Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của vật liệu dẫn sóng trên nền silica biến tính

Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang của vật liệu dẫn sóng trên nền silica biến tính

7 Trần Thu Hương, Trần Kim Anh, Lê Quốc Minh Chế tạo

mμng (1-X) Silica-(X)Titania trên đế Silic đơn tinh thể vμ nghiên

cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới cấu trúc của chúng Tạp chí

Khoa học vμ Công nghệ, tập 42, số 2(2004) 92-97

8 T Kim Anh, T Thu Huong, T T Kim Chi, N Vu , M Hoai

Nam L T Kieu Giang, L Dac Tuyen, W Strek, C Barthouand

L Quoc Minh “Luminescence and up - conversion mechanism

of some photonic materials doped with Eu, Er and Yb ions”

Proceedings of the first Vietnamese-Italian International Joint

Workshop, November 28-29, (2005) 63-70

9 Tran Thu Huong, Tran Kim Anh, Johannes Kirchhof, Claudia

Aichele and Le Quoc Minh “Preparation and photonic features

of Erbium- activated Silica-Zirconia multilayer films derrived

from sol gel process” International Conference on Engineering

Physics ICEP 2006, October 9-13, (2006) 78-82

10 Tran Thu Huong, Tran Kim Anh, Martin Becker, Ankha

Schwuchow and Le Quoc Minh Luminescence, Lifetime and

Optical Losses of Active Wave Guide Systems SiO 2 /TiO 2 and

SiO 2 /ZrO 2 Derived by Sol Gel 1st IWOFM-3rd IWONN

Conference, Ha long, Vietnam, December 3-10, (2006) 544-547

11 Le Quoc Minh, Nguyen Thanh Binh, Tran Thu Huong, Nguyen

Thanh Huong, Nguyen Tat Thanh, Vu Thi Nghiem, Vu Doan

Mien, Phan Viet Phong, Tran Kim Anh ‘Hybrid and Composite

with nanostructures for Photonic Technology’ 1st IWOFM-3rd

IWONN Conference, Ha long, Vietnam, December 3-10,

(2006) 480-484

12 T Thu Huong, T.Kim Anh, M Hoai Nam, C Barthou, W

Strek, L Quoc Minh Preparation and infrared emission of

silica zirconia alumina doped with erbium for planar

waveguide Journal of Luminescence 122-123 (2007) 911-913

Viện Khoa học Vật liệu

-

Trần Thu Hương

Chế tạo vμ nghiên cứu tính chất quang của vật liệu

dẫn sóng trên nền Silica biến tính

Chuyên ngμnh: Vật liệu quang học, quang điện tử vμ quang tử Mã số : 62 44 50 05

Tóm tắt Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu

hμ nội – 2007

Công trình được hoμn thμnh tại :

Phòng Quang Hóa - Điện tử, Viện Khoa học Vật liệu,

Viện Khoa học vμ Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Lê Quốc Minh

Phản biện 1: GS TSKH Đinh Văn Hoμng

Đại học Quốc gia Hμ Nội

Phản biện 2: GS TS Võ Thạch Sơn

Trường Đại học Bách khoa Hμ Nội

Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Văn Hùng

Trường Đại học Sư phạm Hμ Nội

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhμ nước, họp

tại:

Hội trường tầng 2, nhμ B2, Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học

vμ Công nghệ Việt Nam

vμo hồi 9 giờ 00, thứ năm, ngμy 20 tháng 12 năm 2007

Có thể tìm hiểu Luận án tại:

Thư viện Quốc gia

Thư viện Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học vμ

Công nghệ Việt Nam

Mở đầu

Tính cần thiết vμ ý nghĩa khoa học của đề tμi : Vật liệu mới

đóng vai trò quyết định trong xây dựng vμ phát triển các linh kiện công nghệ cao Trong đó, công nghệ truyền thông đương đại dựa trên vật liệu sợi dẫn ánh sáng - cáp quang lμ một thí dụ điển hình Tín hiệu, dưới dạng tia sáng được truyền dẫn với khoảng cách hμng trăm, thậm chí hμng ngμn km, trong hệ thống mạng cáp quang bao bọc hμnh tinh chúng ta Ánh sáng, tín hiệu thông tin sau khi truyền ở những khoảng cách lớn như vậy sẽ bị suy giảm mạnh về cường độ Chính vì vậy, các hệ khuếch đại tín hiệu lμ không thể thiếu Thông thường trong mạng thông tin cáp quang vẫn dùng khuếch đại quang

điện (khuếch đại O/E), trong đó tín hiệu quang được chuyển thμnh tín hiệu điện vμ ngược lại Trong những năm gần đây, xuất hiện kiểu khuếch đại quang học có tín hiệu vμo ra đều lμ ánh sáng Khuếch đại quang học có nhiều ưu điểm : ổn định, ít bị nhiễu bởi điện từ trường

vμ dễ tương thích với công nghệ truyền tin siêu tốc, bằng cách gộp vμ tách theo bước sóng Đến nay, khuếch đại trên cơ sở sợi quang sử dụng Erbi lμ yếu tố phát quang (Erbium Doped Fiber Amplification - EDFA) được sử dụng ngμy cμng phổ biến trong mạng thông tin quang Tuy nhiên, các công nghệ khuếch đại quang sợi EDFA, vẫn

có một số nhược điểm: Do phải sử dụng sợi dây dμi hμng chục mét, dẫn đến kích thước linh kiện cồng kềnh, bị ảnh hưởng nhiều của tác

động cơ học vμ nhiệt độ Mặt khác, xét theo góc độ tích hợp chức năng, các khuếch đại quang sợi sẽ có nhiều hạn chế khi tính đến việc thu nhỏ kích thước vμ giảm giá thμnh linh kiện Chính vì vậy, gần đây các nghiên cứu tập trung tìm kiếm vật liệu dẫn sóng quang planar tích

cực nhằm chế tạo các linh kiện tích cực cho mạng thông tin quang

Mục đích của luận án: Chế tạo v nghiên cứu tính chất quang của

vật liệu dẫn sóng trên nền Silica biến tính nhằm hướng tới ứng dụng chế

tạo khuếch đại quang cho vùng cửa sổ quang học thứ 3 vùng hồng ngoại

khoảng 1500 nm của công nghệ thông tin quang hiện đại

Đối tượng nghiên cứu của đề tμi: Đối tượng nghiên cứu của

luận án lμ các vật liệu nền SiO2/TiO2, SiO2/ZrO2 có thể điều chỉnh

được chiết suất vμ vật liệu dẫn sóng tích cực SiO2/TiO2: Er3+,

SiO2/ZrO2 : Er3+ với các yếu tố nâng cao Al3+ vμ Yb3+ cho khả năng

phát quang mạnh ở vùng cửa sổ thứ 3 của công nghệ thông tin

Nội dung vμ phương pháp nghiên cứu: Luận án được tiến hμnh

bằng phương pháp thực nghiệm, kết hợp với phân tích số liệu để giải

thích được các hiện tượng xảy ra trong quá trình chế tạo vật liệu vμ

xác định được các tính năng cần thiết.Luận án sử dụng phương pháp

sol gel để tổng hợp các hệ vật liệu có thể điều chỉnh được chiết suất,

cụ thể Silica/Titania vμ Silica/Zirconia từ các hợp chất cơ kim lμ

alkoxy Silic, Titan hay Zircon

Quá trình hoạt hóa sử dụng các ion đất hiếm như Erbi đã được

tiến hμnh ngay trong quá trình phản ứng thuỷ phân v ngưng tụ

Mμng đa lớp được chế tạo bằng công nghệ quay phủ hoặc nhúng phủ

Sử dụng các phương pháp nghiên cứu cấu trúc vi mô, hình thái học vμ

tính chất quang để tìm mối liên hệ giữa đặc tính dẫn sóng tích cực vμ

cấu tạo phân tử, trạng thái rắn của vật liệu, nhằm giải thích vμ tìm

điều kiện tối ưu cho phép chế tạo vật liệu dẫn sóng tích cực phù hợp

với yêu cầu chế tạo khuếch đại quang planar Đặc biệt, luận án đã sử

dụng phương pháp quang phổ hiện đại - quang phổ m-line để đánh

giá hiệu suất dẫn sóng, độ tổn hao, một yếu tố quyết định cho vật liệu

dẫn sóng tích cực planar

Bố cục của luận án: Luận án gồm 134 trang, bao gồm : Phần mở

đầu, 4 chương nội dung với 72 hình vẽ, 14 bảng biểu, kết luận, danh mục các công trình đã công bố vμ cuối cùng lμ tμi liệu tham khảo Các kết quả chính của luận án đã được công bố trong 12 bμi báo trên các tạp chí vμ báo cáo tại hội nghị chuyên ngμnh trong nước vμ quốc tế

Chương 1 Tình hình nghiên cứu chế tạo vật liệu vμ cấu trúc dẫn sóng quang từ quá trình sol gel

1.1 Giới thiệu

Các nghiên cứu về vật liệu mới, trước hết cần phải tiến hμnh nghiên cứu tương tác giữa ánh sáng vμ các vật liệu, đặc biệt lμ sự truyền dẫn ánh sáng trong các cấu trúc quang học

1.2 Dẫn sóng quang học

1.2.1 Cấu trúc dẫn sóng

Các cấu trúc dẫn sóng quang

học bao gồm một lõi trong đó

ánh sáng bị giam giữ vμ vỏ hay

đế bao quanh (Hình 1.1) Trong

đó chiết suất của lõi (n1) lớn

y x

z

x = -a

Lõi n 1

x

x = o

x = a n

n 1

n 0

Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của

một dẫn sóng quang học

hơn chiết suất của vỏ (n0).Với cấu trúc như vậy tia sáng được truyền dẫn đến cuối của cấu trúc dẫn sóng vμ bị phản xạ toμn phần ở các biên ngăn cách giữa lõi v vỏ

1.2.2 Các dạng cấu trúc dẫn sóng cơ bản

Bao gồm: Dẫn sóng dạng sợi , dẫn sóng tầng vμ dẫn sóng kênh

1.2.3 Dẫn sóng planar

Dẫn sóng quang planar dạng tầng lμ hoạt động của các chùm tia dạng tấm bị giam giữ hai chiều, chúng có thể lan truyền theo hướng

song song với bề mặt của lớp dẫn sóng có chiết suất cao Khi một

mμng mỏng có chiết suất cao hơn đế, tia sáng luôn bị phản xạ từ mặt

ngăn cách vμ bị giam giữ trong mμng dẫn Hình 1.1 trình bμy cấu trúc

dẫn sóng quang theo bậc (SI) Lớp trên thường lμ không khí hay có

thể sử dụng một lớp vật liệu có chiết suất nhỏ hơn

Quá trình ánh sáng truyền dẫn trong cấu trúc dẫn sóng planar

Điều kiện thực hiện phản xạ to n phần ở biên phân cách lõi vỏ

có thể mô tả bằng biểu thức : n1 sin (π/2 - φ )≥ n0 Trong đó góc φ ở

trong biểu thứcsin θ = n1sin φ ≤ n12 ư n02 , chúng ta có điều kiện

tới hạn cho phản xạ toμnphần từ biên phân cách như sau :

2 0 2 1 1

(1.1)

Sự sai khác về chiết suất giữa lõi v vỏ trong thực tế thường lμ

nhỏ: n1 - n0 = 0,01 Do vậy góc θmax trong biểu thức (1.1) có thể lấy

gần đúng lμ : θmax ≅ n12 ư n02 (1.2)

Như vậy, góc theta lμ góc cực đại của dẫn sóng ở cửa vμo vμ

thường gọi lμ khẩu độ số ( NA) Sai lệch chiết suất tỷ đối giữa 2 hai

chiết suất n1 v n0 sẽ l :

1

0 1 2

1

2 0

2 1

n n n

n

≅

ư

= Δ

(1.3)

Giá trị Δ thường được tính theo phần trăm Như vậy, (NA) liên hệ với

hiệu chiết suất tỷ đối Δ theo biểu thức: NA=θmã ≈n1 2Δ (1.4)

Từ đó có thể rút ra góc lớn nhất để thực hiện truyền sóng trong

lõi l :

Δ

≅

≅

3 Le Quoc Minh, N T Huong, T T Huong, H T Khuyen, P M Tuan, M H Nam, N T Binh, T K Anh, C D Thuy, C

Barthou, M Dumont and N C Thanh Development of sol gel materials for photonics and optical telecommunication application Proceedings of the Sixth German-Vietnamese Seminar on Physics and Engineering, Chemnitz, 25 - 31, May (2003) 120-123

4 Tran Thu Huong, Tran Kim Anh, Carlos Barthou, Vo Thach

Son and Le Quoc Minh Fluorescent properties of Silica(92)-Titania(08) / Alumina (X) and Silica(83)-Zirconia(17) / Alumina (X) doped with Er 3+ and Yb 3+ Proceedings of the

Sixth German-Vietnamese Seminar on Physics and Engineering, Chemnitz, 25 - 31, May 2003 pp.172-176

5 Tran Kim Anh, Le Quoc Minh, Nguyen Vu, Tran Thu Huong, Nguyen Thanh Huong, Charles Barthou and Wieslaw Strek

Nanomaterials containing rare earth ions Tb, Eu, Er and Yb:

Preparation, optical properties and application potential J

of Luminescence 102-103 (2003) 391-394

6 T K Anh, N Vu, T T Huong, L Q Minh, "Nanomaterials containing rare earth ions for infrared card and planar waveguide application , given at 2nd International workshop

on Nanophysics and Nanotechnology (IWONN04), Hanoi, October 22-23, (2004) 161-164

cường phân hủy nhóm OH, lμ các yếu tố góp phần tăng hiệu suất

huỳnh quang của ion Er3+

8 Các kết quả nghiên cứu khoa học với quy trình công nghệ tổng

hợp, phủ mμng, quy trình gia nhiệt đạt trình độ cao, luận án đã

khẳng định công nghệ chế tạo vật liệu mới SiO2/TiO2 (92/08)/ Al

(10%) Er (0,75%) Yb (0,825%) vμ SiO2/ZrO2 (83/17)/ Al (6%)

Er (0,75%) Yb (0,825%) lμ một trong các vật liệu dẫn sóng tích

cực có triển vọng nhất nhằm hướng tới ứng dụng chế tạo khuếch

đại quang cho công nghệ thông tin, với các chỉ số cụ thể : Cực

đại huỳnh quang tại 1530 nm, độ rộng bán phổ > 50 nm, thời

gian sống phát quang đến 7,4 mili giây, tổn hao dẫn sóng thấp

nhất : 0,85 dB/cm Tóm lại, hai hệ vật liệu dẫn sóng thu được của

luận án, thuộc loại vật liệu dẫn sóng tích cực, về mặt chất lượng

tương đương với các công bố trên quốc tế

Như vậy, luận án đã góp phần đáng kể vμo hướng nghiên cứu tìm

kiếm vật liệu dẫn sóng tích cực planar, có nhiều tiềm năng tạo ra các

ứng dụng trong công nghệ thông tin vμ một số công nghệ liên quan

Danh mục các công trình nghiên cứu

Các công trình được sử dụng cho nội dung luận án

1 Nguyễn Thanh Hường, Trần Thu Hương, Vũ Thị Nghiêm, Lâm

Thanh Nhμn, Charles Bathou, Trần Kim Anh, Lê Quốc Minh

Nghiên cứu quá trình biến đổi vi cấu trúc trong quá trình ủ

nhiệt của mμng dẫn sóng Silíc/Titania vμ Silica/Zirconia Báo

cáo Hội nghị Vật lý Chất rắn toμn quốc lần thứ III, Nha Trang,

8-10/8/2001 209-215

2 Tran Thu Huong, Lam Thanh Nhan, Tran Kim Anh and Le

Quoc Minh “Effects of Aluminum to Silica(92)-Titania(08) and

Silica(83)-Zirconia(17) Wave-guide materials properties”

Proceedings of 3rd National Conference on Optics &

Spectroscopy, Nha Trang, August 11-15, (2002) 281-286

5

Dẫn sóng tích cực

Dẫn sóng tích cực lμ quá trình truyền sóng quang gây nên hiệu ứng phát xạ, với các tâm phát xạ lμ các ion đất hiếm hay các chất mầu huỳnh quang Các nguyên tố cho khả năng phát quang mạnh, bền, đặc biệt trong vùng hồng ngoại, trong đó nguyên tố Erbi do có phổ phát quang trùng với cửa sổ thông tin thứ ba nên rất được quan tâm nghiên cứu

1.3 Các vật liệu chế tạo dẫn sóng quang planar

Gồm các vật liệu : Bán dẫn, thuỷ tinh, vật liệu hữu cơ cao phân

tử, vật liệu lai hữu cơ vμ vô cơ

1.4 Một số phương pháp chế tạo vật liệu dẫn sóng planar

Có nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu dẫn sóng, như : Phương pháp phún xạ, phương pháp oxy hóa v nitrat hóa nhiệt, phương pháp lắng đọng hoá học pha hơi (CVD), phương pháp lắng đọng nhờ thuỷ phân trong ngọn lửa (FHD)

Các phương pháp pha lỏng, có nhiều ưu thế về khả năng chế tạo vật liệu vμ cấu trúc với độ đồng nhất cao, sự pha trộn cỡ phân tử, dễ

điều khiển, yêu cầu nhiệt độ không cao, khả năng chế tạo mμng đa lớp diện tích lớn vμ với công nghệ đơn giản dẫn đến giá thμnh sản phẩm thấp Đặc biệt lμ khả năng hoạt hoá (pha tạp) các vật liệu nền

để chế tạo các linh kiện tích cực lμ một ưu điểm lớn của các phương pháp hoá học, trong đó có phương pháp sol gel Hơn nữa, chúng còn

có thể sử dụng lμm phương pháp tạo hình vật lý trực tiếp cho khả năng tạo được các mμng mỏng đa lớp, các hình khối lμm cơ sở cho các cấu trúc quang tử hiện đại Xuất phát từ tình hình nêu trên, chúng tôi

đã lựa chọn phương pháp sol gel để triển khai các nghiên cứu của mình

1.5 Tổng hợp sol gel

Nguyên liệu đầu vμo cho các hướng phát triển của phương pháp

sol gel có thể đi từ các muối kim loại dễ thủy phân, các phức chất

hoặc các alkoxide kim loại Trong đó hướng phát triển đi từ các

alkoxide kim loại, ngμy cμng được dùng phổ biến, do những sản

phẩm quang học chất lượng cao thu được so với việc sử dụng nguyên

liệu đầu vμo khác

Alkoxide kim loại lμ hợp chất cơ kim chứa gốc ankyl (có cấu tạo

phân nhánh hoặc thẳng), có công thức chung: M(OR)z, trong đó M lμ ion

kim loại có hoá trị z vμ R lμ nhóm ankyl (R=CH3, C2H5, iso C3H7 )

Hoá học sol gel dựa trên phản ứng thuỷ phân vμ phản ứng ngưng tụ

của alkoxide kim loại M(OR)z Đó lμ các phản ứng thế ái nhân được

mô tả bằng phương trình phản ứng tổng quát như sau:

Si(OR)n + M’(X)n’ ⇒ (OR)n-1Si-O-M’(OX)n’-1 + RX

(X= iso-C3H7O; M’=Ti hay Zr) Sau đây lμ phản ứng thuỷ phân vμ ngưng tụ của TEOS

Phản ứng thủy phân:

≡ Si - O - C2 H5 + H2O → ≡ Si - OH + C 2H5 OH

Phản ứng ngưng tụ :

Loại ancol:

≡ Si - O - C2 H5 + ≡Si-OH → ≡ Si - O -Si ≡ + C2 H5 OH

Loại nước:

≡Si-OH + ≡Si-OH → ≡ Si - O -Si ≡ + H2O

1.6 Huỳnh quang của các ion đất hiếm

Các nguyên tố hiếm lμ những kim loại được đặc trưng bởi sự lấp

đầy lớp điện tử 4f Dãy nguyên tố nμy bắt đầu từ Lantan (La, Z = 57,

[Xe] 6s25d) v kết thúc bằng Lutexi (Lu, Z = 71, [Xe] 6s2 5d 4f14)

dầy với 60 lớp (cỡ 3 μm), có độ ổn định vμ độ đồng nhất cao Với

điều kiện công nghệ đã xác lập, có thể chế tạo hệ mμng đa lớp với độ tổn hao dẫn quang thấp đến 0,85 dB/cm

4 Cơ chế hình thμnh mμng thủy tinh vô định hình của hỗn hợp oxit SiO2/TiO2 vμ SiO2/ZrO2 đã được nghiên cứu theo tiến trình ủ nhiệt Đây lμ quá trình biến đổi hóa học, loại nước (H2O) vμ các phân loại hữu cơ vμ dung môi Đến một nhiệt độ nhất định (900oC) xảy ra sự phá vỡ các cấu trúc không bền nhiệt hình thμnh các vi tinh thể của các oxit Titan hoặc oxit Zircon Đây chính lμ nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự tăng tính không đồng đều của mμng, lμm tăng tổn hao dẫn sóng quang do quá trình tán xạ

5 Chúng tôi đã giải quyết vấn đề giảm được nhiệt độ xử lý, đồng thời xúc tiến quá trình phân hủy nhóm OH, kìm hãm quá trình hình thμnh vi tinh thể của các oxit Titan vμ Zircon khi pha nhôm (Al3+) vμo hỗn hợp oxit SiO2/TiO2 vμ SiO2/ZrO2 Tạo cơ sở chế tạo được các mμng oxit đa lớp có độ đồng nhất cao vμ phát huỳnh quang mạnh vùng cửa sổ thông tin thứ 3

6 Luận án cũng góp phần lμm sáng tỏ cơ chế phát quang của ion

Er3+ Đây lμ quá trình phát quang đồng thời ở vùng hồng ngoại

1500 nm do chuyển dịch từ mức năng lượng 4I13/2 xuống 4I15/2 Các quá trình phát quang hồng ngoại lμ ưu tiên Kết hợp các biện pháp xử lý nhiệt nhanh, dùng nhôm để pha loãng có thể đưa nồng

độ ion Er3+ lên tới 0,75 %

7 Khi có mặt ion Yb3+, quá trình phát quang hồng ngoại của ion

Er3+ cũng được tăng cường, do quá trình truyền năng lượng từ ion

Yb3+ Vai trò của nhôm, tác nhân pha loãng kìm hãm hình thμnh

vi tinh thể oxit Titan vμ oxit Zircon ở nhiệt độ cao, cũng như tăng

hao của mμng đa lớp SiO2/ZrO2 (83/17) pha Er3+ được trình bμy trong

bảng 4.3 Mμng SiO2/ZrO2 (83/17) Er3+ với số lớp nhúng lμ 60 lớp đo

ở bước sóng 632,8 nm, có độ tổn hao quang học lμ 0,85 dB/cm; ở

bước sóng 1330 nm, có độ tổn hao quang học lμ 1,88 dB/cm (d=3,5

μm, n = 1,49)

Bảng 4.3: Độ tổn hao quang học của một số mμng đa lớp

(dB/cm)

2,24 (632,8 nm)

Kết luận

1 Chúng tôi đã tổng hợp thμnh công vật liệu dẫn sóng cấu trúc

planar của SiO2/TiO2, SiO2/ZrO2 vμ SiO2/TiO2, SiO2/ZrO2 hoạt

hóa với nồng độ cao của ion Er3+ Xây dựng được quy trình mới

chế tạo hệ vật liệu dẫn sóng tích cực phát quang mạnh ở vùng

hồng ngoại, thỏa mãn yêu cầu chế tạo linh kiện khuếch đại quang

tích hợp cho công nghệ thông tin hiện đại Tính chất dẫn sóng

tích cực của hệ vật liệu dưới dạng mμng đa lớp đạt trình độ tiên

tiến hiện nay

2 Quá trình tổng hợp sol gel 2 giai đoạn đã được tìm hiểu vμ sử

dụng để chế tạo vật liệu dẫn sóng tích cực với kỹ thuật tạo phức

để kiểm soát được độ nhớt của dịch, chiết suất vμ độ truyền qua

cao ở vùng cửa sổ thông tin hồng ngoại 1500 nm

3 Công nghệ trải mμng nhúng phủ (dip - coating) được phát triển vμ

đã xác định được các điều kiện công nghệ tối ưu chế tạo mμng

7

Sự che chắn các điện tử 4f bởi các lớp bên ngoμi 5s vμ 5p tạo cho chúng có đặc tính ion hơn vμ các tính chất quang phổ rất phong phú Ion Er3+ có cấu hình điện tử dạng: [Xe] 4f115s25p6 Lớp 4f có 11

điện tử, có mômen quỹ đạo L = 6, mômen spin S = 3/2 Trạng thái cơ bản của ion Er3+ lμ 4I15/2 Ion Er3+ có phổ phát xạ trải rộng từ vùng khả kiến tới vùng hồng ngoại Nó có phát xạ xanh lá cây gây bởi dịch chuyển 4S3/2 → 4I15/2 vμ được quan sát trong các chất huỳnh quang chuyển

đổi ngược, hoặc phát xạ mầu đỏ gây bởi dịch chuyển 4F9/2 → 4I15/2 với một

số vật liệu nền ví dụ như SiO2-TiO2

Ion Er3+ được pha tạp trong các sợi quang học với nồng độ (vμi trăm ppm) đóng vai trò quan trọng như bộ khuếch đại quang học tại 1,55μm (tương ứng với dịch chuyển 4I13/2 → 4I15/2) Sự đảo mật độ cư trú được quan sát giữa các mức thấp hơn 4I13/2 v trên mức 4I15/2 Công nghệ nμy đã được phát triển cho các khuếch đại quang học trong ngμnh thông tin quang sợi khoảng cách dμi

Ion Yterbi (Yb3+) có cấu hình điện tử dạng: [Xe] 4f135s25p6 Có

13 điện tử ở lớp 4f Mô men quỹ đạo L = 3, momen spin S = 1/2 Do

sự tương tác spin quỹ đạo ion Yb3+ có 2 mức năng lượng ứng với các trạng thái cơ bản vμ trạng thái kích thích lμ J = 7/2 vμ J = 5/2 Vùng hấp thụ hồng ngoại của ion Yb3+ gần 1μm do sự dịch chuyển của các chuyển dời 5F5/2 – 5F7/2 của ion Yb3+ Chính vì lý do nμy mμ nó được

sử dụng như chất tăng nhậy cho ion Er3+

Chương 2 Chế Tạo vμ Kĩ thuật thực nghiệm nghiên

cứu tính chất vật liệu dẫn sóng cơ sở Silica/Titania Silica/Zirconia

2.1 Chế tạo vật liệu dẫn sóng

Hệ vật liệu được chế tạo trong luận án lμ: Silica/Titania (SiO2/TiO2)

v Silica/Zirconia (SiO2/ZrO2) Quá trình thực nghiệm chế tạo một vật

liệu dẫn sóng bao gồm 3 bước chính : Tổng hợp dung dịch, chế tạo

m ng vμ quá trình xử lý nhiệt

Áp dụng phương pháp sol gel, điều chỉnh các điều kiện phản ứng

thuỷ phân vμ ngưng tụ, chúng tôi tiến hμnh điều chế hai hệ vật liệu

SiO2/TiO2 v SiO2/ZrO2 dựa trên các hợp chất cơ kim của Silic, Titan

vμ Zircon Các tiền chất ban đầu sử dụng để chế tạo hai hệ vật liệu

trên lμ TetraEthoxysilane [TEOS], Titanium isopropoxide (TPOT) v

Zirconium (IV) iso propoxide [ZOP] Đặc biệt trong phản ứng sol gel

với yếu tố nền lμ Silic vμ các yếu tố điều chỉnh chiết suất lμ Titan

hoặc Zircon, do tốc độ thủy phân của chúng rất khác nhau, nên phải

tiến hμnh thủy phân 2 giai đoạn

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phản ứng tạo dịch được khảo

sát tỷ mỷ như xúc tác, độ pH, tỷ lệ nước / tiền chất, thμnh phần cấu

tử, nhiệt độ, dung môi nhằm tìm ra chế độ tối ưu tổng hợp dung

dịch của hai hay nhiều cấu tử có độ đồng nhất cao vμ bền với thời

gian lưu giữ Một số tác nhân tạo phức khác nhau đã được chọn như

axetylaxeton (ACT) với TPOT, axit methacrylic (MAA) với ZOP để

kìm hãm quá trình thuỷ phân ban đầu của TPOT vμ ZOP, tránh kết

tủa hydroxít kim loại không mong muốn

Một số biện pháp đã được tiến hμnh lμm bền vững hóa dung dịch

sol thu được như: Điều chỉnh pH, thay thế dung môi, hay hạ nhiệt độ

xuống thấp, trong đó các dịch (1-x) SiO2 / x TiO2; (1-x) SiO2 / x ZrO2

được bảo quản ở nhiệt độ 6oC, có thể sử dụng để phủ mμng chất

lượng cao trong thời gian từ 4 đến 6 tuần Các mμng được tạo trên đế

Silic đơn tinh thể hoặc trên đế thạch anh tổng hợp

0 30 60 90 120

Power = 500 mW

T = 300 K

λ (nm)

1 2

0

50 100 150 200 250 300 350

λexc= 514 nm Power = 500 mW

T = 300 K

λ (nm)

1 2 3

Hình 4.8: Phổ huỳnh quang của

(10) [1] vμ SiO 2 /TiO 2 (92/08)

đồng pha tạp Er 3+ , Al(10) vμ Yb (12,5) [2] ủ ở 950 o C

Hình 4.9: Phổ huỳnh quang của

không có Al 3+ [3], có Al 3+ (6) [2], vμ đồng pha tạp Er 3+ , Al(6)

vμ Yb (12,5) [1] ủ ở 850 o C

4.5 Thời gian sống huỳnh quang của vật liệu

2 4 6 8 10121416182022242628303234363840 0.01563

0.03125 0.0625 0.125 0.25 0.5 1

Thời gian (ms)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 0.01563

0.03125 0.0625 0.125 0.25 0.5 1

Thời gian (ms)

Hình 4.14: Thời gian sống huỳnh quang của SiO 2 /TiO 2 (92/08) pha Er 3+ ủ ở 880 o C

Hình 4.15: Thời gian sống huỳnh quang của mẫu SiO 2 /ZrO 2 (83/17) pha Er 3+ ủ ở 850 o C

Hình 4.14 vμ 4.15 trình bμy thời gian sống của SiO2/TiO2 (92/08) pha Er3+ ủ ở 880oC lμ 7,4 mili giây vμ của SiO2/ZrO2 (83/17) pha Er3+

ủ tại 850oC lμ 4,9 mili giây

4 6 Hiệu suất dẫn sóng quang

Độ dầy của mμng SiO2/TiO2 (92/08) Er3+ (0,75 %) Al3+(10%)

Yb3+ (0,825%) chưa xử lý nhiệt lμ 585 nm Khi ủ tại 850oC có độ dầy

377 nm Tương tự, độ dầy của mμng SiO2/ZrO2 (83/17) Er3+ (0,75 %)

Al3+ (6%) Yb3+ (0,825 %) chưa xử lý nhiệt lμ 1,01μm Mμng ủ tại

850oC có độ dầy 0,721μm Kết quả đo độ dầy, chiết suất vμ độ tổn