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

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. HUỲNH THANH TÙNG
2. PGS.TS NGUYỄN TẤN HƯNG
Đà Nẵng – Năm 2022


LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS.
Huỳnh Thanh Tùng và PGS.TS Nguyễn Tấn Hưng.
Tất cả các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Học viên thực hiện

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

Lưu hành nội bộ


LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS. Huỳnh Thanh Tùng và
PGS.TS. Nguyễn Tấn Hưng, các thầy là những người đã tận tình chỉ dạy, hướng dẫn và
cung cấp kiến thức nền tảng cho tơi trong suốt thời gian qua để tơi có thể hồn thành
luận văn này.
Tơi xin cảm ơn tất cả các thầy giáo ở Trung tâm tính tốn hiệu năng cao và khoa
học vật liệu thuộc Khoa Vật Lí, Trường Đại Học Sư Phạm, Đại Học Đà Nẵng nơi tôi
công tác đã có những giúp đỡ trong suốt q trình thực hiện luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến Nhà trường nơi tôi công tác, gia đình,
bạn bè đã ln động viên và giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập.
Kính chúc tất cả q thầy cơ, gia đình, bạn bè sức khỏe và thành công!
Đà Nẵng , ngày 10 tháng 3 năm 2022
Học viên thực hiện

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

Lưu hành nội bộ


Tóm tắt luận văn
NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH PHÁT QUANG CỦA VẬT LIỆU THỦY TINH
PHA TẠP Er3+ ỨNG DỤNG TRONG PHÁT TRIỂN EDFA VÀ G-LEDs
Học viên : Trịnh Ngọc Đạt Chuyên ngành: Kĩ thuật Điện tử

Mã số: ……… Khóa : K40 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt - Vật liệu thủy tinh dùng để chế tạo sợi quang B2O3-Bi2O3-Al2O3-ZnO (ZABB)
pha tạp ion Er3+ với các nồng độ từ 0.1% đến 1.5% được chế tạo bằng phương pháp nóng
chảy. Các phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) đã khẳng
định cấu trúc vơ định hình và thành phần ngun tố của vật liệu. Tính chất phát quang cũng
được phân tích dựa trên phổ kích thích và phát xạ của mẫu. Từ phổ kích thích có thể thấy
được bước sóng phù hợp nhất để kích thích phát quang cho các mẫu là 378 nm. Phổ phát
xạ của ion Er3+ trong thủy tinh ZABB trong vùng khả kiến gồm 3 đỉnh tại 525 nm, 547 nm
và 660 nm tương ứng với các chuyển dời 2H11/2 → 4I15/2 , 4S3/2 → 4I15/2 và 4F9/2 → 4I15/2. Tọa
độ màu của mẫu cũng đã được nghiên cứu và kết quả cho thấy mẫu phát xạ màu xanh lá
cây. Phát xạ mạnh tại vùng khả kiến của vật liệu thủy tinh ZABB pha tạp ion Er3+ cho thấy
nó có tiềm năng ứng dụng cao trong sản xuất G-LED, các thiết bị quang tử hoạt động trong
vùng khả kiến và ứng dụng hiển thị.
Từ khóa - Ion Er3+ ; Thủy tinh borate ; Tính chất phát quang; Phát xạ xanh lá cây; Thiết bị
quang tử.
STUDY ON OPTICAL PROPERTIES OF GLASS MATERIALS DOPING ION
Er3+ APPLICATIONS IN DEVELOPMENT OF EDFA AND G-LEDs
Abstract - B2O3-Bi2O3-Al2O3-ZnO (ZABB) glasses doped with 0.1% to 1.5% mol of Er3+
were prepared by melt quenching method. Measurements of X-ray diffraction (XRD) and
energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) confirmed non-crystalline structure and the
composition of samples. Optical properties were analyzed by photoluminescence (PL)
excitation and emission spectra. The PL excitation spectra indicated that the most suitable
wavelength to excite the luminescence of the samples is 378 nm. The PL emission spectra
exhibited 3 peaks at 525 nm, 547 nm, and 660 nm corresponding to electronic transitions
of 2H11/2 → 4I15/2, 4S3/2 → 4I15/2, and 4F9/2 → 4I15/2 , respectively. The commission
Internationalede L’Eclairage chromaticity coordinates were estimated and the results
showed that the emission of glass samples was green. Strong emission in the visible region

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


Lưu hành nội bộ


of ZABB glass doped Er3+ ion indicated that it can be used in LED fabricating, photonic
devices operating in visible region and display application.
Key words - Ion Er3+; Borate glass; Optical properties; Green emission; Photonic devices.

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

Lưu hành nội bộ


DANH MỤC KÍ HIỆU & CHỮ VIẾT TẮT
BER : Tỉ lệ lỗi bit
EDFA : Khuếch đại quang sợi pha tạp Er3+
EDS : Tán xạ năng lượng tia X
FWM : Hiệu ứng trộn bốn bước sóng
G-LEDs : LED màu xanh lá cây
IR : Hồng ngoại
ITU : Liên minh viễn thông quốc tế
LIDAR : Cảm biến đo khoảng cách
NIR : Vùng cận hồng ngoại
NLO : Hiệu ứng quang phi tuyến
SBS : Tán xạ Brillouin
SDM : Ghép kênh phân chia theo không gian
SEM : Kính hiển vi điện tử quét
SHG : Hài bậc hai
TDFA : Khuếch đại quang sợi pha tạp Tm3+
UCL : Phát quang chuyển đổi ngược
UV : Tử ngoại

WDM : Ghép kênh theo bước sóng
XRD : Nhiễu xạ tia X

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

Lưu hành nội bộ


DANH MỤC BẢNG

Số hiệu

Tên bảng

bảng

Trang

1.1

Tính chất của Er3+ pha tạp trong các vật liệu khác nhau

10

3.1

Thành phần các tiền chất trong mẫu thủy tinh ZABB

43


(%mol)
3.2

Khối lượng cụ thể tiền chất trong mẫu (đơn vị : gam)

43

3.3

Vị trí các đỉnh và các tín hiệu có thể có của chúng

49

3.4

Bảng tọa độ màu của các mẫu thủy tinh pha tạp ion Er3+

56

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

Lưu hành nội bộ


DANH MỤC HÌNH VẼ
Số hiệu

Tên hình vẽ

hình vẽ


Trang

1.1

Băng thơng của các loại khếch đại quang

6

1.2

Các nguyên tố đất hiếm thuộc họ lanthanides

9

1.3

Các chuyển dời của ion Er3+ trong vùng khả kiến, phát

10

quang chuyển đổi ngược và trong vùng hồng ngoại gần
1.4

Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang

11

1.5


Cấu tạo của sợi quang

12

1.6

Ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc đến tín hiệu phía thu

12

1.7

Các loại tán sắc trong sợi quang

13

1.8

Ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM)

15

1.9

ITU Grid áp dụng cho DWDM

16

1.10


Sơ đồ khối của một hệ thống WDM

17

1.11

Hai phương án truyền dẫn của hệ thống WDM, (a) Truyền

17

dẫn theo một hương , (b) Truyền dẫn theo hai hướng
1.12

Sự hấp thụ và phát xạ ánh sáng

18

1.13

Phổ cross-section phát xạ và hấp thụ của EDFA

19

1.14

Giản đồ mức năng lượng

20

1.15


(a) EDFA một chặng single pass (b) EDFA một chặng

21

double pass
1.16

(a) EDFA hai chặng double pass (b) EDFA hai chặng triple

22

pass (c) EDFA hai chặng quadruple pass
1.17

EDFA ba chặng với triple pass

22

1.18

Các cơ chế của phát quang chuyển đổi ngược

23

1.19

Thí nghiệm minh họa cho hiện tượng phát quang chuyển

24


đổi ngược
1.20

Laser 548 nm sử dụng tinh thể LiLuF4:Er3+

25

2.1

Nhiễu xạ của các nguyên tử được sắp xếp tuần hồn thỏa

27

mãn phương trình Bragg.

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

Lưu hành nội bộ


2.2

Hệ đo nhiễu xạ tia X D8 Advance Eco

28

2.3

Giao diện phần mềm DIFFRACT MEASUREMENT


28

CENTER
2.4

Cơ chế hoạt động của kính hiển vi điện tử quét (SEM)

30

2.5

Hình ảnh sợi quang quan sát được bằng SEM với độ phóng

31

đại 370 lần
2.6

Kính hiển vi điện tử quét Jeol JSM-IT200 và giao diện phần

32

mềm SEM Operation
2.7

Ánh sáng tán xạ từ một phân tử

33


2.8

Giản đồ Jablonski giải thích q trình tán xạ Raman

34

2.9

Hệ đo Raman Xplora Plus – HORIBA

35

2.10

Giao diện phần mềm LabSpec6

35

2.11

Cơ chế của EDS

38

2.12

Giao diện của phần mềm SMILE VIEWTM

39


2.13

(a) Một ion kích hoạt A trong một mạng chủ và (b) Giản đồ

40

quá trình kích thích (hấp thụ) và phát xạ của một ion kích
hoạt A.
2.14

Sơ đồ cấu tạo của máy đo huỳnh quang FL3-22C

41

2.15

Máy đo huỳnh quang FL3-22C của Horiba.

41

3.1

Q trình cân hóa chất

44

3.2

Quy trình chế tạo vật liệu thủy tinh B2O3-Bi2O3-Al2O3-ZnO


45

pha tạp ion Er3+
3.3

Q trình rót mẫu vào khn

45

3.4

Mẫu thủy tinh ZABB và mẫu sợi quang đã được chế tạo

46

3.5

Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu thủy tinh chế tạo sợi

46

quang
3.6

Phổ XRD với các mẫu sợi quang với nồng độ pha tạp Er3+

47

khác nhau
3.7


Phổ tán xạ Raman của mẫu ZABB

48

3.8

Phân tích các đỉnh trong phổ Raman của mẫu ZABB

49

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

Lưu hành nội bộ


3.9

Phổ tán xạ Raman với các nồng độ pha tạp Er3+ khác nhau

50

3.10

Ảnh SEM của mẫu ZABB1.0 được nghiền

51

3.11


Phổ EDS của mẫu ZABB1.0

51

3.12

Phổ kích thích của mẫu ZABB1.0 ứng với bức xạ 545nm

52

3.13

Phổ phát quang của mẫu ZABB1.0 với bước sóng kích

53

thích lần lượt là 378nm và 488nm
3.14

Giản đồ các mức năng lượng của ion Er3+trong thủy tinh

53

ZABB
3.15

Phổ phát quang các mẫu với nồng độ pha tạp khác nhau,

57


bước sóng kích thích là 378nm
3.16

Khảo sát sự suy hao cường độ phát quang với nồng độ pha

55

tạp ion Er3+ khác nhau trong vùng từ 515 – 560 nm
3.17

Tọa độ màu của các mẫu thủy tinh pha tạp ion Er3+ ứng với

56

bước sóng kích thích 378 nm
3.18

Tọa độ màu của các mẫu thủy tinh pha tạp ion Er3+ ứng với

56

bước sóng kích thích 488 nm

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

Lưu hành nội bộ


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG ..................................... 5
1.1. Giới thiệu chương............................................................................................ 5
1.2. Tình hình nghiên cứu về khuếch đại quang ................................................. 5
1.1.1. Khuếch đại quang là gì ............................................................................. 5
1.2.2. Ứng dụng chính của khuếch đại quang...................................................... 6
1.2.3. Tình hình nghiên cứu và xu hướng của khuếch đại quang ...................... 7
1.3. Một số mô hình giải thích cơ chế phát quang của ion Er3+ ............................ 8
1.3.1. Phát quang của các nguyên tố đất hiếm ..................................................... 8
1.3.2. Các chuyển dời quang học của ion Er3+ ..................................................... 9
1.3.3. Phát quang của Er3+ trong các vật liệu thủy tinh ..................................... 10
1.4. Cơ chế của khuếch đại quang sợi EDFA ....................................................... 11
1.4.1. Sợi quang .................................................................................................... 11
1.4.2. Hệ thống WDM .......................................................................................... 14
1.4.3. Khuếch đại quang sợi EDFA..................................................................... 18
1.5. Hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược (Up-conversion) ........................ 23
1.5.1. Cơ chế và vật liệu cho hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược .......... 23
1.5.2. Ứng dụng của hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược ....................... 24
1.6. Kết luận chương ............................................................................................... 25
CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT
QUANG CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG ............................................................. 26
2.1. Giới thiệu chương ............................................................................................ 26
2.2. Nhiễu xạ tia X ................................................................................................... 26
2.2.1. Giới thiệu .................................................................................................... 26
2.2.2. Cơ sở của phương pháp nhiễu xạ tia X .................................................... 26
2.2.3. Thiết bị và giao diện làm việc .................................................................... 27
2.3. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) .................................................................... 29
2.3.1. Giới thiệu .................................................................................................... 29
2.3.2. Cơ chế của SEM ......................................................................................... 29
2.3.3. Thiết bị và giao diện làm việc .................................................................... 31
2.4. Tán xạ Raman .................................................................................................. 32


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

Lưu hành nội bộ


2.4.1. Giới thiệu .................................................................................................... 32
2.4.2. Cơ chế của phổ tán xạ Raman................................................................... 33
2.4.3. Thiết bị và giao diện làm việc .................................................................... 34
2.5. Độ phi tuyến của vật liệu ................................................................................. 36
2.6. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) ............................................................... 37
2.6.1. Giới thiệu .................................................................................................... 37
2.6.2. Cơ chế của phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) ....................................... 37
2.6.3. Thiết bị và giao diện làm việc .................................................................... 38
2.7. Phân tích tính chất quang của vật liệu........................................................... 39
2.7.1. Giới thiệu .................................................................................................... 39
2.7.2. Cơ chế hoạt động của máy đo huỳnh quang FL3-22C ............................ 40
2.8. Kết luận chương ............................................................................................... 42
CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VIỆC CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU
CÁC ĐẶC TÍNH CỦA SỢI QUANG ....................................................................... 43
3.1. Giới thiệu chương ............................................................................................ 43
3.2. Qui trình chế tạo mẫu...................................................................................... 43
3.2.1. Vật liệu và hóa chất.................................................................................... 43
3.2.2. Qui trình chế tạo mẫu ................................................................................ 44
3.3. Kết quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X ............................................................ 46
3.4. Kết quả phân tích phổ tán xạ Raman ............................................................ 47
3.5. Kết quả phân tích thành phần nguyên tố bằng phổ tán sắc năng lượng tia X
................................................................................................................................... 50
3.6. Tính chất phát quang của sợi quang .............................................................. 52
3.6.1. Phổ kích thích vùng khả kiến .................................................................... 52

3.6.2. Phổ phát quang vùng khả kiến .................................................................. 52
3.7. Khảo sát nhiệt độ màu của sợi quang ............................................................ 55
3.8. Kết luận chương ............................................................................................... 57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 58
CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN .......................... 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 61

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

Lưu hành nội bộ


1

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 975-1200nm[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 → 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 C-band. 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.

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

Lưu hành nội bộ


2
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 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.
Ngoài việc ứng dụng trong viễn thông, 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 đoán
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.

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

Lưu hành nội bộ



3
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 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 qt.

-

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.

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

Lưu hành nội bộ



4
-

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 việc chế tạo và nghiên cứu các đặc tính của sợi
quang

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

Lưu hành nội bộ


5

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KHUẾCH ĐẠI QUANG
Giới thiệu chương

1.1.

Để có thể có cái nhìn tổng qt về khuếch đại quang, các ứng dụng của khuếch đại
quang cũng như các ứng dụng của việc pha tạp các ion đất hiếm vào thủy tinh tơi đã tiến
hành tìm hiểu và nghiên cứu các định nghĩa, cơ chế, tính chất cũng như ứng dụng của
khuếch đại quang trong chương này. Từ những tìm hiểu và nghiên cứu này có thể giúp
tơi hiểu rõ hơn về khuếch đại quang và có thể nghiên cứu chuyên sâu hơn về khuếch đại
quang.
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. Quá 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.
Hầu hết các bộ khuếch đại quang học là bộ khuếch đại laser, nơi mà sự khuếch đại

được dựa vào quá trình phát xạ cưỡng bức. Môi trường khuếch đại chứa một số nguyên
tử, ion hoặc phân tử ở trạng thái kích thích, được cung cấp năng lượng bằng cách sử
dụng đèn tín hiệu để tạo ra nhiều ánh sáng hơn vào các chế độ bức xạ giống nhau. Các
bộ khuếch đại như vậy hoặc là chất cách điện được pha tạp với một số ion hoạt động
bằng laser, hoặc chất bán dẫn có thể được bơm điện hoặc quang học. 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.

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

Lưu hành nội bộ


6

Hình 1.1 : Băng thơng của các loại khếch đại quang[40].
1.2.2. Ứng dụng chính của khuếch đại quang
Bộ khuếch đại sợi quang ban đầu được thiết kế để đạt được sự khuếch đại trong
thông tin liên lạc bằng sợi quang trên khoảng cách lớn, nơi tín hiệu cần được khuếch đại
định kì. Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium với tín hiệu có cơng suất quang vừa
phải trong vùng phổ 1,5 μm được sử dụng cho mục đích này. Các kênh bước sóng khác
nhau được khuếch đại đồng thời trong một bộ khuếch đại sợi đơn bằng cách sử dụng
WDM ghép kênh phân chia theo bước sóng. Các lĩnh vực ứng dụng khác của bộ khuếch
đại sợi quang được phát triển sau đó. Đặc biệt, các bộ khuếch đại sợi quang cơng suất
cao đã được phát triển có thể tạo ra công suất đầu ra hàng trăm Watt hoặc thậm chí nhiều
kiloWatt. Các bộ khuếch đại như vậy đang được sử dụng rộng rãi để sử dụng trong quá
trình xử lý vật liệu bằng laser, thay thế các laser khối trạng thái rắn và laser CO 2 chẳng

hạn. Thông thường, chúng dựa trên sợi phủ kép pha tạp chất ytterbium (Yb3+) cho tín
hiệu trong vùng quang phổ 1,03-1,1 μm.
Việc lắp đặt các bộ khuếch đại quang đôi khi được đi kèm với các bộ ghép định
hướng và bộ cách ly để cải thiện độ bền đối với nhiễu và nâng cao hiệu quả của toàn bộ
hệ thống quang học. Nó cũng được ứng dụng trong các lĩnh vực truyền thông không
gian. Các ngành công nghiệp người dùng cuối như viễn thơng, ngân hàng và diễn đàn
tài chính, hệ thống bệnh viện, sân bay, một số ngành công nghiệp cơ khí cũng sử dụng
chúng trong hệ thống bảo trì dữ liệu của họ để cải thiện chất lượng và tốc độ truyền dữ
liệu khác với các trung tâm dữ liệu khn mẫu nơi nó trở nên quan trọng đối với kết hợp
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


7
chúng. Các nhà cung cấp mạng cũng sử dụng bộ khuếch đại quang để duy trì hệ thống
dữ liệu nội bộ của họ cũng như cung cấp dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cho người dùng.
1.2.3. Tình hình nghiên cứu và xu hướng của khuếch đại quang
Thông thường việc vận chuyển dữ liệu mạng quang được thực hiện với sự trợ giúp
của hai sợi quang sử dụng mỗi sợi để truyền tín hiệu và sợi kia để nhận tín hiệu. Các
giải pháp sợi đơn tiết kiệm một nửa tài nguyên sợi cần thiết cho việc vận chuyển
DWDM. Điều này có tác động kinh tế lớn đối với các nhà mạng, nhà cung cấp cáp quang
tối và các doanh nghiệp. Nó làm giảm chi phí th sợi; thuế áp dụng đối với sợi chiếu
sáng hoặc thậm chí phục vụ như một giải pháp hiệu quả cho các nguồn sợi quang khan
hiếm.
Các kiến trúc và kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) có giới hạn
truyền dẫn, điều này đã thúc đẩy nghiên cứu của các công ty mạng nhằm phát triển các
thành phần Ghép kênh phân chia theo khơng gian (SDM) trong đó các sợi quang đa
mode hoặc đa bào tử hỗ trợ nhiều chế độ không gian để tăng khả năng truyền dẫn cho
mỗi sợi quang được triển khai. EDFA được bơm lớp phủ bao gồm 06 lõi đa chế độ pha

tạp erbium, mỗi lõi có thể hỗ trợ ba chế độ không gian, cho phép khuếch đại 18 kênh
không gian đồng thời chỉ bằng một diode laser bơm (tương tự như độ phức tạp của chỉ
một EDFA chế độ đơn).
Các nhà nghiên cứu cũng đã bắt đầu phát triển thiết kế cấu hình tinh tế cho lớp phủ
bằng cách tăng số lượng lõi để nâng cao hơn nữa hiệu quả bơm của bộ khuếch đại.
EDFA có thể mở rộng có thể được sử dụng trong khi hoạt động ở các chế độ khác nhau.
Các lợi ích cơng nghệ của EDFA có thể mở rộng là rất hấp dẫn, do đó nhiều cơng ty đã
bắt đầu chuyển hướng sang kỹ thuật khuếch đại này.
Với nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ cao và các dịch vụ dữ liệu phức tạp, các nhà
cung cấp mạng buộc phải tăng cường các đường cáp quang, do đó ngành cơng nghiệp
phụ trợ để sản xuất bổ sung cáp quang cũng đang thịnh vượng và hứa hẹn nhu cầu sẽ
tiếp tục tăng với cùng tốc độ như cuộc cách mạng dữ liệu.
Những đổi mới trong kỹ thuật ghép kênh như SDM và MDM đang tiếp tục được
nghiên cứu cùng với việc giới thiệu các vật liệu sợi quang mới cho TX / RX hiệu quả
của tín hiệu quang. Sợi tinh thể quang tử và sợi tinh thể có lỗ trống hỗ trợ đang được sử
dụng để cải thiện hiệu suất năng lượng của các hệ thống quang học. Các kỹ thuật giúp

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

Lưu hành nội bộ


8
tiết kiệm quang phổ chủ yếu là mạng đường dẫn quang đàn hồi cũng đang được phát
triển để khai thác các tài nguyên quang phổ chưa được sử dụng đầy đủ.
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
Các ion đất hiếm là các nguyên tố thuộc hai nhóm chính là lanthanides và actinides.
Thơng thường người ta chỉ quan tâm nghiên cứu đến các nguyên tố thuộc nhóm
lanthanides vì tính bền của chúng. Các ion thuộc nhóm lanthanide có hóa trị hai hoặc

hóa trị ba là mọt nhóm có vai trị rất quan trọng làm tâm phát quang trong các vật liệu
phát quang và đơn tinh thể. Phát xạ nhanh từ 15-60ns 5d-4f của Ce3+ trong các nền như
LaCl3, LaBr3, Lu2SiO5 và Gd2SiO5 được ứng dụng trong máy soi chiếu và phát hiện tia
γ. Phát xạ tương tự cũng được sử dụng trong ống tia cathode và vật liệu điện phát quang.
Các chuyển dời từ mức 4f2 của Pr3+ đã được nghiên cứu để phát triển vật liệu phát quang
có hiệu suất lượng tử cao. Các chuyển dời của các mức hẹp 4f 3 trong Nd3+ được dung
trong các laser tinh thể như Y3Al5O12:Nd3+. Sm3+ được sử dụng như một bẫy điện tử
hiệu quả và có rất nhiều nghiên cứu chỉ ra khả năng lưu trữ thông tin của nó. Ví dụ,
MgS:Ce3+,Sm3+ và MgS:Eu2+,Sm3+ được nghiên cứu để chế tạo đĩa quang, Y2SiO5:
Ce3+,Sm3+ được nghiên cứu để ứng dụng trong chụp ảnh X-ray và LiYSiO4:Ce3+,Sm3+
ứng dụng trong chụp ảnh nhiệt nơ tron. Chuyển dời 5D0 → 7F, phát xạ màu đỏ 4f6 của
Eu3+ và phát xạ từ xanh đến đỏ 5d-4f của Eu2+ được sử dụng trong hiển thị và chiếu
sáng. Phát xạ vạch 4f8 của Tb3+ thường được dùng làm thành phần màu xanh trong đèn
ống. Ion Dy3+ đóng vai trị quan trọng trong vật liệu phát quang bền SrAl2O4:Eu2+,Dy3+.
Er3+ và Tm3+ được sử dụng trong thông tin sợi quang và laser. Mặc dù các chuyển dời
của các ion đất hiếm đã được nghiên cứu nhiều trước đây nhưng các mức năng lượng
trong vùng nội tại của vật liệu nền vẫn luôn là thách thức của các nhà nghiên cứu.

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

Lưu hành nội bộ


9

Hình 1.2 : Các nguyên tố đất hiếm thuộc họ lanthanides
1.3.2. Các chuyển dời quang học của ion Er3+
Erbium là một nguyên tố thuộc nhóm lanthanide, có hóa trị III và thuộc orbital 4f.
Phát quang của ion Er3+ dựa vào các hoạt động tại các mức năng lượng 4I11/2, 4I13/2 và
4


I15/2, nơi mà chuyển dời 3 mức xảy ra. Kết quả là các phát xạ tại bước sóng khoảng

1.5µm. Thơng qua quá trình chuyển tạo photon (4I13/2 → 4I15/2) và chuyển dời tạo phonon
(4I11/2 → 4I13/2). Các chuyển dời bức xạ của ion Er3+ dựa trên qui tắc phát xạ tự phát của
bức xạ, xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn (thường được gọi là thời gian sống) hoặc
là phát xạ cưỡng bức của bức xạ đó. Để có một hiệt suất phát quang tốt của một bộ
khuếch đại quang, thơng thường thì giá trị được quan tâm đó là mức nang lượng 4I13/2.
Sự xuất hiện của các phát xạ khác dẫn đến phát xạ cưỡng bức tại mức năng lượng này
dẫn đến sự suy hao của tín hiệu quang. Có rất nhiều lí do dẫn đến q trình suy hao này,
chẳng hạn như hiện tượng dập tắt vì nồng độ, hiện tượng phát xạ nhiều photon và hấp
thụ từ các trạng thái kích thích (hiện tượng phát quang chuyển đổi ngược). Mặc dù hiện
tượng dập tắt vì nồng độ là một hiện tượng không mong muốn trong trường hợp khuếch
đại quang tại bước sóng 1500nm nhưng trong một số trường hợp nó lại hữu ích chẳng
hạn như trong các cảm biến quang học sử dụng vật liệu Er-Yb, hoặc quá trình phát quang
chuyển đổi ngược dùng để tạo ra các bước sóng ngắn hơn.

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

Lưu hành nội bộ


10

Hình 1.3 : Các chuyển dời của ion Er3+ trong vùng khả kiến, phát quang chuyển
đổi ngược và trong vùng hồng ngoại gần [4].
1.3.3. Phát quang của Er3+ trong các vật liệu thủy tinh
Trong Bảng 1.1 chỉ ra các tính chất của các vật liệu pha tạp Er3+ bao gồm bước
sóng ứng với chuyển dời 4I13/2 → 4I15/2 , thời gian sống cũng như năng lượng phonon của
các vật liệu đó [25].

Bảng 1.1: Tính chất của Er3+ pha tạp trong các vật liệu khác nhau
Vật liệu

λmain (nm)

LiNbO3

1530

4.5

880

Al2O3

1530

7.5

870

ZnO

1529

-

-

1504, 1535


-

1355

YAG (Y3Al5O12)

1530

2 – 15

800

ZBLAN (fluoride glass)

1550

-

500

Thủy tinh Phosphate

1535

10.7

1200

Thủy tinh Zinc-Silicate


1535

10.1

-

Thủy tinh borate

1535

-

1400

Thủy tinh silicate

1550

14.7

1100

Kim cương

τ (ms)

Ephonon

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


Lưu hành nội bộ


11
Dựa vào bảng 1.1 có thể thấy đợc vật liệu thủy tinh silicate được sử dụng rộng
rãi bởi vì khả năng ghép nối của chúng với các loại sợi quang hiện tại, tuy nhiên vấn đề
của loại thủy tinh này đó là hiện tượng dập tắt vì nồng độ Er3+. Vấn đề này xảy ra khi
trong vật liệu có nồng độ Er3+ cao, vì thế gây ra sự phân nhóm và vì thế các cặp ion Er3+
tương tác lẫn nhau và gây ra phân rã đa phonon không mong muốn hoặc hiện tượng hấp
thụ ở trạng thái kích thích. Ví dụ trong các thiết kế của các loại ống dẫn sóng phẳng tích
hợp, nồng độ của Er3+ trong thủy tinh phải cao hơn 1 bậc so với trong sợi quang, nhưng
hiện tượng phân nhóm trong thủy tinh làm cho nồng độ của Er3+ rất thấp (~0.1%). Đã
có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng việc thêm Al3+ hoặc Zn2+ có thể giúp tăng nồng độ Er3+
tại cùng một thời điểm và vì thế làm giảm hiện tượng phân nhóm bởi vì các ion đó có
thể điều chỉnh cấu trúc của thủy tinh. Đồng thời, có thể thêm các oxit kim loại nặng như
Bi2O3 vào để tăng cường độ phát quang và thích hợp cho các ứng dụng laser và khuếch
đại quang.
1.4. Cơ chế của khuếch đại quang sợi EDFA
1.4.1. Sợi quang
1.4.1.1. Hiện tượng phản xạ tồn phần
Trong hệ thống thơng tin sợi quang, ánh sáng được truyền đi trong suốt sợi
quang (ở phần lõi) dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần.

Hình 1.4 : Hiện tượng phản xạ tồn phần trong sợi quang
Điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ tồn phần là :
-

Tia sáng phải đi từ nơi có chiết suất lớn hơn đến nơi có chiết suất nhỏ hơn


-

Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc tới hạn.

1.4.1.2. Cấu tạo của sợi quang
Sợi quang là một công nghệ liên quan đến việc truyền dẫn dữ liệu sử dụng xung
ánh sáng trên một đoạn sợi dài làm bằng vật liệu thủy tinh hoặc nhựa. Sợi quang thường

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

Lưu hành nội bộ


12
ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ và hoạt động được là nhờ hiện tượng phản xạ toàn
phần của ánh sáng. Việc lan truyền của ánh sáng trên suốt chiều dài sợi quang dựa trên
yêu cầu của công suất cũng như chiều dài của tuyến truyền dẫn. Chẳng hạn như sợi
quang đơn mode được sử dụng trong truyền dẫn có tuyến dài trong khi sợi đa mode thì
dùng trong tuyến ngắn. Cấu tạo của sợi quang được mô tả như Hình 1.5.

Hình 1.5 : Cấu tạo của sợi quang
Thành phần chính của sợi quang điển hình bao gồm : lõi và lớp bọc, lớp phủ và
lớp vỏ. Lớp phủ có tác dụng bảo vệ sợi quang, chống lại sự xâm nhập của hơi nước,
tránh sự trầy xước gây nên các vết nứt, giảm ảnh hưởng do uốn cong. Lớp vỏ có tác
dụng tang cường sức chịu đựng của sợi quang dưới tác dụng cơ học và sự thay đổi nhiệt,
tùy theo các điều kiện ứng dụng mà lớp cỏ có các dạng khác nhau.
1.4.1.3. Các loại tán sắc trong sợi quang
Hiện tượng một xung ánh sáng bị giãn rộng ra về mặt thời gian so với xung ban
đầu sau một quãng được truyền đi trong sợi quang gọi là hiện tượng tán sắc. Tín hiệu
khi truyền đi nếu bị ảnh hưởng bởi hiện tượng tán sắc làm cho các xung bị chồng lên

nhau đến một giới hạn nào đó thì bên phần thu sẽ khơng phân biệt được các xung liền
kề nhau nữa, điều này làm cho tín hiệu phía thu bị lỗi và dẫn đến tỉ số BER tang lên ảnh
hưởng lớn đến tốc độ bit và dung lượng truyền dẫn của sợi quang.

Hình 1.6 : Ảnh hưởng của hiện tượng tán sắc đến tín hiệu phía thu

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

Lưu hành nội bộ


13
Sơ đồ các loại tán sắc trong sợi quang có thể được mơ tả trong Hình 1.7.

Tán sắc

Tán sắc mode phân
cực

Tán sắc màu

Tán sắc mode

Tán sắc vật liệu

Tán sắc ống dẫn sóng

Hình 1.7 : Các loại tán sắc trong sợi quang
Hiện nay, với công nghệ hiện đại người ta đã chế tạo được các loại sợi quang có
hiện tượng tán sắc giảm đáng kể. Tuy nhiên, vấn đề về tán sắc luôn là mối quan tâm

hàng đầu trong các hệ thống thông tin quang.
1.4.1.4. Sợi quang silica sử dụng trong các bộ EDFA
Sợi Silica có dải bước sóng rộng với độ trong suốt quang học tốt. Trong vùng
quang phổ cận hồng ngoại, đặc biệt là khoảng bước sóng 1,5 μm, sợi silica có thể có suy
hao do hấp thụ và tán xạ cực thấp ở mức 0,2 dB / km, phôi sợi được chế tạo ở dạng rất
tinh khiết bằng các phương pháp nhất định. Để có độ trong suốt cao trong vùng 1,4 μm,
cần phải giữ cho nồng độ của các nhóm hydroxyl (OH) thấp, khi nồng độ OH cao sẽ tốt
hơn để có độ trong suốt tốt trong vùng cực tím. Đối với bước sóng từ ~1,8 μm trở đi, sự
hấp thụ đa phonon dẫn đến sự hấp thụ tăng dần [42].
Sợi silica có độ bền cơ học cao đáng kinh ngạc khi kéo và thậm chí uốn cong, với
điều kiện là sợi không quá dày và bề mặt được chuẩn bị tốt. Độ bền cơ học của sợi có
thể được cải thiện hơn nữa với một lớp phủ polyme thích hợp. Ngay cả việc cắt các đầu
sợi silica đơn giản cũng có thể tạo ra các bề mặt phẳng độc đáo với chất lượng quang
học cao.
Thủy tinh silica có thể được pha tạp với nhiều vật liệu khác nhau để cải thiện các
đặc tính khác nhau. Một mục đích của việc pha tạp có thể là nâng cao chiết suất (ví dụ

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

Lưu hành nội bộ