CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
3.7. Khảo sát nhiệt độ màu của sợi quang
Tọa độ màu của các mẫu thủy tinh ZABB pha tạp ion Er3+ khi được kích thích tại bước sóng 378nm được thể hiện ở Hình 3.17. Tọa độ màu này thu được bằng cách sử dụng phần mềm ColorCalculator được phát triển bởi OSRAM SYLVANIA Inc. [31]. Có thể thấy được từ hình 3.17, hầu hết các mẫu sẽ cho phát quang màu xanh lá cây. Cụ thể, mẫu ZABB0.1 cho phát quang màu xanh nhạt, có tọa độ màu (0,2241, 0,3298). Mẫu ZABB0.3 và ZABB0.5 có tọa độ màu gần giống nhau ở vị trí lần lượt là (0,2327, 0,3819) và (0,2282, 0,3809). Mẫu ZABB0.7 cho phát quang màu xanh đậm hơn với tọa độ màu (0,2496, 0,4734). Mẫu ZABB1.0 cho phát quang màu xanh lá cây có tọa độ (0,2419, 0,4507) và cuối cùng mẫu ZABB1.5 cho phát quang màu xanh đậm nhất với tọa độ tại (0,2485, 0,4961). Từ hình 3.18 có thể thấy các mẫu khi được kích thích tại bước sóng 488nm sẽ cho phát quang dịch chuyển hẳn về cùng có màu xanh lá cây đậm, tọa độ lần lượt là ZABB0.1 (0,4086, 0,5756) , ZABB0.3 (0,3817, 0,6032) , ZABB0.5 (0,3518, 0,6326), ZABB0.7 (0,3377, 0,6470), ZABB1.0 (0,3232, 0,6623) và ZABB1.5 (0,3302, 0,6557). Tọa độ màu cụ thể của các mẫu được trình bày chi tiết trong bảng 3.4. Có thể thấy được khi càng tăng nồng độ của ion Er3+, phát quang của mẫu thủy tinh sẽ càng dịch chuyển về màu xanh lá cây đậm hơn. Dựa vào các kết quả tọa độ màu ở bảng 3.4
có thể thấy rằng thủy tinh ZABB pha tạp ion Er3+ có thể ứng dụng trong việc sản xuất LED hoặc có thể là nguồn phát màu xanh lá cây cho các ứng dụng hiển thị [33].
Hình 3.17 : Tọa độ màu của các mẫu thủy tinh pha tạp ion Er3+ ứng với bước sóng kích thích 378 nm
Hình 3.18 : Tọa độ màu của các mẫu thủy tinh pha tạp ion Er3+ ứng với bước sóng kích thích 488 nm
Bảng 3.4 : Bảng tọa độ màu của các mẫu thủy tinh pha tạp ion Er3+
λex = 378 nm λex = 488 nm
Mẫu x y x y Kí hiệu
ZABB0.1 0,2241 0,3298 0,4086 0,5756 ⚫
ZABB0.5 0,2282 0,3809 0,3518 0,6326 ◆
ZABB0.7 0,2496 0,4734 0,3377 0,6470
ZABB1.0 0,2419 0,4507 0,3232 0,6623 ▌
ZABB1.5 0,2485 0,4961 0,3302 0,6557 ▄
3.8. Kết luận chương
Như vậy, trong chương 3 này tôi đã thành công khi :
- Xây dựng được quy trình chế tạo vật liệu thủy tinh dùng trong sợi quang từ các hóa chất : ZnO-Al2O3-Bi2O3-B2O3 pha tạp ion Er3+.
- Chế tạo thành công vật liệu thủy tinh dùng trong sợi quang.
- Nghiên cứu tính chất cấu trúc của vật liệu chế tạo sợi quang bằng phổ nhiễu xạ tia X và phổ tán xạ Raman.
- Nghiên cứu các thành phần nguyên tố có trong vật liệu chế tạo sợi quang bằng phổ tán xạ năng lượng tia X.
- Nghiên cứu, phân tích phổ kích thích của vật liệu thủy tinh pha tạp Er3+ chỉ ra rằng trong thủy tinh ZABB trong suốt này, bước sóng phù hợp để kích thích sự phát quang của ion Er3+ trong vùng khả kiến là 378nm. Nghiên cứu phát xạ của ion Er3+ trong vật liệu chế tạo sợi quang ở vùng khả kiến.
- Phân tích phổ phát quang của ion Er3+ trong vùng khả kiến với các nồng độ pha tạp ion Er3+ khác nhau từ 0,1% đến 1,5%.
- Khảo sát tọa độ màu của các mẫu thủy tinh và cho thấy chúng hồn tồn có khả năng sử dụng trong ứng dụng G-LEDs.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN
Luận văn với tên đề tài “ Nghiên cứu đặc tính phát quang của vật liệu thủy tinh
pha tạp Er3+ ứng dụng trong phát triển EDFA và G-LEDs” đã thực hiện được những
mục tiêu :
- Chế tạo được thành công vật liệu thủy tinh sử dụng trong sợi quang đơn pha tạp ion Er3+, được tổng hợp từ các thành phần chính là ZnO, Al2O3, Bi2O3, B2O3 và Er2O3.
- Nghiên cứu được cấu trúc của vật liệu chế tạo được bằng phổ nhiễu xạ tia X và phổ tán xạ Raman, phân tích thành phần nguyên tố của vật liệu sợi quang bằng phổ tán sắc năng lượng tia X và khảo sát đặc tính phát quang của vật liệu thủy tinh trong vùng khả kiến.
Luận văn đã thu được những kết quả chính như sau :
- Luận văn đã nghiên cứu, tổng hợp các kiến thức cơ bản, nguyên lý, ứng
dụng của sợi quang, kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM, bộ khuếch đại EDFA.
- Ngoài ra trong nội dung của luận văn cũng đã tìm hiểu cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động của các phép đo phân tích tính chất của vật liệu sợi quang như XRD, Raman, EDS, PL từ đó áp dụng vào để nghiên cứu các tính chất của vật liệu chế tạo sợi quang.
- Xây dựng được quy trình chế tạo vật liệu thủy tinh dùng trong sợi quang với thành phần chính là ZnO, Al2O3, Bi2O3, B2O3.
- Chế tạo được thành công vật liệu thủy tinh sử dụng trong sợi quang với thành phần chính là ZnO, Al2O3, Bi2O3, B2O3 và đơn pha tạp ion Er3+.
- Kết quả đo nhiễu xạ tia X trên các mẫu vật liệu chế tạo được đều có dạng là phổ đám. Đây là giản đồ nhiễu xạ đặc trưng của thủy tinh.
- Kết quả đo tán xạ Raman thu được các đỉnh tại các vị trí ~135, 250, 430, 1135, 1300, 1462, 1620 cm-1. Mỗi vị trí đỉnh tương ứng với các liên kết trong vật liệu thủy tinh ZABB và đã được nêu rõ ở bảng 3.3.
- Khi phân tích thành phần nguyên tố của vật liệu thủy tinh ZABB thu được bằng phổ tán sắc năng lượng tia X, ta thấy sự xuất hiện đầy đủ của các nguyên tố Er, Zn, Al, B, Bi, O.
- Bước sóng 378 nm là phù hợp nhất để kích thích phát quang cho ion Er3+
trong thủy tinh ZABB trong vùng khả kiến.
- Phổ phát quang của vật liệu gồm các đỉnh tại các vị trí 410 nm, 525 nm , 545 nm và 660 nm, tương ứng với các chuyển dời 2H19/2 → 4I15/2 , 2H11/2 → 4I15/2 , 4S3/2 → 4I15/2 và 4F9/2 → 4I15/2.
- Mẫu thủy tinh ZABB1.0 cho phát quang có cường độ lớn hơn các mẫu cịn lại với bước sóng kích thích là 378 nm. Khi tăng nồng độ pha tạp đến 1,5% thì cường độ phát quang bắt đầu giảm.
- Toạ độ màu của mẫu cho thấy các vật liệu phát quang có màu xanh lá cây. Dựa vào các kết quả đã nghiên cứu có thể thấy vật liệu thủy tinh ZABB pha tạp ion Er3+ có thể ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất đèn LED màu xanh lá cây.
Từ các kết quả đạt được ở trên, chúng tơi có thể kết luận được rằng luận văn với đề tài: “Nghiên cứu đặc tính phát quang của vật liệu thủy tinh pha tạp Er3+ ứng dụng trong phát triển EDFA và G-LEDs” đã hoàn thành đầy đủ và đạt được những yêu cầu
về nội dung như đã đặt ra.
KIẾN NGHỊ
Do điều kiện và thời gian cịn hạn chế nên tơi chưa thể nghiên cứu sâu hơn với đề tài này chẳng hạn như chưa thể đo phát quang vùng cận hồng ngoại của vật liệu, chưa thể đo được phổ hấp thụ của vật liệu. Do đó, để vật liệu thủy tinh này có thể được chế tạo và sử dụng rộng rãi trên thực tế thì cần nghiên cứu thêm một số đặc tính như độ bền, chiết suất, khối lượng riêng, phát xạ trong vùng cận hồng ngoại,… Trong thời gian sắp đến có thể nghiên cứu để mở rộng hơn băng thông cận hồng ngoại của vật liệu thủy tinh này bằng cách đồng pha tạp thêm một số ion đất hiếm như Pr3+, Nd3+.
CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
1. Trịnh Ngọc Đạt*, Lê Văn Thanh Sơn, Đinh Thanh Khẩn, Lê Vũ Trường Sơn,
Phan Liễn, Nguyễn Tấn Hưng, Huỳnh Thanh Tùng, Nguyễn Trọng Thành, và Đặng Ngọc Toàn. “Nghiên cứu Chế tạo Và tính chất phát Quang của Ion
Er3+ Trong thủy Tinh B2O3-Bi2O3-Al2O3-ZnO”. Tạp Chí Khoa học Và Cơng
nghệ - Đại học Đà Nẵng, vol 20, số p.h 3, Tháng Ba 2022, tr 7-11, https://jst-
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Feng, Li, et al. "Optical properties and upconversion in rare earth doped oxyfluoride glasses." Optik 169 (2018): 118-124.
[2] Reddy, DV Krishna, et al. "Enhancement of the red emission of Eu3+ by Bi3+ sensitizers in yttrium alumino bismuth borosilicate glasses." Journal of Molecular
Structure 1176 (2019): 133-148.
[3] Mahamuda, Sk, et al. "Visible red, NIR and Mid-IR emission studies of Ho3+ doped Zinc Alumino Bismuth Borate glasses." Optical Materials 36.2 (2013): 362-371. [4] Annapoorani, K., et al. "Investigations on structural and luminescence behavior of Er3+ doped Lithium Zinc borate glasses for lasers and optical amplifier applications." Journal of Non-Crystalline Solids 447 (2016): 273-282.
[5] Becker, Olsson, N. A. Olsson, and R. Jay. "Simpson,“Erbium-Doped Fiber Amplifiers, Fundamentals and Technology”." (1999).
[6] Desurvire, Emmanuel. "Erbium-doped fiber amplifiers." in Principle and
applications (1992).
[7] Choi, Bo-Hun, and Sang Soo Lee. "Input power dynamic range analysis of SOA and EDFA link extenders on TDM–PON systems without burst effect control." Optics
Communications 286 (2013): 187-191.
[8] Zhou, Peng, et al. "Reflective semiconductor optical amplifier with segmented electrodes for high-speed self-seeded colorless transmitter." Optics Express 25.23 (2017): 28547-28555.
[9] Singh, Simranjit, Amanpreet Singh, and R. S. Kaler. "Performance evaluation of EDFA, RAMAN and SOA optical amplifier for WDM systems." Optik 124.2 (2013): 95-101.
[10] Bebawi, John A., et al. "A comprehensive study on EDFA characteristics: temperature impact." Applied Sciences 8.9 (2018): 1640.
[11] Miniscalco, William J. "Optical and electronic properties of rare earth ions in glasses." OPTICAL ENGINEERING-NEW YORK-MARCEL DEKKER INCORPORATED- 71 (2001): 17-112.
[12] Liu, Wei, Hong Yan, and Jian-Bin Zhu. "Effect of the addition of rare earth element La on the tribological behaviour of AlSi5Cu1Mg alloy." Applied Sciences 8.2 (2018): 163.
[13] Jauregui, Cesar, et al. "Optimizing high-power Yb-doped fiber amplifier systems in the presence of transverse mode instabilities." Optics express 24.8 (2016): 7879- 7892.
[14] Jayarajan, P., et al. "Analysis of temperature based power spectrum in EDFA and YDFA with different pump power for THz applications." Results in Physics 10 (2018): 160-163.
[15] Rivera-López, F., et al. "Er3+–Yb3+ codoped phosphate glasses used for an efficient 1.5 μm broadband gain medium." Optical Materials 34.8 (2012): 1235-1240. [16] Uma, V., K. Marimuthu, and G. Muralidharan. "Effect of modifier oxides (SrO, Al2O3, ZnO, CdO, PbO and Bi2O3) on the luminescence properties of Er3+ doped telluroborate glasses for laser and optical amplifier applications." Journal of Luminescence 207 (2019): 534-544.
[17] Zhang, Yan, et al. "Influence of Sm2O3 on the crystallization and luminescence properties of boroaluminosilicate glasses." Materials Research Bulletin 44.1 (2009): 179-183.
[18] Choi, Yong Gyu, and Jong Heo. "1.3 μm emission and multiphonon relaxation phenomena in PbO - Bi2O3 - Ga2O3 glasses doped with rare-earths." Journal of Non- Crystalline Solids 217.2-3 (1997): 199-207.
[19] Tanabe, S., et al. "Broad-band 1.5 μm emission of Er3+ ions in bismuth-based oxide glasses for potential WDM amplifier." Journal of luminescence 87 (2000): 670- 672.
[20] Oprea, Isabella-Ioana, Hartmut Hesse, and Klaus Betzler. "Luminescence of erbium-doped bismuth–borate glasses." Optical Materials 28.10 (2006): 1136-1142.. [21] Peng, Mingying, and Lothar Wondraczek. "Photoluminescence of Sr 2 P 2 O 7: Bi 2+ as a red phosphor for additive light generation." Optics letters 35.15 (2010): 2544- 2546.
[22] Annapurna, K., et al. "Spectral properties of Eu3+: ZnO–B2O3–SiO2 glasses." Journal of Molecular Structure 741.1-3 (2005): 53-60.
[23] Ali, Mohamed A., et al. "Understanding enhanced upconversion luminescence in oxyfluoride glass-ceramics based on local structure characterizations and molecular dynamics simulations." The Journal of Physical Chemistry C 121.28 (2017): 15384- 15391.
[24] Ragiń, T., et al. "Up-conversion luminescence in low phonon heavy metal oxide glass co-doped with Er3+/Ho3+." Photonics Letters of Poland 10.1 (2018): 2-4.
[25] Nekvindova, Pavla, Anna Mackova, and Jakub Cajzl. "Erbium luminescence in various photonic crystalline and glass materials-a review." 2017 19th International
Conference on Transparent Optical Networks (ICTON). IEEE, 2017.
[26] Keiser, Gerd E. "A review of WDM technology and applications." Optical Fiber
Technology 5.1 (1999): 3-39.
[27] Yen, William M., and Hajime Yamamoto, eds. Fundamentals of phosphors. CRC press, 2018.
[28] Tsao, Hong-Xi, et al. "A green upconversion laser with erbium-doped LiLuF 4 crystal by 976 nm fiber laser pump." International Journal of Optics and
Applications 2.5 (2012): 72-75.
[29] Pal, I., et al. "Spectroscopic and structural investigations of Er3+ doped zinc bismuth borate glasses." Materials Chemistry and Physics 133.1 (2012): 151-158. [30] Swapna, K., et al. "Visible luminescence characteristics of Sm3+ doped zinc alumino bismuth borate glasses." Journal of luminescence 146 (2014): 288-294.
[31] Khan, D. T., et al. "Study on luminescent properties of Tb3+ and Sm3+ co-doped CaSiO3 phosphors for white light emitting diodes." Materials Research Express 7.1 (2019): 016507.
[32] Singh, Vijay, et al. "Infrared and visible emission of Er3+ in combustion- synthesized CaAl2O4 phosphors." Journal of luminescence 129.11 (2009): 1375-1380. [33] Singh, Dhananjay Kumar, and J. Manam. "Efficient dual emission mode of green emitting perovskite BaTiO3: Er3+ phosphors for display and temperature sensing applications." Ceramics International 44.9 (2018): 10912-10920.
[34] Basavapoornima, Ch, et al. "Spectroscopic and pump power dependent upconversion studies of Er3+-doped lead phosphate glasses for photonic applications." Journal of Alloys and Compounds 699 (2017): 959-968.
[35] Mariselvam, K., and Juncheng Liu. "A novel Er3+ ions doped zirconium magnesium borate glass with very high quantum efficiency for green laser and optical amplifier applications." Solid State Sciences 111 (2021): 106443.
[36] Aouaini, Fatma, et al. "Visible to infrared Down conversion of Er3+ doped tellurite glass for luminescent solar converters." Journal of Alloys and Compounds (2021): 162506.
[37] Chen, Fangze, et al. "Investigation of mid-infrared emission characteristics and energy transfer dynamics in Er 3+ doped oxyfluoride tellurite glass." Scientific reports 5.1 (2015): 1-11.
[38] Gonỗalves, A., et al. "Luminescence and upconversion processes in Er3+-doped tellurite glasses." Journal of Luminescence 201 (2018): 110-114.
[39] Ahmed, Mohamad Raheem, et al. "Infrared and Raman spectroscopic studies of Mn2+ ions doped in strontium alumino borate glasses: describes the role of Al2O3." Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 210 (2019): 308-314.
[40] Digonnet, Michel JF. Rare-earth-doped fiber lasers and amplifiers, revised and expanded. CRC press, 2001.
[41] https://www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e&id=T-REC-G.694.1-202010-
I!!PDF-E&type=items
[42] Gambling, W. Anthony. "The rise and rise of optical fibers." IEEE journal of selected topics in quantum electronics 6.6 (2000): 1084-1093.