22
2.1. Giới thiệu. 22
2.2. SPPs trong mô hình mặt tiếp xúc đơn, phẳng. 24
2.3. SPPs trong mô hình nhiều lớp (multylayer). 30
2.4. Ghép nối giữa sóng điện môi tự do và SPP. 33
2.4.1. Ghép nối qua khe hở. 34
2.4.2. Ghép nối bằng lăng trụ. 35
2.5.1. Ghép nối bằng cách tử. 37
2.5. Đường dẫn sóng Surface Plasmon polariton gap waveguides (SPGWs). 38
2.6. SPPs bandgap. 40
2.7. Giới thiệu anten quang học: 40
2.7.1. Tỷ lệ với bước sóng của anten quang học:. 42
2.7.2. Một số ứng dụng của anten quang học. 43
Chương 3 Phân tích và thiết kế anten quang học dựa trên phân cực plasma bề mặt 49
3.1 Phân tích và thiết kế. 49
3.2 Kết luận. 71
Tài liệu tham khảo: 72

Danh sách hình vẽ
Hình 1. 1 Điều kiện biên của E và B 6
Hình 1. 2 Cấu trúc hình học của đường truyền. 9
Hình 1. 3 Họ sản phẩm của Ansoft 13
Hình 1. 4 Cách chia phần tử hữu hạn trong HFSS: (a) thành các tam giác trên bề mặt, (b) thành các tứ diện trong không gian ba chiều. 13
Hình 2. 1: Dạng trường điện tử ở bề mặt tiếp xúc giữa 2 lớp .20
Hình 2. 2: Dạng trường điện từ SPP truyền trên bề mặt 2 môi trường. 21
Hình 2. 3 Quan hệ tán sắc của SPP ω=ω(Re(k)). 24
Hình 2. 4: Cấu hình hệ thống 3 lớp. 26
Hình 2. 5: Quan hệ của các mode SPP kết hợp của hệ thống 3 lớp bạc/không khí/bạc, với độ dầy lõi là 100nm (đường đứt nét màu xám), 50nm (đường đứt nét màu đen) và 25nm (đường liền màu đen) Cũng thể hiện SPP tại bề mặt đơn bạc/không khí (đường cong màu xám) và đường thẳng của photon ánh sang (đường thẳng màu đen). 29
Hình 2. 6 Mô hình phương pháp ghép nối qua khe hở. 30
Hình 2. 7 Cấu hình Otto thông thường dùng để ghép nối sóng điện từ tới SPP 31
Hình 2. 8 Quan hệ tán sắc trong phương pháp ghép nối bằng lăng trụ. 32
Hình 2. 9: Cấu hình ghép nối bằng cách tử. 33
Hình 2. 10: Quan hệ tán sắc trong phương pháp ghép nối bằng cách tử. 34
Hình 2. 11 (a) Cấu trúc đường mạch SPGW (b) Phân bố cường độ trường. 34
Hình 2. 12: Phổ cường độ các trường tại đầu ra (mặt cắt theo đường kẻ chấm trắng hình b) 35
Hình 2. 13 Mô hình hóa SPPs bandgap [9]. 36
Hình 2. 14: 1 phần tử nhận hoặc là thu ( nguyên tử, phân tử,ion, ) tương tác với bức xạ quang tự do thông qua anten quang học. 37
Hình 2. 15 Phân bố của trường gần E 39
Hình 2. 16 Chiều dài hiệu dụng của anten với bán kính khác nhau. 39
Hình 2. 17 : (a) Tán xạ trường xa; (b) Tán xạ trường gần; (c) Bơm trực tiếp photon vào chất bán dẫn 41
Hình 2. 18 Hình ảnh quét electron bằng kính hiển vi của một LED silicon trên chất cách điện với hạt bạc nano trên bề mặt 43
Hình 3. 1 Kim loại vang theo mô hình Drude . 51
Hình 3. 2 Cấu trúc 3 chiều 1 anten khe plasmonic. 52
Hình 3. 3 Cấu trúc hoạt động của anten khe plasmonic. 52
Hình 3. 4 Chiều dài của khe plasmonic và chuẩn hóa biên độ trường E với 53
Hình 3. 5 Chiều dài của khe plasmonic và chuẩn hóa biên độ trường E với 54
Hình 3. 6 Chiều dài của khe plasmonic và chuẩn hóa biên độ trường E với 55
Hình 3. 7 Chiều dài của khe plasmonic và chuẩn hóa biên độ trường E với 56
Hình 3. 8 Chiều dài của khe plasmonic và chuẩn hóa biên độ trường E với w=20 nm 57
Hình 3. 9 Biên độ trường E tại đầu ra của khe plasmonic. 58
Hình 3. 10 Mô hình gồm 3 anten khe plasmonic. 58
Hình 3. 11 Mô hình hoạt động. 59
Hình 3. 12 Phân bố biên độ trường E với d = 0.5 λ. 60
Hình 3. 13 Phân bố biên độ trường E với d = 0.4 λ. 60
Hình 3. 14 Phân bố biên độ trường E với d = 0.3 λ. 61
Hình 3. 15 Phân bố biên độ trường E với d = 0.2 λ. 61
Hình 3. 16 Phân bố biên độ trường E với d = 0.1 λ. 62
Hình 3. 17 Mô hình gồm 9 khe plasmonic. 62
Hình 3. 18 Phân bố biên độ trường E của 9 anten khe plasmonic giống nhau. 63
Hình 3. 19 Cấu trúc của 9 anten khe plasmonic theo phân bố Chebyshev. 65
Hình 3. 20 Chuẩn hóa biên độ trường E của 9 anten khe plasmonic theo phân bố chebyshev tại mặt phẳng ảnh với R= 20 dB67
Hình 3. 21 Chuẩn hóa biên độ trường E của 9 anten khe plasmonic theo phân bố chebyshev tại mặt phẳng ảnh với R= 25 dB68
Hình 3. 22 Phân bố trường E tại đầu ra của khe dẫn sóng plasmon với R = 20 dB 68
Hình 3. 23 Phân bố biên độ trường E của 9 anten khe plasmonic theo phân bố mũ. 69
Hình 3. 24 Phân bố biên độ trường E của 9 anten khe plasmonic theo phân bố nhị thức 69
Hình 3. 25 Đồ thị bức xạ trường xa của mảng anten khe plasmonic 9 phần tử với góc phi = 0 70
Hình 3. 26 Đồ thị bức xạ trường xa của mảng anten khe plasmonic 9 phần tử với góc phi = 90 71
Hình 3. 27 Đồ thị bức xạ 3 chiều trường xa của mảng anten khe plasmonic 9 phần tử 71





Thuật ngữ viết tắt:
[TABLE]
[TR]
[TD]Từ viết tắt[/TD]
[TD]Tiếng Anh[/TD]
[TD]Tiếng Việt[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]FDTD[/TD]
[TD]Finite-Difference Time-Domain[/TD]
[TD]Phương pháp vi phân hữu hạn miền thời gian[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]FEM[/TD]
[TD]Finite Element Method[/TD]
[TD]Phương pháp phần tử hưu hạn[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]SPR[/TD]
[TD]Surface plasmon resonance[/TD]
[TD]Cộng hưởng plasmon bề mặt[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]SPPs[/TD]
[TD]Surface Plasmon Polaritons[/TD]
[TD]Phân cực plasmon bề mặt[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]SPGWs[/TD]
[TD]Surface Plasmon Polaritons Gap Waveguides[/TD]
[TD]Đường dẫn sóng phân cực plasmon bề mặt kiểu khe[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]OLED[/TD]
[TD]Organic Light Emitting Diode[/TD]
[TD]Diot phát quang hữu cơ[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]TM[/TD]
[TD]Transverse Magnetic[/TD]
[TD]Sóng từ ngang[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]TE[/TD]
[TD]Transverse Electric[/TD]
[TD]Sóng điện ngang[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]HFSS[/TD]
[TD]High Frequency Structure Simulator[/TD]
[TD]Mô phỏng cấu trúc tần số cao[/TD]
[/TR]
[/TABLE]




Giới thiệu đề tài

Trong khoa học và kỹ thuật quang học, thông thường ánh sáng được điều chỉnh hướng bằng thấu kính, gương hay những phần tử nhiễu xạ. Trái lại, trong miền tần số vô tuyến chủ yếu sử dụng để anten để điều khiển trường điện từ. Trong khi anten đang là một chìa khóa công nghệ cho các thiết bị như mạng di động tế bào, thiết bị truyền hình sử dụng bức xạ trường điện từ trong miền tần số vô tuyến, thì những công nghệ của anten trong miền quang học còn chưa tồn tại. Tuy nhiên, những nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực nano - optics và plasmonics đã nảy sinh ra khái niệm anten quang học, và một vài nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc làm thế nào để thiết lập sự chuyển đổi những lý thuyết anten từ miền tần số vô tuyến sang miền quang học. Nhiệm vụ đồ án này đi tìm hiểu và mô phỏng anten khe plasmonic và sử dụng phân bố Chebyshev để điều khiển trường bức xạ. Trong phạm vi đồ án này, tôi trình bày làm 3 chương.
Chương 1 giới thiệu những lý thuyết cơ bản về trường điện từ, giới thiệu về phần mềm mô phỏng HFSS và về hàm điện môi của kim loại trong miền tần số quang học.
Chương 2 giới thiệu những lý thuyết cơ bản về phân cực plasma bề mặt và giới thiệu về anten quang học và một số ứng dụng.
Chương 3 trình bày ý tưởng nghiên cứu và đưa ra mô hình tính toán theo phân bố Chebyshev và kết quả mô phỏng