Bộ giáo dục v đo tạo TRƯờng đại học bách khoa h nội Nguyễn Việt Long Nghiên cứu chế tạo vật liệu thuỷ tinh pha tạp ion đất nhằm ứng dụng cho khuếch đại quang viễn Thông LUậN áN TIếN Sỹ Kỹ thuật Hà nội - Năm 2006 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131482701000000 Bộ giáo dục v đo tạo TRƯờng đại học bách khoa h nội Nguyễn Việt Long Nghiên cứu chế tạo vật liệu th thuỷ uỷ tinh pha tạp ion đất nhằm ứng dụng cho khuếch đại quang viễn Thông Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu quang học, quang điện tử quang tử M sè: 62.52.92.05 LN ¸N TIÕN Sü Kü tht Ng−êi h−íng dÉn khoa häc PGS TS Ngun §øc ChiÕn PGS TS D Thị Xuân Thảo Hà nội - Năm 2006 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan l công trình nghiên cứu riêng Các số liệu công bố luận án l trung thực v cha đợc công bố công trình no khác Tác giả luận án Nguyễn Việt Long ii Lời cảm ơn Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lÃnh đạo Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS) Ban lÃnh đạo Trung tâm Bồi dỡng & Đào tạo sau đại học, trờng Đại học Bách khoa Hà nội đà giúp đỡ tạo điều kiện nghiên cứu cho thực luận án nghiên cứu khoa học Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lÃnh đạo Học viện Công nghệ Bu Viễn thông đà giúp đỡ tạo điều kiện cho thực luận án nghiên cứu khoa học Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Đức Chiến PGS.TS D Thị Xuân Thảo hai thày cô giáo đà giúp đỡ, tận tình hớng dẫn đa thảo luận quí báu suốt trình hoàn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TSKH Nguyễn Ngọc San TS Nguyễn Gia Thái, khoa Quốc tế & Đào tạo Sau đại học - Học viện Công nghệ Bu Viễn thông đà giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho thực luận án nghiên cứu khoa học Tôi xin chân thành cảm ơn TS Eric Hennes, trờng đại häc Amsterdam - Hµ lan cung cÊp ngn tµi liƯu phong phú công nghệ sol-gel gợi ý định hớng lĩnh vực nghiên cứu cho tiến hành công việc nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ¬n GS TS Nogami, ViƯn khoa häc C«ng nghƯ tr−êng đại học Nagoya, Nhật Bản đà gửi nguồn t liệu công nghệ sol-gel phục vụ công tác nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Thu Nga, ThS Phạm Nam Thắng, KS Trịnh Ngọc Hà, Viện Khoa học Vật liệu đà giúp đỡ phép đo phổ huỳnh quang Tôi xin chân thành cảm ơn TS Lê Thị Mai Hơng, khoa Hoá vô trờng đại học Bách khoa Hà nội đà có thảo luận bổ ích cho luận án thực báo cáo kết nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn TS Phạm Thành Huy, TS Trần Ngọc Khiêm, TS Nguyễn Khắc Mẫn trờng Đại học Bách khoa Hà nội đà có thảo luận bổ ích cho luận án Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới tất thày cô giáo, gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đà động viên giúp đỡ có nghị lực để vợt qua khó khăn trình hoàn thiện luận án Tác giả ln ¸n Ngun ViƯt Long iii Mơc lơc Lêi cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Các thuật ngữ viết tắt viii Các kí hiệu viết tắt x Danh mục hình vẽ đồ thị xi Danh mục bảng biểu xii Mở đầu nghiên cứu học lợng tử mức lợng Chơng iôn đất chất rắn lý thut tr−êng tinh thĨ Judd & Ofelt 1.1 C¸c møc lợng cấu hình lợng tử nlN 1.1.1 Tính chất phát quang nguyên tố lantan hoá trị +3 1.1.2 Giản đồ mức lợng Dieke cho iôn đất 1.1.3 Cấu trúc điện tử nguyên tố đất 1.2 Nguyên cứu học lợng tử mức lợng iôn đất 1.2.1 Phơng pháp gần trờng xuyên tâm 7 1.2.2 Phơng pháp lý thuyết nhiễu loạn 10 1.2.3 Phơng pháp lý thuyết biến phân 13 1.2.4 Phân loại trạng thái 13 1.2.5 Các tơng tác bậc 14 1.2.5.1 Tơng tác Coulomb electron lớp vỏ 4f 15 1.2.5.2 Tơng tác spin-quỹ đạo 16 1.2.5.3 Tơng tác spin-spin 16 1.2.5.4 Tơng tác spin với quỹ đạo khác 17 1.2.6 Tơng tác cấu hình 17 iv 1.2.6.1 Tơng tác cấu hình Coulomb 17 1.2.6.2 Tơng tác cấu hình spin-quỹ đạo 18 1.2.7 Toán tử Hamilton iôn đất hiÕm tù 19 1.2.8 To¸n tư Hamilton cđa mét iôn đất chất rắn 19 1.3 Các tính chất tổng quát dịch chuyển xạ 19 1.3.1 Các dịch chuyển lỡng cực điện lý thuyết Judd & Ofelt 25 1.3.2 Các dịch chuyển lỡng cực từ 28 1.3.3 Các qui tắc lựa chọn dịch chuyển xạ 29 1.4 Lý thuyết Mc Cumber 30 Chơng Tổng quan vật liệu khuếch đại quang pha tạp 32 iôn đất sử dụng cho EDFA ứng dụng viễn thông 2.1 Khả ứng dụng iôn đất viễn thông laser 32 2.2 Các đặc điểm iôn Er3+ SiO2, SiO2-Al2O3 EDFA 34 2.3 Các chế khuếch đại quang 35 2.4 Các thông số yếu tố ảnh hởng đến trình khuếch đại quang 39 2.4.1 Nồng độ pha tạp độ hoà tan Er SiO2 39 2.4.2 Độ suy hao èng dÉn sãng 40 2.4.3 Sù chång mode tín hiệu thông tin nguồn bơm 40 2.4.4 Bớc sóng kích thích nguồn bơm trình hấp thụ tín hiệu bơm 40 2.4.5 Cơ chế chuyển đổi ngợc hoạt động 41 2.4.6 Dịch chuyển kích thích dập quang không xạ 42 2.4.7 Cơ chế hấp thụ trạng thái kích thích 42 2.4.8 Hiện tợng kết đám iôn đất 42 2.5 Các khuếch đại phẳng sử dụng vật liệu SiO2, SiO2-Al2O3 pha tạp iôn Er3+ 43 2.6 Triển vọng xu hớng phát triển EDFA 46 v 2.7 Nghiên cứu khả đồng pha tạp iôn đất Eu-Er, Ce-Er, Yb-Er 48 Chơng Các phơng pháp chế tạo v nghiên cứu vật liệu 51 thuỷ tinh pha tạp IÔN Er3+ 3.1 Phơng pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu thuỷ tinh chứa đất Er3+ 51 3.1.1 Phơng pháp lắng đọng pha hoá học (CVD) 51 3.1.2 Phơng pháp nóng chẩy hỗn hợp hoá học nhiệt độ cao 51 3.1.3 Mô tả qui trình công nghệ sol- gel cho việc chế tạo vật liƯu quang tư 52 3.2 Qui tr×nh thùc nghiƯm cho việc chế tạo vật liệu quang tử quang điện tử 59 3.3 Chế tạo màng mỏng chức quang 60 3.3.1 Chế tạo màng mỏng phơng pháp quay phủ 60 3.3.2 Chế tạo màng mỏng phơng pháp nhúng phủ 61 3.4 Các phơng pháp nghiên cứu đánh giá cấu trúc tính chất vật liệu 61 3.4.1 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu phơng pháp hiển vi 61 3.4.2 Phơng pháp phổ dao động Raman 62 3.4.2.1 Nguyên lý phơng pháp đo phổ dao động Raman 62 3.4.2.2 Phơng pháp đo phổ dao động Raman phân tích kết 63 3.4.3 Phơng pháp phổ dao động hồng ngoại khai triển Fourier (FTIR) 64 3.4.3.1 Nguyên lý phơng pháp đo phổ dao động hồng ngoại 64 3.4.3.2 Phơng pháp đo thực nghiệm phân tích kết 65 3.4.4 Phơng pháp đo phổ phát xạ iôn đất chất rắn 65 3.4.4.1 Nguyên lý phơng pháp đo phổ phát xạ 65 3.4.4.2 Phơng pháp đo thực nghiệm phân tích kết 66 3.4.5 Phép đo thời gian sống xạ 68 3.4.5.1 Nguyên lý phơng pháp đo thời gian sống 68 3.4.5.2 Hệ đo thời gian sống phân tích kết 71 vi 3.4.6 Phơng pháp nhiễu xạ tia X 72 3.4.6.1 Nguyên lý phơng pháp nhiễu xạ tia X 72 3.4.6.2 Phơng pháp đo thực nghiệm 72 Chơng Chế tạo c¸c vËt liƯu thđy tinh SiO2 vμ SiO2-Al2O3 chøa 73 iôn đất Er3+, Yb3+ qui trình công nghệ sol-gel 4.1 Các hóa chất để tổng hợp vật liệu thuỷ tinh chứa đất 73 4.2 Qui trình chế tạo thuỷ tinh SiO2, SiO2-Al 2O3 chứa iôn đất Er3+ 73 4.2.1 Qui trình chế tạo gel 73 4.2.2 Qui trình công nghệ để tạo thuû tinh suèt quang häc 75 4.3 Mét sè nhận xét qui trình chế tạo liệu thuỷ tinh SiO2 SiO2 -Al2O3 80 Chơng Cấu trúc vμ tÝnh chÊt c¸c vËt liƯu thđy tinh SiO2 81 v SiO2-Al2O3 chứa iôn đất Er 3+, Yb3+ đ chế tạo công nghệ sol-gel 5.1 Cấu trúc gel khô 81 5.1.1 ảnh chụp gel khô đà đợc chế tạo 81 5.1.2 Cấu trúc gel khô nghiên cứu phơng pháp hiển vi điện tử 81 quét SEM 5.1.3 Các phép đo phân tÝch nhiƯt TDA vµ TGA 82 5.2 CÊu tróc vµ tính chất vật liệu SiO2 SiO2-Al2 O3 pha tạp i«n Er3+ 83 5.2.1 CÊu tróc cđa vËt liƯu SiO2 SiO2 -Al2O3 pha tạp iôn Er3+ 83 5.2.1.1 Phổ dao động Raman 83 5.2.1.2 Phổ hồng ngoại khai triển Fourier 87 vii 5.2.1.3 Nghiªn cøu cÊu tróc vËt liƯu nhiễu xạ tia X 5.2.2 Phổ phát xạ iôn đất Er3+ thuỷ tinh SiO2 SiO2-Al2O3 5.2.2.1 Phổ phát xạ iôn Er3+ thuỷ tinh SiO2 96 97 97 5.2.2.2 Thêi gian sèng bøc x¹ huỳnh quang 101 5.2.2.3 Phổ phát xạ iôn Er3+ thủ tinh SiO2 -Al2O3 102 5.2.2.4 ¶nh h−ëng cđa qui trình nung nhiệt đến phổ phát xạ iôn Er3+ 107 5.2.2.5 ảnh hởng đồng pha tạp Al3+ đến phổ phát xạ iôn Er3+ 109 5.3 Cấu trúc tính chất vật liệu SiO2 -Al2O3 đồng pha tạp iôn Er3+ Yb3+ 110 5.3.1 Phổ phát xạ iôn Er3+ thuỷ tinh SiO2-Al2O3 đồng pha tạp Yb3+ 110 5.3.2 Phổ phát xạ chuyển đổi ngợc iôn Er3+ 117 5.3.3 Thời gian sống xạ huỳnh quang 122 5.3.4 Vai trò ảnh hởng đồng pha tạp Yb3+ đến phổ phát xạ iôn Er3+ 125 5.4 So sánh kết luận án với kết nớc nớc 125 5.5 Kết luận 127 Kết luận 130 Danh mục công trình đ đợc công bố Luận án 133 liên quan đến Luận án Tài liệu tham khảo 135 viii Các thuật ngữ viết tắt Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ASE Amplified Spontaneous Emission Phát xạ tự phát bị khuếch đại ESA Excited State Absorption Hấp thụ trạng thái kích thích WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo b−íc sãng TDM Time Division Multiplexing GhÐp kªnh ph©n chia theo thêi gian DWDM Dense Wavelength Division GhÐp kênh phân chia theo bớc sóng Multiplexing mật độ cao ED Electric dipole L−ìng cùc ®iƯn MD Magnetic dipole L−ìng cực từ FWHM Full Width At Half Maximum Độ bán rộng phổ phát xạ EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi pha tạp Er EYDFA Erbium Ytterbium Doped Fiber Bộ khuếch đại sợi pha tạp Er-Yb Amplifier NDFA Neodymium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi pha tạp Nd TDFA Thulium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi pha tạp Tm PDFA Praseodymium Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi pha tạp Pr JO Judd-Ofelt Lý thuyết Judd-Ofelt IO Integrated Optics Quang tỉ hỵp OEICs Opto-Electronic Integrated Circuits Các mạch quang - điện tổ hợp FL Futchtburg-Ladenburg Hệ thức Futchtburg-Ladenburg CET Cooperative Energy Transfer Truyền lợng hoạt động LED Light Emitting Diode Điốt phát quang PL Photoluminescence Quang huúnh quang FTIR Fourier Transform Infrared Phæ hång ngo¹i khai triĨn Fourier Spectroscopy CVD Chemical Vapor Deposition Lắng đọng pha hoá học MCVD Modified Chemical Vapor Deposition Lắng đọng pha hoá học cải biến PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Lắng đọng pha hoá học tăng Deposition cờng Plasma