Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của Erbium trong vật liệu thủy tinh silicate.doc

Dịch vụ viết thuê đề tài – KB Zalo/Tele 0917.193.864 – luanvantrust.com
Kham thảo miễn phí – Kết bạn Zalo/Tele mình 0917.193.864
BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
Vũ Hằng Nga
NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI
CỦA ERBIUM TRONG VẬT LIỆU THỦY TINH SILICATE ỨNG
DỤNG CHO BỘ KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG EDFA
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
Khánh Hòa – Năm

BỘ GIÁO DỤC
VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
Vũ Hằng Nga
NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI
CỦA ERBIUM TRONG VẬT LIỆU THỦY TINH SILICATE ỨNG
DỤNG CHO BỘ KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG EDFA
Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật
Mã số: 8520401
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
Hướng dẫn 1 : TS. Hồ Kim Dân
Hướng dẫn 2: TS. Phạm Hồng Nam
Khánh Hòa – Năm

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn thạc sĩ này là kết quả trong
công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Hồ Kim Dân
và TS. Phạm Hồng Nam.
Tất cả các số liệu được công bố là hoàn toàn trung thực và chưa từng
được công bố tại các tài liệu, ấn phẩm nào khác.
Các số liệu tham khảo khác đều có chỉ dẫn rõ ràng về nguồn gốc xuất xứ
và được nêu trong phần phụ lục cuối luận văn.
Học viên thực hiện
Vũ Hằng Nga

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Hồ Kim Dân và TS.
Phạm Hồng Nam, 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, cô giáo ở Học Viện Khoa Học và
Công Nghệ - Viện Khoa Học Hàn Lâm Việt Nam, Viện Nghiên Cứu và Ứng
Dụng Công Nghệ Nha Trang, Đại Học Đà Lạt đã giảng dạy, truyền đạt cho
tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian học tập tại
trường.
Tôi xin cảm ơn Quỹ Phát Triển Khoa Học & Công Nghệ Quốc Gia
(NAFOSTED) đã góp phần tạo điều kiện để tôi hoàn thành 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!
Khánh Hòa, ngày 15 tháng 10 năm 2020
Học viên thực hiện
Vũ Hằng Nga

DANH MỤC KÝ HIỆU & CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết Chữ viết đầy đủ bằng Tiếng Chữ viết đầy đủ bằng Tiếng
tắt Anh Việt
SABLC SiO2–AlF3–BaF2–LaF3–CaCO3
SiO2–AlF3–BaF2–LaF3–
CaCO3
NIR Near InfraRed Cận hồng ngoại
DTA Differential thermal analysis Phân tích nhiệt vi sai
EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier
Bộ khuếch đại sợi quang pha
tạp Erbium
WDM Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo
Multiplexing bước sóng
TDM Time Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo
thời gian
FDM Frequency – division Ghép kênh phân chia theo tần
multiplexing số
FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng nửa cực đại
MUX Multiplexer Mạch ghép kênh
DEMUX Demultiplexer Mạch giải ghép kênh
EDF Erbium Doped Fiber Sợi pha tạp Erbium
LD Diod laser Đèn diod
XRD X – ray diffraction Nhiễu xạ tia X

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đơn tạp Er3+
trong thủy
tinh silicate SABLC-xEr (x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25 và 0.3 mol. %) ........ 18
Bảng 2.2. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của Er3+
đơn tạp, Nd3+
đơn
tạp và đồng pha tạp Nd3+
/Er3+
trong mẫu thủy tinh silicate SABLC-xNyE … 19
Bảng 2.3. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đồng pha tạp Nd3+
/Er3+
trong thủy tinh silicate SABLC-0.5NxE (x = 0.2, 0.3, 0.4 và 0.5 mol. %). ... 19
/Er3+
trong mẫu thủy tinh silicate SABLC-xN0.2E (x = 0, 0.5, 0.8, 1.0 và 1.2 mol.
%). ................................................................................................................... 20
đơn tạp, Pr3+
đơn
tạp và đồng pha tạp Er3+
/ Pr3+
trong thủy tinh silicate SABLC-xPryEr. ......... 20
Bảng 2.6. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đồng pha tạp Pr3+
/Er3+
trong mẫu thủy tinh silicate SABLC-xPr0.1Er (x = 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 và
1.0 mol. %) . .................................................................................................... 21
/ Er3+
trong thủy tinh silicate SABLC-0.8PrxEr (x = 0.15, 0.2, 0.25, 0.3 và 0.35
mol.%). ............................................................................................................ 21
/Er3+
trong thủy tinh silicate SABLC-xNd-yEr theo tỷ lệ nồng độ mol.% (p = x/y).
......................................................................................................................... 45
Bảng 3.2. So sánh các thông số đỉnh phát thải NIR của Er3+
, đỉnh phát xạ cận
hồng ngoại NIR của Er3+
, Pr3+
,ex và FWHM của nghiên cứu này với một số
nghiên cứu tương tự . .................................................................................... 589

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hình ảnh sợi quang ........................................................................... 7
Hình 1.2. Truyền dẫn quang bằng (a) đa mode và (b) đơn mode .................... 8
Hình 1.3. Sơ đồ chức năng của hệ thống WDM . ............................................. 9
Hình 1.4. Hệ thống thông tin quang ................................................................ 10
Hình 1.5. Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang ..................................... 11
Hình 1.6. Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên cùng 1 sợi quang ............................ 11
Hình 1.7. Cấu tạo của một EDFA ................................................................... 13
Hình 2.1. Tỷ lệ thành phần chính và trạng thái thủy tinh. .............................. 18
Hình 2.2. Các mức năng lượng và chuyển tiếp của Erbium. .......................... 22
Hình 2.3. Các mức năng lượng và chuyển tiếp của Praseodymium. .............. 22
Hình 2.4. Các mức năng lượng và chuyển tiếp của Neodymium. .................. 23
Hình 2.5. Vật liệu thí nghiệm (a) ErF3, (b) PrF3, (c) NdF3 ............................. 23
Hình 2.6. Quy trình thí nghiệm tạo mẫu thủy tinh và đo đạc các thông số. ... 24
Hình 2.7. Hình ảnh các mẫu SABLC-0N0.2E, SABLC-0.5N0.2E, SABLC-
0.8N0.2E, SABLC-1.0N0.2E, SABLC-1.2N0.2E sau khi chế tạo, ủ nhiệt và
đánh bóng bề mặt . .......................................................................................... 25
Hình 2.8. Giao diện phần mềm TA 60 kèm theo thiết bị đo và phân tích nhiệt
DTA-60AH-SHIMADZU. .............................................................................. 26
Hình 2.9. Đường cong DTA của thủy tinh SABLC. ....................................... 27
Hình 2.10. Thiết bị đo quang phổ hấp thụ Hitachi U-4100. ........................... 28
Hình 2.11. Giao diện phần mềm trên thiết bị đo quang phổ hấp thụ Hitachi U-
4100. ................................................................................................................ 29
Hình 2.12. Bộ phát bước sóng kích thích 980 nm LD. ................................... 30

Hình 2.13. Giao diện phần mềm trên thiết bị đo quang phổ phát xạ cận hồng
ngoại ZOLIX SBP300.....................................................................................31
Hình 2.14. Giao diện phần mềm FLS-980 đo thời gian sống trên thiết bị đo
FLS-980...........................................................................................................32
Hình 3.1. Kết quả phân tích XRD…………………………………………..34
Hình 3.2. Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Er3+
trong mẫu thủy tinh .............35
SABLC-0.5Er..................................................................................................35
Hình 3.3. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của đơn tạp Er3+
trong các
mẫu thủy tinh SABLC-xEr (x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25 và 0.3 mol. %).....36
Hình 3.4. FWHM (Full Width at Half Maximum) của đơn tạp Er3+
trong mẫu
thủy tinh SABLC-0.3Er…………………………………………………….37
Hình 3.5. Sơ đồ mức năng lượng và phát xạ NIR của Er3+
............................38
Hình 3.6. Quang phổ hấp thụ của các mẫu thủy tinh SABLC-0Nd0.4Er,
SABLC-0.5Nd0Er và SABLC-0.5Nd0.4Er....................................................39
Hình 3.7. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của các mẫu đơn tạp Nd3+
, đơn
tạp Er3+
và đồng pha tạp Nd3+
/Er3+
trong thủy tinh SABLC. .......................41
Hình 3.8. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của các mẫu thủy tinh
SABLC-xNd-0.2Er (x = 0, 0.5, 0.8, 1.0 và 1.2 mol. %) .................................42
Hình 3.9. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của các mẫu thủy tinh
SABLC-0.5Nd-xEr (x = 0.2, 0.3, 0.4 và 0.5 mol. %). ....................................43
Hình 3.10. Sơ đồ mức năng lượng và cơ chế chuyển giao năng lượng giữa
Er3+
và Nd3+
...................................................................................................44
Hình 3.11. Phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Nd3+
/Er3+
trong thủy tinh
SABLC với các tỷ lệ nồng độ p = Nd3+
/Er3+
khác nhau................................46
Hình 3.12. Mối quan hệ giữa cường độ phát xạ NIR của đồng pha tạp
Nd3+
/Er3+
đỉnh tại bước sóng 1546 nm với các tỷ lệ nồng độ mol. % p của
Nd3+
/Er3+
khác nhau.......................................................................................47

Hình 3.13. Thời gian sống của các mẫu thủy tinh SABLC-xNd-0.2Er (x = 0,
0.5, 0.8, 1.0 và 1.2 mol. %) đo tại bước sóng 1348 nm dưới kích thích bước
sóng 808 nm LD..............................................................................................48
Hình 3.14. Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Pr3+
trong mẫu thủy tinh SABLC-
0.5Pr. ...............................................................................................................51
Hình 3.15. Quang phổ hấp thụ của các mẫu thủy tinh SABLC-0.5Er, SABLC-
0.5Pr và SABLC-0.5Er0.5Pr...........................................................................52
Hình 3.16. Phổ phát xạ NIR của các mẫu thủy tinh SABLC-0.5Er, SABLC-
0.5Pr và SABLC-0.5Pr0.5Er dưới kích thích của 980 nm LD. ......................53
Hình 3.17. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của các mẫu thủy tinh SABLC-
xPr0.1Er (x = 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 và 1.0 mol. %)........................................54
Hình 3.18. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của các mẫu thủy tinh SABLC-
0.8PrxEr (x = 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, và 0.35 mol. %)........................................55
Hình 3.19. Sơ đồ mức các năng lượng và cơ chế chuyển giao năng lượng giữa
Er3+
và Pr3+
....................................................................................................56
Hình 3.20. FWHM của các đơn tạp Er3+
, đơn tạp Pr3+
và đồng pha tạp
Er3+
/Pr3+
trong thủy tinh SABLC...................................................................57
Hình 3.21 (a). Thời gian sống của Pr3+
tại bước sóng 1375nm tương ứng với
quá trình chuyển đổi 1
G4 3
H5 của Pr3+
trong SABLC-0.5Pr0.1Er, SABLC-
0.6Pr0.1Er, SABLC-0.7Pr0.1Er, SABLC-0.8Pr0.1Er, SABLC-0.9Pr0.1Er
vàSABLC-1Pr0.1Er dưới sự kích thích của bước sóng 980 nm LD………..60
Hình 3.21 (b). Thời gian sống của Er3+
τEr ở 1546nm tương ứng với quá trình
chuyển đổi 4
I13/2 4
I15/2 của Er3+
trong SABLC-0.8Pr0.15Er, SABLC-
0.8Pr0.2Er, SABLC-0.8Pr0.25Er, SABLC-0.8Pr0.3Er và SABLC-
0.8Pr0.35Er. Các mẫu thủy tinh 0.8Pr0.3Er và SABLC-0.8Pr0.35Er dưới sự
kích thích của bước sóng 980 nm LD………………………………………..61
Hình 3.22 (a). Phổ hấp thụ của các mẫu thủy tinh SABLC-0.5Er (Er3+
đơn
tạp) và SABLC-0.5Pr (Pr3+
đơn tạp). .............................................................63

Hình 3.22(b). Phổ phát xạ NIR của mẫu thủy tinh niurate SABLC-0.5Er (Er3+
đơn tạp) và SABLC-0.5Pr (Pr3+
đơn tạp).......................................................64
Hình 3.23 (a). Các mặt cắt hấp thụ σa(Er)(λ) và mặt cắt phát xạ và σe(Er)(λ) cho
các chuyển tiếp 4
I15/2 4
I13/2 và 4
I13/2 4
I15/2 của Er3+
..........................65
Hình 3.23 (b). Các mặt cắt hấp thụ σa(Pr)(λ) và mặt cắt phát xạ σe(Pr)(λ) cho các
chuyển tiếp 1
G4 1
D2 và 1
D2 1
G4 của Pr3+
.........................................665
Hình 3.24(a). Hệ số khuếch đại GEr(λ) cho chuyển tiếp 4
I13/2 → 4
I15/2 của Er3+
với p = 0, 0.1 đến 1 .........................................................................................66
Hình 3.24 (b). Hệ số khuếch đại GPr(λ) cho quá trình chuyển đổi 1
D2 1
G4
của Pr3+
với p = 0, 0.1 đến 1 ..........................................................................67

MỤC LỤC
MỤC LỤC................................................................................................................................................. 1
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU...........................................................5
1.1. TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG...............................................................5
1.1.1. Sơ lược về sự phát triển của sợi quang ...................................................5
1.1.2. Khái niệm, cấu tạo và nguyên lí hoạt động của sợi quang .....................6
1.1.2.1. Khái niệm sợi quang ............................................................................6
1.1.2.2. Cấu tạo của sợi quang ..........................................................................6
1.1.2.3. Nguyên lí hoạt động của sợi quang......................................................7
1.1.3. Các công nghệ truyền dẫn quang ............................................................8
1.2. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG (WDM) 8
1.2.1. Tổng quan về ghép kênh phân chia bước sóng (WDM).........................8
1.2.2. Nguyên lí hoạt động của hệ thống WDM ...............................................9
1.2.3. Phân loại kỹ thuật ghép kênh WDM.....................................................10
1.2.3.1. Kỹ thuật truyền dẫn hai chiều trên hai sợi: ........................................10
1.2.3.2. Kỹ thuật truyền dẫn hai chiều trên một sợi........................................11
1.2.4. Ứng dụng của kỹ thuật ghép kênh WDM .............................................12
1.3. BỘ KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG EDFA................................................12
1.3.1. Sơ lược về sự phát triển của bộ khuếch đại quang EDFA ....................12
1.3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA..........................................13
1.3.2.1. Sơ đồ khối của EDFA ........................................................................13
1.3.2.2. Nguyên lý hoạt động của EDFA........................................................14
1.3.3. Ứng dụng của bộ khuếch đại quang EDFA. .........................................15
CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.17
2.1. GIỚI THIỆU ............................................................................................17
2.2. VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM.......................................................................17
2.2.1. Vật liệu thí nghiệm cho nghiên cứu băng thông cận hồng ngoại của đơn
tạp Er3+
trong vật liệu thủy tinh silicate..........................................................18
2.2.2. Vật liệu thí nghiệm cho nghiên cứu băng thông cận hồng ngoại của
đồng pha tạp Nd3+
/Er3+
trong vật liệu thủy tinh silicate ................................19
đồng pha tạp Pr3+
/Er3+
trong vật liệu thủy tinh silicate .................................20
2.2.4. Các mức năng lượng và mẫu vật liệu....................................................22
2.3. QUY TRÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC, PHÂN TÍCH THÍ
NGHIỆM.........................................................................................................24
2.3.1. Quy trình thí nghiệm .............................................................................24
2.3.2. Phân tích nhiệt DTA (Differential thermal analysis)............................25

2.3.3. Phân tích quang phổ hấp thụ. ................................................................27
2.3.4. Phân tích quang phổ phát xạ cận hồng ngoại........................................29
2.3.5. Phân tích lifetimess. ..............................................................................31
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................34
3.1. NGHIÊN CỨU BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI CỦA ĐƠN TẠP
Er3+
TRONG VẬT LIỆU THỦY TINH SILICATE......................................34
3.1.1. Kết quả phân tích XRD ................................................................................................... 34
3.1.2. Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Er3+
....................................................35
3.1.3. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đơn tạp Er3+
...........................36
3.1.4. Thảo luận, đánh giá kết quả ..................................................................37
3.2. NGHIÊN CỨU BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI ĐỒNG PHA TẠP
Nd3+
/Er3+
TRONG VẬT LIỆU THỦY TINH SILICATE ............................38
3.2.1. Quang phổ hấp thụ của đồng pha tạp Nd3+
/ Er3+
.................................39
3.2.2. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Nd3+
/Er3+
.........40
3.2.3. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Er3+
/Nd3+
khi thay
đổi tỷ lệ nồng độ mol của Nd3+
.......................................................................42
3.2.4. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Er3+
/Nd3+
khi thay
đổi tỷ lệ nồng độ mol. % của Er3+
..................................................................43
3.2.5. Cơ chế phát xạ cận hồng ngoại và quá trình chuyển giao năng lượng
giữa Er3+
và Nd3+
trong đồng pha tạp Er3+
/Nd3+
. .........................................44
3.2.6. Kết quả đo thời gian sống của đồng pha tạp Nd3+
/Er3+
.......................48
3.3. NGHIÊN CỨU BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI ĐỒNG PHA TẠP
Er3+
/Pr3+
TRONG VẬT LIỆU THỦY TINH SILICATE..............................50
3.3.1. Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Pr3+
và đồng pha tạp Er3+
/Pr3+
. ........50
3.3.2. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đơn tạp Er3+
, đơn tạp Pr3+
và
đồng pha tạp Er3+
/Pr3+
....................................................................................53
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................69
4.1. KẾT LUẬN………………………
4.2. KIẾN NGHỊ
CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ................72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................73

MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, Internet kết nối
vạn vật (IoT: Internet Over Thing) cũng đã phát triển và ngày càng đi sâu vào
cuộc sống. Thông qua IoT con người có thể làm việc, học tập, mua sắm, giải
trí, giao lưu…với toàn thế giới thông quang mạng Internet. Chính vì vậy đòi
hỏi hạ tầng kỹ thuật cho việc truyền dẫn dữ liệu qua mạng Internet ngày cũng
càng phát triển để đáp ứng được nhu cầu đó.
Trong các công nghệ truyền dẫn của hệ thống viễn thông, công nghệ
truyền dẫn quang với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM
(Wavelength Division Multiplexing) là giải pháp tiên tiến trong truyền dẫn sợi
quang, WDM ngày càng được sử dụng phổ biến với nhưng ưu điểm đáp ứng
được yêu cầu về chất lượng truyền dẫn. Để kỹ thuật ghép kênh theo bước
sóng WDM đáp ứng được yêu cầu trong truyền dẫn quang thì các bộ khuếch
đại quang đóng vai trò quan trọng. Trong đó bộ khuếch đại sợi quang pha tạp
Erbium (EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier) nằm trong băng tần C (1530-
1565nm) với đỉnh phát xạ của Erbium tại khoảng 1550 nm đang được sử dụng
và có vai trò quan trọng trong kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng
WDM. Do đó, gần đây nhiều nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu tìm giải
pháp để mở rộng băng thông cho các bộ khuếch đại sợi quang EDFA.
Từ những cơ sở trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu mở rộng băng
thông cận hồng ngoại của Erbium trong vật liệu thủy tinh silicate ứng
dụng cho bộ khuếch đại sợi quang EDFA”.
Trong đề tài này, tác giả tập trung nghiên cứu mở rộng băng thông cận
hồng ngoại (NIR: Near-Infrared) của Erbium trong vật liệu thủy tinh Silicate
ứng dụng cho bộ khuếch đại EDFA.
Mục đích của đề tài
Mục đích của đề tài là nghiên cứu chế tạo vật liệu đơn tạp Er3+
; đồng pha
tạp Er3+
/Nd3+
/Pr3+
trên nền vật liệu thủy tinh silicate,
được tổng hợp từ các thành phần chính SiO2, AlF3, BaF2, LaF3, CaCO3, ErF3 và
NdF3, PrF3 (hoặc Pr2O3). Đồng thời, nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng
ngoại của sợi Erbium, ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang EDFA thông qua
các sự kết hợp của đồng pha tạp Er3+
/Nd3+
, Er3+
/Pr3+
và thông qua

cơ chế, quá trình chuyển giao năng lượng giữa Er3+
với Nd3+
và Pr3+
.
Tính thực tiễn của đề tài
+ Luận văn đã nghiên cứu, chế tạo vật liệu thủy tinh silicate với thành
phần SiO2–AlF3–BaF2–LaF3–CaCO3 (viết tắt: SABLC). Đây là vật liệu thủy
tinh có tính ổn định nhiệt và độ bền cơ học có thể sử dụng làm vật liệu thủy
tinh nền khi đưa các ions đất hiếm vào ứng dụng cho sợi quang.
+ Luận văn đã nghiên cứu, chế tạo, đưa các thành phần đơn tạp Er3+
;
đồng pha tạp Er3+
/Nd3+
/Pr3+
vào vật liệu thủy tinh
silicate SABLC ứng dụng cho bộ khuếch đại quang EDFA với phạm vi bước
sóng từ khoảng 1460nm đến 1565 nm, tương ứng với băng tần S+C trong cửa
sổ quang học.
+ Luận văn đã nghiên cứu, mở rộng băng thông cận hồng ngoại của sợi
Erbium để ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang EDFA thông qua các cơ
chế kết hợp của đồng pha tạp Er3+
/Nd3+
, đồng pha tạp Er3+
/Pr3+
và thông qua
quá trình chuyển giao năng lượng giữa Er3+
với Nd3+
và Pr3+
.
Nội dung chi tiết của luận văn thạc sĩ
Nội dung chi tiết của luận văn bao gồm phần mở đầu và 4 chương:
Chương 1: Tổng quan tài liệu.
Chương 2: Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu.
Chương 3: Kết quả và thảo luận.
Chương 4: Kết luận và kiến nghị.

5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG
1.1.1. Sơ lược về sự phát triển của sợi quang
Năm 1880, Alexander Graham Bell, người Mỹ, đã phát minh ra một hệ
thống thông tin ánh sáng, đó là hệ thống photophone sử dụng ánh sáng mặt
trời từ một gương phẳng mỏng đã điều chế tiếng nói để mang tiếng nói đi,
nhưng nguồn nhiễu quá lớn làm giảm chất lượng đường truyền [1].
Năm 1934, Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng
chế về hệ thống thông tin quang với phương tiện truyền dẫn là thanh thủy tinh
[1].
Năm 1966, Charles K. Kao và George Hockham thuộc phòng thí
nghiệm Standard Telecommunication của Anh thực hiện nhiều thí nghiệm để
chứng minh rằng nếu thủy tinh được chế tạo trong suốt hơn bằng cách giảm
tạp chất trong thủy tinh thì sự suy hao ánh sáng sẽ được giảm tối thiểu. Và họ
cho rằng nếu sợi quang được chế tạo đủ tinh khiết thì ánh sáng có thể truyền
đi xa nhiều Km [1].
Năm 1983, sợi quang đơn mode SM (Single Mode) được sản xuất ở
Mỹ. Đầu những năm 1980, các Công ty điện thoại bắt đầu sử dụng sợi quang
để xây dựng lại cơ sở hạ tầng truyền thông và sử dụng cáp quang vào mục
đích thương mại [1].
Ngày nay, công nghệ và kỹ thuật truyền dẫn quang tiếp tục phát triển
mạnh và được coi là hệ thống truyền tải thông tin với tốc độ cao khi hàng tỉ
dữ liệu số hoá được chuyển hoá thành những tín hiệu ánh sáng để truyền đi
trong sợi quang. Ngoài ra, công nghệ và kỹ thuật truyền dẫn quang cũng
đang đóng vai trò quan trọng tại nhiều lĩnh vực như: truyền hình mạng,
mạng Internet, mạng điện thoại….

6
1.1.2. Khái niệm, cấu tạo và nguyên lí hoạt động của sợi quang
1.1.2.1. Khái niệm sợi quang
Sợi quang là một loại sợi linh hoạt, trong suốt và được làm bằng thủy
tinh (silicate) hoặc nhựa (plastic). Sợi quang có kích thước rất nhỏ, được
dùng để truyền dẫn tín hiệu bằng ánh sáng và được sử dụng rộng rãi trong
truyền thông tin sợi quang nhờ những ưu điểm nổi bật của nó như: Hoạt
động tốt ở khoảng cách hàng ngàn mét, băng thông rộng, suy giảm tín hiệu
ít, tính bảo mật tín hiệu cao, không bị nhiễu điện từ, không dẫn điện, tỷ lệ lỗi
bít rất thấp, suy hao tín hiệu thấp và ít méo dạng tín hiệu, sợi quang cung cấp
băng thông rộng….
Vì vậy, sợi quang là giải pháp lựa chọn phù hợp để truyền tải dữ liệu
tốc độ cao và truyền đi đến những khoảng cách xa.
1.1.2.2. Cấu tạo của sợi quang
* Thành phần chính của sợi quang gồm lõi và lớp bọc được mô tả như
hình 1.1.
- Lõi (core): Hình trụ, là thành phần chính của một sợi quang, có vai trò
truyền dẫn tín hiệu ánh sáng nhờ sự phản xạ toàn phần ánh sáng giữa lõi và
lớp bọc. Lõi thường được làm bằng vật liệu thủy tinh hoặc chất dẻo trong
suốt có chiết suất n1.
- Lớp vỏ bọc (cladding): Hình trụ, là lớp bao ngoài trực tiếp với lõi sợi
quang, nhờ đó tạo ra hiện tượng phản xạ toàn phần liên tiếp trong sợi quang.
Lớp vỏ bọc có chiết suất n2 nhỏ hơn so n1 [1].
Lõi và lớp vỏ bọc của sợi quang với các chiết suất n1, n2 được minh
họa trong hình 1.1.

7
Hình 1.1. Hình ảnh sợi quang
* Để bảo vệ sợi quang tránh các tác dụng bên ngoài, sợi quang còn
được bọc thêm các lớp:
- Lớp phủ ngoài (coating): Có tác dụng hấp thụ các tia sáng bị tán xạ
ra bên ngoài lớp vỏ bọc, chống gãy dập sợi quang, chống sự xâm nhập của
nước, các tác nhân vật lý, hóa học bên ngoài...đến lõi sợi quang [1,2]. Chiết
suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia sáng truyền
trong lớp bọc.
- Lớp gia cường (strength memner): Làm tăng sức chịu lực, chịu nhiệt
cho sợi quang.
- Lớp vỏ (outer jacket): Là lớp vỏ cứng ngoài cùng có tác dụng bảo vệ
các thành phần bên trong trước các tác dụng cơ học và sự thay đổi nhiệt
độ…đến lõi sợi quang.
1.1.2.3. Nguyên lí hoạt động của sợi quang
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 mang
thông tin này thành những xung ánh sáng và đưa chúng vào những sợi cáp
quang. Trong sợi quang, chiết suất của lớp vỏ bọc n2 nhỏ hơn chiết suất của
lớp lõi n1 nên ánh sáng bị phản xạ toàn phần liên tục ở mặt phân cách giữa
lớp lõi và lớp vỏ bọc như được minh họa ở hình 1.1, nhờ đó ánh sáng được
truyền đi dọc theo sợi quang. Xung ánh sáng đi qua lõi của sợi quang bằng
rất nhiều hướng được gọi là những đường dẫn .Ở điểm nhận tín hiệu, một
thiết bị dò ánh sáng nhận xung ánh sáng và chuyển hoá chúng thành dòng
điện và tái tạo lại thông tin gốc ban đầu. Kết quả là thông tin đã được truyền
đi xa thông qua sợi quang [2].

8
1.1.3. Các công nghệ truyền dẫn quang
Công nghệ truyền dẫn quang gồm hai mode truyền dẫn: Đơn mode
(Single mode) và đa mode (Multi mode).
- Loại đa mode thể hiện trên hình 1.2 (a). Trong đó các tia tạo xung ánh
sáng có thể đi theo nhiều đường khác nhau trong lõi: thẳng, cong, zig zag…sử
dụng cho truyền tải tín hiệu trong khoảng cách ngắn [1, 2].
- Loại đơn mode thể hiện trên hình 1.2 (b). Trong đó các tia truyền theo
phương song song trục. Xung nhận được hội tụ tốt, ít méo dạng. Thường dùng
cho truyền tải tín hiệu khoảng cách xa hàng nghìn km.
(a)
(b)
Hình 1.2. Truyền dẫn quang bằng (a) đa mode và (b) đơn mode [3]
1.2. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG (WDM)
1.2.1. Tổng quan về ghép kênh phân chia bước sóng (WDM)
Ghép kênh là kỹ thuật rất quan trọng trong các hệ thống thông tin. Khi
truyền đi, mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang.
Ghép kênh có nhiều dạng: Ghép kênh theo thời gian (TDM), ghép kênh theo
tần số (FDM), ghép kênh theo bước sóng WDM, trong đó ghép kênh theo

9
bước sóng WDM là giải pháp tiên tiến trong kỹ thuật thông tin quang và
được sử dụng phổ biến nhất hiện nay [3].
Ghép kênh phân chia bước sóng WDM là công nghệ ghép nhiều tín
hiệu (hoặc chuỗi dữ liệu) có các bước sóng khác nhau thành một tín hiệu
(hoặc chuỗi dữ liệu) sóng mang trên một sợi quang để truyền tín hiệu đi xa. Kĩ
thuật ghép kênh phân chia bước sóng WDM cho phép tăng dung lượng mà
không cần tăng tốc độ bít đường truyền và cũng không dùng thêm sợi dẫn
quang. Công nghệ WDM đã giúp tiết kiệm tài nguyên, tăng hiệu suất kênh
truyền, nhất là băng thông WDM sử dụng rất lớn và có đặc tính trong suốt với
dữ liệu, do đó các mạng WDM có thể chấp nhận dữ liệu ở bất kỳ tốc độ bít
nào và bất kỳ định dạng giao thức nào trong phạm vi giới hạn.
Trong hai thập kỷ qua, công nghệ truyền tải quang WDM đã có sự
phát triển vượt bậc. Những thành tựu của công nghệ này đã góp phần tạo nên
hệ thống WDM dung lượng rất lớn như ngày nay [4].
Sơ đồ khối của hệ thống WDM được hiển thị trong hình 1.3.
Hình 1.3. Sơ đồ chức năng của hệ thống WDM [1, 3].
Trong những năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ WDM trên sợi
quang đã phát triển mạnh mẽ và bắt đầu được đưa vào sử dụng rộng rãi hình
thành mạng thông tin quang.
1.2.2. Nguyên lí hoạt động của hệ thống WDM
Hệ thống WDM hoạt động dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi
quang để mang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là

10
việc truyền đồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu
lẫn nhau. Mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang. Mục
tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn.
Tại phía phát, bộ ghép kênh quang MUX thực hiện việc ghép và
khuếch đại các sóng ánh sáng với các bước sóng khác nhau để cùng truyền
đi trên một sợi quang đến máy thu.
Tại phía thu, bộ tách kênh quang DEMUX thực hiện việc tách các sóng
ánh sáng đã ghép thành các bước sóng khác nhau để đưa đến các đầu thu
tương ứng, sau đó khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác
nhau.
Khi dùng bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như : khoảng
cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng
trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh,
suy hao xen, suy hao phản xạ, xuyên âm đầu gần đầu xa [3, 4] . Sơ đồ hệ
thống thông tin quang được thể hiện trên hình 1.4.
Hình 1.4. Hệ thống thông tin quang
1.2.3. Phân loại kỹ thuật ghép kênh WDM Có
hai kỹ thuật ghép kênh WDM đó là:
1.2.3.1. Kỹ thuật truyền dẫn hai chiều trên hai sợi:
Trong hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi, tất cả kênh
quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như hình 1.5
)

11
Hình 1.5. Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang [3]
Ở đầu phát các tín hiệu có bước sóng quang khác nhau và đã được
điều chế1 ,2 ,3 ..,n thông qua bộ ghép kênh tổ hợp lại với nhau, và
truyền dẫn một chiều trên một sợi quang. Vì các tín hiệu được mang qua các
bước sóng khác nhau, do đó sẽ không lẫn lộn.
Ở đầu thu, bộ tách kênh quang tách các tín hiệu có bước sóng khác
nhau, hoàn thành truyền dẫn tín hiệu quang nhiều kênh. Ở chiều ngược lại
truyền dẫn qua một sợi quang khác, nguyên lý giống như vậy [3].
Hệ thống WDM hai chiều trên hai sợi được ứng dụng và phát triển
tương đối rộng rãi trong kỹ thuật quang.
1.2.3.2. Kỹ thuật truyền dẫn hai chiều trên một sợi
Ở hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi: ở hướng đi, các
kênh quang tương ứng với các bước sóng 1 , 2 , 3 ....,n thông qua bộ
ghép/tách kênh được tổ hợp lại với nhau truyền dẫn trên một sợi [3, 4]. Cũng
sợi quang đó, ở hướng về các bước sóngn1 ,n2 , ...2n được truyền dẫn
theo chiều ngược lại (như hình 1.6). Nói cách khác, ta dùng các bước sóng
tách rời để thông tin hai chiều.
Hình 1.6. Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên cùng 1 sợi quang [3]

12
Ở phía phát, các thiết bị ghép kênh phải có suy hao nhỏ từ mỗi nguồn
quang đến đầu ra của bộ ghép kênh.
Ở phía thu, các bộ tách sóng quang phải nhạy với dải rộng của các bước
sóng quang và khi tách kênh cần phải cách ly kênh quang thật tốt với các
bước sóng khác nhau.
Hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên một sợi đòi hỏi yêu cầu kỹ
thuật rất nghiêm ngặt nên hệ thống truyền dẫn hai chiều trên một sợi này có
khả năng ít được lựa chọn khi thiết kế tuyến.
Quá trình truyền dẫn tín hiệu trong sợi quang chịu sự ảnh hưởng của
nhiều yếu tố: suy hao sợi quang, tán sắc, các hiệu ứng phi tuyến, vấn đề liên
quan đến khuếch đại tín hiệu ... Mỗi vấn đề kể trên đều phụ thuộc rất nhiều
vào yếu tố sợi quang (loại sợi quang, chất lượng sợi...) [4- 8].
1.2.4. Ứng dụng của kỹ thuật ghép kênh WDM
Ghép kênh phân chia theo bước sóng được sử dụng trong công nghệ
quang và ứng dụng rộng rãi trong một số lĩnh vực như sau : Ứng dụng trong
hệ thống điện thoại, ứng dụng trong đường dây thuê bao số, ứng dụng trong
FTTC (Fiber To The Curb) …
1.3. BỘ KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG EDFA
1.3.1. Sơ lược về sự phát triển của bộ khuếch đại quang EDFA
Khi chưa phát minh ra bộ khuếch đại quang, dữ liệu muốn truyền đi xa
thì tín hiệu quang trước khi truyền dẫn đi phải được biến đổi hành tín hiệu
điện, được khuếch đại và sau đó chuyển đổi, cuối cùng tái tạo trở lại thành
tín hiệu quang học ban đầu. Nhưng khi xung quang truyền dọc theo một sợi
quang thì nó bị suy giảm và mất hình dạng, nếu không được tăng cường thì
cuối cùng thông tin chứa trong xung sẽ bị mất. Để khắc phục vấn đề đó, bộ
khuếch đại quang EDFA ra đời đã mở ra một cuộc cách mạng sợi quang.
Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium EDFA là một thiết bị lặp lại
quang học được sử dụng để tăng cường độ tín hiệu quang được truyền qua hệ
thống truyền thông sợi quang. EDFA là một thiết bị khuếch đại tín hiệu quang

13
trực tiếp mà không cần biến đổi thành tín hiệu điện và có thể đồng thời
khuếch đại tín hiệu ở hai hoặc nhiều bước sóng khác nhau (ghép kênh phân
chia theo sóng WDM) mà điều này không thể xảy ra với các hệ thống tái tạo .
Ngoài ra, bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium EDFA còn có các ưu điểm
như độ tăng ích đầu ra cao, băng tần rộng, tạp âm thấp, đặc tính tăng ích
không có quan hệ với phân cực, trong suốt đối với tốc độ số... nên ngày càng
được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong các mạng truyền thông cáp quang [9,
10].
1.3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA
1.3.2. 1. Sơ đồ khối của EDFA
Hình 1.7. Cấu tạo của một EDFA [3]
Trên hình 1.7 mô tả sơ đồ khối của EDFA cơ bản có thành phần chính
gồm laser bơm và bộ kết hợp WDM.
- Sợi quang pha tạp Erbium EDF: là thành phần quan trọng nhất của
EDFA, gồm một đoạn cáp quang ngắn có lõi pha tạp khoảng 0,1% Erbium
EDF gọi là sợi tích cực.

14
- Laser bơm: cung cấp năng lượng ánh sáng cho đoạn sợi quang EDF
(Erbium Doper Fiber) để tạo ra trạng thái đảo nghịch nồng độ trong vùng
tích cực.
- Bộ ghép WDM: ghép bước sóng ánh sáng tín hiệu và bước sóng ánh
sáng bơm vào đoạn EDF.
- Bộ cách ly quang: ngăn không cho tín hiệu quang được khuếch đại
phản xạ ngược về phía đầu phát hoặc các tín hiệu quang trên đường truyền
phản xạ ngược về EDFA để đảm bảo bộ khuếch đại làm việc ổn định.
EDFA hoạt động tốt nhất trong phạm vi 1530 nm đến 1565 nm có độ
nhiễu thấp và có thể khuếch đại nhiều bước sóng đồng thời mà không cần tái
tạo, nhờ đó EDFA trở thành bộ khuếch đại sợi được lựa chọn cho hầu hết
các ứng dụng trong truyền thông quang học hiện nay [7, 8].
1.3.2. 2. Nguyên lý hoạt động của EDFA
Khi hoạt động, bơm laze có thể bơm ở nhiều bước sóng khác nhau
nhưng hiệu quả cao nhất là ở hai bước sóng 980 nm và 1480 nm. Tín hiệu
quang, như tín hiệu 1550 nm, đi vào bộ khuếch đại EDFA từ đầu vào [7, 8] ,
được kết hợp với laser bơm 980 nm và với thiết bị WDM. Ánh sáng hỗn hợp
được dẫn vào một phần sợi với các ion Erbium có trong lõi [5,11].
Ban đầu, khi Er3+
ở trạng thái không bị bất kỳ tín hiệu quang nào kích
thích Er3+
sẽ ở mức năng lượng thấp nhất 4
I15/2 [7].
Khi kích thích thủy tinh pha tạp Erbium bằng laser có bước sóng 980
nm hoặc 808 nm, các ion Er3+
hấp thụ năng lượng rồi chuyển dời từ mức cơ
bản 4
I15/2 lên mức năng lượng cao hơn 4
I11/2 hoặc 4
I9/2. Thời gian sống của
ion Er3+
ở trạng thái mức năng lượng 4
I11/2 và 4
I9/2 rất bé nên các ion Er3+
sẽ nhanh chóng chuyển dời không phát xạ về mức kích thích 4
I13/2 [8-10].
Quá trình kích thích thích liên tục đã tạo ra vô số photon cùng pha và cùng
hướng với photon tới. Như vậy, được quá trình khuếch đại trong EDFA đã
được tạo ra. [12-15].

15
1.3.3. Ứng dụng của bộ khuếch đại quang EDFA.
* EDFA có thể được sử dụng trong hệ thống truyền thông quang công
suất cao và tốc độ cao. Việc áp dụng EDFA rất mang tính xây dựng để giải
quyết các vấn đề về độ nhạy thấp của máy thu và khoảng cách truyền ngắn
do thiếu bộ lặp OEO.
* EDFA có thể được sử dụng trong hệ thống thông tin quang đường
dài. Bằng cách sử dụng EDFA, chúng tôi có thể giảm đáng kể chi phí xây
dựng bằng cách tăng khoảng cách lặp lại để giảm số lượng bộ lặp tái tạo. Hệ
thống thông tin liên lạc quang học đường dài chủ yếu bao gồm hệ thống
truyền dẫn quang trên mặt đất và hệ thống truyền dẫn cáp quang dưới biển.
* EDFA có thể được sử dụng trong hệ thống mạng truy cập thuê bao
cáp quang. Nếu khoảng cách truyền quá dài, EDFA sẽ hoạt động như bộ
khuếch đại đường truyền để bù cho tổn thất truyền của đường truyền, do đó
làm tăng đáng kể số lượng thuê bao.
* EDFA có thể được sử dụng trong hệ thống ghép kênh phân chia bước
sóng (WDM), đặc biệt là hệ thống ghép kênh phân chia bước sóng (DWDM)
dày đặc. Việc sử dụng EDFA trong hệ thống WDM có thể giải quyết các vấn
đề về mất chèn và giảm ảnh hưởng của tán sắc màu.
* EDFA có thể được sử dụng trong hệ thống truyền hình ăng ten cộng
đồng (CATV). Trong hệ thống CATV, EDFA hoạt động như bộ khuếch đại
tăng cường để cải thiện đáng kể công suất đầu vào của một máy phát quang.
Việc sử dụng EDFA để bù cho việc mất các bộ chia công suất quang có thể
mở rộng đáng kể quy mô của mạng phân phối và tăng số lượng thuê bao.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Chương 1 chúng tôi đã nghiên cứu, trình bày tổng hợp các nội dung cơ
bản về: Tổng quan về sợi quang, kĩ thuật ghép kênh phân chia bước sóng
(WDM), Bộ khuếch đại quang EDFA và tổng quan về vật liệu thủy tinh, gốm
thủy tinh.

16
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
EDFA là một bộ khuếch đại có thể ứng dụng trong kỹ thuật WDM với dải
bước sóng 1250 nm đến 1850 nm. Qua kết quả nghiên cứu về công nghệ
thông tin quang và công nghệ WDM ứng dụng trên mạng quang đã cho thấy
tiềm năng vô cùng to lớn của mạng thông tin quang và một xu hướng công
nghệ mới đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các mạng thông tin quang
thế hệ mới. Khi các công nghệ truyền thông tiếp tục được phát triển, EDFA
hứa hẹn sẽ trở thành lựa chọn ưu tiên cho các bộ khuếch đại quang học
trong tương lai.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo bộ khuếch đại sợi quang EDFA
trên nền vật liệu thủy tinh silicate được chúng tôi quan tâm, tập trung nghiên
cứu trong chương 2 của luận văn này.

17
CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
2.1. GIỚI THIỆU
Trong chương 2 này, chúng tôi nghiên cứu quy trình chế tạo vật liệu
thủy tinh silicate với thành phần chính từ hỗn hợp SiO2–AlF3–BaF2–LaF3–
CaCO3 (viết tắt: SABLC) dùng cho các thí nghiệm nghiên cứu băng thông
phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Pr3+
/Er3+
, đồng pha tạp Er3+
/Nd3+
dưới bước sóng kích thích 808 nm và 980 nm.
Đồng thời ở chương này chúng tôi cũng trình bày, nghiên cứu các
phương pháp đo đạc, phân tích thí nghiệm để kiểm chứng kết quả của vật liệu
đã chế tạo như phân tích nhiệt DTA, quang phổ hấp thụ, quang phổ phát xạ
cận hồng ngoại, đo thời gian sống lifetimess [16].
2.2. VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM
Nguyên vật liệu chính sử dụng để tạo vật liệu thủy tinh trong nghiên
cứu đề tài này là: SiO2, AlF3, BaF2, LaF3, CaCO3. Tất cả các nguyên vật liệu
này có độ tinh khiết cao (99,99%) và là nguyên vật liệu được sử dụng trong
các phòng thí nghiệm.
Thành phần nguyên vật liệu chính để chế tạo vật liệu thủy tinh silicate
là từ hỗn hợp SiO2–AlF3–BaF2–LaF3–CaCO3. Thủy tinh silicate SABLC
được tạo thành từ tỷ lệ nồng độ của SiO2, AlF3, BaF2, LaF3, CaCO3, trong đó
3 thành phần chính SiO2, AlF3, BaF2 được thay đổi sao cho đảm bảo các tỷ lệ
này nằm trong vùng trạng thái thủy tinh được mô tả trên hình 2.1.

18
Hình 2.1. Tỷ lệ thành phần chính và trạng thái thủy tinh.
đơn tạp Er3+
trong vật liệu thủy tinh silicate
Bảng 2.1. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đơn tạp Er3+
trong thủy tinh silicate SABLC-xEr (x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25 và 0.3 mol.
%) [16- 18].
Ký hiệu mẫu thủy tinh SiO2 AlF3 BaF2 LaF3 CaCO3 ErF3
SABLC-0.05Er 45 25 10 5 14.95 0.05
SABLC-0.1Er 45 25 10 5 14.9 0.10
SABLC-0.15Er 45 25 10 5 14.85 0.15
SABLC-0.2Er 45 25 10 5 14.8 0.20
SABLC-0.25Er 45 25 10 5 14.75 0.25
SABLC-0.3Er 45 25 10 5 14.7 0.30

19
đồng pha tạp Nd3+
/Er3+
đơn tạp, Nd3+
đơn tạp và đồng pha tạp Nd3+
/Er3+
trong mẫu thủy tinh silicate SABLC-
xNyE [ 17, 18].
Ký hiệu mẫu thủy SiO2 AlF3 BaF2 LaF3 CaCO3 NdF3 ErF3
tinh
SABLC-0Nd0.4Er 45 25 10 5 14.6 0 0.4
SABLC-0.5Nd0Er 45 25 10 5 14.5 0.5 0
SABLC-0.5Nd0.4Er 45 25 10 5 14.1 0.5 0.4
/Er3+
trong thủy tinh silicate SABLC-0.5NxE (x = 0.2, 0.3, 0.4 và 0.5 mol. %).
Ký hiệu mẫu thủy SiO2 AlF3 BaF2 LaF3 CaCO3 NdF3 ErF3
tinh
SABLC-0.5Nd0.2Er 45 25 10 5 14.3 0.5 0.2
SABLC-0.5Nd0.3Er 45 25 10 5 14.2 0.5 0.3
SABLC-0.5Nd0.4Er 45 25 10 5 14.1 0.5 0.4
SABLC-0.5Nd0.5Er 45 25 10 5 14.0 0.5 0.5

20
Bảng 2.4. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đồng pha
tạp Nd3+
/Er3+
trong mẫu thủy tinh silicate SABLC-xN0.2E (x =
0, 0.5, 0.8, 1.0 và 1.2 mol. %) [20].
Ký hiệu mẫu thủy SiO AlF3 BaF2 LaF3 CaCO3 NdF3 ErF3
tinh 2
SABLC-0Nd0.2Er 45 25 10 5 14.8 0 0.2
SABLC-0.5Nd0.2Er 45 25 10 5 14.3 0.5 0.2
SABLC-0.8Nd0.2Er 45 25 10 5 14 0.8 0.2
SABLC-1.0Nd0.2Er 45 25 10 5 13.8 1.0 0.2
SABLC-1.2Nd0.2Er 45 25 10 5 13.6 1.2 0.2
đồng pha tạp Pr3+
/Er3+
đơn tạp, Pr3+
đơn tạp và đồng pha tạp Er3+
/ Pr3+
trong thủy tinh silicate SABLC-xPryEr.
Ký hiệu mẫu thủy SiO2 AlF3 BaF2 LaF3 CaCO3 Pr2O3 ErF3
tinh
SABLC-0.5Er 45 25 10 5 14.5 0 0.5
SABLC-0.5Pr 45 25 10 5 14.5 0.5 0
SABLC-0.5Pr0.5Er 45 25 10 5 14.0 0.5 0.5

21
Bảng 2.6. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đồng pha
tạp Pr3+
/Er3+
trong mẫu thủy tinh silicate SABLC-xPr0.1Er (x
= 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 và 1.0 mol. %) [21, 22].
tinh
SABLC-0.5Pr0.1Er 45 25 10 5 14.4 0.5 0.1
SABLC-0.6Pr0.1Er 45 25 10 5 14.3 0.6 0.1
SABLC-0.7Pr0.1Er 45 25 10 5 14.2 0.7 0.1
SABLC-0.8Pr0.1Er 45 25 10 5 14.1 0.8 0.1
SABLC-0.9Pr0.1Er 45 25 10 5 14.0 0.9 0.1
SABLC-1.0Pr0.1Er 45 25 10 5 13.9 1.0 0.1
/
Er3+
trong thủy tinh silicate SABLC-0.8PrxEr (x = 0.15, 0.2, 0.25, 0.3 và
0.35 mol.%).
tinh
SABLC-0.8Pr0.15Er 45 25 10 5 14.05 0.8 0.15
SABLC-0.8Pr0.2Er 45 25 10 5 14.00 0.8 0.20
SABLC-0.8Pr0.25Er 45 25 10 5 13.95 0.8 0.25
SABLC-0.8Pr0.3Er 45 25 10 5 13.90 0.8 0.30
SABLC-0.8Pr0.35Er 45 25 10 5 13.85 0.8 0.35

22
2.2.4. Các mức năng lượng và mẫu vật liệu
Hình 2.2. Các mức năng lượng và chuyển tiếp của Erbium.
Hình 2.3. Các mức năng lượng và chuyển tiếp của Praseodymium.

23
Hình 2.4. Các mức năng lượng và chuyển tiếp của Neodymium.
(a)ErF3 b)PrF3 (c)NdF3
Hình 2.5. Vật liệu thí nghiệm (a) ErF3, (b) PrF3, (c) NdF3

24
2.3. QUY TRÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC, PHÂN TÍCH THÍ
NGHIỆM.
2.3.1. Quy trình thí nghiệm
Quy trình thí nghiệm tạo mẫu thủy tinh silicate, ủ nhiệt, xử lý nhiệt và
đo đạc các thông số quang phổ hấp thụ, quang phổ phát xạ cận hồng ngoại,
thời gian sống được thực hiện theo sơ đồ ở hình 2.6 sau đây:
Nguyên vật
liệu
Đo quang phổ phát xạ cận
hồng ngoại NIR
Đun nóng
chảy
Mài và đánh
bóng mẫu
Mẫu thủy
tinh
Đổ ra khuôn
mẫu
Ủ nhiệt
Xử lý nhiệt
Đo lifetime
Đo quang phổ hấp thụ
Hình 2.6. Quy trình thí nghiệm tạo mẫu thủy tinh và đo đạc các thông số.
Vật liệu thủy tinh với thành phần: SiO2, AlF3, BaF2, CaCO3, LaF3 đã
được chế tạo bằng phương pháp nóng chảy thông thường. Hỗn hợp 15g
nguyên liệu được trộn đều, nghiền nhỏ bằng cối và chày mã não. Hỗn hợp vật
liệu này được đưa vào lò điện, nung nóng chảy ở nhiệt độ 1550o
C, trong thời
gian 45 phút. Sau đó, hỗn hợp nóng chảy này được đổ ra khuôn để tạo thành
mẫu thủy tinh.
Dựa vào kết quả phân tích nhiệt, các mẫu thủy tinh được ủ nhiệt ở nhiệt
độ 535o
C trong thời gian 6 giờ liên tục để tăng độ bền cơ học. Các mẫu thủy

25
tinh được cắt thành những mẫu với kích thước 10 mm10 mm 2 mm và
được đánh bóng bề mặt để thực hiện các phép đo quang phổ hấp thụ, quang
phổ phát xạ NIR… [16, 17].
Hình ảnh một vài mẫu thủy tinh (SABLC-0N0.2E, SABLC-0.5N0.2E,
SABLC-0.8N0.2E, SABLC-1.0N0.2E, SABLC-1.2N0.2E) sau khi ủ nhiệt và
đánh bóng bề mặt như hình 2.7. Từ hình ảnh các mẫu thủy tinh trên hình 2.7,
có thể thấy rằng các mẫu thủy tinh này trong suốt và có bề mặt bóng.
Hình 2.7. Hình ảnh các mẫu SABLC-0N0.2E, SABLC-0.5N0.2E, SABLC-
0.8N0.2E, SABLC-1.0N0.2E, SABLC-1.2N0.2E sau khi chế tạo, ủ nhiệt và
đánh bóng bề mặt .
2.3.2. Phân tích nhiệt DTA (Differential thermal analysis).
Phân tích nhiệt DTA được thực hiện để xác định các thông số nhiệt của
mẫu thủy tinh để tiến hành ủ nhiệt, xử lý nhiệt các mẫu, khảo sát sự ảnh
hưởng của nhiệt độ đến thuộc tính hóa học, quang học,…của vật liệu thủy
tinh.
Phân tích nhiệt DTA của các mẫu thủy tinh được thực hiện trên máy đo
Shimadzu DTA-60AH với tỷ lệ quét 10°C/min. Thiết bị phân tích nhiệt
Shimadzu DTA-60AH được kết nối với máy tính, thực hiện cài đặt, đo đạc,
phân tích các thông số thông qua phần mềm TA 60 kèm theo thiết bị đo này.
Giao diện sử dụng của phần mềm TA 60 như hình 2.8. Từ phần mềm này
người sử dụng có thể cài đặt các thông số đo, phân tích thuộc tính nhiệt của
vật liệu. Kết quả phân tích sau đó được xuất ra các file dữ liệu ở dạng file .txt
hoặc dạng ảnh .jpg.

26
Hình 2.8. Giao diện phần mềm TA 60 kèm theo thiết bị đo và phân tích nhiệt
DTA-60AH-SHIMADZU.
Để phân tích sự ổn định nhiệt, xác định các thông số nhiệt độ để ủ
nhiệt, xử lý nhiệt cho mẫu thủy tinh SABLC đã chuẩn bị, chúng tôi tiến hành
đo, phân tích nhiệt DTA. Kết quả phân tích nhiệt DTA được thể hiện trên
đường cong DTA của hình 2.9. Từ kết quả trên đường cong DTA, chúng tôi
xác định các thông số nhiệt của mẫu thủy tinh SABLC bao gồm: Nhiệt độ
chuyển pha thủy tinh (Tg) nằm ở khoảng nhiệt độ 5350
C; nhiệt độ khởi phát
kết tinh (Tx) ở khoảng nhiệt độ 6650
C, hai giá trị nhiệt độ đỉnh kết tinh (Tp1,
Tp2 ) lần lượt nằm ở khoảng nhiệt độ 6900
C và 7200
C .

27
Hình 2.9. Đường cong DTA của thủy tinh SABLC.
Dựa vào kết quả phân tích DTA, trong nghiên cứu này, tất cả các mẫu
thủy tinh SABLC được ủ nhiệt ở nhiệt độ 535°C liên tục trong suốt thời gian
6 giờ. Đồng thời, độ chênh lệchT giữa Tx và Tg (T =Tx - Tg) cũng được
xác định như một chỉ số để đánh giá về độ ổn định nhiệt của thủy tinh. Trong
nghiên cứu này độ chênh lệch nhiệt độ ΔT = 665°C - 535°C = 130°C. Giá trị
ΔT >100°C chỉ ra rằng thủy tinh SABLC đã chế tạo ở trên có độ ổn định nhiệt
và thích hợp cho các ứng dụng như bộ khuếch đại sợi quang, pin mặt trời và
lasers [16- 18].
2.3.3. Phân tích quang phổ hấp thụ.
Quang phổ hấp thụ của các mẫu được thực hiện trên máy đo quang phổ
hấp thụ UV/VIS Hitachi U-4100. Dải bước sóng đo khoảng từ 400 nm đến
1800 nm hoặc từ 300 nm đến 2200 nm tùy theo từng trường hợp thí nghiệm
cụ thể.
Hình ảnh thiết bị đo UV/VIS Hitachi U-4100 được mô tả trên hình
2.10. Mẫu thủy tinh cần đo quang phổ hấp thụ được đặt trong khoang đặt
mẫu.
Kích thước mẫu thủy tinh được cắt 10 mm x 10 mm x 2 mm để khớp
với khuôn chứa mẫu.

28
Hình 2.10. Thiết bị đo quang phổ hấp thụ Hitachi U-4100.
Thiết bị đo quang phổ hấp thụ UV/VIS Hitachi U-4100 được thiết lập,
kết nối với máy tính qua phần mềm kèm theo thiết bị Hitachi U-4100 do hãng
Hitachi cung cấp.
Thông qua phần mềm này, người sử dụng có thể cài đặt, thiết lập các
thông số để đo quang phổ hấp thụ, chẳng hạn như chọn dải bước sóng đo, tốc
độ quét của thiết bị.
+ Độ chính xác trong các bước đo có thể thiết lập: 0.1 nm; 0.2 nm…hoặc
1.0 nm.
+ Độ nhạy của bước đo có thể thiết lập: 0.1 nm; 0.2 nm: 0.1 nm.
+ Tốc độ quét theo bước sóng có thể thiết lập: 60, 240, 1.200, 2.400,
12.000, 30.000 nm/phút.
Người sử dụng cũng có thể phân tích, xác định các đỉnh hấp thụ, tính
toán các thông số liên quan. Kết quả phân tích sau đó được xuất ra các file dữ
liệu ở dạng file. txt.

29
Một phần giao diện sử dụng của phầm mềm đo quang phổ hấp thụ được
trình bày như hình 2.11.
Hình 2.11. Giao diện phần mềm trên thiết bị đo quang phổ hấp thụ Hitachi U-
4100.
2.3.4. Phân tích quang phổ phát xạ cận hồng ngoại.
Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của các mẫu trong nghiên cứu
của luận văn này được thực hiện trên máy đo quang phổ cận hồng ngoại
ZOLIX SBP300.
+ Dải bước sóng đo khoảng từ: 1200 nm đến 1800 nm hoặc từ 1000 nm
đến 2200 nm, tùy theo vật liệu đo và dải bước sóng cần đo để phân tích.
+ Bước sóng kích thích trong nghiên cứu của luận văn này sử dụng bước
sóng: 980 nm laser diode (LD) và 808 nm LD.

30
+ Độ chính xác trong các bước đo: 0.2 nm.
+ Độ nhạy của bước đo: 0.1 nm.
+ Tốc độ quét theo bước sóng có thể thiết lập: 30, 60, 240, 1.200, 2.400,
12.000, 30.000, 60.000 nm/phút.
Hình 2.12. Bộ phát bước sóng kích thích 980 nm LD.
Đối với các bước sóng kích thích 980 nm LD và 808 nm LD, người sử
dụng phải sử dụng các bộ phát sóng kích thích từ bên ngoài, chiếu vào mẫu
đặt trong khoang chứa mẫu.
Bộ phát tạo ra bước sóng kích thích 980 nm LD được mô tả như hình
2.12. Người sử dụng có thể điều chỉnh góc chiếu xạ cho các mẫu đo. Bộ phát
tạo ra bước sóng kích thích 980 nm LD này có thể điều chỉnh được công suất
nguồn kích thích, thông thường theo bước tăng công suất 0.5W, 1.0W, 1.5W,
2.0W, 2.5W hoặc 3W.
Thiết bị đo quang phổ phát xạ cận hồng ngoại ZOLIX SBP300 được
thiết lập, kết nối với máy tính qua phần mềm chuyên dụng kèm theo thiết bị
ZOLIX SBP300.

31
Một phần giao diện phần mềm trên thiết bị đo quang phổ phát xạ cận
hồng ngoại ZOLIX SBP300 được mô tả như hình 2.13.
Hình 2.13. Giao diện phần mềm trên thiết bị đo quang phổ phát xạ cận hồng
ngoại ZOLIX SBP300.
Thông qua phần mềm này, người sử dụng có thể cài đặt, thiết lập các
thông số để đo quang phổ phát xạ cận hồng ngoại, chẳng hạn như chọn dải
bước sóng đo, tốc độ quét của thiết bị, bước sóng kích thích…. Người sử
dụng cũng có thể phân tích, xác định các đỉnh phát xạ cận hồng ngoại, phân
tích các thông số liên quan. Kết quả phân tích sau đó được xuất ra các file dữ
liệu ở dạng file *. txt, hoặc file ảnh dạng *.jpg.
2.3.5. Phân tích lifetimes.
Đo thời gian sống (lifetimes) cho các mẫu thủy tinh nhằm xác định giá
trị lifetimes để tính toán và là cơ sở đánh giá, minh chứng cho các quá trình
chuyển giao năng lượng giữa Er3+
với Nd3+
và Pr3+
.
Đo thời gian sống được thực hiện trên máy đo Edinburgh Instruments
FLS-980 do Anh sản xuất.

32
Thiết bị đo Edinburgh Instruments FLS-980 được thiết lập, kết nối với
máy tính qua phần mềm FLS-980 kèm theo thiết bị Edinburgh Instruments
FLS-980. Thiết bị đo Edinburgh Instruments FLS-980 có thể đo được nhiều
chức năng như: đo quang phổ hấp thụ, đo quang phổ phát xạ, đo thời gian
sống lifetimes…
Thông qua thiết bị Edinburgh Instruments FLS-980 và phần mềm FLS-
980, người sử dụng có thể cài đặt các thông số để đo thời gian sống. Người sử
dụng cũng có thể phân tích, xác định các giá trị thời gian sống và phân tích
các thông số liên quan. Kết quả phân tích sau đó được xuất ra các file dữ liệu
ở dạng file *. txt, hoặc file ảnh dạng *.jpg.
Hình 2.14. Giao diện phần mềm FLS-980 đo thời gian sống trên thiết bị
đo FLS-980.

33
Một phần giao diện sử dụng của phầm mềm phần mềm FLS-980 kèm
theo thiết bị Edinburgh Instruments FLS-980 được trình bày như hình 2.14.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Chương 2 chúng tôi đã nghiên cứu được :
- Thành phần nguyên vật liệu chính để chế tạo vật liệu thủy tinh 45 SiO2 – 25
AlF3 – 10 BaF2 – 5 LaF3 – 15 CaCO3 (viết tắt: SABLC).
- Quy trình chế tạo được vật liệu thủy tinh silicate SABLC và các đơn tạp
Er3+
, Nd3+
, Pr3+
, đồng pha tạp Nd3+
/Er3+
và Pr3+
/Er3+
trong vật liệu
thủy tinh silicate.
- Phương pháp phân tích nhiệt DTA trên các thiết bị đo DTA-60AH-
SHIMADZU và phần mềm TA 60 để làm cơ sở cho việc ủ nhiệt, xử lý nhiệt vật
liệu thủy tinh Silicate.
- Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ trên các thiết bị đo Hitachi U-
4100 kết nối với máy tính qua phần mềm kèm theo thiết bị đó.
- Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ cận hồng ngoại trên các thiết bị
đo ZOLIX SBP300 kết nối với máy tính qua phần mềm chuyên dụng kèm theo
thiết bị đó.
- Phương pháp đo lifetimes trên các thiết bị đo Edinburgh Instruments FLS-
980 do Anh sản xuất kết nối với máy tính qua phần mềm FLS-980 kèm theo
thiết bị đó. Đo lifetimes các mẫu thủy tinh cần thiết nhằm xác định lifetimes
để tính toán và cơ sở đánh giá quá trình chuyển giao năng lượng giữa Er3+
với Nd3+
và Pr3+
của vật liệu đã chế tạo.

34
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của Erbium trong vật liệu thủy tinh silicate.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của Erbium trong vật liệu thủy tinh silicate.doc

Similar to Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của Erbium trong vật liệu thủy tinh silicate.doc (20)

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (17)

Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của Erbium trong vật liệu thủy tinh silicate.doc