Luận văn 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

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hình ảnh sợi quang Hình 1.2 Truyền dẫn quang (a) đa mode (b) đơn mode Hình 1.3 Sơ đồ chức hệ thống WDM Hình 1.4 Hệ thống thơng tin quang 10 Hình 1.5 Sơ đồ truyền dẫn chiều sợi quang 11 Hình 1.6 Sơ đồ truyền dẫn chiều sợi quang 11 Hình 1.7 Cấu tạo EDFA 13 Hình 2.1 Tỷ lệ thành phần chính trạng thái thủy tinh 18 Hình 2.2 Các mức lượng chuyển tiếp Erbium 22 Hình 2.3 Các mức lượng chuyển tiếp Praseodymium 22 Hình 2.4 Các mức lượng chuyển tiếp 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 đo đạc thông số 24 Hình 2.7 Hình ảnh mẫu SABLC-0N0.2E, SABLC-0.5N0.2E, SABLC0.8N0.2E, SABLC-1.0N0.2E, SABLC-1.2N0.2E sau chế tạo, ủ nhiệt đánh bóng bề mặt 25 Hình 2.8 Giao diện phần mềm TA 60 kèm theo thiết bị đo phân tích nhiệt DTA-60AH-SHIMADZU 26 Hình 2.9 Đường cong DTA 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 thiết bị đo quang phổ hấp thụ Hitachi U4100 29 Hình 2.12 Bộ phát bước sóng kích thích 980 nm LD 30 Hình 2.13 Giao diện phần mềm 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 thiết bị đo FLS-980 32 Hình 3.1 Kết phân tích XRD………………………………………… 34 Hình 3.2 Quang phở hấp thụ đơn tạp Er3+ mẫu thủy tinh 35 SABLC-0.5Er 35 Hình 3.3 Quang phở phát xạ cận hồng ngoại NIR đơn tạp Er3+ mẫu thủy tinh SABLC-xEr (x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25 0.3 mol %) 36 Hình 3.4 FWHM (Full Width at Half Maximum) đơn tạp Er3+ mẫu thủy tinh SABLC-0.3Er…………………………………………………….37 Hình 3.5 Sơ đồ mức lượng phát xạ NIR Er3+ 38 Hình 3.6 Quang phở hấp thụ mẫu thủy tinh SABLC-0Nd0.4Er, SABLC-0.5Nd0Er SABLC-0.5Nd0.4Er 39 Hình 3.7 Quang phở phát xạ cận hồng ngoại mẫu đơn tạp Nd3+, đơn tạp Er3+ đồng pha tạp Nd3+/Er3+ thủy tinh SABLC 41 Hình 3.8 Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR mẫu thủy tinh SABLC-xNd-0.2Er (x = 0, 0.5, 0.8, 1.0 1.2 mol %) 42 Hình 3.9 Quang phở phát xạ cận hồng ngoại NIR mẫu thủy tinh SABLC-0.5Nd-xEr (x = 0.2, 0.3, 0.4 0.5 mol %) 43 Hình 3.10 Sơ đồ mức lượng chế chuyển giao lượng giữa Er3+ Nd3+ 44 Hình 3.11 Phát xạ cận hồng ngoại đồng pha tạp Nd3+/Er3+ thủy tinh SABLC với tỷ lệ nồng độ p = Nd3+/Er3+ khác 46 Hình 3.12 Mối quan hệ giữa cường độ phát xạ NIR đồng pha tạp Nd3+/Er3+ đỉnh bước sóng 1546 nm với tỷ lệ nồng độ mol % p Nd3+/Er3+ khác 47 Hình 3.13 Thời gian sống mẫu thủy tinh SABLC-xNd-0.2Er (x = 0, 0.5, 0.8, 1.0 1.2 mol %) đo bước sóng 1348 nm kích thích bước sóng 808 nm LD 48 Hình 3.14 Quang phở hấp thụ đơn tạp Pr3+ mẫu thủy tinh SABLC0.5Pr 51 Hình 3.15 Quang phở hấp thụ mẫu thủy tinh SABLC-0.5Er, SABLC0.5Pr SABLC-0.5Er0.5Pr 52 Hình 3.16 Phổ phát xạ NIR mẫu thủy tinh SABLC-0.5Er, SABLC0.5Pr SABLC-0.5Pr0.5Er kích thích 980 nm LD 53 Hình 3.17 Quang phở phát xạ cận hồng ngoại mẫu thủy tinh SABLCxPr0.1Er (x = 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 1.0 mol %) 54 Hình 3.18 Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại mẫu thủy tinh SABLC0.8PrxEr (x = 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35 mol %) 55 Hình 3.19 Sơ đồ mức lượng chế chuyển giao lượng giữa Er3+ Pr3+ 56 Hình 3.20 FWHM đơn tạp Er3+, đơn tạp Pr3+ đồng pha tạp Er3+/Pr3+ thủy tinh SABLC 57 Hình 3.21 (a) Thời gian sống Pr3+ bước sóng 1375nm tương ứng với trình chuyển đổi 1G4 3H5 Pr3+ SABLC-0.5Pr0.1Er, SABLC0.6Pr0.1Er, SABLC-0.7Pr0.1Er, SABLC-0.8Pr0.1Er, SABLC-0.9Pr0.1Er vàSABLC-1Pr0.1Er kích thích bước sóng 980 nm LD……… 60 Hình 3.21 (b) Thời gian sống Er3+ τEr 1546nm tương ứng với trình chuyển đổi 4I13/2  4I15/2 Er3+ SABLC-0.8Pr0.15Er, SABLC0.8Pr0.2Er, SABLC-0.8Pr0.25Er, SABLC-0.8Pr0.3Er SABLC0.8Pr0.35Er Các mẫu thủy tinh 0.8Pr0.3Er SABLC-0.8Pr0.35Er kích thích bước sóng 980 nm LD……………………………………… 61 Hình 3.22 (a) Phở hấp thụ mẫu thủy tinh SABLC-0.5Er (Er3+ đơn tạp) SABLC-0.5Pr (Pr3+ đơn tạp) 63 Hình 3.22(b) Phở phát xạ NIR mẫu thủy tinh niurate SABLC-0.5Er (Er3+ đơn tạp) SABLC-0.5Pr (Pr3+ đơn tạp) 64 Hình 3.23 (a) Các mặt cắt hấp thụ σa(Er)(λ) mặt cắt phát xạ σe(Er)(λ) cho chuyển tiếp 4I15/2  4I13/2 4I13/2  4I15/2 Er3+ 65 Hình 3.23 (b) Các mặt cắt hấp thụ σa(Pr)(λ) mặt cắt phát xạ σe(Pr)(λ) cho chuyển tiếp 1G4  1D2 1D2  1G4 Pr3+ 665 Hình 3.24(a) Hệ số khuếch đại GEr(λ) cho chuyển tiếp 4I13/2 → 4I15/2 Er3+ với p = 0, 0.1 đến 66 Hình 3.24 (b) Hệ số khuếch đại GPr(λ) cho q trình chủn đởi 1D2  1G4 Pr3+ với p = 0, 0.1 đến 67 MỤC LỤC MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG 1.1.1 Sơ lược phát triển sợi quang 1.1.2 Khái niệm, cấu tạo nguyên lí hoạt động sợi quang 1.1.2.1 Khái niệm sợi quang 1.1.2.2 Cấu tạo sợi quang 1.1.2.3 Nguyên lí hoạt động sợi quang 1.1.3 Các công nghệ truyền dẫn quang 1.2 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG (WDM)8 1.2.1 Tổng quan ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) 1.2.2 Nguyên lí hoạt động hệ thống WDM 1.2.3 Phân loại kỹ thuật ghép kênh WDM 10 1.2.3.1 Kỹ thuật truyền dẫn hai chiều hai sợi: 10 1.2.3.2 Kỹ thuật truyền dẫn hai chiều sợi 11 1.2.4 Ứng dụng kỹ thuật ghép kênh WDM 12 1.3 BỘ KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG EDFA 12 1.3.1 Sơ lược phát triển khuếch đại quang EDFA 12 1.3.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động EDFA 13 1.3.2.1 Sơ đồ khối EDFA 13 1.3.2.2 Nguyên lý hoạt động EDFA 14 1.3.3 Ứng dụng khuếch đại quang EDFA 15 CHƯƠNG 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 đơn tạp Er3+ vật liệu thủy tinh silicate 18 2.2.2 Vật liệu thí nghiệm cho nghiên cứu băng thông cận hồng ngoại đồng pha tạp Nd3+/Er3+ vật liệu thủy tinh silicate 19 2.2.3 Vật liệu thí nghiệm cho nghiên cứu băng thông cận hồng ngoại đồng pha tạp Pr3+/Er3+ vật liệu thủy tinh silicate 20 2.2.4 Các mức lượng 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 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 phân tích XRD 34 3.1.2 Quang phổ hấp thụ đơn tạp Er3+ 35 3.1.3 Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại đơn tạp Er3+ 36 3.1.4 Thảo luận, đánh giá kết 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 đồng pha tạp Nd3+/ Er3+ 39 3.2.2 Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại đồng pha tạp Nd3+/Er3+ 40 3.2.3 Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại đồng pha tạp Er3+/Nd3+ thay đổi tỷ lệ nồng độ mol Nd3+ 42 3.2.4 Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại đồng pha tạp Er3+/Nd3+ thay đổi tỷ lệ nồng độ mol % Er3+ 43 3.2.5 Cơ chế phát xạ cận hồng ngoại trình chuyển giao lượng giữa Er3+ Nd3+ đồng pha tạp Er3+/Nd3+ 44 3.2.6 Kết đo thời gian sống 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 đơn tạp Pr3+ đồng pha tạp Er3+/Pr3+ 50 3.3.2 Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại đơn tạp Er3+, đơn tạp Pr3+ đồng pha tạp Er3+/Pr3+ 53 CHƯƠNG 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 phát triển khoa học công nghệ, Internet kết nối vạn vật (IoT: Internet Over Thing) cũng đã phát triển ngày sâu vào sống Thông qua IoT người có thể làm việc, học tập, mua sắm, giải trí, giao lưu…với tồn giới thơng quang mạng Internet Chính đòi hỏi hạ tầng kỹ thuật cho việc truyền dẫn dữ liệu qua mạng Internet ngày cũng phát triển để đáp ứng nhu cầu đó Trong công nghệ truyền dẫn hệ thống viễn thông, công nghệ truyền dẫn quang với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) giải pháp tiên tiến truyền dẫn sợi quang, WDM ngày sử dụng phổ biến với ưu điểm đáp ứng yêu cầu chất lượng truyền dẫn Để kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM đáp ứng yêu cầu truyền dẫn quang khuếch đại quang đóng vai trò quan trọng Trong đó khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium (EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier) nằm băng tần C (15301565nm) với đỉnh phát xạ Erbium khoảng 1550 nm sử dụng có vai trò quan trọng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM Do đó, gần nhiều nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu tìm giải pháp để mở rộng băng thông cho khuếch đại sợi quang EDFA Từ những sở trên, chọn đề tài: “Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại Erbium vật liệu thủy tinh silicate ứng dụng cho 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) Erbium vật liệu thủy tinh Silicate ứng dụng cho khuếch đại EDFA Mục đích đề tài Mục đích đề tài nghiên cứu chế tạo vật liệu đơn tạp Er3+; đồng pha tạp Er3+/Nd3+ đồng pha tạp Er3+/Pr3+ vật liệu thủy tinh silicate, tổng hợp từ thành phần chính SiO2, AlF3, BaF2, LaF3, CaCO3, ErF3 NdF3, PrF3 (hoặc Pr2O3) Đồng thời, nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại sợi Erbium, ứng dụng cho khuếch đại sợi quang EDFA thông qua kết hợp đồng pha tạp Er3+/Nd3+, Er3+/Pr3+ thơng qua chế, q trình chủn giao lượng giữa Er3+ với Nd3+ Pr3+ Tính thực tiễn 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 vật liệu thủy tinh có tính ởn định nhiệt độ bền học có thể sử dụng làm vật liệu thủy tinh đưa ions đất vào ứng dụng cho sợi quang + Luận văn đã nghiên cứu, chế tạo, đưa thành phần đơn tạp Er3+; đồng pha tạp Er3+/Nd3+ đồng pha tạp Er3+/Pr3+ vào vật liệu thủy tinh silicate SABLC ứng dụng cho khuếch đại quang EDFA với phạm vi bước sóng từ khoảng 1460nm đến 1565 nm, tương ứng với băng tần S+C cửa sổ quang học + Luận văn đã nghiên cứu, mở rộng băng thông cận hồng ngoại sợi Erbium để ứng dụng cho khuếch đại sợi quang EDFA thông qua chế kết hợp đồng pha tạp Er3+/Nd3+, đồng pha tạp Er3+/Pr3+ thông qua trình chuyển giao lượng giữa Er3+ với Nd3+ Pr3+ Nội dung chi tiết luận văn thạc sĩ Nội dung chi tiết luận văn bao gồm phần mở đầu chương: Chương 1: Tổng quan tài liệu Chương 2: Nguyên vật liệu phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết thảo luận Chương 4: Kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG 1.1.1 Sơ lược sự phát triển sợi quang Năm 1880, Alexander Graham Bell, người Mỹ, đã phát minh hệ thống thông tin ánh sáng, đó hệ thống photophone sử dụng ánh sáng mặt trời từ gương phẳng mỏng đã điều chế tiếng nói để mang tiếng nói đi, nguồn nhiễu lớn làm giảm chất lượng đường truyền [1] Năm 1934, Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận sáng chế hệ thống thông tin quang với phương tiện truyền dẫn thủy tinh [1] Năm 1966, Charles K Kao George Hockham thuộc phòng thí nghiệm Standard Telecommunication Anh thực nhiều thí nghiệm để chứng minh thủy tinh chế tạo suốt cách giảm tạp chất thủy tinh suy hao ánh sáng giảm tối thiểu Và họ cho sợi quang chế tạo đủ tinh khiết ánh sáng có thể truyền xa nhiều Km [1] Năm 1983, sợi quang đơn mode SM (Single Mode) sản xuất Mỹ Đầu những năm 1980, Công ty điện thoại bắt đầu sử dụng sợi quang để xây dựng lại sở hạ tầng truyền thông sử dụng cáp quang vào mục đích thương mại [1] Ngày nay, công nghệ kỹ thuật truyền dẫn quang tiếp tục phát triển mạnh coi hệ thống truyền tải thông tin với tốc độ cao hàng tỉ dữ liệu số hoá chuyển hoá thành những tín hiệu ánh sáng để truyền sợi quang Ngồi ra, cơng nghệ kỹ thuật truyền dẫn quang cũng đóng vai trò quan trọng nhiều lĩnh vực như: truyền hình mạng, mạng Internet, mạng điện thoại… 1.1.2 Khái niệm, cấu tạo nguyên lí hoạt động sợi quang 1.1.2.1 Khái niệm sợi quang Sợi quang loại sợi linh hoạt, suốt làm thủy tinh (silicate) hoặc nhựa (plastic) Sợi quang có kích thước nhỏ, dùng để truyền dẫn tín hiệu ánh sáng sử dụng rộng rãi truyền thông tin sợi quang nhờ những ưu điểm nổi bật nó như: Hoạt động tốt khoảng cách hàng ngàn mét, băng thơng rộng, suy giảm tín hiệu ít, tính bảo mật tín hiệu cao, khơng bị nhiễu điện từ, khơng dẫn điện, tỷ lệ lỗi bít thấp, suy hao tín hiệu thấp méo dạng tín hiệu, sợi quang cung cấp băng thơng rộng… Vì vậy, sợi quang giải pháp lựa chọn phù hợp để truyền tải dữ liệu tốc độ cao truyền đến những khoảng cách xa 1.1.2.2 Cấu tạo sợi quang * Thành phần sợi quang gồm lõi lớp bọc mơ tả hình 1.1 - Lõi (core): Hình trụ, thành phần sợi quang, có vai trị truyền dẫn tín hiệu ánh sáng nhờ phản xạ toàn phần ánh sáng giữa lõi lớp bọc Lõi thường làm vật liệu thủy tinh hoặc chất dẻo suốt có chiết suất n1 - Lớp vỏ bọc (cladding): Hình trụ, lớp bao ngồi trực tiếp với lõi sợi quang, nhờ đó tạo tượng phản xạ toàn phần liên tiếp sợi quang Lớp vỏ bọc có chiết suất n2 nhỏ so n1 [1] Lõi lớp vỏ bọc sợi quang với chiết suất n 1, n2 minh họa hình 1.1 63 Zl hàm phân vùng cấp cấp dưới; h số Planck k số Boltzmann Ở đây, xác định trung bình bước sóng hấp thụ bước sóng phổ phát xạ: phổ ( 8) Giá trị mặt cắt phát xạ σe(λ) bước sóng cụ thể σe(λ0) xác định thông qua mối quan hệ với σa(λ0) sau: σe(λ0); (9) Khi xác định giá trị mặt cắt phát xạ σe(λ) biểu thức: , có thể tính giá trị (10) Hình 3.22 (a) Phổ hấp thụ mẫu thủy tinh SABLC-0.5Er (Er3+ đơn tạp) SABLC-0.5Pr (Pr3+ đơn tạp) 64 Quang phổ hấp thụ mẫu thủy tinh SABLC-0.5Er (Er3+ đơn tạp) mẫu thủy tinh SABLC-0.5Pr (Pr3+ đơn tạp) thể hình 3.22 (a) Quang phở phát xạ cận hồng ngoại mẫu thủy tinh SABLC-0.5Er (Er3+ đơn tạp) mẫu thủy tinh SABLC-0.5Pr (Pr3+ đơn tạp) thể hình 3.22 (b) Hình 3.22(b) Phổ phát xạ NIR mẫu thủy tinh niurate SABLC-0.5Er (Er3+ đơn tạp) SABLC-0.5Pr (Pr3+ đơn tạp) Từ quang phổ hấp thụ quang phổ phát xạ đơn tạp Er 3+ mô tả trên, mặt cắt phổ hấp thụ σa(Er)(λ) mặt cắt phổ phát xạ σe(Er)(λ) cho chuyển tiếp 4I15/2  4I13/2 4I13/2  4I15/2 tương ứng Er3+ tính toán hiển thị hình 3.22(a) Tương tự, từ quang phổ hấp thụ quang phổ phát xạ đơn tạp Pr 3+, mặt cắt phổ hấp thụ σa(Pr)(λ) mặt cắt phổ phát xạ σe(Pr)(λ) cho chuyển tiếp 1G4  1D2 1D2  1G4 Pr3+ cũng tính tốn hiển thị hình 3.22(b) 65 Hình 3.23 (a) Các mặt cắt hấp thụ σa(Er)(λ) mặt cắt phát xạ σe(Er)(λ) cho chuyển tiếp 4I15/2  4I13/2 4I13/2  4I15/2 Er3+ Sử dụng kết tính toán hiển thị hình 3.23 (a) & (b), kết hợp biểu thức (5), chúng tơi đã tính tốn hệ số khuếch đại GEr(λ) cho chuyển tiếp 4I13/2 → 4I15/2 Er3+ hiển thị chi tiết hình 3.23 (a) Tương tự, GPr(λ) cho chuyển tiếp 1D2  1G4 Pr3+ cũng tính toán dựa vào biểu thức (5) giá trị mặt cắt phổ hấp thụ σa(Pr)(λ) mặt cắt phổ phát xạ σe(Pr)(λ) hiển thị chi tiết hình 3.23 (b) 66 Hình 3.23 (b) Các mặt cắt hấp thụ σa(Pr)(λ) mặt cắt phát xạ σe(Pr)(λ) cho chuyển tiếp 1G4  1D2 1D2  1G4 Pr3+ Hình 3.24(a) Hệ số khuếch đại GEr(λ) cho chuyển tiếp 4I13/2 → 4I15/2 Er3+ với p = 0, 0.1 đến [38] 67 Hình 3.24 (b) Hệ số khuếch đại GPr(λ) cho q trình chủn đởi 1D2  1G4 Pr3+ với p = 0, 0.1 đến [38] Từ kết GEr(λ) ứng với p = 0, 0.1,…1 hình 3.24 (a), có thể quan sát thấy phạm vi bước sóng từ 1400 nm đến 1700 nm, giá trị hệ số khuếch đại GEr(λ) Er3+ dương, ứng với p = 0.4 Khi p  0.5, phát xạ NIR Er3+ thủy tinh SABLC quan sát phẳng tăng dần, bao trùm băng tần S, C (C + L) Giá trị GEr(λ) khoảng 0.8 cm-1 tương ứng với trường hợp p = Tương tự, cũng có thể thấy hình 3.24(b) giá trị GPr(λ) dương với p = 0,3 phạm vi bước sóng từ 1250 nm đến 1650 nm Khi p  0.4, phát xạ NIR Pr3+ thủy tinh SABLC cũng quan sát phẳng tăng dần, bao trùm dải băng tần S C; Khi p = 1, giá trị GPr(λ) khoảng 2.5 cm-1 Những kết cho thấy phát xạ NIR đơn tạp Er3+, đơn tạp Pr3+ nghiên cứu có thể sử dụng cho ứng dụng khuếch đại quang, cụ thể khuếch đại quang EDFA 68 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương 3, thành công khi: - Nghiên cứu băng thông cận hồng ngoại đơn tạp Er3+ vật liệu thủy tinh Silicate, trình chuyển đổi lượng Nd3+ Er3+ - Nghiên cứu, phân tích quang phổ hấp thụ đồng pha tạp Nd 3+/Er3+ đồng pha tạp Nd3+/Er3+ thủy tinh silicate SABLC suốt kích thích hiệu bước sóng 808 nm LD Nghiên cứu phát xạ, băng thông cận hồng ngoại đồng pha tạp Nd3+/Er3+ vật liệu thủy tinh Silicate - Phân tích quang phổ phát xạ cận hồng ngoại đồng pha tạp Er3+/Nd3+ thay đổi tỷ lệ nồng độ mol.% Er3+ thay đổi tỷ lệ nồng độ mol % Nd3+ - Nghiên cứu trình chuyển giao lượng từ Er3+ Nd3+ thơng qua đo đạc tính tốn thời gian sống đồng pha tạp Nd3+/Er3+ vật liệu thủy tinh Silicate - Nghiên cứu trình chuyển giao lượng từ Er3+ Pr3+ thông qua đo đạc tính tốn thời gian sống đồng pha tạp Pr3+/Er3+ vật liệu thủy tinh Silicate - Nghiên cứu, phân tích quang phổ hấp thụ, phát xạ cận hồng ngoại đơn tạp Er3+, đơn tạp Pr3+, đồng pha tạp Er3+/Pr3+ Kết đo FWHM đồng pha tạp Er3+- Pr3+- Yb3+ SiO2–AlF3–BaF2–CaCO3–LaF3 kích thích bước sóng 980 nm LD thu băng thông rộng với FWHM khoảng 300 nm phạm vi bước sóng từ 1460 nm đến 1565 nm, vật liệu nghiên cứu sử dụng cho ứng dụng khuếch đại sợi quang Từ kết cho thấy so với nghiên cứu cơng bố tạp chí khoa học quốc tế trước băng thơng FWHM đồng pha tạp Er3+- Pr3+- Yb3+ mở rộng 69 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 KẾT LUẬN Luận văn với tên đề tài: “Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại Erbium vật liệu thủy tinh silicate ứng dụng cho khuếch đại sợi quang EDFA” đã thực những mục tiêu : - Chế tạo vật liệu đơn tạp Er3+; đồng pha tạp Er3+/Nd3+ đồng pha tạp Er3+/Pr3+ vật liệu thủy tinh silicate, tổng hợp từ thành phần chính SiO2, AlF3, BaF2, LaF3, CaCO3, ErF3 NdF3, Pr2O3 - Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại sợi Erbium, ứng dụng cho khuếch đại sợi quang EDFA thông qua kết hợp đồng pha tạp Er3+/Nd3+, Er3+/Pr3+ thông qua chế, trình chuyển giao lượng giữa Er3+ với Nd3+, trình chuyển giao lượng giữa Er3+ với Pr3+ * Luận văn thu được kết sau : - Đề tài đã nghiên cứu, tổng hợp kiến thức bản, nguyên lý, ứng dụng sợi quang, kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM, khuếch đại EDFA - Chế tạo vật liệu thủy tinh silicate với thành phần SiO2–AlF3– BaF2–LaF3–CaCO3 (viết tắt: SABLC) - Chế tạo vật liệu thủy tinh silicate với thành phần SiO2– AlF3–BaF2–LaF3–CaCO3 chứa thành phần đơn tạp Er3+ - Chế tạo vật liệu thủy tinh silicate với thành phần SiO2– AlF3–BaF2–LaF3–CaCO3 chứa thành phần đồng pha tạp Er3+/Nd3+ - Chế tạo vật liệu thủy tinh silicate với thành phần SiO2– AlF3–BaF2–LaF3–CaCO3 chứa thành phần đồng pha tạp Er3+/Pr3+ - Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại sợi Erbium thông qua chế kết hợp đồng pha tạp Er3+/Nd3+, đồng pha tạp Er3+/Pr3+ thông qua trình chuyển giao lượng giữa Er3+ với Nd3+ Pr3+ dải bước sóng từ 1460 nm đến 1565 nm với FWHM khoảng 280 -300 nm 70 - Một số phép đo xác định tính chất vật liệu phương pháp đo đạc, phân tích thí nghiệm để kiểm chứng kết vật liệu đã chế tạo phân tích nhiệt DTA, quang phổ hấp thụ, phân tích lifetimes - Kết đo thời gian sống Pr3+ 1375nm tương ứng với trình chuyển đổi G4  H5 Pr3+ SABLC-0.5Pr0.1Er, SABLC- 0.6Pr0.1Er, SABLC-0.7Pr0.1Er, SABLC-0.8Pr0.1Er, SABLC-0.9Pr0.1Er, and SABLC-1Pr0.1Er kích thích 980nm LD chứng tỏ có q trình chủn giao lượng từ Pr3+ sang Er3+ - Kết đo thời gian sống Er3+ 1546 nm tương ứng với q trình chủn đởi 4I13/2  4I15/2 Er3+ SABLC-0.8Pr0.15E, SABLC0.8Pr0.2Er, SABLC-0.8Pr0.25Er, SABLC-0.8Pr0.3Er, SABLC0.8Pr0.35Er Các mẫu thủy tinh 0.8Pr0.3Er SABLC-0.8Pr0.35Er kích thích 980 nm LD chứng tỏ có q trình chủn giao lượng từ Pr3+ sang Er3+ - Kết phân tích quang phở phát xạ cận hồng ngoại NIR vật liệu thủy tinh silicate SiO2–AlF3–BaF2–CaCO3–LaF3–ErF3 bị kích thích 980 nm LD đã cho thấy băng thông cận hồng ngoại FWHM vật liệu khoảng 300 nm So sánh với kết đo FWHM nghiên cứu đã cơng bố tạp chí khoa học quốc tế trước đó băng thơng FWHM đồng pha tạp Er3+- Pr3+- Yb3+ đã mở rộng Từ kết đạt trên, chúng tơi có thể kết luận luận văn với đề tài: “Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại Erbium vật liệu thủy tinh silicate ứng dụng cho khuếch đại sợi quang EDFA” đã hoàn thành đầy đủ đạt những yêu cầu nội dung đã đặt 4.2 KIẾN NGHỊ Do điều kiện thời gian còn hạn chế nên chưa thể nghiên cứu sâu với đề tài Do đó, để vật liệu có thể chế tạo sử dụng rộng rãi thực tế cần nghiên cứu thêm độ bền học, số tính chất, thuộc tính tán xạ ánh sáng …của vật liệu Trong tương lai, đề tài 71 có thể nghiên cứu để mở rộng băng thông cận hồng ngoại loại vật liệu thủy tinh 72 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN Ho Kim Dan, Nguyen Minh Ty, Vu Hang Nga, Doan Thi Phuc, Anh-Luan Phan, Dacheng Zhou, Jianbei Qiu, Broadband flat near-infrared emission and energy transfer of Pr3+–Er3+–Yb3+ tri-doped niobate tellurite glasses, Journal of Non-Crystalline Solids 549 (2020) 120335 (SCI) Vũ Hằng Nga, Đoàn Thị Phúc, Hồ Kim Dân, Ảnh hưởng q trình xử lí nhiệt đến phát xạ Upconversion NIR Erbium vật liệu gốm thủy tinh Tellurite, Tạp chí khoa học Đại học Đà Lạt, Tập 10, Số 2, 2020 105-116 Vu Hang Nga, Doan Thi Phuc, Nguyen Minh Ty, Tran Duy Tap, Ho Kim Dan, Enhanced upconversion emission intensity of Ho3+/Yb3+ co-doped transparent tellurite glass-ceramics via Yb3+–Mn2+ dimer, The 1st NCKUTDTU Joint International Symposium on Materials Science, ISMS 2019 (Poster) 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Quốc Cường, Đỗ Văn Việt Em, Phạm Quốc Việt , 2009, Kĩ thuật thông tin quang 1, Học Viện công nghệ bưu chính viễn thông, Hà Nội [2] J Hecht, City of Light: The Story of Fiber Optics, 1999, New York, Oxford University Press [3] Đỗ Văn Việt Em, 2007, Kĩ thuật thông tin quang 2, Học Viện công nghệ bưu chính viễn thông, Hà Nội [4] Biswanath Mukherjee, 2006, Optical WDM Networks, University of California Davis, U.S.A [5] Nguyễn Hoàng Anh, 2013, Ứng dụng khuếch đại quang sợi truyền dẫn quang WDM, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Thái Nguyên [6] B Mukherjee, 1997, Optical Communication Networks, McGraw-Hill, New York [7] Jiasheng Ni, G.D Peng, Chang Wang, Yanhua Luo, Gui Xiao, Shuen Wei, Han Liu, Tiegen Liu, 2016, Study on pump optimizing for Bi/Er co-doped optical fiber, Measurement, 79, pp 160–163 [8] Phạm Thu Hiếu, 2012, Nghiên cứu hệ thống thông tin cáp quang sợi WDM ứng dụng cho đường trục viễn thông Bắc Nam, Luận văn thạc sĩ Vật Lí , Nghành Kỹ Thuật điện tử, Trường Đại học kĩ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên [9] R.C Schimmel, A Jfaber, H de Waardt, R.G Cbeerkens, G.D Khoe, 2001, Development of germanium gallium sulphide glass fibres for the 1.31μm praseodymium-doped fibre amplifier, J Non-Cryst Solids, vol 284, pp 188–192 [10] Y Pepe, M Erdem, A Sennaroglu, G Eryurek, 2019, Enhanced gain bandwidth of Tm3+ and Er3+ doped tellurite glasses for broadband optical amplifier, J Non-Cryst Solids, vol 522, pp 119501 74 [11] Laiju P.Joy, 2015, Design and Development of Erbium Doped Fiber Amplifiers, Master of Technology, International School of Photonics Cochin University of Science and Technology Cochin - 682022 [12] Ho Kim Dan, Dacheng Zhou, Rongfei Wang, Qing Jiao, Zhengwen Yang, Zhiguo Song,Xue Yu, Jianbei Qiu, 2015, Effects of gold nanoparticles on the enhancement of upconversion and nearinfrared emission in Tb3+ /Yb3+ co-doped transparent glass–ceramics containing BaF2 nanocrystals, Ceramics International, vol 41, pp 2648 - 2653 [13] H.K Dan, J.B Qiu, D.C Zhou, R.F Wang, 2018, Broadband nearinfrared emission and energy transfer in Nd-Bi co-doped transparent silicate glass-ceramics for optical amplifiers, Opt Mater, 85, 517–522 [14] Pan Cheng, Yaxun Zhou, Xiue Su, Minghan Zhou, Zizhong Zhou, Hanru Shao, 2018, Pr3+/Er3+ co-doped tellurite glass with ultra-broadband nearinfrared fluorescence emission, Journal of Luminescence, vol 197, pp 31–37 H.K [15] H.K Dan, Dai-Nam Le, Hieu T Nguyen-Truong, T.D Tap, H.X Vinh, N.M Ty, R.F Wang, D.C Zhou, J.B Qiu, 2020, Effects of Y3+ on the enhancement NIR emission of Bi+-Er3+ co-doped in transparent silicate glassceramics for Erbium-doped fiber amplifier (EDFA), J Lumin, vol 219, pp 116942 [16] Hồ Kim Dân, 2018, Ảnh hưởng trình xử lí nhiệt đến phát xạ Upconversion NIR Erbium vật liệu gốm thủy tinh Tellurite suốt, Tạp chí Khoa học Đại học Đà Lạt [17] Trần Thị Hồng, 2017, Khảo sát quang phổ thủy tinh Borat - Telurit pha tạp ion đất hiếm, Luận án Tiến Sĩ khoa học vật liệu, Viện Hàn Lâm Khoa học & công nghệ Việt Nam [18] A Jha, B Richards, G Jose, T Teddy-Fernandez, P Joshi, X Jiang, J Lousteau, 2012, Rare-earth ion doped TeO2 and GeO2 glasses as laser materials, Prog Mater Sci, 57(8), pp.1426–491 75 [19] T Wei, Y Tian, C Tian, X.F Jing, M.Z Cai, J.J Zhang, L Zhang, S.Q Xu, 2015, Comprehensive evaluation of the structural, absorption, energy transfer, luminescent properties and near-infrared applications of the neodymium doped germanate glass, J Alloy Comp, 618, pp 95–101 [20] W.R Wang, X.A Lei, H.P Gao, Y.L Mao, 2015, Near-infrared quantum cutting platform in transparent oxyfluoride glass-ceramics for solar cells, Opt Mater, vol 47, pp 270–275 [21] Ho Kim Dan, Jianbei Qiu, Dacheng Zhou, Qing Jiao, Rongfei Wang, Nguyen Le Thai, 2019, Super broadband near-infrared emission and energy transfer in Nd–Bi– Er co-doped transparent silicate glass-ceramics, Materials Letters, vol 234, pp 142 - 147 [22] G Venkataiah, P Babu, I.R Martín, K.V Krishnaiah, K Suresh, V Lavín, C.K Jayasankar, 2018, Spectroscopic studies on Yb3+-doped tungstentellurite glasses for laser applications, J Non-Cryst Solids, vol 479, pp – 15 [23] G.N van den Hoven, J.A van der Elsken, A Polman, C van Dam, K.W.M van Uffelen, M.K Smit, 1997, Absorption and emission cross sections of Er3+ in Al2O3 waveguides, Appl Opt 36, pp 3338–3341 [24] M.Y Peng, B.T Wu, N Da, C Wang, D.P Chen, C.S Zhu, J.R Qiu, 2008, Bismuth-activated luminescent materials for broadband optical amplifier in WDM system, J Non-Cryst Solids, vol 354, pp 1221–1225 [25] T.M Hau, X Yu, D.C Zhou, Z G Song, Z.W Yang, R F Wang, J B Qiu, 2013, Super broadband near-infrared emission and energy transfer in BiEr co-doped lanthanum aluminosilicate glasses, Opt Mater, vol 35, pp 487– 490 [26] G.H Xue GH, B Zhang, W.Q Yang, K Yin, J Hou, 2015, Stable highspectral-flatness mid-infrared supercontinuum generation in Tm-doped fiber amplifier, Opt Fiber Technol, vol 24, pp.1– 76 [27] S Tanabe, N Sugimoto, S Ito, T Hanada, 2000, Broad-band 1.5 μm emission of Er3+ ions in bismuth-based oxide glasses for potential WDM amplifier, J Lumin, vol 87-89, pp 670–672 [28] Y.R Zhu, X.J Shen, X.E Su, M.H Zhou, Y.X Zhou, 2019, Er3+/Pr3+/Nd3+ tri-doped tellurite glass for ultra-broad band amplification applications, Mater Lett, vol 24, pp 175–177 [29] G.Y Zhao, L.Z Xu, S.H Meng, C.B Du, J.S Hou, Y.F Liu, Y.Y Guo, Y.Z Fang, M S Liao, J Zou, L.L Hu, 2019, Facile preparation of plasmon enhanced near-infrared photoluminescence of Er3+-doped Bi2O3–B2O3–SiO2 glass for optical fiber amplifier, J Lumin, vol 206, pp 164–168 [30] D.C Zhou, R.F Wang, Z.W Yang, Z.G Song, Z.Y Yin, J.B Qiu, 2011, Spectroscopic properties of Tm3+ doped TeO2–R2O–La2O3 glasses for 1.47 μm optical amplifiers, J Non-Cryst Solids, vol 357, pp 2409 –2412 [31] M.G Zhou, Y.X Zhou, Y.R Zhu, X Su, J Li, H.R Shao, 2018, Broadband near-infrared luminescence at around 1.0 μm in Pr3+/Er3+ co-doped tellurite glass, J Lumin, vol 203, pp 689–695 [32] X.J Shen, Y Zhang, L.Z Xia, J Li, G.B Yang, Y.X Zhou, 2020, Dual super-broadband NIR emissions in Pr3+–Er3+–Nd3+ tri-doped tellurite glass, Ceram Inter, vol 46, pp.14284–14286 [33] G.S Li, C.M Zhang, P.F Zhu, C Jiang, P Song, K Zhu, 2016, Broadband near-infrared emission in Pr3+-Er3+ codoped phosphate glasses for optical amplifiers, Ceram Inter, vol 42, pp 5558–5561 [34] P.S Golding, S.D Jackson, T.A King, M Pollnau, 2000, Energytransfer processes in Er3+-doped and Er3+, Pr3+-codoped ZBLAN glasses, Phys Review B, 62(2) [35] Z.Y Zhao, C Liu, M.L Xia, J Wang, J.J Han, J Xie, X.J Zhao, 2016, Effects of Y3+/Er3+ ratio on the 2.7 µm emission of Er3+ ions in oxyfluoride glass-ceramics, Opt Mater, pp 89 – 93 77 [36] Ho Kim Dan, Dacheng Zhou, Zhengwen Yang, Zhiguo Song, Xue Yu, Jianbei Qiu, 2015, Optimizing Nd/Er ratio for enhancement of broadband near-infrared emission and energy transfer in the Er3+–Nd3+ co-doped transparent silicate glass-ceramics, Journal of Non-Crystalline Solids, vol 414, pp 21–26 [37] D.R James, W.R Ware, 1986, Recovery of underlying distributions of lifetimesss from fluorescence decay data Chem Phys Lett., 126, 7–11 [38] P.S Golding, S.D Jackson, T.A King, M Pollnau, 2000, Energytransfer processes in Er3+-doped and Er3+, Pr3+-codoped ZBLAN glasses, Phys Review B, 62(2), pp 856–864 [39] Y.Y Liu, Z.Y You, H.P Xia, Y Wang, Z.J Zhu, J.F Li, C.Y Tu, 2017, Co-effects of Yb3+ sensitization and Pr3+ deactivation to enhance 2.7 μm midinfrared emission of Er3+ in CaLaGa3O7 crystal, Opt Mater Exp., 7, 2411 [40] H.K Dan, N.L Thai, L.D Tin, J.B Qiu, D.C Zhou, Q Jiao, Enhanced near/mid-infrared emission bands centered at ∼1.54 and ∼2.73 µm of Er3+doped in transparent silicate glass-ceramics via Mn2+–Yb3+ dimer, Infra Phys & Tech., 95 (2018) 33–38 [41] H.K Dan, T.D Tap, H.X Vinh, N.M Ty, L.T Vinh, D.C Zhou, J.B Qiu, 2020, Enhanced red upconversion emission and energy transfer of Tm3+/Cr3+/Yb3+ tri-doped transparent fluorosilicate glass-ceramics, J NonCryst Solids 535, 119885 [42] M.V.V Kumar, K.R Gopal, R.R Reddy, G.V.L Reddy, N.S Hussain, B.C Jamalaiah, 2013, Application of modified Judd-Ofelt theory and the evaluation of radiative properties of Pr3+- doped lead telluroborate glasses for laser applications, J Non-Cryst Solids, vol 364, pp 20–27 [43] X.Z Han, L.F Shen, E.Y.B Pun, T.C Ma, H Lin, 2014, Pr3+-doped phosphate glasses for fiber amplifiers operating at 1.38–1.53 μm of the fifth optical tele- communication window, Opt Mater, vol 47, pp 1203–1208 ... thông cho khuếch đại sợi quang EDFA Từ những sở trên, chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại Erbium vật liệu thủy tinh silicate ứng dụng cho khuếch đại sợi quang EDFA? ?? Trong. .. trung nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại (NIR: Near-Infrared) Erbium vật liệu thủy tinh Silicate ứng dụng cho khuếch đại EDFA Mục đích đề tài Mục đích đề tài nghiên cứu chế tạo vật liệu. .. liệu thủy tinh silicate 18 2.2.2 Vật liệu thí nghiệm cho nghiên cứu băng thông cận hồng ngoại đồng pha tạp Nd3+/Er3+ vật liệu thủy tinh silicate 19 2.2.3 Vật liệu thí nghiệm cho nghiên