ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

TRỊNH NGỌC ĐẠT

NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH PHÁT QUANG CỦA
VẬT LIỆU THỦY TINH PHA TẠP Er3+ ỨNG DỤNG
TRONG PHÁT TRIỂN EDFA VÀ G-LEDs
Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử
Mã số: 8520203

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng – Năm 2022


2

Cơng trình được hồn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học 1 : TS. HUỲNH THANH TÙNG
Người hướng dẫn khoa học 2 : PGS.TS. NGUYỄN TẤN HƯNG

Phản biện 1: TS. TRẦN THỊ MINH HẠNH
Phản biện 2: TS. NGUYỄN THỊ KHÁNH HỒNG

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ
Kĩ thuật điện tử họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 15 tháng 05 năm
2022

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
− Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường Đại học Bách khoa ĐHĐN
− Thư viện Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


3

MỞ ĐẦU
Ngày nay, vật liệu thủy tinh pha tạp đất hiếm có rất nhiều ứng
dụng trong các lĩnh vực của đời sống, chẳng hạn phát triển laser phát
quang chuyển đổi ngược (UCL), khuếch đại quang, hiển thị màu, phân
tích y sinh, cảm biến nhiện độ, cảm biến laser từ xa, viễn thông, truyền
dẫn, laser Raman, ứng dụng mắt bảo vệ LIDAR và pin mặt trời [1-4].
Trong số đó, ứng dụng quan trọng nhất phải nhắc đến đó là khuếch đại
quang sợi pha tạp đất hiếm Rare-earth DFAs (RE-DFAs).
RE-DFAs có nhiều ưu điểm hơn so với SOAs bởi nhiễu thấp và
độ lợi cao. So với khuếch đại Raman, nó cũng có một số ưu điểm như
chi phí thấp và sử dụng bơm công suất cao hơn. Hơn nữa, khuếch đại
sử dụng RE-DFAs có thể có được dải bước sóng của tín hiệu đầu vào
rộng hơn, có thể từ vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại dựa trên vật
liệu đất hiếm được pha tạp vào [5-11]. Một trong những nguyên tố đất
hiếm được sử dụng phổ biến nhất đó là Erbium (Er3+) [5-6]. Điều này
dựa trên lợi ích của băng tần hoạt động tại cửa sổ truyền dẫn thứ 3 tại
1550nm, đặc trưng bởi suy hao thấp. Khuếch đại trong trường hợp
này có thể được gọi là khuếch đại quang sợi pha tạp nguyên tố Erbium

(EDFA). Một số thành phần đất hiếm khác cũng được sử dụng tùy vào
mục đích khác nhau ví dụ như : Lathan (La) dùng trong việc phát triển
cấu trúc vi mơ và tính chất cơ học của một số hợp kim nhôm [12], và
Yterbi(Yb) sử dụng trong khuếch đại tín hiệu trong khoảng 9751200nm[13-14].
Ngồi ra, đối với phát quang sử dụng bơm diode laser ở dải phổ
tại vùng hồng ngoại gần (1.5µm) và hồng ngoại trung (2.8µm), ion
Er3+ là một sự lựa chọn tuyệt vời bởi các chuyển dời điện tích từ 4I13/2

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


4

→ 4I15/2 và 4I11/2 → 4I13/2 tương ứng. Từ những dữ liệu thu thập được ở
trên, có thể thấy rằng khả năng truyền dẫn của hệ thống ghép kênh
theo bước sóng (WDM) có thể được cải thiện. Đặc biệt trong tình hình
hiện nay,các thiết bị EDFA nhận được sự quan tâm rộng rãi trong hệ
thống ghép kênh phân chia theo bước sóng[15]. Nhiều nhóm nghiên
cứu đang tìm kiếm một loại thủy tinh mới và các sợi của chúng để thu
được sự khuếch đại tín hiệu vượt ra ngồi cửa sổ quang học NIR thông
thường trong khoảng từ 1530 đến 1565 nm, thường được gọi là Cband. Trên thực tế, băng thông phổ cho hệ thống EDFA thương mại
dựa trên thủy tinh silicat là khoảng 40 nm, chúng có đường cong
khuếch đại hẹp và vì thế giới hạn khả năng truyền dẫn của hệ thống
WDM.
Thủy tinh silicate rất được ưa chuộng để làm mạng chủ bởi giá
thành rẻ nhưng chúng có nhược điểm đó là chiết suất thấp và hấp thụ
dải OH lớn. Vì thế, việc tạo ra các vật liệu thủy tinh để thay thế luôn
là vấn đề quan tâm của các nhà khoa học. Giữa các loại vật liệu thủy

tinh mềm còn lại, thủy tinh borate được biết đến là một lựa chọn phù
hợp cho các nguyên tố đất hiếm. Thủy tinh borate (B2O3) là một trong
những dạng thủy tinh có độ trong suốt tốt, độ bền hóa học cao, ổn định
nhiệt và khả năng pha tạp đất hiếm tốt [17]. Tuy nhiên, thủy tinh nếu
thủy tinh borate chỉ đứng một mình thì sẽ có năng lượng phonon cao
(~1300cm-1), điều này khơng thể ngăn chặn được các q trình phân
rã khơng phát xạ và vì thế phát xạ của các ion đất hiếm sẽ bị giảm rất
mạnh. Chính vì thế, việc thêm vào các oxit kim loại nặng vào B2O3 có
thể làm giảm đáng kể năng lượng phonon và có thể cho phát quang
với cường độ cao và từ đó thích hợp cho laser và khuếch đại quang
[18]. Mặt khác, thủy tinh có bổ sung Bismuth (Bi2O3) có chiết suất cao
và điều đó ảnh hưởng đến chuyển dời của ion Er3+. Rất nhiều nghiên

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


5

cứu trước đây đã chỉ ra rằng thủy tinh bismuth pha tạp Er3+ có thể có
dải khuếch đại xấp xỉ 80nm ở vùng 1.55µm [19-20]. Hơn nữa, thủy
tinh bao gồm bismuth có thể có các tính chất hóa học và vật lý tốt
thuận lợi cho q trình gia cơng cơ khí và kéo sợi Vì thế nó thích hợp
để sử dụng trong lĩnh vực viễn thơng, laser sợi quang có thể điều chỉnh
và bộ chuyển đổi quang phổ [21]. Đồng thời, hiện nay việc thêm ZnO
vào thủy tinh đang thu hút được nhiều sự quan tâm từ cộng đồng khoa
học bởi vì có thể làm cái thiện độ ổn định và làm giảm sự giãn nở vì
nhiệt của thủy tinh. Độ rộng vùng cấm lớn, năng lượng liên kết exciton
lớn và đặc tính phát xạ nội tại khiến chúng trở thành những ứng cử

viên đầy hứa hẹn cho việc phát triển các thiết bị quang điện tử, bộ tập
trung năng lượng mặt trời, laser phát tia cực tím và cảm biến khí [22].
Cùng với đó, sự có mặt của Al2O3 trong thủy tinh có thể làm tăng độ
bền cơ và nhiệt của thủy tinh. Trong nội dung đề tài, thủy tinh borate
đóng vai trị mạng chủ và pha thêm ZnO, Al2O3 và Bi2O3.
Ngồi việc ứng dụng trong viễn thơng, nhiều nhà nghiên cứu cũng
rất quan tâm đến hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược (UCL) bởi
vì chúng có nhiều ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực chụp ảnh y sinh,
màn hình hiển thị, pin mặt trời, chẩn đốn y tế và liệu pháp quang
động.[23-24]. Trong quá trình phát quang chuyển đổi ngược ( thường
được biết đến là quá trình phát quang anti-Stokes) ion đất hiếm hấp
thụ 2 hoặc nhiều photons của bước song dài hơn và cho phát xạ tại
vùng bước sóng ngắn. Các ion đất hiếm như Tm3+, Er3+, Ho3+, Nd3+…
được dự đoán là một tâm nhạy hiệu quả để nâng cao phát quang
chuyển đổi ngược bởi vì chúng có các mức năng lượng đầy đủ từ vùng
hồng ngoại đến vùng khả kiến. Khi những ion đất hiếm này được kích
thích với ánh sáng hồng ngoại, khi đó cường độ phát xạ ánh sáng nhìn
thấy tăng từ 2–3 lần. Hơn nữa, phát xạ vùng khả kiến của ion Er3+ tại

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


6

547nm có nhiều ưu điểm trong lĩnh vực laser thể rắn và ngồi ra, phát
xạ tại 4S3/2 → 4I15/2 có hiệu quả lưu trữ quang học cao và có nhiều ứng
dụng đối với phát quang màu xanh lá cây [16].
Chính vì những lí do trên, tơi đã lựa chọn 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” để nghiên cứu.
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
- Chế tạo thành cơng vật liệu phát quang nhóm thủy tinh borate
pha tạp đấy hiếm (Er3+) với chất lượng cao.
- Nghiên cứu các đặc tính của vật liệu phát quang nhóm thủy
tinh borate pha tạp Er3+.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
-

Với mục đích đã đề ra, đối tượng mà đề tài sẽ nghiên cứu đó

là nhóm vật liệu thủy tinh borate pha tạp Er3+.
-

Phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ là nghiên cứu cấu trúc, tính

chất phát quang của vật liệu thủy tinh pha tạp Er3+ trong vùng khả kiến
và vùng hồng ngoại.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp luận của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết
kết hợp với thực tiễn để làm rõ nội dung đề tài. Cụ thể như sau:
-

Nghiên cứu chế tạo vật liệu phát quang với các nhóm nền thủy

tinh Borate pha tạp đất hiếm bằng phương pháp thiêu kết nhiệt độ cao.
-

Nghiên cứu tính chất cấu trúc của vật liệu phát quang sau khi


chế tạo bằng các phép đo nhiễu xạ tia X, đo Raman, và EDS. Nghiên
cứu hình thái bằng kính hiển vi điện tử quét.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


7

-

Nghiên cứu tính chất phổ và tính chất phi tuyến của vật liệu

phát quang
-

Nghiên cứu tính chất phổ của các chuyển dời điện tử bằng

phép đo phổ hấp thụ, huỳnh quang và kích thích huỳnh quang trong
vùng khả kiến và hồng ngoại.
-

Xác định nhiệt độ màu (CCT) của vật liệu sau khi hoàn thiện

bằng phần mềm Color Calculator (OSRAM).
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học:
-


Những kết quả thu được sẽ làm sáng tỏ tính chất phát quang

của vật liệu thủy tinh pha tạp đất hiếm Er3+ trong vùng khả kiến và
hồng ngoại, góp phần phát triển EDFA. Ngoài ra các kết quả thu được
cũng góp phần làm phong phú thêm các vật liệu phát quang ứng dụng
trong chế tạo G-LEDs.
Ý nghĩa thực tiễn:
-

Kết quả nghiên cứu của đề tài là tài liệu tham khảo hữu ích

cho cán bộ, sinh viên, cao học viên và NCS về vật liệu thủy tinh Borate
pha tạp đất hiếm.
-

Định hướng, cung cấp các thơng tin hữu ích cho các nhà

nghiên cứu và sản xuất trong lĩnh vực sợi quang và G-LEDs.
-

Nội dung chi tiết của luận văn thạc sĩ
Chương 1 : Tổng quan về khuếch đại quang
Chương 2 : Các phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất
quang của vật liệu phát quang
Chương 3 : Kết quả thực nghiệm

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



8

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
1.1. Giới thiệu chương
1.2. Tình hình nghiên cứu về khuếch đại quang

1.1.1. Khuếch đại quang là gì
Một thiết bị nhận một số tín hiệu đầu vào và tạo ra tín hiệu đầu ra
có cơng suất quang học cao hơn được gọi là bộ khuếch đại quang học.
Tín hiệu đầu vào và đầu ra nói chung là chùm tia laser, được lan truyền
dưới dạng chùm tia Gauss trong không gian tự do hoặc trong sợi
quang. Q trình khuếch đại diễn ra trong mơi trường khuếch đại, được
“bơm” (tức là được cung cấp năng lượng) từ nguồn bên ngoài. Các bộ
khuếch đại quang học bao gồm cả bơm ánh sáng và bơm điện.
Chất cách điện được sử dụng ở dạng pha tạp để khuếch đại laser
bao gồm tinh thể laser và thủy tinh được sử dụng ở dạng khối, ống dẫn
sóng và sợi quang học. Các ion hoạt động với tia laser thường là các
ion đất hiếm hoặc các ion kim loại chuyển tiếp (ít thường xuyên hơn).
Loại bộ khuếch đại laser quang phổ biến nhất là bộ khuếch đại sợi
quang pha tạp erbium, được sử dụng thường xuyên nhất cho thông tin
liên lạc bằng sợi quang.
1.2.2. Ứng dụng chính của khuếch đại quang
1.2.3. Tình hình nghiên cứu và xu hướng của khuếch đại quang
1.3. Một số mơ hình giải thích cơ chế phát quang của ion Er3+
1.3.1. Phát quang của các nguyên tố đất hiếm
1.3.2. Các chuyển dời quang học của ion Er3+
1.3.3. Phát quang của Er3+ trong các vật liệu thủy tinh
1.4. Cơ chế của khuếch đại quang sợi EDFA

1.4.1. Sợi quang
1.4.1.1. Hiện tượng phản xạ toàn phần

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


9

1.4.1.2. Cấu tạo của sợi quang
1.4.1.3. Các loại tán sắc trong sợi quang
1.4.2. Hệ thống WDM
1.4.2.1. Khái niệm hệ thống WDM
Hệ thống ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) là một
hệ thống mang nhiều tín hiệu quang có nhiều bước song và mỗi bước
sóng thỏa mãn các yêu cầu và giới hạn tốc độ truyền dữ luệ của các hệ
thống truyền dẫn. Cơng nghệ WDM có thể cải thiện dung lượng của
hệ thống mà không cần thiết lập các tuyến cáp mới phức tạp.

Hình 1.8 : Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM)
Đặc điểm chính của WDM là các bước sóng rời rạc tạo thành
một tập hợp các sóng mang trực giao có thể được tách ra, định tuyến
và chuyển mạch mà không gây nhiễu cho nhau. Điều này được duy trì
miễn là tổng cường độ cơng suất quang được giữ ở mức đủ thấp để
tránh các hiệu ứng phi tuyến như q trình kích thích tán xạ Brillouin
(SBS) và trộn bốn sóng (FWM) làm giảm hiệu suất liên kết[26].
1.4.2.2. Sơ đồ của hệ thống WDM
1.4.2.3. Ứng dụng của hệ thống WDM
1.4.3. Khuếch đại quang sợi EDFA

1.4.3.1. Nguyên lý của bộ khuếch đại quang sợi EDFA

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


10

Nhìn vào giản đồ mức năng lượng ở hình Hình 1.14, có thể thấy
được ion Er3+ nó có nhiều hơn 2 mức năng lượng. Mức năng lượng
thấp nhất là mức đất (ground level), mức tiếp theo sẽ là mức siêu bền
(metastable level), nó rất ổn định và có thời gian sống trung bình của
một ion erbium là 10ms. Mức thứ ba lại ngược lại, khi ion erbium được
bơm đến mức này thì nó sẽ lập tức trở lại mức siêu bền mà không phát
xạ bất cứ photon nào. Đây được gọi là q trình phân rã khơng phát
xạ.

Hình 1.14: Giản đồ mức năng lượng
Có hai phương pháp để bơm ion erbium lên mức siêu bền đó là:
-

Sử dụng bơm tại bước sóng bơm 980nm: điều này được
nghiên cứu bởi vì hấp thụ của erbium tại 980nm cao hơn tại
1500nm, vì thế hiệu quả bơm sẽ cao hơn. Tuy nhiên suy hao
trong sợi silicate tại 980nm là khá lớn.

-

Sử dụng bơm tại bước sóng 1460 – 1500 nm: Bước sóng tín

hiệu tối ưu cho DEDFA đã được tìm thấy là 1554 nm khi sử
dụng bước sóng bơm 1480 nm.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


11

Hiện nay, hầu hết EDFA đang sử dụng có bước sóng bơm 980nm.
1.4.3.2. Cấu hình hệ thống EDFA
1.5. Hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược (Up-conversion)
1.5.1. Cơ chế và vật liệu cho hiện tượng phát quang chuyển đổi
ngược
1.5.2. Ứng dụng của hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược
1.5.2.1. Phát hiện ánh sáng của laser diode
1.5.2.2. Làm nguồn sáng
1.6. Kết luận chương
Như vậy, nội dung chương 1 đã trình bày được tổng hợp các
nội dung cơ bản về : khuếch đại quang, sợi quang, hệ thống WDM
cũng như khuếch đại quang sợi EDFA và hiện tượng phát quang
chuyển đổi ngược.
Từ những nội dung đã nghiên cứu ở chương này, tôi đã nhận
thấy rằng khuếch đại quang có ý nghĩa cực kì to lớn trong thời đại
bùng nổ về tốc độ hiện nay và EDFA sẽ là sự lựa chọn hàng đầu trong
các bộ khuếch đại. Chính vì thế, việc nghiên cứu các phương pháp để
xác định tính chất của sợi quang pha tạp Er3+ được tôi nghiên cứu kĩ
hơn trong nội dung của chương 2 của luận văn này.


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


12

CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CẤU TRÚC
VÀ TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG
2.1. Giới thiệu chương
2.2. Nhiễu xạ tia X
2.2.1. Giới thiệu
2.2.2. Cơ sở của phương pháp nhiễu xạ tia X
Bởi tia X có bước sóng khoảng ~ 1Å, nó sẽ nhiễu xạ đối với
các đối tượng có khoảng cách tuần hồn với đơn vị Angstrom, chẳng
hạn như nguyên tử trong một tinh thể. Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra
thông quan sự can thiệp, khi đường đi khác nhau giữa 2 tia sáng bằng
số nguyên lần của bước sóng. Điều này chính là phương trình Bragg :
2d sin θ = nλ
với θ là một nửa góc tán xạ 2 θ; λ là bước sóng của tia X, n là một số
nguyên và d là khoảng cách các mặt mạng.

Hình 2.1. Nhiễu xạ của các nguyên tử được sắp xếp tuần hồn thỏa
mãn phương trình Bragg.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



13

2.2.3. Thiết bị và giao diện làm việc
2.3. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
2.3.1. Giới thiệu
2.3.2. Cơ chế của SEM
Từ điểm được chiếu sáng bởi chùm điện tử, các tín hiệu khác
nhau, chẳng hạn như các điện tử thứ cấp, các điện tử tán xạ ngược, tia
X đặc trưng và sự phát quang cực âm, được phát ra tùy thuộc vào dạng
của mẫu vật, mật độ của chất và các nguyên tố chứa bên trong.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) thường phát hiện các điện tử
thứ cấp để tạo thành hình ảnh để quan sát. Khi cường độ của các điện
tử thứ cấp được tạo ra thay đổi tùy thuộc vào góc của các điện tử tới
trên bề mặt mẫu vật, các biến thể tinh vi về độ nhám của bề mặt có thể
được biểu thị theo cường độ tín hiệu.

Hình 2.5 : Hình ảnh sợi quang quan sát được bằng SEM với
độ phóng đại 370 lần

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


14

2.3.3. Thiết bị và giao diện làm việc
2.4. Tán xạ Raman
2.4.1. Giới thiệu
2.4.2. Cơ chế của phổ tán xạ Raman

2.4.3. Thiết bị và giao diện làm việc
2.5. Độ phi tuyến của vật liệu
2.6. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS)
2.6.1. Giới thiệu
2.6.2. Cơ chế của phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS)
2.6.3. Thiết bị và giao diện làm việc
2.7. Phân tích tính chất quang của vật liệu
2.7.1. Giới thiệu
Sự phát quang của vật liệu vô cơ bao gồm các q trình : (1)
Hấp thụ và kích thích, (2) Truyền năng lượng, (3)Phát xạ. Hầu hết các
vật liệu phát quang được cấu tạo bao gồm một vật liệu nền và một số
ion được pha tạp và, còn gọi là chất kích hoạt. Trong trường hợp này,
mạng chủ đóng 2 vai trò : là một ma trận bị động để xác định vị trí cho
các ion kích hoạt, và là một thành phần chủ động trong quá trính phát
quang, tạo ra ảnh hưởng riêng của nó đối với hành vi phát quang của
chất kích hoạt. Sau đó, nó giúp định hình cấu trúc của các mức năng
lượng của chất kích hoạt và cũng tạo ra các dao dộng của các năng
lượng khác nhau, gọi là phonon.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


15

Hình 2.13 : (a) Một ion kích hoạt A trong một mạng chủ và (b) Giản
đồ q trình kích thích (hấp thụ( và phát xạ của một ion kích hoạt A.
2.8. Kết luận chương
Sau khi hồn thành chương 2, tơi đã nghiên cứu được các vấn đề :

-

Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X nhằm xác định cấu trúc

của vật liệu chế tạo sợi quang.
-

Phép đo tán sắc năng lượng tia X nhằm xác định thành phần

nguyên tố của vật liệu chế tạo sợi quang.
-

Phép đo tán xạ Raman để xác định thành phần cấu trúc của vật

liệu chế tạo sợi quang.
-

Phép đo tính chất quang của vật liệu chế tạo sợi quang.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


16

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
3.1. Giới thiệu chương
3.2. Qui trình chế tạo mẫu
3.2.1. Vật liệu và hóa chất

Bảng 3.1: Thành phần các tiền chất trong mẫu thủy tinh ZABB
(%mol)
STT

Kí hiệu

1

ZABB

10

10

10

70

0

2

ZABB0.1

9,9

10

10


70

0,1

3

ZABB0.3

9,7

10

10

70

0,3

4

ZABB0.5

9,5

10

10

70


0,5

5

ZABB0.7

9,3

10

10

70

0,7

6

ZABB1.0

9,0

10

10

70

1,0


7

ZABB1.5

8,5

10

10

70

1,5

ZnO

Al2O3

Bi2O3

B2O3

Er2O3

3.2.2. Qui trình chế tạo mẫu

Hình 3.2 : Quy trình chế tạo vật liệu thủy tinh B2O3-Bi2O3-Al2O3ZnO pha tạp ion Er3+

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.


Lưu hành nội bộ


17

Hình 3.3 : Q trình rót mẫu vào khn
3.3. Kết quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X

Hình 3.5 : Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu thủy tinh chế tạo
sợi quang
Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu thủy tinh ZABB với góc 2θ
trong khoảng từ 10 – 90 được thể hiện ở Hình 3.5. Nhìn vào hình 3.5,
chúng ta có thể thấy rằng giản đồ nhiễu xạ tia X có hình dạng là một
đám rộng trong vùng 20-40o. Đây là giản đồ nhiễu xạ đặc trưng của
thủy tinh. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với các kết quả đã được cơng
bố bởi các nhóm nghiên cứu khác[29,30].

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


18

3.4. Kết quả phân tích phổ tán xạ Raman

Hình 3.8 : Phân tích các đỉnh trong phổ Raman của mẫu ZABB
3.5. Kết quả phân tích thành phần nguyên tố bằng phổ tán sắc
năng lượng tia X
Thành phần hóa học của mẫu thủy tinh ZABB1.0 sau khi đã

được nghiền được xác định bằng phổ EDS và kết quả được trình bày
ở Hình 3.11. Từ hình 3.11 ta có thể thấy được xự xuất hiện của đầy đủ
các nguyên tố như kẽm (Zn), nhôm (Al), bismuth (Bi), borate (B),
erbium (Er) với các pha khác nhau.

Hình 3.11 : Phổ EDS của mẫu ZABB1.0

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


19

3.6. Tính chất phát quang của sợi quang
3.6.1. Phổ kích thích vùng khả kiến

Hình 3.12 : Phổ kích thích của mẫu ZABB1.0 ứng với bức xạ
545nm.
3.6.2. Phổ phát quang vùng khả kiến

Hình 3.15 : Phổ phát quang các mẫu với nồng độ pha tạp khác nhau,
bước sóng kích thích là 378nm
3.7. Khảo sát nhiệt độ màu của sợi quang
Bảng 3.4 : Bảng tọa độ màu của các mẫu thủy tinh pha tạp ion
Er3+

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



20

λex = 378 nm

λex = 488 nm

Mẫu

x

x

y

Kí hiệu

ZABB0.1

0,2241 0,3298

0,4086

0,5756

⚫

ZABB0.3


0,2327 0,3819

0,3817

0,6032

◼

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

▄

y

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

hoàn toàn có khả năng sử dụng trong ứng dụng G-LEDs.


THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


21

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.
-

Ngồi 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.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



22

-

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 GLEDs” 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

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


23

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 chết 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+.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ