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

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,

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

TRỊNH NGỌC ĐẠT

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH PHÁT QUANG CỦA VẬT

PHÁT TRIỂN EDFA VÀ G-LEDs

Chuyên ngành : Kĩ thuật Điện tử

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS Huỳnh Thanh Tùng và PGS.TS Nguyễn Tấn Hưng

Tất cả các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Học viên thực hiện

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Huỳnh Thanh Tùng và PGS.TS Nguyễn Tấn Hưng, các thầy là những người đã tận tình chỉ dạy, hướng dẫn và cung cấp kiến thức nền tảng cho tôi trong suốt thời gian qua để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Tôi xin cảm ơn tất cả các thầy giáo ở Trung tâm tính toán hiệu năng cao và khoa học vật liệu thuộc Khoa Vật Lí, Trường Đại Học Sư Phạm, Đại Học Đà Nẵng nơi tôi công tác đã có những giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến Nhà trường nơi tôi công tác, gia đình, bạn bè đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Kính chúc tất cả quý thầy cô, gia đình, bạn bè sức khỏe và thành công!

Đà Nẵng , ngày 10 tháng 3 năm 2022

Học viên thực hiện

Tóm tắt luận văn

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU THỦY TINH

Học viên : Trịnh Ngọc Đạt Chuyên ngành: Kĩ thuật Điện tử

Mã số: ……… Khóa : K40 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Vật liệu thủy tinh dùng để chế tạo sợi quang B2O3-Bi2O3-Al2O3-ZnO (ZABB) pha tạp ion Er3+ với các nồng độ từ 0.1% đến 1.5% được chế tạo bằng phương pháp nóng chảy Các phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) đã khẳng định cấu trúc vô định hình và thành phần nguyên tố của vật liệu Tính chất phát quang cũng được phân tích dựa trên phổ kích thích và phát xạ của mẫu Từ phổ kích thích có thể thấy được bước sóng phù hợp nhất để kích thích phát quang cho các mẫu là 378 nm Phổ phát

xạ của ion Er3+ trong thủy tinh ZABB trong vùng khả kiến gồm 3 đỉnh tại 525 nm, 547 nm

và 660 nm tương ứng với các chuyển dời 2H11/2 → 4I15/2 , 4S3/2 → 4I15/2 và 4F9/2 → 4I15/2 Tọa

độ màu của mẫu cũng đã được nghiên cứu và kết quả cho thấy mẫu phát xạ màu xanh lá cây Phát xạ mạnh tại vùng khả kiến của vật liệu thủy tinh ZABB pha tạp ion Er3+ cho thấy

nó có tiềm năng ứng dụng cao trong sản xuất G-LED, các thiết bị quang tử hoạt động trong vùng khả kiến và ứng dụng hiển thị

Từ khóa - Ion Er3+ ; Thủy tinh borate ; Tính chất phát quang; Phát xạ xanh lá cây; Thiết bị quang tử

STUDY ON OPTICAL PROPERTIES OF GLASS MATERIALS DOPING ION

Er 3+ APPLICATIONS IN DEVELOPMENT OF EDFA AND G-LEDs

Abstract - B2O3-Bi2O3-Al2O3-ZnO (ZABB) glasses doped with 0.1% to 1.5% mol of Er3+were prepared by melt quenching method Measurements of X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) confirmed non-crystalline structure and the composition of samples Optical properties were analyzed by photoluminescence (PL) excitation and emission spectra The PL excitation spectra indicated that the most suitable wavelength to excite the luminescence of the samples is 378 nm The PL emission spectra exhibited 3 peaks at 525 nm, 547 nm, and 660 nm corresponding to electronic transitions

of 2H11/2 → 4I15/2, 4S3/2 → 4I15/2, and 4F9/2 → 4I15/2 , respectively The commission Internationalede L’Eclairage chromaticity coordinates were estimated and the results showed that the emission of glass samples was green Strong emission in the visible region

of ZABB glass doped Er3+ ion indicated that it can be used in LED fabricating, photonic devices operating in visible region and display application

Key words - Ion Er3+; Borate glass; Optical properties; Green emission; Photonic devices

BER : Tỉ lệ lỗi bit

EDFA : Khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+

EDS : Tán xạ năng lượng tia X

FWM : Hiệu ứng trộn bốn bước sóng

G-LEDs : LED màu xanh lá cây

IR : Hồng ngoại

ITU : Liên minh viễn thông quốc tế

LIDAR : Cảm biến đo khoảng cách

NIR : Vùng cận hồng ngoại

NLO : Hiệu ứng quang phi tuyến

SBS : Tán xạ Brillouin

SDM : Ghép kênh phân chia theo không gian

SEM : Kính hiển vi điện tử quét

SHG : Hài bậc hai

TDFA : Khuếch đại quang sợi pha tạp Tm3+

UCL : Phát quang chuyển đổi ngược

UV : Tử ngoại

WDM : Ghép kênh theo bước sóng

XRD : Nhiễu xạ tia X

Số hiệu

1.1 Băng thông của các loại khếch đại quang 6 1.2 Các nguyên tố đất hiếm thuộc họ lanthanides 9 1.3 Các chuyển dời của ion Er3+ trong vùng khả kiến, phát

quang chuyển đổi ngược và trong vùng hồng ngoại gần

10

1.4 Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang 11

1.6 Ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc đến tín hiệu phía thu 12

1.8 Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) 15

1.11 Hai phương án truyền dẫn của hệ thống WDM, (a) Truyền

dẫn theo một hương , (b) Truyền dẫn theo hai hướng

17

1.15 (a) EDFA một chặng single pass (b) EDFA một chặng

double pass

21

1.16 (a) EDFA hai chặng double pass (b) EDFA hai chặng triple

pass (c) EDFA hai chặng quadruple pass

22

1.19 Thí nghiệm minh họa cho hiện tượng phát quang chuyển

đổi ngược

24

2.1 Nhiễu xạ của các nguyên tử được sắp xếp tuần hoàn thỏa

mãn phương trình Bragg

27

2.2 Hệ đo nhiễu xạ tia X D8 Advance Eco 28 2.3 Giao diện phần mềm DIFFRACT MEASUREMENT

2.8 Giản đồ Jablonski giải thích quá trình tán xạ Raman 34

2.13 (a) Một ion kích hoạt A trong một mạng chủ và (b) Giản đồ

quá trình kích thích (hấp thụ) và phát xạ của một ion kích hoạt A

40

3.2 Quy trình chế tạo vật liệu thủy tinh B2O3-Bi2O3-Al2O3-ZnO

pha tạp ion Er3+

45

3.4 Mẫu thủy tinh ZABB và mẫu sợi quang đã được chế tạo 46 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu thủy tinh chế tạo sợi

3.8 Phân tích các đỉnh trong phổ Raman của mẫu ZABB 49

3.10 Ảnh SEM của mẫu ZABB1.0 được nghiền 51

3.13 Phổ phát quang của mẫu ZABB1.0 với bước sóng kích

3.16 Khảo sát sự suy hao cường độ phát quang với nồng độ pha

tạp ion Er3+ khác nhau trong vùng từ 515 – 560 nm

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG 5

1.1 Giới thiệu chương 5

1.2 Tình hình nghiên cứu về khuếch đại quang 5

1.1.1 Khuếch đại quang là gì 5

1.2.2 Ứng dụng chính của khuếch đại quang 6

1.2.3 Tình hình nghiên cứu và xu hướng của khuếch đại quang 7

1.3 Một số mô hình giải thích cơ chế phát quang của ion Er 3+ 8

1.3.1 Phát quang của các nguyên tố đất hiếm 8

1.3.2 Các chuyển dời quang học của ion Er 3+ 9

1.3.3 Phát quang của Er 3+ trong các vật liệu thủy tinh 10

1.4 Cơ chế của khuếch đại quang sợi EDFA 11

1.4.1 Sợi quang 11

1.4.2 Hệ thống WDM 14

1.4.3 Khuếch đại quang sợi EDFA 18

1.5 Hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược (Up-conversion) 23

1.5.1 Cơ chế và vật liệu cho hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược 23

1.5.2 Ứng dụng của hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược 24

1.6 Kết luận chương 25

CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG 26

2.1 Giới thiệu chương 26

2.2 Nhiễu xạ tia X 26

2.2.1 Giới thiệu 26

2.2.2 Cơ sở của phương pháp nhiễu xạ tia X 26

2.2.3 Thiết bị và giao diện làm việc 27

2.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 29

2.3.1 Giới thiệu 29

2.3.2 Cơ chế của SEM 29

2.3.3 Thiết bị và giao diện làm việc 31

2.4 Tán xạ Raman 32

2.4.1 Giới thiệu 32

2.4.2 Cơ chế của phổ tán xạ Raman 33

2.4.3 Thiết bị và giao diện làm việc 34

2.5 Độ phi tuyến của vật liệu 36

2.6 Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) 37

2.6.1 Giới thiệu 37

2.6.2 Cơ chế của phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) 37

2.6.3 Thiết bị và giao diện làm việc 38

2.7 Phân tích tính chất quang của vật liệu 39

2.7.1 Giới thiệu 39

2.7.2 Cơ chế hoạt động của máy đo huỳnh quang FL3-22C 40

2.8 Kết luận chương 42

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VIỆC CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH CỦA SỢI QUANG 43

3.1 Giới thiệu chương 43

3.2 Qui trình chế tạo mẫu 43

3.2.1 Vật liệu và hóa chất 43

3.2.2 Qui trình chế tạo mẫu 44

3.3 Kết quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X 46

3.4 Kết quả phân tích phổ tán xạ Raman 47

3.5 Kết quả phân tích thành phần nguyên tố bằng phổ tán sắc năng lượng tia X 50

3.6 Tính chất phát quang của sợi quang 52

3.6.1 Phổ kích thích vùng khả kiến 52

3.6.2 Phổ phát quang vùng khả kiến 52

3.7 Khảo sát nhiệt độ màu của sợi quang 55

3.8 Kết luận chương 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

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

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 việc chế tạo và nghiên cứu các đặc tính của sợi

quang

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG

1.1 Giới thiệu chương

Để có thể có cái nhìn tổng quát về khuếch đại quang, các ứng dụng của khuếch đại quang cũng như các ứng dụng của việc pha tạp các ion đất hiếm vào thủy tinh tôi đã tiến hành tìm hiểu và nghiên cứu các định nghĩa, cơ chế, tính chất cũng như ứng dụng của khuếch đại quang trong chương này Từ những tìm hiểu và nghiên cứu này có thể giúp tôi hiểu rõ hơn về khuếch đại quang và có thể nghiên cứu chuyên sâu hơn về khuếch đại

quang

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

Hầu hết các bộ khuếch đại quang học là bộ khuếch đại laser, nơi mà sự khuếch đại được dựa vào quá trình phát xạ cưỡng bức Môi trường khuếch đại chứa một số nguyên

tử, ion hoặc phân tử ở trạng thái kích thích, được cung cấp năng lượng bằng cách sử dụng đèn tín hiệu để tạo ra nhiều ánh sáng hơn vào các chế độ bức xạ giống nhau Các

bộ khuếch đại như vậy hoặc là chất cách điện được pha tạp với một số ion hoạt động bằng laser, hoặc chất bán dẫn có thể được bơm điện hoặc quang học 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

Hình 1.1 : Băng thông của các loại khếch đại quang[40]

1.2.2 Ứng dụng chính của khuếch đại quang

Bộ khuếch đại sợi quang ban đầu được thiết kế để đạt được sự khuếch đại trong thông tin liên lạc bằng sợi quang trên khoảng cách lớn, nơi tín hiệu cần được khuếch đại định kì Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium với tín hiệu có công suất quang vừa phải trong vùng phổ 1,5 μm được sử dụng cho mục đích này Các kênh bước sóng khác nhau được khuếch đại đồng thời trong một bộ khuếch đại sợi đơn bằng cách sử dụng WDM ghép kênh phân chia theo bước sóng Các lĩnh vực ứng dụng khác của bộ khuếch đại sợi quang được phát triển sau đó Đặc biệt, các bộ khuếch đại sợi quang công suất cao đã được phát triển có thể tạo ra công suất đầu ra hàng trăm Watt hoặc thậm chí nhiều kiloWatt Các bộ khuếch đại như vậy đang được sử dụng rộng rãi để sử dụng trong quá trình xử lý vật liệu bằng laser, thay thế các laser khối trạng thái rắn và laser CO2 chẳng hạn Thông thường, chúng dựa trên sợi phủ kép pha tạp chất ytterbium (Yb3+) cho tín hiệu trong vùng quang phổ 1,03-1,1 μm

Việc lắp đặt các bộ khuếch đại quang đôi khi được đi kèm với các bộ ghép định hướng và bộ cách ly để cải thiện độ bền đối với nhiễu và nâng cao hiệu quả của toàn bộ

hệ thống quang học Nó cũng được ứng dụng trong các lĩnh vực truyền thông không gian Các ngành công nghiệp người dùng cuối như viễn thông, ngân hàng và diễn đàn tài chính, hệ thống bệnh viện, sân bay, một số ngành công nghiệp cơ khí cũng sử dụng chúng trong hệ thống bảo trì dữ liệu của họ để cải thiện chất lượng và tốc độ truyền dữ

chúng Các nhà cung cấp mạng cũng sử dụng bộ khuếch đại quang để duy trì hệ thống

dữ liệu nội bộ của họ cũng như cung cấp dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cho người dùng

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

Thông thường việc vận chuyển dữ liệu mạng quang được thực hiện với sự trợ giúp của hai sợi quang sử dụng mỗi sợi để truyền tín hiệu và sợi kia để nhận tín hiệu Các giải pháp sợi đơn tiết kiệm một nửa tài nguyên sợi cần thiết cho việc vận chuyển DWDM Điều này có tác động kinh tế lớn đối với các nhà mạng, nhà cung cấp cáp quang tối và các doanh nghiệp Nó làm giảm chi phí thuê sợi; thuế áp dụng đối với sợi chiếu sáng hoặc thậm chí phục vụ như một giải pháp hiệu quả cho các nguồn sợi quang khan hiếm

Các kiến trúc và kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) có giới hạn truyền dẫn, điều này đã thúc đẩy nghiên cứu của các công ty mạng nhằm phát triển các thành phần Ghép kênh phân chia theo không gian (SDM) trong đó các sợi quang đa mode hoặc đa bào tử hỗ trợ nhiều chế độ không gian để tăng khả năng truyền dẫn cho mỗi sợi quang được triển khai EDFA được bơm lớp phủ bao gồm 06 lõi đa chế độ pha tạp erbium, mỗi lõi có thể hỗ trợ ba chế độ không gian, cho phép khuếch đại 18 kênh không gian đồng thời chỉ bằng một diode laser bơm (tương tự như độ phức tạp của chỉ một EDFA chế độ đơn)

Các nhà nghiên cứu cũng đã bắt đầu phát triển thiết kế cấu hình tinh tế cho lớp phủ bằng cách tăng số lượng lõi để nâng cao hơn nữa hiệu quả bơm của bộ khuếch đại EDFA có thể mở rộng có thể được sử dụng trong khi hoạt động ở các chế độ khác nhau Các lợi ích công nghệ của EDFA có thể mở rộng là rất hấp dẫn, do đó nhiều công ty đã bắt đầu chuyển hướng sang kỹ thuật khuếch đại này

Với nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ cao và các dịch vụ dữ liệu phức tạp, các nhà cung cấp mạng buộc phải tăng cường các đường cáp quang, do đó ngành công nghiệp phụ trợ để sản xuất bổ sung cáp quang cũng đang thịnh vượng và hứa hẹn nhu cầu sẽ tiếp tục tăng với cùng tốc độ như cuộc cách mạng dữ liệu

Những đổi mới trong kỹ thuật ghép kênh như SDM và MDM đang tiếp tục được nghiên cứu cùng với việc giới thiệu các vật liệu sợi quang mới cho TX / RX hiệu quả của tín hiệu quang Sợi tinh thể quang tử và sợi tinh thể có lỗ trống hỗ trợ đang được sử dụng để cải thiện hiệu suất năng lượng của các hệ thống quang học Các kỹ thuật giúp

tiết kiệm quang phổ chủ yếu là mạng đường dẫn quang đàn hồi cũng đang được phát triển để khai thác các tài nguyên quang phổ chưa được sử dụng đầy đủ

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

Các ion đất hiếm là các nguyên tố thuộc hai nhóm chính là lanthanides và actinides Thông thường người ta chỉ quan tâm nghiên cứu đến các nguyên tố thuộc nhóm lanthanides vì tính bền của chúng Các ion thuộc nhóm lanthanide có hóa trị hai hoặc hóa trị ba là mọt nhóm có vai trò rất quan trọng làm tâm phát quang trong các vật liệu phát quang và đơn tinh thể Phát xạ nhanh từ 15-60ns 5d-4f của Ce3+ trong các nền như LaCl3, LaBr3, Lu2SiO5 và Gd2SiO5 được ứng dụng trong máy soi chiếu và phát hiện tia

γ Phát xạ tương tự cũng được sử dụng trong ống tia cathode và vật liệu điện phát quang Các chuyển dời từ mức 4f2 của Pr3+ đã được nghiên cứu để phát triển vật liệu phát quang

có hiệu suất lượng tử cao Các chuyển dời của các mức hẹp 4f3 trong Nd3+ được dung trong các laser tinh thể như Y3Al5O12:Nd3+ Sm3+ được sử dụng như một bẫy điện tử hiệu quả và có rất nhiều nghiên cứu chỉ ra khả năng lưu trữ thông tin của nó Ví dụ, MgS:Ce3+,Sm3+ và MgS:Eu2+,Sm3+ được nghiên cứu để chế tạo đĩa quang, Y2SiO5:

Ce3+,Sm3+ được nghiên cứu để ứng dụng trong chụp ảnh X-ray và LiYSiO4:Ce3+,Sm3+ứng dụng trong chụp ảnh nhiệt nơ tron Chuyển dời 5D0 → 7F, phát xạ màu đỏ 4f6 của

Eu3+ và phát xạ từ xanh đến đỏ 5d-4f của Eu2+ được sử dụng trong hiển thị và chiếu sáng Phát xạ vạch 4f8 của Tb3+ thường được dùng làm thành phần màu xanh trong đèn ống Ion Dy3+ đóng vai trò quan trọng trong vật liệu phát quang bền SrAl2O4:Eu2+,Dy3+

Er3+ và Tm3+ được sử dụng trong thông tin sợi quang và laser Mặc dù các chuyển dời của các ion đất hiếm đã được nghiên cứu nhiều trước đây nhưng các mức năng lượng trong vùng nội tại của vật liệu nền vẫn luôn là thách thức của các nhà nghiên cứu

Hình 1.2 : Các nguyên tố đất hiếm thuộc họ lanthanides

1.3.2 Các chuyển dời quang học của ion Er 3+

Erbium là một nguyên tố thuộc nhóm lanthanide, có hóa trị III và thuộc orbital 4f

Phát quang của ion Er3+ dựa vào các hoạt động tại các mức năng lượng 4I11/2, 4I13/2 và

4I15/2, nơi mà chuyển dời 3 mức xảy ra Kết quả là các phát xạ tại bước sóng khoảng

1.5µm Thông qua quá trình chuyển tạo photon (4I13/2 → 4I15/2) và chuyển dời tạo phonon

(4I11/2 → 4I13/2) Các chuyển dời bức xạ của ion Er3+ dựa trên qui tắc phát xạ tự phát của

bức xạ, xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn (thường được gọi là thời gian sống) hoặc

là phát xạ cưỡng bức của bức xạ đó Để có một hiệt suất phát quang tốt của một bộ

khuếch đại quang, thông thường thì giá trị được quan tâm đó là mức nang lượng 4I13/2

Sự xuất hiện của các phát xạ khác dẫn đến phát xạ cưỡng bức tại mức năng lượng này

dẫn đến sự suy hao của tín hiệu quang Có rất nhiều lí do dẫn đến quá trình suy hao này,

chẳng hạn như hiện tượng dập tắt vì nồng độ, hiện tượng phát xạ nhiều photon và hấp

thụ từ các trạng thái kích thích (hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược) Mặc dù hiện

tượng dập tắt vì nồng độ là một hiện tượng không mong muốn trong trường hợp khuếch

đại quang tại bước sóng 1500nm nhưng trong một số trường hợp nó lại hữu ích chẳng

hạn như trong các cảm biến quang học sử dụng vật liệu Er-Yb, hoặc quá trình phát quang

chuyển đổi ngược dùng để tạo ra các bước sóng ngắn hơn

Hình 1.3 : Các chuyển dời của ion Er3+ trong vùng khả kiến, phát quang chuyển

đổi ngược và trong vùng hồng ngoại gần [4]

1.3.3 Phát quang của Er 3+ trong các vật liệu thủy tinh

Trong Bảng 1.1 chỉ ra các tính chất của các vật liệu pha tạp Er3+ bao gồm bước sóng ứng với chuyển dời 4I13/2 → 4I15/2 , thời gian sống cũng như năng lượng phonon của các vật liệu đó [25]

Bảng 1.1: Tính chất của Er 3+ pha tạp trong các vật liệu khác nhau

Vật liệu λmain (nm) τ (ms) Ephonon

Dựa vào bảng 1.1 có thể thấy đợc vật liệu thủy tinh silicate được sử dụng rộng rãi bởi vì khả năng ghép nối của chúng với các loại sợi quang hiện tại, tuy nhiên vấn đề của loại thủy tinh này đó là hiện tượng dập tắt vì nồng độ Er3+ Vấn đề này xảy ra khi trong vật liệu có nồng độ Er3+ cao, vì thế gây ra sự phân nhóm và vì thế các cặp ion Er3+tương tác lẫn nhau và gây ra phân rã đa phonon không mong muốn hoặc hiện tượng hấp thụ ở trạng thái kích thích Ví dụ trong các thiết kế của các loại ống dẫn sóng phẳng tích hợp, nồng độ của Er3+ trong thủy tinh phải cao hơn 1 bậc so với trong sợi quang, nhưng hiện tượng phân nhóm trong thủy tinh làm cho nồng độ của Er3+ rất thấp (~0.1%) Đã

có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng việc thêm Al3+ hoặc Zn2+ có thể giúp tăng nồng độ Er3+tại cùng một thời điểm và vì thế làm giảm hiện tượng phân nhóm bởi vì các ion đó có thể điều chỉnh cấu trúc của thủy tinh Đồng thời, có thể thêm các oxit kim loại nặng như

Bi2O3 vào để tăng cường độ phát quang và thích hợp cho các ứng dụng laser và khuếch đại quang

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

Trong hệ thống thông tin sợi quang, ánh sáng được truyền đi trong suốt sợi quang (ở phần lõi) dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần

Hình 1.4 : Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang Điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần là :

- Tia sáng phải đi từ nơi có chiết suất lớn hơn đến nơi có chiết suất nhỏ hơn

- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn

1.4.1.2 Cấu tạo của sợi quang

Sợi quang là một công nghệ liên quan đến việc truyền dẫn dữ liệu sử dụng xung ánh sáng trên một đoạn sợi dài làm bằng vật liệu thủy tinh hoặc nhựa Sợi quang thường

ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ và hoạt động được là nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần của ánh sáng Việc lan truyền của ánh sáng trên suốt chiều dài sợi quang dựa trên yêu cầu của công suất cũng như chiều dài của tuyến truyền dẫn Chẳng hạn như sợi quang đơn mode được sử dụng trong truyền dẫn có tuyến dài trong khi sợi đa mode thì dùng trong tuyến ngắn Cấu tạo của sợi quang được mô tả như Hình 1.5

Hình 1.5 : Cấu tạo của sợi quang Thành phần chính của sợi quang điển hình bao gồm : lõi và lớp bọc, lớp phủ và lớp vỏ Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang, chống lại sự xâm nhập của hơi nước, tránh sự trầy xước gây nên các vết nứt, giảm ảnh hưởng do uốn cong Lớp vỏ có tác dụng tang cường sức chịu đựng của sợi quang dưới tác dụng cơ học và sự thay đổi nhiệt, tùy theo các điều kiện ứng dụng mà lớp cỏ có các dạng khác nhau

1.4.1.3 Các loại tán sắc trong sợi quang

Hiện tượng một xung ánh sáng bị giãn rộng ra về mặt thời gian so với xung ban đầu sau một quãng được truyền đi trong sợi quang gọi là hiện tượng tán sắc Tín hiệu khi truyền đi nếu bị ảnh hưởng bởi hiện tượng tán sắc làm cho các xung bị chồng lên nhau đến một giới hạn nào đó thì bên phần thu sẽ không phân biệt được các xung liền

kề nhau nữa, điều này làm cho tín hiệu phía thu bị lỗi và dẫn đến tỉ số BER tang lên ảnh hưởng lớn đến tốc độ bit và dung lượng truyền dẫn của sợi quang

Hình 1.6 : Ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc đến tín hiệu phía thu

Sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quang có thể được mô tả trong Hình 1.7

Hình 1.7 : Các loại tán sắc trong sợi quang Hiện nay, với công nghệ hiện đại người ta đã chế tạo được các loại sợi quang có hiện tượng tán sắc giảm đáng kể Tuy nhiên, vấn đề về tán sắc luôn là mối quan tâm hàng đầu trong các hệ thống thông tin quang

1.4.1.4 Sợi quang silica sử dụng trong các bộ EDFA

Sợi Silica có dải bước sóng rộng với độ trong suốt quang học tốt Trong vùng quang phổ cận hồng ngoại, đặc biệt là khoảng bước sóng 1,5 μm, sợi silica có thể có suy hao do hấp thụ và tán xạ cực thấp ở mức 0,2 dB / km, phôi sợi được chế tạo ở dạng rất tinh khiết bằng các phương pháp nhất định Để có độ trong suốt cao trong vùng 1,4 μm, cần phải giữ cho nồng độ của các nhóm hydroxyl (OH) thấp, khi nồng độ OH cao sẽ tốt hơn để có độ trong suốt tốt trong vùng cực tím Đối với bước sóng từ ~1,8 μm trở đi, sự hấp thụ đa phonon dẫn đến sự hấp thụ tăng dần [42]

Sợi silica có độ bền cơ học cao đáng kinh ngạc khi kéo và thậm chí uốn cong, với điều kiện là sợi không quá dày và bề mặt được chuẩn bị tốt Độ bền cơ học của sợi có thể được cải thiện hơn nữa với một lớp phủ polyme thích hợp Ngay cả việc cắt các đầu sợi silica đơn giản cũng có thể tạo ra các bề mặt phẳng độc đáo với chất lượng quang học cao

Thủy tinh silica có thể được pha tạp với nhiều vật liệu khác nhau để cải thiện các đặc tính khác nhau Một mục đích của việc pha tạp có thể là nâng cao chiết suất (ví dụ

Tán sắc

Tán sắc mode

với GeO2 hoặc Al2O3) hoặc hạ thấp chiết suất (ví dụ với flo hoặc B2O3) Việc pha tạp chất cũng có thể xảy ra với các ion hoạt động bằng laser (sợi pha tạp đất hiếm) để thu được các sợi hoạt tính, được sử dụng trong bộ khuếch đại quang sợi hoặc laser sợi quang Lõi sợi và đôi khi lớp phủ sợi được pha tạp chất, để vật liệu có hiệu quả, ví dụ: thủy tinh aluminosilicat, germanosilicat, photphosilicat hoặc borosilicat Riêng đối với sợi hoạt tính, silica tinh khiết thường không phải là thủy tinh chủ thích hợp lắm, vì nó thể hiện tính hòa tan thấp đối với các ion đất hiếm Điều này dẫn đến hiệu ứng dập tắt do sự tập hợp của các ion pha tạp, ngay cả đối với nồng độ pha tạp vừa phải

Sợi silica chiếm ưu thế trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn như thông tin quang (ngoại trừ khoảng cách rất ngắn với sợi quang bằng nhựa), hầu hết các bộ khuếch đại và laser sợi quang, và các cảm biến sợi quang Những nỗ lực lớn đã được đầu tư vào việc phát triển các loại sợi silica khác nhau đã làm tăng thêm lợi thế về hiệu suất của các loại sợi này so với các loại sợi làm từ vật liệu khác

Đối với các ứng dụng đặc biệt, cần có một số loại sợi không phải silica:

- Sợi thủy tinh photphat có thể có lợi khi cần nồng độ pha tạp cao của các ion đất hiếm Ngoài ra còn có sợi photphosilicat, là sợi silicat được pha tạp chất với P2O5

- Các sợi florua hoặc borate chứa kim loại nặng có thể được sử dụng để truyền ánh sáng hồng ngoại trung bình, và cho các bộ khuếch đại hoặc laser sợi quang, nơi yêu cầu chuyển tiếp laser năng lượng thấp với thời gian sống lâu dài

- Sợi quang học bằng nhựa (sợi polyme) có thể rẻ hơn và dày hơn sợi silica và được sử dụng, ví dụ: cho mục đích chiếu sáng và truyền dữ liệu tầm ngắn

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]

Vì WDM về cơ bản là ghép kênh phân chia theo tần số ở các tần số sóng mang quang, các tiêu chuẩn WDM do ITU phát triển chỉ định khoảng cách kênh về mặt tần

số Khuyến nghị ITU-T G.692 chỉ định chọn các kênh từ lưới tần số được tham chiếu đến 193.100 THz (1552.524 nm trong thủy tinh) và đặt chúng cách nhau 100 GHz (0,8 nm) ở 1552 nm Khoảng cách thay thế được đề xuất bao gồm 50 GHz (0,4 nm) và 200 GHz (1,6 nm)

Hình 1.9 : ITU Grid áp dụng cho DWDM [41]

1.4.2.2 Sơ đồ của hệ thống WDM

Hệ thống WDM có các bộ phát kết nối đến một bộ truyền dẫn và thu tại một bộ khác Một sợi quang sẽ mang N kênh tín hiệu quang Có thể xem hệ thống WDM là một

hệ thống các tín hiệu bước sóng quang đơn lẻ ghép song song với nhau Sơ đồ của một

hệ thống WDM được mô tả như Hình 1.10

Hình 1.10 : Sơ đồ khối của một hệ thống WDM Phần phát gồm có mạch diều khiển, nguồn quang, bộ ghép kênh theo bước sóng

và mạch khuếch đại phát Phần thu bao gôm các mạch khuếch đại, giải ghép kênh, tách song và mạch điều khiển Có hai phương án thiết lập hệ thống truyền dẫn trong hệ thống WDM:

- Truyền dẫn theo một hướng : Hệ thống kết hợp các bước sóng khác nhau tại một đầu và tách chúng để chuyển tới các bộ tách sóng quang ở đầu kia

- Truyền dẫn theo hai hướng : Hệ thống có thể phát thông tin trên hai hướng đồng thời tại hai bước sóng khác nhau

(a)

(b) Hình 1.11 : Hai phương án truyền dẫn của hệ thống WDM, (a) Truyền dẫn theo

một hương , (b) Truyền dẫn theo hai hướng

Ưu điểm của kĩ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM :

- Dung lượng truyền dẫn lớn hơn nhiều so với hệ thống TDM

- Truyền dẫn hai chiều trên một sợi, cho phép tăng dung lượng của hệ thống lên đáng kể

- Giảm tốc độ truyền trong mỗi kênh nhờ phân chia dung lượng truyền dẫn thành nhiều kênh nên có thể giảm được ảnh hưởng của tán sắc, góp phần tăng cự li của các trạm trung gian, giảm giá thành của hệ thống

- Đáp ứng linh hoạt việc nâng cấp hệ thống

- Quản lí băng tần và cấu hình linh hoạt

- FDM trong sợi quang

- Hệ thống giao thông sử dụng quang học

- Mạng cục bộ

1.4.3 Khuếch đại quang sợi EDFA

1.4.3.1 Nguyên lý của bộ khuếch đại quang sợi EDFA

Khuếch đại quang pha sử dụng các sợi quang pha tạp các nguyên tố đất hiếm là một hiện tượng dựa trên sự phát xạ cưỡng bức của photon Điều này xảy ra khi các ion đất hiếm phân rã từ mức năng lượng cao đến các mức năng lượng thấp Có thể quan sát dựa trên Hình 1.12

Hình 1.12 : Sự hấp thụ và phát xạ ánh sáng

Quá trình chuyển dời này được kích thích bởi một photon ngẫu nhiên từ tín hiệu vào

mà nó được khuếch đại Photon được kích thích sẽ có chung bước sóng và pha với photon ngẫu nhiên đó Chúng sẽ đồng bộ và liền mạch với nhau Đây được gọi là hiệu ứng laser Trong khuếch đại quang sợi, nguồn cấp sẽ là một nguồn quang học (laser) và được gọi là bơm Một số lượng lớn các ion được kích thích sẽ là yếu tố để đạt được độ khuếch đại rất lớn Bước sóng của tín hiệu và bơm dựa vào sự hấp thụ và phát xạ của ion được pha tạp vao Để có được sự khếch đại thì sự phát xạ phải lớn hơn sự hấp thụ tại bước sóng của tín hiệu

Hình 1.13 : Phổ cross-section phát xạ và hấp thụ của EDFA

Có thể thấy ở Hình 1.13 thì tại bước sóng 1550nm, sự phát xạ lớn hơn sự hấp thụ, vì thế tín hiệu sẽ được khuếch đại Mặt khác, tại bước sóng bơm 1480nm, ion Er3+ chỉ hấp thụ vì thế việc bơm sẽ đạt được hiệu quả

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 [6]

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

a) EDFA một chặng

- Single Pass: Bộ EDFA Single Pass (SP-EDFA) bao gồm một hoặc hai bộ bơm laser diode và cũng có một hoặc hai bộ WDM để tổng hợp ánh sáng với bơm công suất Cấu hình này rất linh hoạt và có thể thu được độ lợi trong khoảng 15.5 đến 31.5dB

- Double Pass: Bộ double pass EDFA cơ bản (DP-EDFA) là một trạng thái mà tín hiệu sẽ đi quan hai lần thông qua bộ khuếch đại EDFA như Hình1.15 Theo như

lý thuyết thì độ lợi sẽ tăng gấp đâu so với single pass Cấu hình double pass sử dụng bộ EDFA thương mại cho các ứng dụng S-band cũng như khuếch đại phát

xạ tự phát

Hình 1.15: (a) EDFA một chặng single pass (b) EDFA một chặng double pass

- Triple pass: Chặng đầu tiên của EDFA sẽ khuếch đại cả băng tần C và L, và chặng thứ hai chỉ khuếch đại băng tần L

- Quadruple pass: Với công suất vào là -50dBm có thể đạt được NF là 7dB tại 1550nm Cấu hình được trình bày như Hình 1.16

Hình 1.16: (a) EDFA hai chặng double pass (b) EDFA hai chặng triple pass (c)

EDFA hai chặng quadruple pass

c) EDFA ba chặng

Cấu hình EDFA ba chặng bao gồm ba bộ single pass ba lần trên cấu hình EDA như được thể hiện ở Hình 1.17 Các nghiên cứu về lý thuyết dã được thực hiện trước đây với hai bơm, ba chặng EDFA L-band và dựa trên các mô hình số đáng tin cậy

Hình 1.17: EDFA ba chặng với triple pass

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

Một số mô hình của hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược được thể hiện trong Hình 1.18 Các mức năng lượng của ion đất hiếm đã được thảo luận, cách đơn giản nhất

để hiểu phát quang chuyển đổi ngược là tạo ra sự hấp thụ liên tiếp trên một ion Trong

mô hình này, gọi là ESA được biểu diễn trong Hình 1.18 là của ion Er3+

Hình 1.18: Các cơ chế của phát quang chuyển đổi ngược Trong một số vật liệu phát quang pha tạp Er3+ , phát xạ màu đỏ từ mức 4F9/2 chiếm ưu thế hơn so với phát xạ màu xanh Điều này đặc biệt trong các trường hợp vật liệu phát quang như họ oxyhalides, nơi có năng lượng phonon cao hơn so với vật liệu fluoride Thời gian sống ở trạng thái kích thích dài hơn là một ưu điểm khi tạo ra hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược Việc chuyển đổi này hiệu quả trong vùng phát xạ màu xanh lá cây dưới bước sóng kích thích là 980nm cũng như 1550nm Các tính chất của phát quang chuyển đổi ngược sẽ phụ thuộc vào yếu tố hình thái của vật liệu[27]

Hình 1.19: Thí nghiệm minh họa 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

Phát hiện ánh sáng laser ở trong vùng bước sóng 1550nm sử dụng vật liệu phát quang pha tạp Er3+ có vai trò rất quan trọng bởi vì ở vùng bước sóng này có suy hao thấp nhất đối với sợi quang silicat trong các tuyến truyền dẫn đường dài Như được trình bày ở trên, các vật liệu để sử dụng trong ứng dụng này thường là BaCl2:Er3+ cũng như các loại vật liệu họ fluorides

Một số vùng bước sóng quan trọng khác trong thông tin quang đó là 1300nm tương ứng với tán xạ thấp nhất đối với sợi quang silicate Trong các nghiên cứu trước đây, ion Dy3+ được thêm vào các vật liệu phát quang pha tạp Er3+ để làm tâm nhạy cho

Er3+, hấp thụ ánh sáng vùng 1300nm

1.5.2.2 Làm nguồn sáng

Trước đây, các hiệu quả chuyển đổi của các thiết bị phát quang chuyển đổi ngược được phát triển bởi việc sử dụng laser diode 980nm như một nguồn kích thích và áp dụng các cấu trúc quang học hạn chế Người ta chứng minh rằng có thể thu được hiệu suất chuyển từ ánh sáng 980 nm sang ánh sáng lục gần 4% trong thủy tinh floride chứa

cả ion Er3+ và Yb3+

Ngoài ra còn có các báo cáo về laser chuyển đổi ngược sử dụng các tinh thể đơn thay vì các sợi dài Chẳng hạn như CW laser với công suất 40mW tại 551nm trong LiF4:Er3+, các tinh thể này được bơm theo như cơ chế ESA như hình … sử dụng nguồn kích thích 810nm Những nỗ lực không ngừng đang tiếp tục hướng tới việc tạo ra các laser chuyển đổi ngược có kích thước nhỏ và được bơm bằng laser diode

Hình 1.20: Laser 548 nm sử dụng tinh thể LiLuF4:Er3+ [28]

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

Ở chương này, tôi sẽ nghiên cứu các phương pháp dùng để phân tích các tính chất và cấu trúc của sợi quang pha tạp Er3+ sẽ được chế tạo Các phương pháp đó bao gồm : Nhiễu xạ tia X, Tán sắc tia X, Quang phổ Raman, Độ phi tuyến của vật liệu, Tính

chất quang của sợi quang

2.2 Nhiễu xạ tia X

2.2.1 Giới thiệu

Cấu trúc nguyên tử và vi cấu trúc (ví dụ kích thước hạt) của vật liệu sẽ quyết định tính các tính chất của vật liệu đó Một trong những ví dụ điển hình của điều này đó là các thù hình khác nhau của cacbon : kim cương thì cứng, trong suốt trong khi graphite thì mềm và đục Vì thế để có thể hiểu được tính chất của vật liệu và phát triển được vật liệu tốt hơn thì việc hiểu được cấu trúc nguyên tử và vi cấu trúc là điều tiên quyết Với những kiến thức về tính chất vật liệu cũng như cấu trúc cùng với điều kiện chế tạo, chu trình tam giác kín cổ điển : cấu trúc – công thức – tiến trình sẽ được hoàn thiện

Một trong những phương pháp đầu tiên để xác định tính chất cấu trúc đó là phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) Trong phép đo XRD điển hình của một màng mỏng, các tia X tới xâm nhập vào màng và bị nhiễu xạ thành một loạt các góc Những tia X nhiễu xạ này (hình thành các đỉnh Bragg) sẽ được tổng hợp lại Việc này được thực hiện theo một chuỗi (với các bước quét) nhưng hiện nay thường được thực hiện song song với một detector theo vùng Từ phép đo XRD, chúng ta có thể biết được : pha hiện tại, kích thước tinh thể, biến dạng mạng tinh thể, kết cấu tinh thể học (định hướng của tinh thể) và khuyết tật (lỗi xếp chồng, phân bố biến dạng) Tuy nhiên, mức độ chi tiết phụ thuộc vào các đặc điểm cụ thể của vật liệu được khảo sát, chẳng hạn như độ dày và mức

độ kết cấu

2.2.2 Cơ sở của phương pháp nhiễu xạ tia X

Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra đối với các cấu trúc tuần hoàn được chiếu sáng bởi các ánh sáng có bước sóng tương đương với khoảng cách của đối tượng Điều này có thể quan sát được đối với ánh sáng khả kiến sử dụng các cách tử nhiễu xạ 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

Phổ nhiễu xạ tia X được thực hiện trên hệ máy D8 Advance Eco của hãng Bruker (Đức) Dải đo phủ rộng từ 0 – 180o tùy theo từng trường hợp cụ thể Hình ảnh thiết bị

đo XRD được mô tả ở Hình 2.2 Mẫu thủy tinh cần đo được đặt ở trong khoang đặt mẫu

Hình 2.2 : Hệ đo nhiễu xạ tia X D8 Advance Eco Thiết bị đo nhiễu xạ tia X được thiết lập và kết nối với máy tính thông qua phần mềm DIFFRACT MEASUREMENT CENTER do hãng Bruker cung cấp Thông qua phần mềm này, người sử dụng có thể thiết lập được các thông số để đo như : góc nhiễu

xạ, thời gian lấy mẫu, tốc độ xoay mẫu ,…

Hình 2.3 : Giao diện phần mềm DIFFRACT MEASUREMENT CENTER