Nghiên cứu đặc tính phát quang của vật liệu thủy tinh pha tạp er3+ ứng dụng trong phát triển EDFA và g LEDs (tt)

MỞ ĐẦU Ngày nay, vật liệu thủy tinh pha tạp đất hiếm có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực của đời sống, chẳng hạn phát triển laser phát quang chuyển đổi ngược UCL, khuếch đại quang,

Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử

Mã số: 8520203

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng – Năm 2022

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học 1 : TS HUỲNH THANH TÙNG

Người hướng dẫn khoa học 2 : PGS.TS NGUYỄN TẤN HƯNG

Phản biện 1: TS TRẦN THỊ MINH HẠNH

Phản biện 2: TS NGUYỄN THỊ KHÁNH HỒNG

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Kĩ thuật điện tử họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 15 tháng 05 năm

2022

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

− Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường Đại học Bách khoa -

ĐHĐN

− Thư viện Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

Ngày nay, vật liệu thủy tinh pha tạp đất hiếm có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực của đời sống, chẳng hạn phát triển laser phát quang chuyển đổi ngược (UCL), khuếch đại quang, hiển thị màu, phân tích y sinh, cảm biến nhiện độ, cảm biến laser từ xa, viễn thông, truyền dẫn, laser Raman, ứng dụng mắt bảo vệ LIDAR và pin mặt trời [1-4] Trong số đó, ứng dụng quan trọng nhất phải nhắc đến đó là khuếch đại quang sợi pha tạp đất hiếm Rare-earth DFAs (RE-DFAs)

RE-DFAs có nhiều ưu điểm hơn so với SOAs bởi nhiễu thấp và

độ lợi cao So với khuếch đại Raman, nó cũng có một số ưu điểm như chi phí thấp và sử dụng bơm công suất cao hơn Hơn nữa, khuếch đại

sử dụng RE-DFAs có thể có được dải bước sóng của tín hiệu đầu vào rộng hơn, có thể từ vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại dựa trên vật liệu đất hiếm được pha tạp vào [5-11] Một trong những nguyên tố đất hiếm được sử dụng phổ biến nhất đó là Erbium (Er3+) [5-6] Điều này dựa trên lợi ích của băng tần hoạt động tại cửa sổ truyền dẫn thứ 3 tại 1550nm, đặc trưng bởi suy hao thấp Khuếch đại trong trường hợp này có thể được gọi là khuếch đại quang sợi pha tạp nguyên tố Erbium (EDFA) Một số thành phần đất hiếm khác cũng được sử dụng tùy vào mục đích khác nhau ví dụ như : Lathan (La) dùng trong việc phát triển cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của một số hợp kim nhôm [12], và Yterbi(Yb) sử dụng trong khuếch đại tín hiệu trong khoảng 975-1200nm[13-14]

Ngoài ra, đối với phát quang sử dụng bơm diode laser ở dải phổ tại vùng hồng ngoại gần (1.5µm) và hồng ngoại trung (2.8µm), ion

Er3+ là một sự lựa chọn tuyệt vời bởi các chuyển dời điện tích từ 4I13/2

→ 4I15/2 và 4I11/2 → 4I13/2 tương ứng Từ những dữ liệu thu thập được ở trên, có thể thấy rằng khả năng truyền dẫn của hệ thống ghép kênh theo bước sóng (WDM) có thể được cải thiện Đặc biệt trong tình hình hiện nay,các thiết bị EDFA nhận được sự quan tâm rộng rãi trong hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng[15] Nhiều nhóm nghiên cứu đang tìm kiếm một loại thủy tinh mới và các sợi của chúng để thu được sự khuếch đại tín hiệu vượt ra ngoài cửa sổ quang học NIR thông thường trong khoảng từ 1530 đến 1565 nm, thường được gọi là C-band Trên thực tế, băng thông phổ cho hệ thống EDFA thương mại dựa trên thủy tinh silicat là khoảng 40 nm, chúng có đường cong khuếch đại hẹp và vì thế giới hạn khả năng truyền dẫn của hệ thống WDM

Thủy tinh silicate rất được ưa chuộng để làm mạng chủ bởi giá thành rẻ nhưng chúng có nhược điểm đó là chiết suất thấp và hấp thụ dải OH lớn Vì thế, việc tạo ra các vật liệu thủy tinh để thay thế luôn

là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học Giữa các loại vật liệu thủy tinh mềm còn lại, thủy tinh borate được biết đến là một lựa chọn phù hợp cho các nguyên tố đất hiếm Thủy tinh borate (B2O3) là một trong những dạng thủy tinh có độ trong suốt tốt, độ bền hóa học cao, ổn định nhiệt và khả năng pha tạp đất hiếm tốt [17] Tuy nhiên, thủy tinh nếu thủy tinh borate chỉ đứng một mình thì sẽ có năng lượng phonon cao (~1300cm-1), điều này không thể ngăn chặn được các quá trình phân

rã không phát xạ và vì thế phát xạ của các ion đất hiếm sẽ bị giảm rất mạnh Chính vì thế, việc thêm vào các oxit kim loại nặng vào B2O3 có thể làm giảm đáng kể năng lượng phonon và có thể cho phát quang với cường độ cao và từ đó thích hợp cho laser và khuếch đại quang [18] Mặt khác, thủy tinh có bổ sung Bismuth (Bi2O3) có chiết suất cao

và điều đó ảnh hưởng đến chuyển dời của ion Er3+ Rất nhiều nghiên

cứu trước đây đã chỉ ra rằng thủy tinh bismuth pha tạp Er3+ có thể có dải khuếch đại xấp xỉ 80nm ở vùng 1.55µm [19-20] Hơn nữa, thủy tinh bao gồm bismuth có thể có các tính chất hóa học và vật lý tốt thuận lợi cho quá trình gia công cơ khí và kéo sợi Vì thế nó thích hợp

để sử dụng trong lĩnh vực viễn thông, laser sợi quang có thể điều chỉnh

và bộ chuyển đổi quang phổ [21] Đồng thời, hiện nay việc thêm ZnO vào thủy tinh đang thu hút được nhiều sự quan tâm từ cộng đồng khoa học bởi vì có thể làm cái thiện độ ổn định và làm giảm sự giãn nở vì nhiệt của thủy tinh Độ rộng vùng cấm lớn, năng lượng liên kết exciton lớn và đặc tính phát xạ nội tại khiến chúng trở thành những ứng cử viên đầy hứa hẹn cho việc phát triển các thiết bị quang điện tử, bộ tập trung năng lượng mặt trời, laser phát tia cực tím và cảm biến khí [22] Cùng với đó, sự có mặt của Al2O3 trong thủy tinh có thể làm tăng độ bền cơ và nhiệt của thủy tinh Trong nội dung đề tài, thủy tinh borate đóng vai trò mạng chủ và pha thêm ZnO, Al2O3 và Bi2O3

Ngoài việc ứng dụng trong viễn thông, nhiều nhà nghiên cứu cũng rất quan tâm đến hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược (UCL) bởi

vì chúng có nhiều ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực chụp ảnh y sinh, màn hình hiển thị, pin mặt trời, chẩn đoán y tế và liệu pháp quang động.[23-24] Trong quá trình phát quang chuyển đổi ngược ( thường được biết đến là quá trình phát quang anti-Stokes) ion đất hiếm hấp thụ 2 hoặc nhiều photons của bước song dài hơn và cho phát xạ tại vùng bước sóng ngắn Các ion đất hiếm như Tm3+, Er3+, Ho3+, Nd3+… được dự đoán là một tâm nhạy hiệu quả để nâng cao phát quang chuyển đổi ngược bởi vì chúng có các mức năng lượng đầy đủ từ vùng hồng ngoại đến vùng khả kiến Khi những ion đất hiếm này được kích thích với ánh sáng hồng ngoại, khi đó cường độ phát xạ ánh sáng nhìn thấy tăng từ 2–3 lần Hơn nữa, phát xạ vùng khả kiến của ion Er3+ tại

547nm có nhiều ưu điểm trong lĩnh vực laser thể rắn và ngoài ra, phát

xạ tại 4S3/2 → 4I15/2 có hiệu quả lưu trữ quang học cao và có nhiều ứng dụng đối với phát quang màu xanh lá cây [16]

Chính vì những lí do trên, tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đặc

tính phát quang của vật liệu thủy tinh pha tạp Er3+ ứng dụng trong phát triển EDFA và G-LEDS” để nghiên cứu

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Với mục đích đã đề ra, đối tượng mà đề tài sẽ nghiên cứu đó

là nhóm vật liệu thủy tinh borate pha tạp Er3+

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ là nghiên cứu cấu trúc, tính chất phát quang của vật liệu thủy tinh pha tạp Er3+ trong vùng khả kiến

và vùng hồng ngoại

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp luận của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết

kết hợp với thực tiễn để làm rõ nội dung đề tài Cụ thể như sau:

- Nghiên cứu chế tạo vật liệu phát quang với các nhóm nền thủy

tinh Borate pha tạp đất hiếm bằng phương pháp thiêu kết nhiệt độ cao

- Nghiên cứu tính chất cấu trúc của vật liệu phát quang sau khi chế tạo bằng các phép đo nhiễu xạ tia X, đo Raman, và EDS Nghiên

cứu hình thái bằng kính hiển vi điện tử quét

- Nghiên cứu tính chất phổ và tính chất phi tuyến của vật liệu phát quang

- Nghiên cứu tính chất phổ của các chuyển dời điện tử bằng phép đo phổ hấp thụ, huỳnh quang và kích thích huỳnh quang trong

vùng khả kiến và hồng ngoại

- Xác định nhiệt độ màu (CCT) của vật liệu sau khi hoàn thiện

bằng phần mềm Color Calculator (OSRAM)

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Ý nghĩa khoa học:

- Những kết quả thu được sẽ làm sáng tỏ tính chất phát quang của vật liệu thủy tinh pha tạp đất hiếm Er3+ trong vùng khả kiến và hồng ngoại, góp phần phát triển EDFA Ngoài ra các kết quả thu được cũng góp phần làm phong phú thêm các vật liệu phát quang ứng dụng trong chế tạo G-LEDs

Ý nghĩa thực tiễn:

- Kết quả nghiên cứu của đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích cho cán bộ, sinh viên, cao học viên và NCS về vật liệu thủy tinh Borate pha tạp đất hiếm

- Định hướng, cung cấp các thông tin hữu ích cho các nhà

nghiên cứu và sản xuất trong lĩnh vực sợi quang và G-LEDs

- Nội dung chi tiết của luận văn thạc sĩ

Chương 1 : Tổng quan về khuếch đại quang

Chương 2 : Các phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất

quang của vật liệu phát quang

Chương 3 : Kết quả thực nghiệm

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG

1.1 Giới thiệu chương

1.2 Tình hình nghiên cứu về khuếch đại quang

1.1.1. Khuếch đại quang là gì

Một thiết bị nhận một số tín hiệu đầu vào và tạo ra tín hiệu đầu ra

có công suất quang học cao hơn được gọi là bộ khuếch đại quang học Tín hiệu đầu vào và đầu ra nói chung là chùm tia laser, được lan truyền dưới dạng chùm tia Gauss trong không gian tự do hoặc trong sợi quang Quá trình khuếch đại diễn ra trong môi trường khuếch đại, được

“bơm” (tức là được cung cấp năng lượng) từ nguồn bên ngoài Các bộ khuếch đại quang học bao gồm cả bơm ánh sáng và bơm điện Chất cách điện được sử dụng ở dạng pha tạp để khuếch đại laser bao gồm tinh thể laser và thủy tinh được sử dụng ở dạng khối, ống dẫn sóng và sợi quang học Các ion hoạt động với tia laser thường là các ion đất hiếm hoặc các ion kim loại chuyển tiếp (ít thường xuyên hơn) Loại bộ khuếch đại laser quang phổ biến nhất là bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium, được sử dụng thường xuyên nhất cho thông tin liên lạc bằng sợi quang

1.2.2 Ứng dụng chính của khuếch đại quang

1.2.3 Tình hình nghiên cứu và xu hướng của khuếch đại quang

1.3 Một số mô hình giải thích cơ chế phát quang của ion Er 3+

1.3.1 Phát quang của các nguyên tố đất hiếm

1.3.2 Các chuyển dời quang học của ion Er 3+

1.3.3 Phát quang của Er 3+

trong các vật liệu thủy tinh

1.4 Cơ chế của khuếch đại quang sợi EDFA

1.4.1 Sợi quang

1.4.1.1 Hiện tượng phản xạ toàn phần

1.4.1.2 Cấu tạo của sợi quang

1.4.1.3 Các loại tán sắc trong sợi quang

1.4.2 Hệ thống WDM

1.4.2.1 Khái niệm hệ thống WDM

Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) là một

hệ thống mang nhiều tín hiệu quang có nhiều bước song và mỗi bước sóng thỏa mãn các yêu cầu và giới hạn tốc độ truyền dữ luệ của các hệ thống truyền dẫn Công nghệ WDM có thể cải thiện dung lượng của

hệ thống mà không cần thiết lập các tuyến cáp mới phức tạp

Hình 1.8 : Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) Đặc điểm chính của WDM là các bước sóng rời rạc tạo thành một tập hợp các sóng mang trực giao có thể được tách ra, định tuyến

và chuyển mạch mà không gây nhiễu cho nhau Điều này được duy trì miễn là tổng cường độ công suất quang được giữ ở mức đủ thấp để tránh các hiệu ứng phi tuyến như quá trình kích thích tán xạ Brillouin (SBS) và trộn bốn sóng (FWM) làm giảm hiệu suất liên kết[26]

1.4.2.2 Sơ đồ của hệ thống WDM

1.4.2.3 Ứng dụng của hệ thống WDM

1.4.3 Khuếch đại quang sợi EDFA

1.4.3.1 Nguyên lý của bộ khuếch đại quang sợi EDFA

Nhìn vào giản đồ mức năng lượng ở hình Hình 1.14, có thể thấy được ion Er3+ nó có nhiều hơn 2 mức năng lượng Mức năng lượng thấp nhất là mức đất (ground level), mức tiếp theo sẽ là mức siêu bền (metastable level), nó rất ổn định và có thời gian sống trung bình của một ion erbium là 10ms Mức thứ ba lại ngược lại, khi ion erbium được bơm đến mức này thì nó sẽ lập tức trở lại mức siêu bền mà không phát

xạ bất cứ photon nào Đây được gọi là quá trình phân rã không phát

xạ

Hình 1.14: Giản đồ mức năng lượng

Có hai phương pháp để bơm ion erbium lên mức siêu bền đó là:

- Sử dụng bơm tại bước sóng bơm 980nm: điều này được nghiên cứu bởi vì hấp thụ của erbium tại 980nm cao hơn tại 1500nm, vì thế hiệu quả bơm sẽ cao hơn Tuy nhiên suy hao trong sợi silicate tại 980nm là khá lớn

- Sử dụng bơm tại bước sóng 1460 – 1500 nm: Bước sóng tín hiệu tối ưu cho DEDFA đã được tìm thấy là 1554 nm khi sử dụng bước sóng bơm 1480 nm

Hiện nay, hầu hết EDFA đang sử dụng có bước sóng bơm 980nm

1.4.3.2 Cấu hình hệ thống EDFA

1.5 Hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược (Up-conversion)

1.5.1 Cơ chế và vật liệu cho hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược

1.5.2 Ứng dụng của hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược

1.5.2.1 Phát hiện ánh sáng của laser diode

1.5.2.2 Làm nguồn sáng

1.6 Kết luận chương

Như vậy, nội dung chương 1 đã trình bày được tổng hợp các nội dung cơ bản về : khuếch đại quang, sợi quang, hệ thống WDM cũng như khuếch đại quang sợi EDFA và hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược

Từ những nội dung đã nghiên cứu ở chương này, tôi đã nhận thấy rằng khuếch đại quang có ý nghĩa cực kì to lớn trong thời đại bùng nổ về tốc độ hiện nay và EDFA sẽ là sự lựa chọn hàng đầu trong các bộ khuếch đại Chính vì thế, việc nghiên cứu các phương pháp để xác định tính chất của sợi quang pha tạp Er3+ được tôi nghiên cứu kĩ hơn trong nội dung của chương 2 của luận văn này

CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CẤU TRÚC

VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG 2.1 Giới thiệu chương

2.2 Nhiễu xạ tia X

2.2.1 Giới thiệu

2.2.2 Cơ sở của phương pháp nhiễu xạ tia X

Bởi tia X có bước sóng khoảng ~ 1Å, nó sẽ nhiễu xạ đối với các đối tượng có khoảng cách tuần hoàn với đơn vị Angstrom, chẳng hạn như nguyên tử trong một tinh thể Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra thông quan sự can thiệp, khi đường đi khác nhau giữa 2 tia sáng bằng

số nguyên lần của bước sóng Điều này chính là phương trình Bragg :

2.2.3 Thiết bị và giao diện làm việc

2.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

2.3.1 Giới thiệu

2.3.2 Cơ chế của SEM

Từ điểm được chiếu sáng bởi chùm điện tử, các tín hiệu khác nhau, chẳng hạn như các điện tử thứ cấp, các điện tử tán xạ ngược, tia

X đặc trưng và sự phát quang cực âm, được phát ra tùy thuộc vào dạng của mẫu vật, mật độ của chất và các nguyên tố chứa bên trong

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) thường phát hiện các điện tử thứ cấp để tạo thành hình ảnh để quan sát Khi cường độ của các điện

tử thứ cấp được tạo ra thay đổi tùy thuộc vào góc của các điện tử tới trên bề mặt mẫu vật, các biến thể tinh vi về độ nhám của bề mặt có thể được biểu thị theo cường độ tín hiệu

Hình 2.5 : Hình ảnh sợi quang quan sát được bằng SEM với

độ phóng đại 370 lần

2.3.3 Thiết bị và giao diện làm việc

2.4 Tán xạ Raman

2.4.1 Giới thiệu

2.4.2 Cơ chế của phổ tán xạ Raman

2.4.3 Thiết bị và giao diện làm việc

2.5 Độ phi tuyến của vật liệu

2.6 Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS)

2.6.1 Giới thiệu

2.6.2 Cơ chế của phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS)

2.6.3 Thiết bị và giao diện làm việc

2.7 Phân tích tính chất quang của vật liệu

2.7.1 Giới thiệu

Sự phát quang của vật liệu vô cơ bao gồm các quá trình : (1) Hấp thụ và kích thích, (2) Truyền năng lượng, (3)Phát xạ Hầu hết các vật liệu phát quang được cấu tạo bao gồm một vật liệu nền và một số ion được pha tạp và, còn gọi là chất kích hoạt Trong trường hợp này, mạng chủ đóng 2 vai trò : là một ma trận bị động để xác định vị trí cho các ion kích hoạt, và là một thành phần chủ động trong quá trính phát quang, tạo ra ảnh hưởng riêng của nó đối với hành vi phát quang của chất kích hoạt Sau đó, nó giúp định hình cấu trúc của các mức năng lượng của chất kích hoạt và cũng tạo ra các dao dộng của các năng lượng khác nhau, gọi là phonon