1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Nguyễn Tất Thành
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ QUY TRÌNH
CHẾ TẠO CHIP CHIA CÔNG SUẤT QUANG TRÊN
CƠ SỞ VẬT LIỆU LAI NANÔ ASZ
LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội, 2006
4
1.1. Dẫn sóng quang tấng
4
1.1.1. Điều kiện giam giữ ánh sáng
4
1.1.2. Điều kiện hình thành mode dẫn
6
1.2. Phương pháp lan truyền chùm tia BPM…
7
1.3. Vật liệu dẫn sóng quang ………… ………………………
10
1.3.1. Vật liệu Sợi Silica (SiO
2
)
13
1.3.2. Vật liệu Silica on Silicon (SOS)
13
1.3.3. Vật liệu Silicon on Insulator (SOI)
13
1.3.4. Vật liệu Silicon Oxynitride (SiON)
14
1.3.5. Vật liệu Indium Phosphide (InP)
14
1.3.6. Vật liệu Gallium Arsenide (GaAs)
14
1.3.7. Vật liệu Lithium Niobate (LiNbO
3
)
14
5
2.3.2.3. Độ đồng đều chiều dày màng ASZ
25
2.3.2.4. Độ ghồ ghề màng ASZ
26
2.3.3. Đo tính chất quang màng vật liệu ASZ
26
2.3.3.1.Thiết bị đo Prism Coupler 2010
26
2.3.3.2. Đo chiết suất vật liệu ASZ
28
2.3.3.3. Đo tổn hao quang của dẫn sóng tầng ASZ……
31
2.3.3.4. Chiết suất vật liệu ASZ biến đổi theo nhiệt độ
33
2.3.3.5. Tính nhạy quang của vật liệu ASZ
35
2.4. Kết luận
38
Chương 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CHIP CHIA CÔNG SUẤT
QUANG ……
39
3.1. Nguyên lí hoạt động linh kiện chia quang 1xN
39
3.1.1. Dẫn sóng kênh thẳng
39
3.1.2. Điều kiện chia công suất quang
6
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
n
1
Chiết suất màng dẫn sóng
n
0
Chiết suất lớp bao quanh màng dẫn sóng
Bước sóng ánh sáng lan truyền trong dẫn sóng tầng
k
Số sóng ánh sáng bước sóng (k=2/)
β
Hằng số lan truyền ánh sáng theo phương ngang (oz)
κ
Hằng số lan truyền ánh sáng theo phương vuông góc (oy)
r
Hệ số phản xạ ánh sáng tại biên giữa lớp dẫn sóng (giữa) và vỏ
Độ lệch pha khi ánh sáng phản xạ tại biên giữa lớp dẫn sóng và vỏ
TBC
Điều kiện biên trong suốt (Transparent Boudary Condition)
ASZ
Viết tắt ba chữ cái đầu: Acrylic-Silica-Zirconia
n
Gía trị thay đổi chiết suất
dn/dT
Hệ số quang nhiệt
MCF
Hệ số chuyển đổi mode (Mode Conversion Factor)
R
Bán kính cong của dẫn sóng kênh
W
Độ rộng kênh dẫn sóng
h
Khoảng cách giữa hai kênh dẫn sóng song song
7
Danh mục các bảng
2
………………………
21
Hình 2.6. Sơ đồ hệ thiết bị chế tạo dẫn sóng tầng …………………………
22
Hình 2.7. Hệ chế tạo dẫn sóng tầng Dip-Coating………… ……
22
Hình 2.8. Lò nhiệt Venticell 111, MMM Germany
22
Hình 2.9. Chế độ biến đổi nhiệt theo thời gian
23
Hình 2.10. Các dẫn sóng tầng ASZ
23
Hình 2.11. Hệ đo Alpha-Step IQ – Surface Profiler ………………………
24
Hình 2.12. Định vị vị trí đo trên mỗi mẫu
25
Hình 2.13. Biểu diễn 8 đường đo cho 8 mẫu khác nhau
25
Hình 2.14. Chiều dày màng tại tốc độ kéo-nhúng V=1.5 mm/s
25
Hình 2.15. Độ gồ ghề 8 mấu tại các vị trí khác nhau trên mỗi mẫu
26
Hình 2.16. Gồ ghề màng ASZF14/4/4
26
Hình 2.17. Hệ đo Prism Coupler 2010 (Metricon,US)
27
Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lí hệ đo Prism Coupler 2010
27
Hình 2.19. Chiết suất vật liệu ASZ tại bước sóng 632.8nm, phân cực TE
Hình 2.31. Chiết suất màng ASZ phụ thuộc vào nồng độ chất khơi mào
quang DPA và HCPK………………………………………………
37
Hình 2.32. Sự thay đổi độ dày màng chế tạo từ vật liệu ASZ vàDPA………
37
Hình 3.1. Mô hình chip chia công suất quang 1x2
39
Hình 3.2. Ảnh thiết kế cấu trúc 2D linh kiện chia quang 1x2
42
Hình 3.3. Hình ảnh phân bố chiết suất của chip chia công suất 1x2
42
Hình 3.4. Cường độ ánh sáng tại các đầu vào ra của chip
43
Hình 3.5. Trường ánh sáng 3D lan truyền trong chip chia công suất 1x2
44
Hình 3.6. Mặt nạ của chip chia công suất quang 1x2 trên file Autocad…
44
Hình 3.7. Mặt nạ của chip chia công suất quang 1x2
44
Hình 3.8. Qui trình chế tạo chip chia công suất quang 1x2
45
Hình 3.9. Sơ đồ hệ chiếu UV tạo cấu trúc dẫn sóng……………… ………
45
Hình 3.10. Ảnh hệ chiếu UV tạo cấu trúc chip chia quang
46
Hình 3.11. Phổ quang của đèn Thuỷ ngân Xenon…………………………
46
Hình 3.12. Chu trình xử lí nhiệt cho chip sau khi tạo cấu trúc……………
46
truyền dẫn thông tin trên khoảng cách dài (hàng nghìn km hoặc xuyên lục địa),
với băng thông rộng và tốc độ cao (hàng chục giga byte), đa năng, kết hợp qui
mô lớn. Những thiết bị chủ chốt để tạo ra sự đột phá về tốc độ đường truyền cao
là bộ ghép và gộp - tách kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Division
Multiplexing), bộ khuyếch đại hoàn toàn quang, bộ mạch quang tích hợp, bộ
chuyển mạch hoàn toàn quang (xử lí tín hiệu theo nguyên tắc quang - quang thay
cho nguyên tắc quang-điện) [26, 29, 34, 37, 50].
Linh kiện chia công suất quang 1xN (N = 2, 4, 8 16, 32,…) nằm trên tuyến
đường truyền hoặc tại thiết bị đầu cuối có vai trò phân luồng công suất quang từ
một kênh đường truyền sợi quang đến N kênh đường truyền quang khác. Cấu
trúc chip chia công suất quang 1xN (power splitter) là một phần tử cấu thành nên
trong các mạch quang tích hợp, trong bộ giao thoa kế Mach - Zehnder [16, 17,
30, 39]. Ngoài ra, linh kiện chia quang được sử dụng trong hệ thiết bị quang, hệ
thiết bị sensor sợi [21,23]. Hiện nay linh kiện chia công suất quang 1xN được chế
tạo chủ yếu sử dụng vật liệu Silica on Silicon đạt được chất lượng rất tốt và đã
được thương mại hóa [2, 29, 44]. Tuy nhiên giá thành công nghệ chế tạo linh
kiện quang từ vật liệu Silica on Silicon còn cao, đặc biệt trong một số vị trí trên
hệ thống đường truyền thông tin quang như đầu cuối, các trạm sử dụng, thì yêu
cầu về linh kiện chia công suất quang chất lượng cao không phải là yếu tố quan
trọng mà là các linh kiện có giá thành thấp. Sự phát triển mở rộng mạng quang
ngày càng lớn, đặc biệt trong hệ thống mạng quang được truyền dẫn đến từng hộ
gia đình (FTTH) cần số lượng các linh kiện quang lớn và giá thành hạ.
Hiện nay bên cạnh vật liệu sợi quang, vật liệu quang tử planar đang ngày
càng được quan tâm nghiên cứu. Vật liệu quang tử planar chế tạo được các cấu
trúc dẫn sóng quang tích hợp làm cơ sở cho các hệ điều hành trong công nghệ
thông tin tương lai. Trong lĩnh vực này, vật liệu vô cơ (như hợp kim bán dẫn,
thủy tinh hay gốm), vật liệu hữu cơ cao phân tử và vật liệu lai hữu cơ-vô cơ đều
đã và đang được nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Phần
lớn các nghiên cứu về vật liệu vô cơ tập trung vào hệ vật liệu bán dẫn trên cơ sở
silic và A
Một trong số các khả năng ứng dụng của vật liệu lai hữu cơ - vô cơ mà đang
thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học là ứng dụng làm vật liệu dẫn
sóng quang. Các kết quả nghiên cứu đã được công bố cho thấy, những vật liệu
cao phân tử lai hữu cơ-vô cơ không những có nhiều tính chất lý thú mà còn là
những vật liệu có nhiều triển vọng cho việc chế tạo các linh kiện quang học như
bộ nối quang, bộ nối định hướng, bộ dồn kênh/phân kênh cách tử dẫn sóng
(AWG), bộ chuyển mạch, bộ lọc điều hướng, bộ làm suy yếu biến thiên (VOAs),
bộ khuyếch đại. Những linh kiện dẫn sóng quang trên sẽ là các thành phần chủ
chốt cho mạng truyền thông hiện đại dựa trên công nghệ gộp - tách sóng (WDM).
Việc tìm kiếm các công nghệ mới, nhằm chế tạo ra những vật liệu với mong
muốn giảm kích thước linh kiện, tăng mật độ, giảm giá thành. Chính các tiêu chí
chiến lược nêu trên đã thúc đẩy các nghiên cứu tìm kiếm vật liệu mới và công
nghệ chế tạo linh kiện mới cho hệ thống thông tin quang hiện nay.
Trong vài năm gần đây, một số cơ sở nghiên cứu lớn và trường đại học
trong nước đã bắt đầu tham gia vào hướng nghiên cứu nhiều triển vọng này.
Chính vì vậy đề tài nghiên cứu được lựa chọn cho luận văn là: Nghiên cứu
thiết kế và quy trình chế tạo chip chia công suất quang 1x2 từ vật liệu lai nanô
ASZ.
Mục tiêu nghiên cứu được đặt ra là thiết kế chip chia công suất quang 1xN
(N = 2, 4, 8), nhằm tối ưu cấu trúc của chip theo hệ vật liệu lai nanô ASZ và chế
tạo chip chia công suất quang 1x2 theo bản thiết kế và vật liệu lai nanô ASZ.
Thiết kế chip 1xN bằng phần mềm chuyên dụng OptiWave7.0, và phương pháp
chế tạo chip 1x2 là quang vi hình trực tiếp. Sử dụng các phương pháp nghiên cứu
các tính chất quang tử của vật liệu và chíp dẫn sóng quang trên cơ sở các thiết bị 11
hiện đại mới được trang bị tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về ―Vật
liệu và linh kiện điện tử‖.
Nội dung của luận văn là một phần nhánh của đề tài nhà nước KC.02.14,và
12
Chương 1
VẬT LÍ, VẬT LIỆU VÀ QUY TRÌNH
CHẾ TẠO DẪN SÓNG QUANG PHẲNG
Trong chương này, chúng tôi trình bày tổng quan về: 1) Dẫn sóng quang
tầng và linh kiện chia quang 1xN, 2) Các phương pháp tính số dùng trong thiết
kế, mô phỏng lan truyền ánh sáng trong linh kiện quang, 3) Các loại vật liệu dẫn
sóng quang và kĩ thuật chế tạo dẫn sóng, 4) Vật lí các thông số của vật liệu dẫn
sóng quang và linh kiện chia quang. Những kiến thức cơ bản này làm cơ sở lí
luận liên quan trực tiếp đến nghiên cứu tính chất quang của vật liệu dẫn sóng
quang ở chương 2 và nghiên cứu chế tạo chip chia công suất quang 1x2 ở chương
3.
1.1. Dẫn sóng quang tầng
Dẫn sóng quang có chức năng điều khiển ánh sáng lan truyền, được phân
loại theo nhiều cách khác nhau như chia theo chức năng năng, chia theo cấu trúc
hình học, chia theo phương giam giữ ánh sáng. Tuy vậy, các dẫn sóng quang có
đặc điểm chung nhất là: giam giữ ánh sáng và lan truyền theo phương một
phương nhất định. Để mô tả hiện tượng vật lí ―giam giữ‖ và ―lan truyền‖ ánh
sáng trong dẫn sóng quang ta chọn dẫn sóng cơ bản là dẫn sóng tầng.
Hình 1.1 là cấu trúc dẫn sóng tầng, bao gồm một màng dẫn sóng (lõi) có
chiết suất n
1Hình 1.1. Mô hình cấu trúc dẫn sóng tầng
Trong các dẫn sóng, chỉ quan tâm đến những chùm ánh sáng đồng thời
phản xạ toàn phần tại mặt phân cách lõi - vỏ và giam giữ theo một phương nhất
định, những chùm sáng như vậy thì có thể tạo ra mode dẫn sóng hay có thể trở
thành sóng sáng mang thông tin.
Sự phản xạ toàn phần tại mặt phân cách lõi - vỏ xảy ra khi các thông số
thoả mãn biểu thức:
01
)sin( nn
(1.1)
Trong đó góc tia sáng mặt biên hai môi trường, = /2 - , với là góc
nghiêng của chùm tia so với trục Oz. Góc liên hệ với (góc tới tia sáng tại đầu
vào lớp dẫn) theo biểu thức
2
0
2
11
sinsin nnn
. Góc tới hạn (
max
) tại đầu
vào lớp dẫn để xảy ra phản xạ toàn phần tại mặt phân cách lõi - vỏ trong lõi dẫn:
·
2
1
max
n
nn
(1.4)
max
là góc nhận ánh sáng cực đại của dẫn sóng,
max
là góc nghiêng lớn nhất của
phương truyền ánh sáng với trục lan truyền ánh sáng (Oz).
Hình 1.2. Phân bố chiết suất của dẫn sóng tầng Lâi
Vá
Đế n
0
Chùm tia
sáng tới
biểu thức (1.5), (1.6):
cos
1
kn
(1.5)
sin
1
kn
(1.6) Hình 1.3. Các tia sáng và các mặt pha trong dẫn sóng tầng
Hệ số phản xạ của ánh sáng phản xạ toàn phần phân cực vuông góc với mặt
phẳng tới (mặt phẳng do tia tới và tia phản xạ tạo nên) cho bởi biểu thức
[29]:
2
0
22
11
2
0
22
2
1
1
n
nn
(1.8)
Trong đó
1
01
2
1
2
0
2
1
2
n
nn
n
nn
a
l
(1.10)
Tia sáng PQ truyền từ điểm P đến điểm Q không phản xạ, tia sáng RS
truyền từ điểm R đến điểm S phản xạ 2 lần (ở mặt trên và mặt dưới của lớp tiếp
giáp lõi - vỏ). Vì vậy các điểm P và R hay Q và S ở trên cùng một mặt pha, hiệu
quang trình PQ và RS sẽ bằng số nguyên lần 2 hay
2m lkn -2kn
1121
l
(1.11)
trong đó m là số nguyên. Đưa các phương trình (1.8) - (1.10) vào (1.11) ta nhận
được điều kiện cho góc truyền là:
1
sin
2
2
sintan
2
1
2
2
2
2
Ezyxnk
z
E
y
E
x
E
(1.13)
Điện trường E(x,y,z) được tách thành hai phần dưới dạng:
zjknzyxzyxE
0
exp,,,,
(1.14)
2
2
zyx
(1.16)
Lấy gần đúng
0
2
0
2
2 nnnnn
, phương trình (1.15) có thể viết lại như
sau:
2
0
22
0
z
0
2
2
2
khi đó phương trình 1.17 được viết lại:
2
0
2
0
2
2
0
,
2
,
2
1
nzxn
(1.19) 17
Áp dụng phương pháp sai phân hữu FDM biến đổi hàm (x,z):
zz
m
i
m
i
1
(1.20)
Khi đó
A
x
yxA
m
i
m
i
m
i
m
i
m
i
m
i
m
i
(1.21)
m
i
m
i
m
i
BzxB
kn
jA
(1.23)
2
0
2
0
,
2
1
, nyxn
n
jyxB
(1.24)
Thay các phương trình (1.20) - (1.24) vào phương trình (1.18) nhận được
phương trình sau:
m
i
m
i
m
i
m
i
m
i
m
0
2
2
1
2
2
2
4
2
m
i
m
i
mm
i
xknj
z
xkn
jnnxkq
i
(1.27)
Khi biết sự phân bố điện trường ban đầu
0m
i
(i = 0, N) thì tiết diện điện
trường
m
i
tại
zmzz
m
(m = 1,M) được tính bằng phương trình (1.25).
Phương trình (1.25) là cơ sở cho phương pháp tính số cho mô phỏng hoặc thiết
kế trên máy tính cho linh kiện dẫn sóng.
Bảng 1.2. Ứng dụng chính cho mỗi loại vật liệu quang 21
1.3.1. Vật liệu sợi Silica (SiO
2
)
Công nghệ dựa trên vật liệu sợi quang silica là công nghệ dẫn sóng quang
được ứng dụng nhiều nhất, vì công nghệ này thuận lợi cho việc ghép nối linh
kiện (làm từ sợi silica) với sợi quang truyền dẫn [49,50,52].
Công nghệ quang sợi bao gồm sợi nóng chảy (fused fiber), sợi pha tạp
(doped fiber), sợi tạo cấu trúc (patterned fiber), và sợi hoạt động (moving fiber).
Sợi silica dùng chế tạo laser, bộ khuyếch đại, bộ điều khiển phân cực, bộ kết nối
(coupler), bộ lọc (filter) bộ chuyển mạch (switch), bộ suy giảm (attenuator), bộ
bù CD (CD compensator) và bộ bù phân cực PMD (PMD compensator).
Công nghệ quang sợi không thuận lợi trong công nghệ chế tạo mạch tích
hợp mật độ cao và kích thước nhỏ, hơn nữa sợi quang rất mỏng và nhạy cảm với
các rung động cơ học. Do vậy linh kiện dựa trên sợi quang khó chế tạo, và như
thế giá thành cao.
1.3.2. Vật liệu silica on silicon (SOS)
Công nghệ dựa trên vật liệu silica on silicon được ứng dụng nhiều trong
công nghệ phẳng (planar technology) [12,19,21,55]. Công nghệ này liên quan
đến sự mọc lớp silica trên đế silicon bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hoá
học CVD (Chemical Vapor Deposition-CVD) hoặc phương pháp lắng đọng thuỷ
phân đốt cháy (Flame Hydrolysis Deposition – FHD). Lớp lõi (lớp dẫn ánh sáng)
được tạo cấu trúc dẫn sóng và được đánh bóng bằng ăn mòn ion (RIE), nhưng
còn xuất hiện độ gồ ghề bề mặt dẫn sóng, làm tăng tổn hao do tán xạ. Ngoài ra sự
là điều chỉnh được độ tương phản chiết suất (có thể đạt đến 30%). Công nghệ này
tạo màng bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD), phương pháp
lắng đọng pha hơi hóa học áp suất thấp (LPCVD), hoặc CVD hỗ trợ plasma
(PECVD).
1.3.5. Vật liệu Indium phosphide (InP)
Vật liệu InP – chiếm khoảng 25 % tổng vật liệu bán dẫn được dùng trong
thiết bị dẫn sóng, vì khả năng tích hợp của chúng với các thiết bị hoạt động khác
như laser và bộ tách quang hoạt động xung quanh bước sóng 1550nm [10,45].
Tuy nhiên, InP là vật liệu khó chế tạo và khó gia công, dễ vỡ, có hiệu suất thấp,
giá thành đắt, có kích thước tiêu biểu từ 2 inch đến 4 inch. Vật liệu In
x
Ga
1-x
As
1-
y
P
y
có cùng hằng số mạng với InP và bức xạ bước sóng trong khoảng từ 1.0 µm
đến 1.7 µm, có thể làm laser bán dẫn làm nguồn quang trong hệ viễn thông
quang.
1.3.6. Vật liệu Gallium Arsenide (GaAs)
Vật liệu GaAs thuộc loại vật liệu bán dẫn, có thể dùng chế tạo linh kiện tích
cực hoặc thụ động, nhưng hạn chế chính giá thành cao [10,23,51]. Tuy vậy nó
vẫn còn rẻ hơn InP và có thể sử dụng đế đến 6 inch hoặc 8 inch. Laser
GaAs/Ga
x
Al
1-x
23
được xem xét. Ưu điểm của cả hai kĩ thuật trên là có thể thực hiện hoặc bằng sự
khuyếch tán titanium hoặc nickel và trao đổi proton trên cùng một linh kiện.
Tuy nhiên, rất khó có thể đưa hai kĩ thuật này vào các thiết kế mạch quang
tích hợp. Nguyên nhân do các cấu trúc dẫn sóng cần thực hiện ở các vùng gần bề
mặt, tại đấy chiết suất có thể tăng lên do khuếch tán ion hay cấy ion. Trong khi
đó các vật liệu nêu trên rất khó tạo thành màng mỏng chất lượng cao theo yêu
cầu của quang tích hợp. Mặt khác, về bản chất, các đế đơn tinh thể loại này
không thích hợp để tạo nên trên bề mặt chúng các lớp vật liệu bán dẫn, các lớp cơ
bản có thể chế tạo laser hay các mạch điều khiển và thu tín hiệu.
Lithium niobate được dùng trong chế tạo laser, bộ khuyếch đại, detector,
biến điệu, bộ điều khuyển phân cực, bộ ghép nối, chuyển mạch, suy giảm,
chuyển đổi bước sóng, bộ bù PMD.
1.3.8. Vật liệu polyme
Công nghệ dựa trên vật liệu polyme tạo cấu trúc dẫn sóng bằng kĩ thuật
chiếu sáng và spin-coating [31,32,34]. Một số polyme như polyimides và
polycarbonates không nhạy quang, vì vậy cần phải phủ lớp cảm quang và ăn
mòn RIE; loại polyme này có cùng nhược điểm như công nghệ silica on silicon là
tổn hao ảnh hưởng bởi sự gồ ghề, bởi tán xạ ứng suất và phụ thuộc phân cực. Các
polyme khác là nhạy quang, vì vậy có thể áp dụng phương pháp vi hình trực tiếp.
Những vật liệu này có thời gian chế tạo giảm 10 hoặc 1000 lần so với công nghệ
khác. Hơn thế nữa, công nghệ này sử dụng vật liệu giá thấp và thiết bị sử dụng
không đắt (spin - coating và đèn UV). Các polyme có độ trong suốt cao, tổn hao
hấp thụ dưới 0.1 dB/cm tại tất cả bước sóng thông tin quan trọng (840 nm, 1310
nm, 1550 nm). Ngược với công nghệ thuỷ tinh planar, công nghệ polyme được
thiết kế để hình thành các lớp ứng suất tự do (stress-free) mà không phải phụ
thuộc nhiều vào loại đế (có thể đế silicon, thuỷ tinh, thạch anh, nhựa, vv), không
phụ thuộc sự phân cực (lưỡng chiết thấp, tổn hao do phân cực ánh sáng thấp).
Hơn thế nữa, tổn hao tán xạ có thể giảm nhờ vào áp dụng kĩ thuật tạo cấu trúc
dẫn sóng trực tiếp thay vì áp dụng phương làm giảm gồ ghề bề mặt bằng ăn mòn
0
C), dưới tác động của khí, cuối cùng hình thành
thuỷ tinh silica đặc [10-12]. Sol-gel có thể dùng để chế tạo vật liệu lai hữu cơ-vô
cơ, vật liệu này có tính chất kết hợp, bao gồm gốm (ceramic) và polyme. Các vật
liệu lai dựa vào tính không phân tách của chức silicon-carbon-organic trong suốt
quá trình sol-gel vì thế nó có tồn tại cuối cùng ở trạng thái rắn. Trong trường hợp
đó chúng được gọi là ormocers (tính hữu cơ thay đổi tính gốm) hoặc ormosils
(tính hữu cơ thay đổi tính silica). Ưu điểm lớn nhất của ceramer so ceramic là
yêu cầu nhiệt độ xử lí thấp (dưới 200
0
C).
Công nghệ sol-gel có hạn chế về đồng nhất cơ học, đặc biệt sự rạn nứt xuất
hiện khi lớp màng trải dày trên đế có hệ số dãn nở nhiệt (CTE) khác nhau, đây là
hạn chế chính khi tạo màng đa lớp bằng phương pháp spin hoặc dip-coating.
Ngoài ra, công nghệ này phải tạo các lớp màng mỏng nên gặp phải vấn đế sức
căng bề mặt (ứng suất cơ học), do đó dẫn đến có tổn hao phụ thuộc độ phân cực.
Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel có thể tạo ra các lỗ xốp, cho
phép điều chỉnh chiết suất và dễ dàng thay đổi thành phần pha tạp (ví dụ như đất
hiếm) do có sự hút bám ion trên bề mặt [14].
Sol-gel cũng có thể chế tạo vật liệu
nhạy quang. Tầng màng phẳng tạo từ phương pháp sol-gel có thể dùng chế tạo
laser, bộ khuyếch đại
, bộ kết nối, bộ lọc, và bộ chuyển mạch [9,20].
1.4. Quy trình chế tạo vi cấu trúc dẫn sóng kiểu kênh
Có ba loại dẫn sóng kênh khác nhau: loại chìm (buried type), loại nổi (ridge
type), và loại hàng (load type), mỗi loại thích hợp với một số phương pháp chế
tạo tương ứng.
Quy trình kĩ thuật chế tạo vi cấu trúc có thể chia thành 3 giai đoạn như chỉ
Hình 1.4 Qui trình chế tạo mạch quang tích hợp
1.5. Kết luận
Trong chương này, chúng tôi đã trình bày các khái niệm cơ bản: điều kiện
dẫn sóng ánh sáng trong tấm, giải thích sự hình thành mode, phương pháp tính số
dùng trong thiết kế và mô phỏng, đặc điểm của các loại vật liệu dẫn sóng, quy
trình chế tạo dẫn sóng 2D và 3D.
Thiết kế
cấu trúc
dẫn sóng
Mặt nạ
Thông tin
cấu trúc
Tạo cấu
trúc lên
chất cảm
Tổng hợp vật liệu nano ASZ từ 3 thành phần vật liệu ban đầu là Acrylic và
các hợp chất hữu cơ chứa Silic và Zirconia thành một siêu phân tử, các vật liệu
thành phần này có công thức hoá học tương ứng:
Thành phần acrylic: Methacrylic acid [MAA, H
2
C=C(CH
3
)CO
2
], vì
vậy có thể sử dụng chế tạo vi cấu trúc dẫn sóng quang tích hợp.
Hợp chất hữu cơ chứa silic: Methacryloxypropyltrimethoxysilane
[MAPTMS,H
2
C=C(CH
3
)CO
2
(CH
2
)
3
Si(OCH
3
)
3
], do đó có thể sử dụng
chế tạo màng đa lớp theo công nghệ pha dung dịch
Zirconia: Zirconium n-propxide [ZOP, Zr(OC
3
Tính chất của các vật liệu lai cấu trúc nanô phụ thuộc vào bản chất hoá học
của các thành phần và khả năng kết hợp giữa các thành phần. Do đó điểm mấu
chốt để tạo ra một vật liệu lai mới là sự điều chỉnh bản chất hoá học các thành
phần, qui mô thành phần cũng như khả năng kết hợp của các thành phần trong
vật liệu lai. Vì vậy, các yếu tố bản chất của phân biên, hoặc liên kết và các tương
tác trao đổi giữa thành phần hữu cơ và vô cơ được sử dụng làm cơ sở để phân
loại các vật liệu lai.
Các nghiên cứu về động học phản ứng cho thấy sự hình thành vật liệu lai
ASZ phụ thuộc vào tỷ lệ các chất tham gia phản ứng, vào độ pH của môi trường
và phương pháp tiến hành phản ứng.
Kết quả nghiên cứu đã chọn tỉ lệ hợp phần của vật liệu lai nano ASZ tương
ứng bằng 14/4/4.
2.2. Các tính chất vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ
2.2.1. Độ nhớt dung dịch vật liệu lai hữu cơ-vô cơ ASZ
Độ nhớt dung dịch của vật liệu ASZ đo bằng thiết bị CT-500 CANNON
(đặt tại PTN Quang hoá-Điện tử), hoạt động theo nguyên lý mao quản. Kết quả
đo sự phụ thuộc giá trị độ nhớt vào thời gian lưu trên hai hệ vật liệu là vật liệu
ASZ không chứa flo và có flo được trình bày ở hình 2.1.
Trên hình 2.1 cho thấy dung dịch nano ASZ thu được có độ nhớt từ vài cho
tới hàng chục centistock và ổn định theo thời gian sau 30 ngày. Trong thời gian
lưu, từ 3 đến 4 tháng, không có hiện tượng phân huỷ và mất độ nhớt hoặc keo tụ
(độ nhớt gia tăng đột ngột làm dung dịch quánh lại). Cùng một tỉ lệ thành phần
ASZ là 14/4/4, khi cho thêm hợp chất chứa flo vào thì độ nhớt dung dịch vật liệu
tăng lên rất mạnh, do đó chúng ta có thể biến tính độ nhớt vật liệu thông qua điều
khiển thành phần flo. Tuy nhiên, chúng ta sẽ thấy trong phần tiếp theo khi có
thêm hợp chất chứa flo chủ yếu để giảm tổn hao quang và tỉ lệ hợp chất chứa flo
Copyright: Tài liệu đại học ©