Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của Thulium trong vật liệu gốm thủy tinh Tellurite ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA

Mục đích của đề tài là nghiên cứu chế tạo vật liệu đơn tạp Tm3+; các đồng pha tạp Tm3+/Ho3Tm3+/Ho3+/Yb3+ trên nền vật liệu gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nanocrystal, được tổng hợp từ thành phần chính TeO2–Al2O3–BaF2–Na2O. Đồng thời, nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của sợi Thulium ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA thông qua các sự kết hợp của các đồng pha tạp Tm3+/Ho3+, Tm3+/Ho3+/Yb3+ và thông qua cơ chế, quá trình chuyển giao năng lượng giữa Ho3+, Tm3+và Yb3+.

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

Đoàn Thị Phúc

NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI CỦA THULIUM TRONG VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH

TELLURITE ỨNG DỤNG CHO BỘ KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG

TDFA

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Khánh Hòa – 2020

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

Đoàn Thị Phúc

NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI CỦA THULIUM TRONG VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH TELLURITE ỨNG DỤNG CHO BỘ KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG

Khánh Hòa – 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn:

“Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của Thulium trong vật liệu gốm thủy tinh Tellurite ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA” là trung thực và không có bất kỳ sự sao chép hay sử dụng để bảo vệ một học vị nào Tất cả sự giúp đỡ cho việc xây dựng cơ sở lý luận cho bài luận đều được trích dẫn đầy đủ và ghi rõ nguồn gốc và được phép công bố

Học viên

Đoàn Thị Phúc

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn, tác giả đã nhận được sự động viên, khuyến khích và tạo điều kiện giúp đỡ nhiệt tình của các cấp lãnh đạo, thầy cô giáo, anh chị em, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

Đặc biệt, với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn TS Hồ Kim Dân đã tận tình hướng dẫn cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo, các Khoa, Phòng của Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện để chúng tôi hoàn thành chương trình thạc sỹ

Tôi xin chân thành cảm ơn Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) tạo điều kiện để chúng tôi hoàn thành chương trình thạc sỹ

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo của Viện nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang đã nhiệt tình và tạo điều kiện thuận lợi để giúp tôi hoàn thành khóa học

Trong quá trình làm luận văn không thể tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót, tôi rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn của quý thầy cô và bạn bè để luận văn hoàn thiện hơn

Học viên

Đoàn Thị Phúc

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

microscopy

Kính hiển vi điện tử xuyên qua

DTA

Differential thermal analysis

Phân tích nhiệt vi sai

XRD X-ray diffraction Thiết bị nhiễu xạ tia X

O/E Optical - Electric Converter Bộ chuyển đổi quang

FWHM

Full Width at Half Maximum

Một nửa giá trị cực đại của hàm truyền đạt

DANH MỤC CÁC BẢNG

Chương 1:

Bảng 1.1 Sự phân chia các băng tần trong WDM 15 Bảng 1.2 Bảng so sánh giữa CWDM và DWDM 17 Chương 2:

Bảng 2.1 Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho các mẫu thủy tinh Tellurite: 50TeO2–(23-x)Al2O3–17BaF2–10Na2O–xTm2O3 28 Bảng 2.2 Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho các mẫu thủy tinh Tellurite: 50TeO2–(21-x)Al2O3–17BaF2–10Na2O–xHo2O3- 2Yb2O3 28 Bảng 2.3 Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho mẫu thủy tinh Tellurite: 50TeO2–(22.5-x)Al2O3–17BaF2–10Na2O–xTm2O3-0.5 Ho2O3 29 Bảng 2.4: Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho mẫu thủy tinh Tellurite: 50TeO2–(22.5-x)Al2O3–17BaF2–10Na2O–0.5Tm2O3-xHo2O3 29 Bảng 2.5 Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho mẫu thủy tinh Tellurite: 50TeO2–(19.5-z)Al2O3–17BaF2–10Na2O–0.5Tm2O3–ZHo2O3–3Yb2O3 30 Bảng 2.6 Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho mẫu thủy tinh Tellurite: 50TeO2–(22-x)Al2O3–17BaF2–10Na2O–0.5Tm2O3–0.5Ho2O3–xAgNPs 30 Bảng 2.7 Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho mẫu thủy tinh Tellurite: 50TeO2–(19-q)Al2O3–17BaF2–10Na2O–0.5Tm2O3–0.5Ho2O3– 3Yb2O- xAgNPs 31

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sự tăng trưởng về tích tốc đô-khoảng cách (B.L) trong khoảng thời gian 1850 đến 2000 Mỗi dấu tròn đen đánh dấu sự xuất hiện của một

công nghệ mới 8

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang 9

Hình 1.3 Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang 10

Hình 1.4 Cấu trúc tổng quát sợi quang 11

Hình 1.5 Các cửa sổ có suy hao thấp sử dụng trong WDM 15

Hình 1.6 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM 16

Hình 1.7 Bộ khuếch đại TDFA 20

Hình 1.8 Các hiện tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b) Phát xạ tự phát (c) Phát xạ kích thích 21

Hình 1.9 Cơ chế bơm của TDFA được bơm 1050nm 22

Hình 1.10 Ứng dụng của khuếch đại quang TDFA 23

Hình 1.11 Sự sắp xếp trong cấu trúc của một phân tử gốm thủy tinh 25

Hình 2.1 Biểu đồ xác định thành phần trạng thái thủy tinh TeO2–Al2O3– BaF2–Na2O từ 3 thành phần chính TeO2, Al2O3, BaF2 27

Hình 2.2 Ảnh mẫu thủy tinh TABN-0.5Tm nguyên thủy sau khi đun nóng chảy đổ ra khuôn 34

Hình 2.3 Hình ảnh chụp một vài mẫu thủy tinh thu được trong quá trình thí nghiệm 34

Hình 2.4 Quy trình thí nghiệm tạo mẫu gốm thủy tinh, phân tích DTA, XRD, và đo đạc các thông số quang phổ, lifetime 35

Hình 2.5 Giao diện sử dụng phần mềm TA-60 kèm theo thiết bị đo Shimadzu DTA-60AH để phân tích nhiệt DTA 36

Hình 2.6 Kết quả phân tích nhiệt DTA của thủy tinh TABN 36

Hình 2.7 Kết quả phân tích phổ nhiễu xạ (XRD) của thủy tinh TABN 37

Hình 2.8 Mối quan hệ giữa kích thước tinh thể nano BaF2 và nhiệt độ xử lý nhiệt 38

Hình 2.9 Kết quả phân tích TEM của mẫu gốm thủy tinh TABN-570 39

Hình 2.10 Kết quả phân tích HRTEM của mẫu gốm thủy tinh TABN-57 39

Hình 2.11 Giao diện sử dụng phần mềm UV/VIS Hitachi U-4100 đo quang phổ hấp thụ 40 Hình 2.12 Giao diện sử dụng phần mềm ZOLIX-SBP300 đo quang phổ phát xạ cận hồng ngoại 41 Hình 2.13 Giao diện sử dụng phần mềm FLS-980 kèm theo thiết bị Edinburgh Instruments FLS980 dùng đo thời gian sống 42 Hình 3.1 Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Tm3+ trong mẫu thủy tinh Tellurite TABN-0.5Tm 44 Hình 3.2 Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại (NIR) của đơn tạp Tm3+ trong mẫu thủy tinh Tellurite TABN-0.5Tm 45 Hình 3.3 Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại (NIR) của đơn tạp Tm3+ trong mẫu thủy tinh TABN-0.5Tm-glass và các mẫu gốm thủy tinh TABN-0.5Tm-530, TABN-0.5Tm-542, TABN-0.5Tm-560, TABN-0.5Tm-570 46 Hình 3.4 Mối quan hệ giữa nhiệt độ xử lý nhiệt và cường độ phát xạ cận hồng ngoại của Tm3+ tại 1454 nm và 1801 nm 47 Hình 3.5 Giản đồ các mức năng lượng của Tm3+ và các chuyển tiếp của phát xạ NIR đơn tạp Tm3+

48 Hình 3.6 Quang phổ hấp thụ của đồng pha tạp Ho3+/Yb3+ trong mẫu gốm thủy tinh Tellurite TABN-0.2Ho2Yb chứa tinh thể nano BaF2 49 Hình 3.7 Quang phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Ho3+/Yb3+ trong các mẫu

gốm thủy tinh Tellurite TABN-xHo2Yb (x = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, và 1.0 mol %) dưới kích thích bước sóng 980 nm LD 50 Hình 3.8 FWHM của quang phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Ho3+/Yb3+trong khoảng bước sóng 1400 nm đến 2200 nm dưới bước sóng kích thích 980 nm LD 51 Hình 3.9 Giản đồ các mức năng lượng của Ho3+, Yb3+ và các chuyển tiếp của phát xạ NIR đồng pha tạp Ho3+

/Yb3+ 52 Hình 3.10 Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Ho3+, đơn tạp Tm3+, đồng pha tạp

Ho3+/Tm3+, đồng pha tạp Ho3+

/Tm3+/Yb3+ trong gốm thủy tinh TABN 53

Hình 3.11 FWHM của quang phổ phát xạ NIR của đơn tạp Tm3+, đơn tạp

Ho3+ và đồng pha tạp Tm3+

/Ho3+, dưới kích thích của bước sóng 808 nm

LD 54 Hình 3.12 Quang phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Tm3+/Ho3+ trong mẫu thủy tinh TABN-0.5TmxHo (x = 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.2 và 1.5 mol %) dưới kích thích của bước sóng 808 nm LD 56 Hình 3.13 Giản đồ các mức năng lượng của Tm3+, Ho3+, Yb3+ và các chuyển tiếp phát xạ NIR của đơn tạp Tm3+

, Ho3+, Yb3+ và đồng pha tạp

Tm3+/Ho3+, Tm3+/Ho3+/Yb3+ 57 Hình 3.14 Quang phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Tm3+/Ho3+ trong các mẫu gốm thủy tinh TABN-yTm0.5Ho (y = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 và 0.6 mol %) dưới kích thích của bước sóng 808 nm LD 58 Hình 3.15 Quang phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Tm3+/Ho3+/Yb3+ trong các mẫu gốm thủy tinh TABN-0.5TmzHo3Yb (z = 0.5, 0.7, 0.9, 1.2 và 1.5 mol %) dưới kích thích của bước sóng 980 nm LD 59 Hình 3.16 Thời gian sống của của Ho3+ trong các mẫu thủy tinh các mẫu gốm thủy tinh TABN-0.5TmzHo (z = 0.5, 0.7, 0.9, 1.2 và 1.5 mol %) dưới kích thích của bước sóng 808 nm LD 60 Hình 3.17 Kết quả phân tích TEM của mẫu gốm thủy tinh TABN-0.5Tm0.5Ho-2Ag khi xử lý nhiệt ở 570 o

C 61 Hình 3.18 Quang phổ hấp thụ của các mẫu gốm thủy tinh TABN-0.5Tm0.5Ho, TABN-0.5Tm0.5Ho3Yb và TABN-0.5Tm0.5Ho3Yb-2Ag 62 Hình 3.19 Quang phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Tm3+/Ho3+ trong mẫu thủy tinh TABN-0.5Tm0.5Ho-pAgNPs (p = 2, 4, 6, 8 và 10 mol %) dưới kích thích của bước sóng 808 nm LD 63 Hình 3.20 Mối quan hệ giữa cường độ phát xạ NIR của đồng pha tạp

Tm3+/Ho3+ với nồng độ mol % của AgNO3 khi kích thích bước sóng 808

nm LD 64 Hình 3.21 Quang phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Tm3+/Ho3+ trong mẫu thủy tinh TABN-0.5Tm0.5Ho3Yb-qAgNPs (q = 2, 4, 6, 8 và 10 mol %) dưới kích thích của bước sóng 980 nm LD 65

Hình 3.22 Mối quan hệ giữa cường độ phát xạ NIR của đồng pha tạp

Tm3+/Ho3+/Yb3+ với nồng độ mol % của AgNO3 khi kích thích của bước sóng 980 nm 66 Hình 3.23 Giản đồ các mức năng lượng của Tm3+, Ho3+, Yb3+ và các chuyển tiếp phát xạ NIR của đơn tạp Tm3+

, Ho3+, Yb3+ thông qua AgNPs 67

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 7

1.1 TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG 7

1.1.1 Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang 7

1.1.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của sợi quang 11

1.1.3 Các công nghệ truyền dẫn quang 12

1.2 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG (WDM) 14

1.2.1 Tổng quan về kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) 14 1.2.2 Nguyên lí hoạt động của hệ thống WDM 15

1.2.3 Phân loại kỹ thuật ghép kênh WDM 17

1.2.4 Ứng dụng của kỹ thuật ghép kênh WDM 17

1.3 BỘ KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG TDFA 18

1.3.1 Tổng quan về bộ khuếch đại quang TDFA 18

1.3.2 Nguyên lý hoạt động của TDFA 21

1.3.3 Ứng dụng của bộ khuếch đại quang TDFA 23

1.4 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH GLASS-CERAMICS 24

1.4.1 Tổng quan về vật liệu thủy tinh 24

1.4.2 Tổng quan về vật liệu gốm thủy tinh 25

CHƯƠNG 2 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1 GIỚI THIỆU 27

2.2 VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM 27

2.3 QUY TRÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC, PHÂN TÍCH THÍ NGHIỆM 33

2 3.1.Quy trình thí nghiệm 33

2.3.2 Phân tích nhiệt DTA 35

2.3.3 Đo XRD, TEM 37

2

2.3.4 Phân tích quang phổ hấp thụ 39

2.3.5 Phân tích quang phổ phát xạ cận hồng ngoại 40

2.3.6 Phân tích lifetimes 41

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44

3.1 NGHIÊN CỨU BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI CỦA ĐƠN TẠP Tm3+ TRONG VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH TELLURITE CHỨA TINH THỂ NANO BaF2 44

3.1.1 Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Tm3+ trong gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nano BaF2 44

3.1.2 Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của đơn tạp Tm3+ trong gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nano BaF2 45

3.1.3 Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của đơn tạp Tm3+ trong gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nano BaF2 khi xử lý nhiệt độ 46

3.2 NGHIÊN CỨU BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI CỦA ĐỒNG PHA TẠP Ho3+ /Yb3+ TRONG VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH TELLURITE CHỨA TINH THỂ NANO BaF2 48

3.2.1 Quang phổ hấp thụ của đồng pha tạp Ho3+/Yb3+ trong gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nano BaF2 49

3.2.2 Quang phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Ho3+/Yb3+ trong gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nano BaF2 50

3.2.3 Giản đồ mức năng lượng và quá trình chuyển giao năng lượng giữa Ho3+ và Yb3+ 51

3.3 NGHIÊN CỨU BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI ĐỒNG PHA TẠP Tm3+ /Ho3+/Yb3+ TRONG VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH TELLURITE CHỨA TINH THỂ NANO BaF2 52

3.3.1 Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Ho3+, đơn tạp Tm3+, đồng pha tạp Ho3+/Tm3+, đồng pha tạp Ho3+ /Tm3+/Yb3+ trong gốm thủy tinh TABN 52 3.3.2 Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đơn tạp Ho3+, đơn tạp Tm3+ và đồng pha tạp Ho3+ /Tm3+ trong gốm thủy tinh TABN 54

3.4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA AgNPs ĐẾN BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI CÁC ĐỒNG PHA TẠP Tm3+ /Ho3+/Yb3+ TRONG VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH TELLURITE CHỨA TINH THỂ BaF2 61

3.4.1 Kết quả phân tích TEM 61

3.4.2 Quang phổ hấp thụ của các đồng pha tạp Tm3+/Ho3+ và Tm3+/Ho3+/Yb3+ dưới sự ảnh hưởng của AgNPs 62

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 67

3

4.1 KẾT LUẬN 69 4.2 KIẾN NGHỊ 70 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

4

MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự ra đời và phát triển nhanh chóng của các dịch vụ trên mạng internet, các ứng dụng đa phương tiện,…đòi hỏi các mạng truyền thông phải phát triển về phần cứng lẫn phần mềm Nhiều công nghệ, kỹ thuật đã ra đời nhằm đáp ứng yêu cầu về băng thông để tăng lưu lượng truyền dẫn

Công nghệ ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (WDM: Wavelength Division Multiplexing) với những ưu thế vượt trội đã được triển khai ứng dụng nhiều trong các hệ thống truyền dẫn quang WDM cho phép truyền dẫn nhiều dạng tín hiệu khác nhau trên cùng một sợi quang

Trong các hệ thống truyền dẫn quang, khi khoảng cách truyền dẫn lớn thì tín hiệu truyền đi suy giảm bởi sự phân tán và tổn thất trong sợi quang Vì vậy, cần phải có giải pháp để bù lại tổn thất, suy giảm trong sợi quang Để thực hiện điều này, các bộ khuếch đại quang được sử dụng để khuếch đại tín hiệu để bù lại sự suy giảm tín hiệu trong sợi quang

Các hệ thống truyền dẫn quang thực tế thường dùng dựa trên các bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium (EDFA), với băng tần S (1460 – 1530 nm) và băng tần C (1530 – 1565 nm) Tuy nhiên, khi lưu lượng thông tin trong hệ thống truyền thông quang sử dụng WDM tăng nhanh, cần phải mở rộng phạm vi bước sóng và phát triển các bộ khuếch đại trong dải băng tần L (1565 – 1625 nm) và băng tần U (1625 – 1675 nm) Bộ khuếch sợi quang pha tạp Thulium (TDFA) được phát triển mở rộng băng thông của bộ khuếch đại EDFA trong dải bước sóng cận hồng ngoại

Từ những cơ sở trên, tôi chọn đề tài: “ Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của Thulium trong vật liệu gốm thủy tinh Tellurite ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA”

Trong đề tài này tác giả tập trung nghiên cứu băng thông cận hồng ngoại của các đơn tạp Tm3+, Ho3+ và các đồng pha tạp Tm3+

/Ho3+,

Tm3+/Ho3+/Yb3+ trong vật liệu gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nanocrystal Đồng thời, nghiên cứu ảnh hưởng của AgNPs đến băng thông cận hồng ngoại của đồng pha tạp Tm3+/Ho3+/Yb3+ trong vật liệu gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nanocrystal ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang

5

TDFA với phạm vi bước sóng từ khoảng 1450 nm đến 1800 nm

Cơ sở khoa học của đề tài :

+ Đề tài nghiên cứu, phát triển vật liệu dựa trên những kiến thức có sẵn từ

những tài liệu khoa học về vật lý chất rắn, bộ khuếch đại sợi quang Đề tài nghiên cứu dựa trên các công trình nghiên cứu khoa học đã được công bố trên các tạp chí khoa học trong nước cũng như quốc tế về vật liệu quang ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA

Cơ sở thực tiễn của đề tài:

+ Nghiên cứu, chế tạo vật liệu gốm thủy tinh Tellurite (Tellurite glass ceramics) với thành phần chính TeO2–Al2O3–BaF2–Na2O (viết tắt: TABN) được tổng hợp bằng kỹ thuật nóng chảy thông thường

+ Nghiên cứu, chế tạo, đưa các thành phần đơn tạp Yb3+

, Ho3+và Tm3+; các đồng pha tạp Tm3+

/Ho3+, Tm3+/Ho3+/Yb3+ vào vật liệu gốm thủy tinh Tellurite chứa tinh thể nanocrystal để tạo ra vật liệu có thể ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA với phạm vi bước sóng từ khoảng 1450 nm đến

1800 nm

+ Nghiên cứu, chế tạo mở rộng băng thông cận hồng ngoại của sợi Thulium để ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang TDFA thông qua các cơ chế kết hợp của các đồng pha tạp Tm3+

/Ho3+, Tm3+/Ho3+/Yb3+ và thông qua quá trình chuyển giao năng lượng giữa Ho3+

/Ho3+, Tm3+/Ho3+/Yb3+ và thông qua cơ chế, quá trình chuyển giao năng lượng giữa Ho3+

, Tm3+ và Yb3+

Ngoài ra, đề tài cũng nghiên cứu ảnh hưởng của AgNPs đến cường độ phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Tm3+

/Ho3+/Yb3+ trong vật liệu gốm

Chương 2: Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 4: Kết luận rút ra từ kết quả nghiên cứu của luận văn và kiến nghị

7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG

1.1.1 Tổng quan về kỹ thuật thông tin quang

1.1.1.1 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang

Lịch sử thông tin đã trải qua nhiều hệ thống thông tin khác nhau với các tên gọi theo môi trường truyền dẫn hoặc tính chất dịch vụ của hệ thống như là

hệ thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh và hệ thống thông tin quang (hay nói cách khác là có các hệ thống hữu tuyến và hệ thống

vô tuyến) Các hệ thống sau được phát triển dựa trên các hệ thống trước đó, nhưng được cải tiến và hoàn thiện hơn, chúng có cự ly xa hơn, tốc độ cao hơn, độ linh hoạt và chất lượng hệ thống cũng được cải thiện nhằm thoả mãn nhu cầu của con người Các hệ thống cáp đồng trục, hệ thống vi ba, hệ thống thông tin vệ tinh có những ưu, nhược điểm riêng Hệ thống thông tin quang là

hệ thống thông tin sử dụng tín hiệu ánh sáng và sợi quang để truyền tin đi xa Các sóng ánh sáng được sử dụng để truyền tin chủ yếu trong các cửa sổ truyền sóng của thông tin quang là 0,8÷0,9 µm, 1÷1,3 µm và 1,5÷1,7 µm [1]

Quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang được khái quát như sau:

Từ xưa, con người đã biết dùng ánh sáng để báo hiệu cho nhau biết như dùng lửa, ngọn hải đăng nhưng khi đó chưa có khái niệm về hệ thống thông tin quang Đầu những năm 70 thì ra đời máy điện báo quang Thiết bị này sử dụng khí quyển như một môi trường truyền dẫn, nên chịu ảnh hưởng của các điều kiện về thời tiết Để khắc phục hạn chế này thì Marconi đã sáng chế ra máy điện báo vô tuyến có khả năng thực hiện trao đổi thông tin giữa người gửi và người nhận ở cách xa nhau Sau đó, A G.Bell đã phát minh ra Photophone, ông đã truyền tiếng nói trên một chùm ánh sáng và có thể truyền tín hiệu tiếng nói trên 213m Đến đầu những năm 80 thì các hệ thống thông tin đường trục 45 và 90 Mbit/s sử dụng sợi quang được lắp đặt, cuối những năm 80 thì ra đời hệ thống 1,2÷2,4 Gbit/s và chuẩn SONET [1] Hiện nay, sợi quang có suy hao α ≤ 0,2 dB/km ở bước sóng 1550nm, và có những loại sợi đặc biệt có suy hao rất thấp [1] Các hệ thống quang được ứng dụng rộng rãi

trên khắp thế giới với năm thế hệ:

8

Thế hệ thứ nhất hoạt động ở bước sóng 800nm có tốc độ truyền dẫn là 45/95 Mb/s (ở Mỹ), 34/140 Mb/s (ở Châu Âu), 32/100Mb/s (ở Nhật) với

khoảng lặp là 10km [1]

Thế hệ thứ hai làm việc ở bước sóng 1300nm có tốc độ 400÷600 Mb/s

và có thể đạt tới 4Gb/s với khoảng cách lặp là khoảng 40km [1]

Thế hệ thứ ba sử dụng laser bán dẫn hoạt động ở bước sóng 1550nm với suy hao trên sợi quang khoảng 0,2 dB/km, nhưng có hệ số tán sắc cao, có

thể đạt đến tốc độ khoảng 10Gb/s ở khoảng cách từ 60÷70 km [1]

Thế hệ thứ tư sử dụng khuếch đại quang EDFA, TDFA và ghép kênh quang theo bước sóng WDM để tăng khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn,

có tốc độ khoảng 5Gb/s ở khoảng cách 14300 km và đến năm 2000 đã có thể đạt được tốc độ khoảng 100Gb/s xuyên qua Đại Tây Dương (hệ thống TPC 6)

[1]

Thế hệ thứ năm nhằm giải quyết tán sắc của sợi quang và sử dụng công nghệ khuếch đại quang nên có thể đạt 1,2 Tb/s hay 70Gb/s ở cự ly 9400km (truyền dẫn siliton) [1]

Hình 1.1 Sự tăng trưởng về tích tốc độ-khoảng cách (B.L) trong khoảng thời gian 1850 đến 2000 Mỗi dấu tròn đen đánh dấu sự xuất hiện của một công

nghệ mới

9

Theo thời gian những thay đổi về mặt kỹ thuật công nghệ tạo ra sự tăng trưởng nhanh về năng lực truyền dẫn thông tin Năng lực của một hệ thống thông tin được đánh giá qua tích tốc độ bit và khoảng cách (B.L), trong đó B

là tốc độ bit và L là khoảng cách truyền dẫn giữa thiết bị lặp Việc ra đời các

hệ thống truyền dẫn quang với sự tăng mạnh về năng lực truyền dẫn mở ra thời kỳ mới cho hệ thống mạng viễn thông và được minh họa qua hình 1.1 Hiện nay, các hệ thống thông tin quang đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới Khi công nghệ chế tạo các phần tử quang càng phát triển, hiện đại thì

hệ thống thông tin quang ngày càng có khả năng ứng dụng rộng lớn hơn và

trở thành một lĩnh vực quan trọng trong viễn thông [1]

1.1.1.2 Sơ đồ nguyên lý và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang

Một hệ thống quang được tổ chức như hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát của hệ thống thông tin quang

Nguồn tin bao gồm những dữ liệu hình ảnh, âm thanh, tiếng nói hay

văn bản

Phần tử điện: Có nhiệm vụ biến đổi các nguồn tin ban đầu thành các tín

hiệu điện, các tín hiệu này có thể là tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số

Bộ biến đổi E/O: Biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang để phát đi

(ở đầu phát thông qua hệ thống bức xạ, điều pha, điều tần…)

Sợi quang: Là môi trường truyền tín hiệu quang Sợi quang có yêu cầu

là phải có băng thông rộng, tốc độ cao và suy hao nhỏ

Bộ biến đổi quang điện O/E: Biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện

(ở đầu thu)

Chuyển tiếp tín hiệu: Trên đường truyền thì tín hiệu quang bị suy giảm nên sau một khoảng cách nhất định thì phải thực hiện quá trình chuyển tiếp

tín hiệu bằng cách đặt trạm lặp để khuếch đại tín hiệu quang) [2]

Nguồn

tin

Phần tử điện

Biến đổi E/O

Biến đổi O/E

Phần tử điện

Nguồn tin

10

Khả năng truyền dẫn của hệ thống được đặc trưng bởi băng thông truyền dẫn và cự ly trạm lặp Hệ thống thông tin quang đã vượt xa các hệ

thống thông tin khác ở cả hai yêu cầu trên [1]

Các hệ thống thông tin quang thường phù hợp hơn cho việc truyền dẫn tín hiệu số và hầu hết quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang đều đi theo hướng này Từ đó, cấu trúc cơ bản của hệ thống thông tin quang bao gồm: phần phát quang, phần thu quang và sợi quang được trình bày trong hình 1.3

H

Hình 1.3 Các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang [3]

Phần phát quang: Gồm nguồn quang và mạch điều khiển liên kết với nhau Các mạch điều khiển có thể là bộ điều chế ngoài hay các bộ kích thích tuỳ thuộc vào các kỹ thuật điều biến Nguồn quang tạo ra sóng mang tần số quang, còn các mạch điều khiển biến đổi tín hiệu thông tin thành dạng tín hiệu phù hợp để điều khiển nguồn sáng theo tín hiệu mang tin Có hai loại nguồn sáng được sử dụng phổ biến trong thông tin quang là LED (Light Emitting

Diode) và LD (Laser Diode)[2,3]

Cáp quang: Gồm các sợi quang và các lớp vỏ bọc xung quang để bảo vệ khỏi tác động có hại từ bên ngoài So với các môi trường truyền dẫn khác thì

Mạch điều khiển

Nguồn phát quang

Thu quang

Các thiết bị khác Bộ chia quang

Máy phát

Bộ nối quang Mối hàn sợi

Sợi quang

Chuyển đổi tín hiệu

Đầu thu quang

Trạm lặp

Máy thu

Khuếch đại quang

Tín hiệu điện Tín hiệu quang

Bộ khuếch đại Phát quang

Mạch điện

11

truyền dẫn bằng sợi quang có nhiều ưu điểm nổi bật hơn đó là: hầu như không chịu ảnh hưởng của môi trường bên ngoài, băng thông truyền dẫn lớn và suy hao nhỏ Với những ưu điểm đó cùng với sự tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực thông tin quang thì sợi quang đã được sử dụng trong các hệ thống truyền đường dài, hệ thống xuyên đại dương Chúng đáp ứng được yêu cầu về khoảng cách và còn có thể đáp ứng được dung lượng truyền dẫn cho phép thực hiện các mạng thông tin tốc độ cao Sợi quang có 3 loại chính: sợi đơn mode, sợi đa mode chiết suất nhảy bậc và sợi đa mode chiết suất biến đổi Tuỳ thuộc vào hệ thống mà sợi quang được sử dụng là loại nào

Phần thu quang: Có chức năng chuyển tín hiệu quang thành nguồn tin

ban đầu Nó bao gồm bộ tách sóng quang, bộ khuếch đại và bộ khôi phục tín hiệu Bộ tách sóng quang thường sử dụng các photodiode như PIN và APD Ngoài ra nếu tuyến quang mà có cự ly dài thì còn có thêm trạm lặp: Bao gồm bộ thu quang, mạch điện tử để khôi phục tái sinh hoặc khuếch đại tín hiệu điện, bộ phát quang [2,3]

Các phần tử phụ: các bộ nối, mối nối, các bộ xen tách kênh

1.1.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của sợi quang

1.1.2.1 Cấu tạo của cáp quang

Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo cơ bản gồm có hai lớp:

- Lớp trong cùng có dạng hình trụ tròn, có đường kính d, làm bằng thủy tinh

có chiết suất n1, được gọi là lõi (core) sợi

- Lớp thứ hai cũng có dạng hình trụ bao quanh lõi nên được gọi là lớp bọc (cladding), có đường kính D, làm bằng thủy tinh hoặc plastic, có chiết suất n 2

< n1 [4]

Hình 1.4 Cấu trúc tổng quát sợi quang

12

1.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của sợi quang

Nguyên lý truyền dẫn chung của sợi quang: Ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần, sợi quang được chế tạo gồm một lõi (core) bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 và một lớp bọc (cladding) bằng thuỷ tinh có chiết suất n2 với n1 >

n2 ánh sáng truyền trong lõi sợi quang sẽ phản xạ nhiều lần (phản xạ toàn phần) trên mặt tiếp giáp giữa lõi và lớp vỏ bọc Do đó ánh sáng có thể truyền được trong sợi có cự ly dài ngay cả khi sợi bị uốn cong với một độ cong có giới hạn

Thông tin được truyền dẫn qua cáp quang bắt đầu ở dạng một dòng điện mang theo một lượng dữ liệu số hoá Một nguồn sáng, thường là nguồn laser, chuyển hoá dòng điện này thành những xung ánh sáng và đưa chúng vào những sợi cáp Ở điểm nhận tín hiệu, một điốt ảnh (thiết bị dò ánh sáng) nhận xung ánh sáng và chuyển hoá chúng thành dòng điện và tái tạo lại thông tin gốc Xung ánh sáng đi qua lõi của sợi quang bằng rất nhiều hướng được gọi là những đường dẫn (mode) bằng cách phản xạ qua lớp sơn bọc ngoài [5]

Trong một sợi cáp quang, những luồng dữ liệu khác nhau được đưa qua lõi của sợi cáp cùng lúc sử dụng những bước sóng thấp khác nhau của ánh sáng cho mỗi luồng Ánh sáng có thể đi theo dạng zic zac đối với khi truyền tin ở khoảng cách ngắn Với khoảng cách xa, những sợi mỏng hơn được sử dụng để truyền tín hiệu ánh sáng qua một đường đi có tính chất định vị hơn và qua thẳng tâm của sợi [5]

1.1.3 Các công nghệ truyền dẫn quang

Với khởi đầu là sự phát triển thành công công nghệ laser và được tiếp nối bằng những tiến bộ trong công nghệ vật liệu và xử lý quang học, truyền tải quang trong mạng viễn thông đã sớm trở thành hiện thực từ những năm

1980 Trong hơn ba mươi năm vừa qua, công nghệ truyền tải quang đã được phát triển nhanh chóng, dung lượng truyền tải tăng lên hơn 10 ngàn lần Quá trình phát triển của công nghệ truyền tải quang được chia thành ba thời kỳ (thế hệ) tương ứng với ba xu hướng tiến bộ công nghệ chính bao gồm:

Thế hệ thứ ba - Công nghệ coherent số: là công nghệ hiện mới trong quá trình nghiên cứu phát triển

Thế hệ truyền dẫn quang thứ nhất bắt đầu từ năm 1980 đến những năm đầu của thập kỷ 90 Trong giai đoạn này, ghép kênh theo thời gian TDM là công nghệ truyền tải chính trong các hệ thống truyền dẫn sợi quang Các hệ thống này, các thiết bị điện và quang tốc độ cao cũng như các bộ khuếch đại quang là chìa khóa để hiện thực các hệ thống truyền dẫn quang đường trục tốc độ cao Các hệ thống này thực hiện ghép kênh TDM lên một bước sóng quang

và có khả năng hỗ trợ truyền tải với dung lượng 10 Gbps [6]

Từ cuối những năm 1990 đến nay, những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ truyền dẫn quang như công nghệ laser, công nghệ khuyếch đại quang và đặc biệt là công nghệ ghép kênh theo bước sóng WDM đã góp phần tạo ra sự đột phá trong quá trình phát triển dung lượng của hệ thống truyền tải quang Tương tự, với kỹ thuật ghép kênh theo tần số trong miền tín hiệu điện, nguyên

lý cơ bản của công nghệ WDM là thực hiện truyền đồng thời các tín hiệu quang thuộc nhiều bước sóng khác nhau trên cùng một sợi quang Do đó, công nghệ WDM cho phép xây dựng những hệ thống truyền tải thông tin quang có dung lượng lớn hơn nhiều so với hệ thống thông tin quang đơn bước sóng Không những thế, công nghệ WDM hiện nay còn có khả năng cho phép mỗi sợi quang mang đồng thời hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn bước sóng (sử dụng DWDM hay ultra-DWDM) và mỗi bước sóng lại có thể truyền dẫn với tốc độ rất cao Hệ thống truyền dẫn WDM mới nhất với 40 bước sóng ở tốc độ 40 Gbps/bước sóng đã bắt đầu được triển khai trong một số mạng lõi,

và dung lượng truyền dẫn tổng đạt đến 1.6 Tbps [6] Công nghệ truyền dẫn WDM hiện đang là công nghệ truyền dẫn chính và trong tương lai gần vẫn sẽ

là công nghệ truyền dẫn nền tảng cho mạng toàn quang

14

Tuy nhiên, để bắt kịp với sự phát triển nhanh chóng của lưu lượng truyền tải trong tương lai, các công nghệ mới hỗ trợ các hệ thống truyền tải quang 10 Tbit/s dựa trên tốc độ 100 Gbps/kênh đang được hướng đến Một trong các công nghệ ứng cử viên hấp dẫn cho các hệ thống WDM tốc độ truyền dẫn nối tiếp 100 Gbps là truyền dẫn coherent số quang trong đó kết hợp tách quang coherent và xử lý tín hiệu số quang [6]

Tóm lại, trên đây đã trình bày các nội dung cơ bản của hệ thống thông tin quang cụ thể là quá trình phát triển của hệ thống thông tin quang, sơ đồ nguyên lý và các phần tử cơ bản của hệ thống thông tin quang, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của sợi quang cũng như các công nghệ truyền dẫn quang

Hệ thống quang đã phát huy những ưu điểm vượt trội của mình và khắc phục những điểm yếu để tạo ra được hệ thống thông tin quang hiện đại có thể đáp ứng được nhu cầu thông tin băng rộng hiện nay Tiêu biểu của các hệ thống đó là hệ thống ghép kênh quang theo bước sóng sẽ được trình bày ở phần 1.2 sau đây

1.2 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG (WDM)

1.2.1 Tổng quan về kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng (WDM)

Định nghĩa WDM (Wavelength Division Multiplexing): WDM là phương thức ghép kênh quang theo bước sóng, cho phép ghép nhiều sóng quang có bước sóng khác nhau nhờ vào một bộ ghép kênh MUX (Multiplexing) rồi truyền trên 1 sợi quang Tại đầu thu thì các bước sóng khác nhau sẽ được tách ra nhờ vào một bộ giải ghép kênh DEMUX (Demultiplexing) ở đầu bên kia của sợi quang Ghép kênh quang phân chia theo bước sóng WDM có thể ghép nhiều bước sóng truyền trên một sợi quang

mà không cần tăng tốc độ truyền dẫn trên một bước sóng Công nghệ WDM tăng băng thông bằng cách tận dụng cửa sổ làm việc của sợi quang trong khoảng bước sóng 1260 nm đến 1675 nm Khoảng bước sóng này được chia

ra làm các băng hoạt động như trong bảng 1.1

15

Bảng 1.1 Sự phân chia các băng tần trong WDM [4]

Băng sóng Phạm vi bước sóng (nm)

Hình 1.5 Các cửa sổ có suy hao thấp sử dụng trong WDM [7]

1.2.2 Nguyên lí hoạt động của hệ thống WDM

Ghép kênh theo bước sóng WDM (Wavelength Devision Multiplexing) là công nghệ “trong một sợi quang đồng thời truyền dẫn nhiều bước sóng tín hiệu quang” Ở đầu phát, nhiều tín hiệu quang có bước sóng khác nhau được

tổ hợp lại (ghép kênh) để truyền đi trên một sợi quang Ở đầu thu, tín hiệu tổ

Hình 1.6 Nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM [4]

Phần phát tín hiệu: Hệ thống WDM sử dụng các nguồn phát quang là các Laser có độ rộng phổ hẹp, phát ra các bước sóng ổn định, mức công suất đỉnh, bước sóng trung tâm, độ rộng phổ, độ rộng dịch tần phải nằm trong giới hạn cho phép

Ghép/tách tín hiệu: Bộ ghép các bước sóng quang OMUX có nhiệm vụ ghép các bước sóng khác nhau λ1, λ2, λ3, , λN từ các nguồn quang khác nhau thành một luồng ánh sáng chung để truyền qua sợi quang Bộ ghép kênh quang này phải có suy hao nhỏ để đảm bảo tín hiệu ở đầu ra của bộ ghép kênh

ít bị suy hao, giữa các kênh phải có khoảng bảo vệ nhất định để tránh nhiễu sang nhau Bộ tách tín hiệu quang ODEMUX có nhiệm vụ phân luồng tín hiệu thu được thành các kênh có bước sóng khác nhau và đi đến đầu thu riêng

Truyền dẫn tín hiệu: Quá trình truyền tín hiệu trong sợi quang chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố: suy hao, tán sắc hay các hiệu ứng phi tuyến mà mức độ ảnh hưởng của mỗi yếu tố phụ thuộc vào loại sợi được sử dụng trong hệ thống

Khuếch đại tín hiệu: Hệ thống WDM chủ yếu sử dụng các bộ khuếch đạilà các bộ khuếch đại quang sợi EDFA hoặc bộ khuếch đại Raman

Phát tín

hiệu

MUX

DE MUX

hiệu

Tách tín hiệu Thu tín hiệu Khuếch đại tín hiệu

Sợi quang

17

Thu tín hiệu: Các hệ thống WDM sử dụng các bộ tách sóng quang là các bộ PIN (Positive Intrinsic Negative) hoặc Diode quang thác APD (Avalanche Photo-Diode) để biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, nó phải tương thích với bộ phát cả về bước sóng và đặc tính điều chế

1.2.3 Phân loại kỹ thuật ghép kênh WDM

Hệ thống thông tin quang WDM có kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng lỏng CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) và kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng mật độ cao DWDM So sánh các thông số cơ bản giữa CWDM và DWDM được thể hiện như bảng 1.2

Nguồn laser DFB (không làm

mát)

DFB (làm mát) Tốc độ dữ liệu/ kênh 2,5 Gbit/s 10 Gbit/s

Tốc độ bít tập trung 40 Gbit/s 320 Gbit/s

1.2.4 Ứng dụng của kỹ thuật ghép kênh WDM

Công nghệ WDM ra đời đã tạo ra một cuộc cách mạng mới trong lĩnh vực truyền thông quang Hiện nay, công nghệ này đã được ứng dụng trên nhiều quốc gia trên thế giới, nâng cao đáng kể dung lượng của hệ thống, đáp ứng được nhu cầu trao đổi thông tin của con người Năm 2001, tập đoàn viễn thông Alcatel của Pháp đã xây dựng được tuyến quang WDM có tốc độ băng

18

thông lên tới 10.2 Tbps bằng cách ghép 256 kênh có băng thông 40 Gbps với

cự ly truyền dẫn lên tới 100 km Hiện nay, cũng bằng công nghệ này, tập đoàn viễn thông Nhật Bản NTT đã xây dựng thành công một tuyến truyền dẫn quang dung lượng 14 Tbps, ghép 140 kênh, mỗi kênh có khả năng truyền thông tin với băng thông 111 Gbps với khoảng cách truyền lên tới 160 km Tập đoàn Alcatel-Lucent cũng đã thực hiện được một đường cáp quang đơn gồm ba chặng (80 km x 3) ghép 16 kênh bằng công nghệ WDM có băng thông tổng cộng là 25.6 Tbps Ở Việt Nam hiện nay, VNPT cũng đang sử dụng công nghệ DWDM tốc độ 80 Gbps trên tuyến đường trục sử dụng bốn bước sóng, mỗi bước sóng có băng thông là 20 Gbps Viettel, EVN Telecom cũng đều đã ứng dụng công nghệ này để truyền dẫn mạng quang đường trục tốc độ 80 Gbps

Trên đây đã trình bày trình bày tổng quan về kỹ thuật ghép kênh phân chia bước sóng (WDM), nguyên lý ghép kênh quang theo bước sóng WDM, phân loại kỹ thuật ghép kênh WDM, ứng dụng của kỹ thuật ghép kênh WDM Trong hệ thống WDM, các yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ thống WDM chính

là suy hao, tán sắc, và các hiệu ứng phi tuyến Ảnh hưởng của suy hao đã được khắc phục bằng việc sử dụng bộ khuếch đai quang sợi pha tạp TDFA được trình bày ở phần 1.3 sau đây

1.3 BỘ KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG TDFA

1.3.1 Tổng quan về bộ khuếch đại quang TDFA

Trong các tuyến truyền dẫn quang thì khi cự ly truyền dẫn xa đến một mức nào đó, suy hao tín hiệu trên đường truyền cũng như suy hao tín hiệu do các thiết bị sẽ làm cho tín hiệu tại đầu thu sẽ khó hoặc không thể khôi phục được Khi đó, phải sử dụng các bộ khuếch đại để khuếch đại tín hiệu trên đường truyền Trước khi các bộ khuếch đại quang ra đời, thì lựa chọn duy nhất cho các tuyến truyền dẫn là sử dụng bộ lặp tái sinh để tái tạo lại tín hiệu, tức là bộ lặp nhận tín hiệu quang, chuyển tín hiệu quang thành tín hiệu điện, khôi phục nó, sau đó, lại chuyển tín hiệu điện đã được khôi phục thành tín

Có nhiều loại khuếch đại quang sợi như bộ khuếch đại quang SLA, bộ khuếch đại Raman, bộ khếch đại Brillouin, bộ khuếch đại EDFA, TDFA, Bộ khuếch đại SLA (Line Amplifier) thực hiện việc khuếch đại ánh sáng thông qua cơ chế bức xạ kích thích giống như cơ chế phát ánh sáng của các laser Bộ khuếch đại Raman sợi lợi dụng hiệu ứng tán xạ Raman có kích thích SRS (Stimulated Raman Scattering) xảy ra trong sợi thủy tinh silic khi có một chùm sóng bơm truyền qua nó Bộ khuếch đại Brillouin có cơ chế tương tự như bộ khuếch đại Raman sợi, nhưng có sự khác biệt là độ khuếch đại quang có từ quá trình tán xạ Brillouin có kích thích SBS (Stimulated Brillouin Scattering) Bộ khuếch đại SLA được bơm điện còn bộ khuếch đại Raman và bộ khuếch đại Brillouin được bơm quang [9]

Các hệ thống viễn thông đường dài thực tế dựa trên các bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium, bao phủ băng tần C (1530 – 1560 nm) và băng tần L (1570 – 1610 nm) Tuy nhiên, khi lưu lượng thông tin trong hệ thống truyền thông quang WDM đang tăng nhanh, cần phải mở rộng phạm vi bước sóng viễn thông và phát triển các bộ khuếch đại trong băng tần S (1460 – 1530

20

nm) Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Thulium (TDFA) được coi là hệ thống truyền dẫn đường dài vì chúng cho phép khuếch đại trong băng tần S nhờ phát xạ Tm3+ ở bước sóng 1470 nm từ quá trình chuyển đổi 3

H 4 3

F4 TDFA sử dụng sợi quang có pha tạp có khả năng khuếch đại được tín hiệu ánh sáng, chúng có thể thay đổi được các đặc tính vật lý của sợi quang theo nhiệt độ, áp suất và có tính chất bức xạ ánh sáng Đặc điểm của sợi này

là chúng có khả năng tự khuếch đại hoặc tái tạo tín hiệu khi có kích thích phù hợp

Hình 1.7 Bộ khuếch đại TDFA Ánh sáng bơm vào từ laser kết hợp với tín hiệu vào nhờ sử dụng bộ ghép WDM Ánh sáng bơm này được truyền dọc theo sợi có pha Thulium và tín hiệu bơm này kích thích các ion Tm3+ lên mức năng lượng cao hơn Sự dịch chuyển mức năng lượng của điện tử từ cao xuống thấp sẽ phát ra photon, được gọi là bức xạ tự phát nếu không có bất cứ tác động nào từ bên ngoài, còn được gọi là bức xạ kích thích khi có mặt của các photon chứa năng lượng bằng năng lượng dịch chuyển Khi tín hiệu dữ liệu được truyền đến TDFA, tín hiệu này gặp các ion Tm3+ đã được kích thích ở mức năng lượng cao [10] Quá trình này làm các ion chuyển từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái mức năng lượng thấp nên phát ra photon, do đó, sẽ khuếch đại công suất tín hiệu lên rồi truyền đi tiếp trong sợi quang

TDFA cho hệ số khuếch đại lớn, công suất ra lớn và nhiễu thấp Trong các hệ thống thông tin quang, để cho các TDFA hoạt động thì cần có nguồn

21

bơm Các nguồn bơm thực tế là các laser diode bán dẫn công suất cao dùng để cung cấp nguồn ánh sáng cho TDFA

TDFA có các đặc điểm sau:

- Một là không có mạch tái tạo thời gian, mạch phục hồi (bộ chuyển đổi O/E và E/O) Do đó, mạch sẽ trở nên linh hoạt hơn

- Hai là công suất nguồn nuôi nhỏ, nên khi áp dụng cho các tuyến thông tin vượt biển, cáp sẽ có cấu trúc nhỏ và nhẹ hơn cáp thường

- Ba là giá thành của hệ thống thấp do cấu trúc của TDFA đơn giản, trọng lượng nhỏ, khoảng lặp và dung lượng truyền dẫn được nâng cao

Ngoài ra, do TDFA có khả năng khuếch đại nhiều bước sóng trong cùng một sợi, nên nó có khả năng tăng dung lượng tốc độ cao khi sử dụng kỹ thuật WDM

1.3.2 Nguyên lý hoạt động của TDFA

Nguyên lý khuếch đại quang trong các bộ khuếch đại quang được thực hiện dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích và không có sự cộng hưởng xảy ra trong quá trình khuếch đại

Hiện tượng phát xạ kích thích là một trong ba hiện tượng biến đổi quang điện được ứng dụng trong thông tin quang Các hiện tượng này được minh họa trên hình 1.8

Hình 1.8 Các hiện tượng biến đổi quang điện (a) Hấp thụ (b) Phát xạ

tự phát (c) Phát xạ kích thích

22

Hình 1.9 cho thấy sơ đồ mức năng lượng của ion Tm 3+ trong TDFA với bơm 1050 nm Quá trình chuyển đổi chính được sử dụng cho khuếch đại băng tần S là từ mức năng lượng 3

H4 đến 3

F4 Sự khuếch đại này được thực hiện tiềm năng bằng phương pháp bơm chuyển đổi tăng, hình thành nên sự đảo ngược photton giữa các mức 3

H4 và 3F4

1 G4

1 G 4

3 F 2

3 F 2

3 F3

3 F 3

3 H 4

3 H 4

3 H5

3 H 5

3 F4

Hình 1.9 Cơ chế bơm của TDFA được bơm 1050nm Khi TDF được kích thích bằng bước sóng laser 1050nm, một photon đầu tiên thúc đẩy một electron từ trạng thái cơ bản lên mức 3

H5, phân rã bởi quá trình đa photon không bức xạ đến mức 3

F4 Quá trình này được gọi là Hấp thụ trạng thái cơ bản (GSA: Ground State Absorption) Sau đó, một photon bơm thứ hai được hấp thụ bằng hấp thụ trạng thái kích thích ESA (ESA:

Excited State Absorption) để tạo ra mức 3 H 4 thông qua phân rã đa phonon không bức xạ từ các mức 3

F2 và 3F3 Quá trình chuyển đổi cuối cùng này làm giảm mức 3

F4 và cho phép đảo ngược photon giữa hai mức khuếch đại

Vậy nguyên lý hoạt động của khuếch đại quang sợi TDFA được thực hiện nhờ cơ chế hấp thụ và bức xạ năng lượng Sự hoạt động của Thulium sử dụng bước sóng kích thích laser 1050 nm, làm dịch chuyển trạng thái từ mức cơ

23

bản 3H6 lên mức 3H5, trạng thái này không ổn định nên sẽ dịch chuyển về trạng thái 3F4

1.3.3 Ứng dụng của bộ khuếch đại quang TDFA

Hình 1.10 Ứng dụng của khuếch đại quang TDFA

a) Khuếch đại công suất (Booster Amplifier)

b) Khuếch đại trên tuyến (in-line amplifỉer)

c) Bộ tiền khuếch đại (Preamplifier)

Khuếch đại quang được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn quang như các bộ khuếch đại nhằm làm tăng công suất của tín hiệu quang trên đường truyền, khắc phục suy hao do sợi quang và các mối hàn, nối xảy ra trên đường truyền Tuỳ theo vị trí lắp đặt, các bộ khuếch đại trên tuyến truyền dẫn quang được chia làm ba loại:

Khuếch đại công suất (Booster Amplifier): Là bộ khuếch đại quang được đặt ngay sau thiết bị phát nhằm mục đích làm tăng công suất quang đến mức cao nhất để làm cho khoảng cách truyền cực đại Yêu cầu của các bộ

Tiền khuếch đại (Preamplifier): Là các bộ khuếch đại quang được đặt ngay trước thiết bị thu quang nhằm khuếch đại tín hiệu ngay trước khi tin hiệu được đưa vào thiết bị Điều này làm giảm yêu cầu nghiêm ngặt của bộ nhạy thiết bị thu và cho phép hệ thống truyền dẫn quang hoạt động với tốc độ bit cao hơn Do vị trí lắp đặt, các bộ tiền khuếch đại hoạt động với công suất tín hiệu vào yếu và mức nhiễu ở đầu thu cao Do vậy, yêu cầu của bộ tiền khuếch đại là độ nhạy lớn, hệ số khuếch đại lớn và thông số nhiễu phải rất thấp Khuếch đại quang Raman có thông số nhiễu nhỏ, vì vậy chúng thường được

sử dụng cho bộ tiền khuếch quang [9]

1.4 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GỐM THỦY TINH GLASS-CERAMICS

1.4.1 Tổng quan về vật liệu thủy tinh

Thủy tinh là vật liệu có cấu trúc vô định hình được tạo thành bằng cách làm nguội một hợp chất vô cơ từ trạng thái nóng chảy hoàn toàn ở nhiệt độ cao đến trạng thái rắn không kết tinh

Một trong những đặc trưng cơ bản của thủy tinh thông thường là nó trong suốt đối với ánh sáng nhìn thấy, mặc dù không phải mọi vật liệu thủy tinh đều có tính chất như vậy do phụ thuộc vào tạp chất Độ truyền sáng của thủy tinh trong vùng bức xạ tử ngoại và hồng ngoại thay đổi tùy theo việc lựa

chọn nồng độ pha chất

Thủy tinh pha tạp đất hiếm (RE : Rare Earth) đã và đang được nghiên cứu rộng rãi do các ứng dụng thực tế của chúng trong các thiết bị quang học như laser trạng thái rắn, sợi quang học, vật liệu huỳnh quang, hiển thị màu

25

Các vật liệu này có độ bền cơ học cao, dễ chế tạo với các hình dạng và kích

cỡ khác nhau Chúng có độ trong suốt cao nên được sử dụng trong các cửa sổ quang học trong vùng hồng ngoại [11] Thủy tinh vô cơ rất đa dạng, nhưng có thể được phân chia theo thành phần cấu trúc, chẳng hạn một số loại thủy tinh sau: Thủy tinh borate, photphate, silicate, tellurite, fluorozirconate, fluoroborate và fluorophosphate… [12] Mỗi loại thủy tinh có các đặc tính

cơ lý, hóa học… khác nhau nên có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau

1.4.2 Tổng quan về vật liệu gốm thủy tinh

Gốm thuỷ tinh cũng có thành phần nguyên vật liệu tạo thành gần như thuỷ tinh song nó có cấu trúc và đặc tính khác với thủy tinh do các quá trình

xử lý nhiệt và hình thành các cấu trúc tinh thể bên trong vật liệu Nếu như thủy tinh có cấu trúc vô định hình thì gốm thủy tinh có cấu trúc kết hợp giữa tinh thể và vô định hình Cấu trúc vi mô gốm thủy tinh gồm các tinh thể nhỏ mịn, phát triển đồng đều trong toàn khối [13]

Hình 1.11 Sự sắp xếp trong cấu trúc của một phân tử gốm thủy tinh Gốm thủy tinh thường được tạo ra bằng cách: Đầu tiên từ thành phần nguyên vật liệu tạo ra thủy tinh với cấu trúc vô định hình theo các kỹ thuật khác nhau Sau đó thủy tinh được xử lý nhiệt theo các chế độ và điều kiện xác định để thực hiện quá trình kết tinh, tạo nên các tinh thể [13]

Trong những năm gần đây, gốm thủy tinh tellurite đã và đang thu hút được sự quan tâm từ các nhà khoa học do các ứng dụng phong phú của chúng

26

trong lĩnh vực quang học Thủy tinh Tellurite này có nhiều ưu điểm vượt trội

so với các loại thủy tinh oxit khác như: năng lượng phonon thấp, bền cơ học, bền hóa học, trong suốt từ vùng nhìn thấy, hệ số chiết suất và độ hòa tan đất hiếm cao [14] Các tính chất đặc biệt này đã mở ra khả năng ứng dụng của thủy tinh tellurite trong các lĩnh vực quang học như: sợi laser và các bộ khuếch đại quang Do đó, việc nghiên cứu, chế tạo vật liệu thủy tinh tellurite

là điều cần thiết và có ý nghĩa

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương 1 chúng tôi đã nghiên cứu, trình bày các nội dung cơ bản về: Tổng quan về sợi quang, kĩ thuật ghép kênh phân chia bước sóng (WDM), Bộ khuếch đại quang TDFA và tổng quan về vật liệu thủy tinh, gốm thủy tinh

Từ những nghiên cứu trong chương 1 này, chúng tôi nhận thấy rằng kĩ thuật khuếch đại quang là kĩ thuật tiên tiến và cần thiết cho mạng thông tin quang hiện tại và tương lại Kĩ thuật khuếch đại quang giúp nâng cao chất lượng của mạng thông tin quang Đặc biệt, bộ khuếch đại quang sợi quang TDFA là một bộ khuếch đại có thể ứng dụng trong kỹ thuật WDM với dải bước sóng 1250 nm đến 1850 nm

Chính vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo bộ khuếch đại sợi quang TDFA trên nền vậ liệu thủy tinh, gốm thủy tinh Tellurite được chúng tôi quan tâm, tập trung nghiên cứu trong chương 2 của luận văn này

(Differential thermal analysis), Phân tích phổ hấp thụ hồng ngoại, phân tích quang phổ phát xạ cận hồng ngoại, phân tích thời gian sống lifetime, đo và phân tích XRD, TEM để khảo sát cầu trúc của vật liệu gốm thủy tinh Tellurite

2.2 VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM

Nguyên vật liệu chính sử dụng trong nghiên cứu của đề tài là: TeO2,

Al2O3, BaF2, Na2O, AgNO3, Tm2O3,Ho2O3 và Yb2O3 Tất cả các nguyên vật liệu này là loại sử dụng trong các phòng thí nghiệm, có độ tinh khiết cao (99,99%)

Hình 2.1 Biểu đồ xác định thành phần trạng thái thủy tinh TeO2–Al2O3–

BaF2–Na2O từ 3 thành phần chính TeO2, Al2O3, BaF2

28

Thành phần chính để chế tạo thủy tinh (TeO2, Al2O3, BaF2) được xác định với tỷ lệ nồng độ mol % đảm bảo nằm trong vùng trạng thái thủy tinh như sơ đồ trên hình vẽ 2.1

Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho từng nhóm thí nghiệm cụ thể được thể hiện chi tiết trong các bảng sau đây:

Bảng 2.1 Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho các mẫu thủy tinh

Tellurite: 50TeO2–(23-x)Al2O3–17BaF2–10Na2O–xTm2O3

Ký hiệu mẫu thủy tinh TeO2 Al2O3 BaF2 Na2O Tm2O3

Ký hiệu mẫu thủy

tinh TeO2 Al2O3 BaF2 Na2O Ho2O3 2Yb2O3

29

Bảng 2.3 Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm cho mẫu thủy tinh Tellurite: 50TeO2–(22.5-x)Al2O3–17BaF2–10Na2O–xTm2O3-0.5 Ho2O3

Ký hiệu mẫu thủy

tinh TeO2 Al2O3 BaF2 Na2O Tm2O3 Ho2O3

Ký hiệu mẫu thủy

tinh TeO2 Al2O3 BaF2 Na2O Tm2O3 Ho2O3TABN-