Nghiên cứu chế tạo các vật liệu thuỷ tinh pha tạp ion đất hiếm nhằm ứng dụng cho các khuyếch đại quang trong viễn thông

..

Bộ giáo dục v đo tạo
TRƯờng đại học bách khoa h nội

Nguyễn Việt Long

Nghiên cứu chế tạo các vật liệu thuỷ tinh pha tạp ion đất hiếm
nhằm ứng dụng cho các khuếch đại quang trong viễn Thông

LUậN áN TIếN Sỹ Kỹ thuật

Hà nội - Năm 2006


Bộ giáo dục v đo tạo
TRƯờng đại học bách khoa h nội

Nguyễn Việt Long

Nghiên cứu chế tạo các vật liệu thuỷ tinh pha tạp ion đất hiếm
nhằm ứng dụng cho các khuếch đại quang trong viễn Thông

Chuyên ngành:
Công nghệ vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử
M số: 62.52.92.05

LN ¸N TIÕN Sü Kü tht
Ng−êi h−íng dÉn khoa häc
1. PGS. TS. Nguyễn Đức Chiến
2. PGS. TS. D Thị Xuân Thảo

Hà nội - Năm 2006


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây l công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu công bố trong luận án l trung thực v cha từng
đợc ai công bố trong bất kỳ công trình no khác.

Tác giả luận ¸n

Ngun ViƯt Long


ii

Lời cảm ơn
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lÃnh đạo Viện Đào tạo Quốc tế về Khoa học Vật
liệu (ITIMS) và Ban lÃnh đạo Trung tâm Bồi dỡng & Đào tạo sau đại học, trờng
Đại học Bách khoa Hà nội đà giúp đỡ và tạo điều kiện nghiên cứu cho tôi thực hiện
luận án nghiên cứu khoa học cơ bản này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lÃnh đạo
Học viện Công nghệ Bu chính Viễn thông đà giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi thực
hiện luận án nghiên cứu khoa học này.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Đức Chiến và PGS.TS. D Thị Xuân
Thảo hai thày cô giáo đà giúp đỡ, tận tình hớng dẫn và đa ra những thảo luận
quí báu trong suốt quá trình tôi hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TSKH. Nguyễn Ngọc San và TS. Nguyễn Gia
Thái, khoa Quốc tế & Đào tạo Sau đại học - Học viện Công nghệ Bu chính Viễn
thông đà giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện luận án nghiên cứu khoa

học cơ bản này. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Eric Hennes, trờng đại học
Amsterdam - Hà lan cung cấp nguồn tài liệu phong phú về công nghệ sol-gel và
gợi ý định hớng lĩnh vực nghiên cứu cho tôi trong khi tiến hành công việc nghiên
cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn GS. TS. Nogami, Viện khoa học Công nghệ
trờng đại học Nagoya, Nhật Bản đà gửi nguồn t liệu về 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 các
phép đo phổ huỳnh quang. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Lê Thị Mai Hơng,
khoa Hoá vô cơ trờng đại học Bách khoa Hà nội đà có những thảo luận bổ ích
cho luận án khi tôi thực hiện báo cáo kết quả 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 những thảo luận bổ ích cho luận án.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới tất cả các thày cô giáo, gia đình,
bạn bè, và đồng nghiệp đà động viên và giúp đỡ tôi có nghị lực để vợt qua
những khó khăn trong quá trình hoàn thiện luận án.

Tác giả của luận án

Nguyễn Việt Long


iii

Mục lục
Lời cam đoan

i

Lời cảm ơn

ii

Mục lục

iii

Các thuật ngữ viết tắt

viii

Các kí hiệu viết tắt

x

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

xi

Danh mục các bảng biểu

xii

Mở đầu

1

nghiên cứu cơ học lợng tử về mức năng lợng của

5

Chơng 1

iôn đất hiếm trong chÊt r¾n. lý thut tr−êng tinh
thĨ Judd & Ofelt
1.1 Các mức năng lợng của các cấu hình lợng tử nlN

5

1.1.1 Tính chất phát quang của các nguyên tố lantan hoá trị +3

5

1.1.2 Giản đồ các mức năng lợng Dieke cho các iôn đất hiếm

6

1.1.3 Cấu trúc điện tử các nguyên tố đất hiếm

6

1.2 Nguyên cứu cơ học lợng tử về các mức năng lợng của iôn đất hiếm
1.2.1 Phơng pháp gần đúng trờng xuyên tâm

7
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 các trạng thái

13

1.2.5 Các tơng tác bậc nhất

14

1.2.5.1 Tơng tác Coulomb giữa các electron của 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 do cấu hình

17


iv

1.2.6.1 Tơng tác do cấu hình Coulomb

17

1.2.6.2 Tơng tác do cấu hình spin-quỹ đạo

18

1.2.7 Toán tử Hamilton của một iôn đất hiếm tự do

19

1.2.8 Toán tử Hamilton của một iôn đất hiếm trong chất rắn

19

1.3 Các tính chất tổng quát về các dịch chuyển bức xạ

19

1.3.1 Các dịch chuyển lỡng cực điện và 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 bức xạ

29

1.4 Lý thuyết Mc. Cumber

30

Chơng 2
Tổng quan về vật liệu khuếch đại quang pha tạp các

32

iôn đất hiếm sử dụng cho các bộ EDFA ứng dụng
trong viễn thông
2.1 Khả năng ứng dụng của các iôn đất hiếm trong viễn thông và laser

32

2.2 Các đặc điểm cơ bản của iôn Er3+ trong SiO2, SiO2-Al2O3 và trong bộ EDFA

34

2.3 Các cơ chế khuếch đại quang

35

2.4 Các thông số và yếu tố ảnh hởng đến quá trình khuếch đại quang

39

2.4.1 Nồng độ pha tạp và độ hoà tan của Er trong SiO2

39

2.4.2 §é suy hao trong èng dÉn sãng

40

2.4.3 Sù chång mode của tín hiệu thông tin và nguồn bơm

40

2.4.4 Bớc sóng kích thích của nguồn bơm và quá trình hấp thụ tín hiệu bơm

40

2.4.5 Cơ chế chuyển đổi ngợc cùng hoạt động

41

2.4.6 Dịch chuyển kích thích và dập quang không bức xạ

42

2.4.7 Cơ chế hấp thụ các trạng thái kích thích

42

2.4.8 Hiện tợng kết đám các iôn đất hiếm

42

2.5 Các bộ khuếch đại phẳng sử dụng vật liệu SiO2, SiO2-Al2O3 pha tạp iôn Er3+

43

2.6 Triển vọng và xu hớng phát triĨn c¸c bé EDFA

46


v

2.7 Nghiên cứu khả năng đồng pha tạp các iôn đất hiếm Eu-Er, Ce-Er, Yb-Er

48

Chơng 3
Các phơng pháp chế tạo v nghiên cứu các vật liệu

51

thuỷ tinh pha tạp IÔN Er3+
3.1 Phơng pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu thuỷ tinh chứa đất hiếm Er3+

51

3.1.1 Phơng pháp lắng đọng pha hơi 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 nghƯ sol- gel cho viƯc chÕ t¹o vËt liƯu quang tử

52

3.2 Qui trình thực nghiệm cho việc chế tạo vật liệu quang tử và quang điện tử

59

3.3 Chế tạo màng mỏng chức năng quang

60

3.3.1 Chế tạo màng mỏng bằng phơng pháp quay phủ

60

3.3.2 Chế tạo màng mỏng bằng phơng pháp nhúng phủ

61

3.4. Các phơng pháp nghiên cứu đánh giá cấu trúc và tính chất vật liệu

61

3.4.1 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu bằng các phơng pháp hiển vi

61

3.4.2 Phơng pháp phổ dao động Raman

62

3.4.2.1 Nguyên lý của phơng pháp đo phổ dao động Raman

62

3.4.2.2 Phơng pháp đo phổ dao động Raman và phân tích các kết quả

63

3.4.3 Phơng pháp phổ dao động hồng ngoại khai triển Fourier (FTIR)

64

3.4.3.1 Nguyên lý của phơng pháp đo phổ dao động hồng ngoại

64

3.4.3.2 Phơng pháp đo thực nghiệm và phân tích các kết quả

65

3.4.4 Phơng pháp đo phổ phát xạ của các iôn đất hiếm trong chất rắn

65

3.4.4.1 Nguyên lý của phơng pháp đo phổ phát xạ

65

3.4.4.2 Phơng pháp đo thực nghiệm và phân tích các kết quả

66

3.4.5 Phép đo thời gian sống bức xạ

68

3.4.5.1 Nguyên lý của phơng pháp đo thời gian sống

68

3.4.5.2 Hệ đo thời gian sống và phân tích kết quả

71


vi

3.4.6 Phơng pháp nhiễu xạ tia X

72

3.4.6.1 Nguyên lý của phơng pháp nhiễu xạ tia X

72

3.4.6.2 Phơng pháp đo thực nghiệm

72

Chơng 4
Chế tạo các vật liệu thủy tinh SiO2 v SiO2-Al2O3 chứa

73

iôn đất hiếm Er3+, Yb3+ bằng qui trình công nghệ
sol-gel
4.1 Các hóa chất để tổng hợp các vật liệu thuỷ tinh chứa đất hiếm

73

4.2 Qui trình chế tạo các thuỷ tinh SiO2, SiO2-Al2O3 chứa iôn đất hiếm Er3+

73

4.2.1 Qui trình chế tạo các gel

73

4.2.2 Qui trình công nghệ để t¹o ra thủ tinh trong st quang häc

75

4.3 Mét sè nhận xét về qui trình chế tạo các liệu thuỷ tinh SiO2 và SiO2-Al2O3

80

Chơng 5
Cấu trúc v tính chất các vật liệu thủy tinh SiO2

81

v SiO2-Al2O3 chứa iôn đất hiếm Er3+, Yb3+ đ chế tạo
bằng công nghệ sol-gel
5.1 Cấu trúc của các gel khô

81

5.1.1 ảnh chụp của các gel khô đà đợc chế tạo

81

5.1.2 Cấu trúc của các gel khô nghiên cứu bằng phơng pháp hiển vi điện tử

81

quét SEM
5.1.3 Các phép đo phân tích nhiệt TDA và TGA

82

5.2 Cấu tróc vµ tÝnh chÊt vËt liƯu SiO2 vµ SiO2-Al2O3 pha tạp iôn Er3+

83

5.2.1 Cấu trúc của vật liệu SiO2 và SiO2-Al2O3 pha tạp iôn Er3+

83

5.2.1.1 Phổ dao động Raman

83

5.2.1.2 Phổ hång ngo¹i khai triĨn Fourier

87


vii

5.2.1.3 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu bằng nhiễu xạ tia X
5.2.2 Phổ phát xạ của iôn đất hiếm Er3+ trong thuỷ tinh SiO2 và SiO2-Al2O3
5.2.2.1 Phổ phát xạ của i«n Er3+ trong thủ tinh SiO2

96
97
97

5.2.2.2 Thêi gian sèng bøc xạ huỳnh quang

101

5.2.2.3 Phổ phát xạ của iôn Er3+ trong thuỷ tinh SiO2-Al2O3

102

5.2.2.4 ảnh hởng của qui trình nung nhiệt đến phổ phát xạ của iôn Er3+

107

5.2.2.5 ảnh hởng của đồng pha tạp Al3+ đến phổ phát xạ của iôn Er3+

109

5.3 Cấu trúc và tính chất vật liệu SiO2-Al2O3 đồng pha tạp iôn Er3+ và Yb3+

110

5.3.1 Phổ phát xạ của iôn Er3+ trong thuỷ tinh SiO2-Al2O3 đồng pha tạp Yb3+

110

5.3.2 Phổ phát xạ chuyển đổi ngợc của iôn Er3+

117

5.3.3 Thời gian sống bức xạ huỳnh quang.

122

5.3.4 Vai trò và ảnh hởng của đồng pha tạp Yb3+ đến phổ phát xạ iôn Er3+

125

5.4 So sánh các kết quả của luận án với các kết quả trong nớc và nớc ngoài

125

5.5 Kết luận

127

Kết luận

130

Danh mục các công trình đ đợc công bố của Luận án và

133

liên quan đến Luận án
Tài liệu tham kh¶o

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 bớc sóng

TDM

Time Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo thời gian

DWDM

Dense Wavelength Division

Ghép kênh phân chia theo bớc sóng

Multiplexing

mật độ cao

ED

Electric dipole

Lỡng cực điện

MD

Magnetic dipole

Lỡng cực từ

FWHM

Full Width At Half Maximum

Độ bán rộng của 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 tổ hợp

OEICs

Opto-Electronic Integrated Circuits

Các mạch quang - điện tổ hợp

FL

Futchtburg-Ladenburg

Hệ thức Futchtburg-Ladenburg

CET

Cooperative Energy Transfer

Truyền năng lợng cùng hoạt động

LED

Light Emitting Diode

Điốt phát quang

PL

Photoluminescence

Quang huỳnh quang

FTIR

Fourier Transform Infrared

Phổ hồng ngoại khai triển Fourier

Spectroscopy
CVD

Chemical Vapor Deposition

Lắng đọng pha hơi hoá học

MCVD

Modified Chemical Vapor Deposition

Lắng đọng pha hơi hoá học cải biến

PECVD

Plasma Enhanced Chemical Vapor

Lắng đọng pha hơi hoá học tăng

Deposition

cờng Plasma


ix

IMCVD

Instrinsic Microwave Chemical

Lắng đọng pha hơi hoá học dùng tần

Vapor Deposition

số vi sóng riêng

Surface Plasma Chemical Vapor

Lắng đọng pha hơi hoá học Plasma

Deposition

bề mặt

EtOH

Ethanol

Cồn tuyệt đối

TEOS

Tetraethoxysilance hay

Si(C2H5O)4

SPCVD

Tetraethylorthosilicate
Al(C4H9O)3

Aluminium tri-butoxide

Al(C4H9O)3

DMF

Dimethylformamide

C3H7NO

RE

Rare Earth

Đất hiếm

SiO2

Silica

Thuỷ tinh SiO2

SiO2-Al2O3

Silica-Alumina

Thuû tinh SiO2-Al2O3


x

Các kí hiệu viết tắt

Kí hiệu Tiếng Anh

Tiếng Việt

n

Principal quantum number

Số lợng tử chính

l

Orbital quantum number

Số lợng tử quỹ đạo

ml

Magnetic quantum number

Sè l−ỵng tư tõ

ms

Spin quantum number

Sè l−ỵng tư spin

L

Total orbital angular momentum Momen xung lợng góc quỹ đạo toàn phần

S

Total spin angular momentum

Momen xung lợng góc spin toàn phần

J

Total angular momentum

Momen xung lợng góc toàn phần

JZ

Total angular momentum z

Hình chiếu của momen xung lợng góc

component

toàn phần theo phơng z

LS

LS states

Các trạng thái liên kết LS

a.u.

arbitrary unit

Đơn vị tuỳ ý (đ.v.t.y)

wt. %

weight %

Phần trăm trọng lợng (% tl.)


xi

Danh mục các hình vẽ v đồ thị
Hình 1.1

Sơ đồ hệ hai mức cơ bản minh hoạ 3 loại tơng tác của bức xạ điện từ

20

với vật chất: (a) hấp thụ; (b) phát xạ cảm ứng ; (c) phát xạ tự phát.
Hình 1.2

Tiết diện phát xạ và hấp thụ của Er3+ ở gần bớc sóng 1,5 m trong các

31

thuỷ tinh tellurite. Hình (a) 75TeO2:12ZnO:2PbO:10Na2O:1Er2O3 và
hình (b) 75TeO2:12ZnO:10Na2O:2GeO2:1Er2O3.
Hình 2.1

Giản đồ mô tả sự tách các mức năng lợng Stark của iôn Er3+ kÝ hiƯu

34

bëi Russell-Saunder. Ngn b¬m kÝch thÝch ë b−íc sóng 0,54 m, các
quá trình hồi phục không bức xạ và quá trình phát xạ của iôn Er3+ (hình
a). Cơ chế chuyển đổi ngợc cùng hoạt động (upconversion) (hình b).

Hình 2.2

ảnh hởng của vị trí Er3+ và hệ vật liệu tới phổ phát xạ của iôn Er3+.

35

Hình 2.3

Các cơ chế khuếch đại trong các bộ khuếch đại quang EDFA.

35

Hình 2.4

Sơ đồ 7 mức năng lợng cho iôn Er3+, các mũi tên nét liền biểu diễn các

36

dịch chuyển bức xạ và các mũi tên nét gạch biểu diễn quá trình hồi
phục không bức xạ.
Hình 2.5

Sơ đồ biểu diễn các mức năng lợng ở lớp vỏ 4f trong iôn Er3+. Hình (a)

41

biểu diễn sự chuyển mức năng lợng ở bớc sóng 1540 nm, và các mũi
tên hớng lên trên chỉ kích thích nguồn bơm quang ở 1480 nm và 980
nm tơng ứng. Hình (b) biểu diễn cơ chế chuyển đổi ngợc cùng hoạt
động do tơng tác của hai iôn ở gần nhau và hình (c) và (d) quá trình

hấp thụ trạng thái kích thích của phôtôn bơm ở 1480 nm và 980 nm.
Hình 2.6

Mô phỏng một mô hình kết đám của iôn Er. Các số ở trên biểu thị các

43

giá trị của th«ng sè tr−êng tinh thĨ S2 cho tõng i«n Er theo cm-1.
Hình 2.7

Biểu diễn các cấu trúc ống dẫn sóng, vật liệu lõi pha tạp Er và lớp vỏ có

44

chiết suất thấp hơn. Vùng tối là một ống dẫn sóng kênh (cấy iôn) (a),
ống dẫn sóng chóp (b), ống dẫn sóng dải (c), và ống dẫn sóng khuếch
tán (d).
Hình 2.8

(a) Số Er ở trạng thái kích thích 4I13/2 nằm dọc theo chiều rộng 12 m
và ống dẫn sóng dải dài 17 cm đợc tính theo mặt phẳng của ống dẫn
sóng. Ngời ta bơm vào ống dẫn sóng nguồn kích thích ở 1480 nm với
công suất 100 mW. Lợng cực đại nguyên tử Er bị kích thích ~ 68 %.

44


xii

Phần dốc xuống ở phía trớc do hấp thụ trạng thái kích thích. (b) Hệ số

khuếch đại vi phân tính từ phân bố Er3+ và mode hoạt động của tín hiệu.
Hình 2.9

Giản đồ năng lợng của Er3+, Eu3+, Ce3+ và cơ chế truyền năng lợng

48

giữa Er3+ và Eu3+ (hình a); Cơ chế truyền năng lợng giữa Er3+ và Ce3+
(hình b).
Hình 2.10

Sơ đồ của quá trình truyền năng lợng giữa Yb3+ và Er3+. Bớc sóng

50

bơm ở 980 nm kích thích iôn Er và cả iôn Yb. Iôn Yb3+ hoặc suy giảm
về trạng thái 2F7/2 hoặc truyền năng lợng của nó cho møc 4I11/2 cđa i«n
Er3+. Trong i«n Er, cã sù chun nhanh trạng thái 4I11/2 về trạng thái
4

Hình 3.1

I13/2 tạo ra hiện tợng tích lũy nồng độ ở mức giả bền thứ nhất 4I13/2.

Bốn loại vi cấu trúc của các gel silica: (A) mạng polymer đồng hoá trị

53

bất trật tự (các miền tối biểu diễn các lỗ xốp); (B) cấu trúc hạt bất trật
tự; (C) cấu trúc hạt tự tập hợp có các miền trật tự cục bộ bên trong cấu

trúc tập hợp; (D) cấu trúc hạt tự tập hợp xốp.
Hình 3.2

Các dạng liên kết hoá học của các nguyên tử silíc và ôxi của sol và liên

56

kết hình thành của một gel đều trên cơ sở các hạt.
Hình 3.3

Biểu diễn các đơn vị cấu trúc cơ bản của silica và silica chứa đất hiếm.

57

Hình 3.4

Mô hình cấu trúc của thuỷ tinh SiO2 có iôn cải biến mạng Na+ (a); Cấu

58

trúc SiO2 có iôn cải biến mạng Na+ trong trờng hợp đồng pha tạp
nhôm (b).
Hình 3.5

Các bớc chế tạo màng mỏng bằng phơng pháp quay phủ.

60

Hình 3.6

Các bớc cơ bản để chế tạo một số màng mỏng quang học.

61

Hình 3.7

Sơ đồ biểu diễn bớc nhảy năng lợng của các phân tử.

63

Hình 3.8

Sơ đồ đo phổ dao động Raman của phổ kế micro - Raman LABRAM.

64

Hình 3.9

Sơ đồ nguyên lý hệ đo huỳnh quang với máy đơn sắc HR460

67

và TRIAX320.
Hình 3.10

Sơ đồ nguyên lý hệ đo thời gian sống huỳnh quang.

71

Hình 3.11

Nguyên lý và sơ đồ đo của thiết bị nhiễu xạ tia X.

72

Hình 4.1

Qui trình chế tạo các gel vật liệu thuỷ tinh pha tạp đất hiếm.

74

Hình 5.1

ảnh của một số khối gel pha tạp iôn đất hiếm chế tạo đợc.

81

Hình 5.2

Cấu trúc bề mặt của các gel silica cha xử lý nhiệt.

81

Hình 5.3

Phổ phân tích nhiệt DTA và TGA của các mẫu chứa đất hiếm.

82

xiii

Hình 5.4

Phổ dao động Raman của mẫu thủy tinh SiO2 pha tạp cùng nồng độ

84

cha đợc nung nhiệt (a), nung nhiÖt ë 200 oC (b), 800 oC (c)
ghi ë vïng tÇn sè 100 - 4000 cm-1 khi sư dơng ngn bơm kích thích
ở 632,8 nm.
Hình 5.5

Phổ dao động Raman của mẫu thủy tinh chứa đất hiếm đợc nung nhiệt

86

ở các nhiệt độ 600 oC (a) , và 800 oC (b) trong 1 h khi sư dơng ngn
b¬m kÝch thÝch ë 632,8 nm.
Hình 5.6

Phổ hồng ngoại khai triển Fourier (FTIR) của các mẫu thuỷ tinh SiO2

88

(pha tạp 4% trọng lợng Er2O3) đợc nung nhiệt ở 100 oC trong 12 h.
Hình 5.7

Phổ hồng ngoại khai triển Fourier của các mẫu gel SiO2 (pha tạp 4%

88

trọng lợng Er2O3) đợc nung nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau và ảnh
hởng của qui trình nung nhiệt tới cấu trúc và tính chất của các mẫu
gel SiO2.
Hình 5.8

Phổ hồng ngoại khai triển Fourier FTIR của các mẫu SiO2-Al2O3 pha

89

tạp 4% trọng lợng Er2O3 cho mẫu cha đợc nung nhiệt và nung nhiệt
ở các nhiệt độ 200, 400, 600, 950 oC trong 24 h. Mô tả ảnh hởng của
qui trình nung nhiệt tới cấu trúc và tính chất của các SiO2-Al2O3.
Hình 5.9

Phổ hồng ngoại khai triển Fourier của các mẫu thuỷ tinh SiO2-Al2O3

90

pha tạp 2, 3, 4, 5, và 6 % trọng lợng Er2O3 đợc nung nhiệt ở 800 oC.
Hình 5.10

Phổ hồng ngoại khai triển Fourier của các mẫu thuỷ tinh SiO2-Al2O3

90

pha tạp 2, 3, 4, 5, và 6 % trọng lợng Er2O3 đợc nung nhiệt ở 950 oC.
Hình 5.11

Vị trí của đỉnh mode dao động TO3 là hàm số của nhiệt nung mẫu thuỷ

94

tinh silica. Mô tả các ảnh hởng của qui trình xử lý nhiệt lên vị trí của
mode TO3 ở phổ FTIR.
Hình 5.12

Vị trí của đỉnh mode dao động TO3 là hàm số của nhiệt độ nung cho

94

các mẫu thuỷ tinh SiO2-Al2O3. Mô tả các ảnh hởng của qui trình nung
nhiệt lên vị trí của mode TO3 trong phổ dao động hồng ngoại khai triển
Fourier.
Hình 5.13

Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu gel SiO2 đợc nung ở các nhiệt độ

97

khác nhau.
Hình 5.14

Phổ phát xạ của chuyển mức 4I13/2 4I15/2 của iôn Er3+ thu đợc bởi
nguồn kích thích ở bớc sóng 980 nm và công suất 400 mW.

97

xiv

Hình 5.15

ảnh hởng của qui trình nung nhiệt đến phổ phát xạ của chuyển mức
4

98

I13/2 4I15/2 của iôn Er3+ thu đợc bởi nguồn kích thích ở bớc sóng

980 nm và công suất 400 mW.
Hình 5.16

ảnh hởng của nồng độ pha tạp Er2O3 đến phổ phát xạ của chuyển mức
4

99

I13/2 4I15/2 của iôn Er3+ thu đợc bởi kích thích ở bớc sóng 980 nm

và công suất 400 mW.
Hình 5.17

Thời gian sèng bøc x¹ hnh quang cđa chun møc 4I13/2 4I15/2 của

101

iôn Er3+ thu đợc bởi kích thích ở b−íc sãng 976 nm cho mÉu thủ tinh
SiO2 pha t¹p 4 % tl. Er2O3.

Hình 5.18

Phổ phát xạ của chuyển mức 4I13/2 4I15/2 của iôn Er3+ thu đợc bởi

102

nguồn bơm kích thích ở bớc sóng 980 nm và công suất 350 mW đối với
mẫu chứa 4 % tl. Er2O3.
Hình 5.19

Phổ phát xạ của chuyển mức 4I13/2 4I15/2 của iôn Er3+ thu đợc bởi

103

nguồn kích thích ở bớc sóng 980 nm và công suất 350 mW đối với
mẫu chứa 5 % tl. Er2O3.
Hình 5.20

Phổ phát xạ của chuyển mức 4I13/2 4I15/2 của iôn Er3+ thu đợc bởi

104

nguồn kích thích ở bớc sóng 980 nm và công suất 350 mW đối với
mẫu chứa 6 % tl. Er2O3.
Hình 5.21

Phổ phát xạ của iôn Er3+ thu đợc bởi nguồn kích thích ở bớc sóng

105

980 nm và công suất 350 mW. Các mẫu ®−ỵc nung nhiƯt ë 950 oC
chøa 2, 3, 4, 5 và 6 % tl. Er2O3.
Hình 5.22

Phổ phát xạ của iôn Er3+ thu đợc bởi nguồn kích thích ở bớc sóng

106

980 nm và công suất 350 mW. Các mẫu đợc nung nhiƯt ë 1000 oC
chøa 2, 3, 4, 5 vµ 6 % tl. Er2O3.
Hình 5.23

Phổ phát xạ của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+ trong thuỷ tinh SiO2-Al2O3

111

đợc nung ở nhiệt ®é 900 oC bëi ngn b¬m kÝch thÝch ë b−íc sóng
976 nm (hệ mẫu III).
Hình 5.24

Phổ phát xạ của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+ trong thuỷ tinh SiO2-Al2O3

111

đợc nung ở nhiệt độ 900 oC bởi nguồn bơm kích thích ở bớc sóng
976 nm (hệ mẫu IV).
Hình 5.25

Phổ phát xạ của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+ trong thuỷ tinh SiO2-Al2O3
đợc nung ở nhiệt độ 900 oC bởi nguồn bơm kÝch thÝch ë b−íc sãng

112


xv

976 nm (hệ mẫu V).
Hình 5.26

Phổ phát xạ của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+ trong thuỷ tinh SiO2-Al2O3

112

đợc nung ở nhiệt độ 950 oC bởi nguồn bơm kích thích ở bớc sóng
976 nm (hệ mẫu III).
Hình 5.27

Phổ phát xạ của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+ trong thuỷ tinh SiO2-Al2O3

113

đợc nung ở nhiệt độ 950 oC bởi nguồn bơm kÝch thÝch ë b−íc sãng
976 nm (hƯ mÉu IV).
H×nh 5.28

Phỉ phát xạ của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+ trong thuỷ tinh SiO2-Al2O3

113

đợc nung ở nhiệt độ 950 oC bởi ngn b¬m kÝch thÝch ë b−íc sãng

976 nm (hƯ mÉu V).
Hình 5.29

Phổ phát xạ của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+ trong thuỷ tinh SiO2-Al2O3

114

đợc nung ở nhiệt độ 1000 oC bëi ngn b¬m kÝch thÝch ë b−íc sãng
976 nm (hệ mẫu III).
Hình 5.30

Phổ phát xạ của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+ trong thuỷ tinh SiO2-Al2O3

114

đợc nung ở nhiệt ®é 1000 oC bëi ngn b¬m kÝch thÝch ë b−íc sóng
976 nm (hệ mẫu IV).
Hình 5.31

Phổ phát xạ của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+ trong thuỷ tinh SiO2-Al2O3

114

đợc nung ở nhiệt độ 1000 oC bởi nguồn bơm kích thích ở bớc sóng
976 nm (hệ mẫu V).
Hình 5.32

Phổ phát xạ của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+ trong thuỷ tinh SiO2-Al2O3

116

đợc nung ở 900 oC bởi nguồn bơm kích thích ë b−íc sãng 976 nm nm
cho hƯ mÉu III, hƯ mẫu IV và hệ mẫu V.
Hình 5.33

Phổ phát xạ của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+ trong thuỷ tinh SiO2-Al2O3

116

đợc nung ë 950 oC bëi nguån b¬m kÝch thÝch ë b−íc sãng 976 nm cho
hƯ mÉu III, hƯ mÉu IV và hệ mẫu V.
Hình 5.34

Phổ phát xạ của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+ trong thuỷ tinh SiO2-Al2O3

117

đợc nung ở 1000 oC bëi ngn b¬m kÝch thÝch ë b−íc sãng 976 nm
cho hƯ mÉu III, hƯ mÉu IV vµ hƯ mẫu V.
Hình 5.35

ảnh hởng của nồng độ pha tạp Yb2O3 đến cờng độ phổ phát xạ

119

chuyển đổi ngợc của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+ trong thuỷ tinh
SiO2-Al2O3 đợc nung nhiƯt ë 900 oC bëi ngn b¬m kÝch thÝch ë 976
nm khi sư dơng bé läc Filter BG39 cho hƯ mẫu III.
Hình 5.36

Phổ phát xạ chuyển đổi ngợc của Er3+ ®ång pha t¹p víi Yb3+ trong

120


xvi

thuỷ tinh SiO2-Al2O3 đợc nung nhiệt ở 900 oC bởi ngn b¬m kÝch
thÝch ë 976 nm khi sư dơng bé läc Filter BG39 cho hƯ mÉu III, hƯ mÉu
IV vµ hệ mẫu V.
Hình 5.37

Phổ phát xạ chuyển đổi ngợc của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+ trong

120

thuỷ tinh SiO2-Al2O3 đợc nung nhiƯt ë 950 oC bëi ngn b¬m kÝch
thÝch ë 976 nm khi sư dơng bé läc Filter BG39 cho hệ mẫu III, hệ mẫu
IV và hệ mẫu V.
Hình 5.38

Phổ phát xạ chuyển đổi ngợc của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+ trong

121

thuỷ tinh SiO2-Al2O3 đợc nung nhiệt ở 1000 oC bëi ngn b¬m kÝch
thÝch ë 976 nm khi sư dơng bé läc Filter BG39 cho hƯ mÉu III, hƯ mẫu
IV và hệ mẫu V.
Hình 5.39

Cờng độ phát xạ chuyển đổi ngợc của Er3+ đồng pha tạp với Yb3+

121

phát ánh sáng đỏ trong thuỷ tinh SiO2-Al2O3 đợc nung nhiệt ở 1000 oC
bëi ngn b¬m kÝch thÝch ë b−íc sãng 976 nm khi sử dụng
bộ lọc BG38.
Hình 5.40

Các đờng đặc trng suy giảm bức xạ của iôn Er3+ trong các mẫu thuỷ

122

tinh SiO2-Al2O3: Er3+/Yb3+ đợc nung nhiệt ở 1000 oC bởi nguồn bơm
kích thích ở 976 nm.
Hình 5.41

Các đờng đặc trng suy giảm của iôn Er3+ trong các mẫu thuỷ tinh

122

SiO2-Al2O3 có thành phần cấu tạo 50 % tl. Al2O3, 1 % tl. Er2O3 và 1 %
tl. Yb2O3 bởi nguồn bơm kích thích ở bớc sóng 976 nm. Các mẫu
đợc nung ở nhiệt độ 900, 950 và 1000 oC.
Hình 5.42

Tiết diện chuẩn hoá SN của iôn Er3+ trong SiO2-Al2O3:Er3+/Yb3+ đợc
nung ở nhiệt độ 1000 oC bởi nguồn bơm ở bớc sóng 976 nm.

124

xvii

Danh mục các bảng biểu

Bảng 1.1

Liệt kê qui tắc chọn các dịch chuyển lỡng cực điện cảm ứng và

30

lỡng cực từ cảm ứng.
Bảng 3.1

Liệt kê các hệ vật liệu thuỷ tinh một thành phần, hai thành phần, ba

58

thành phần và đa thành phần chế tạo đợc bằng công nghệ sol-gel
đang đợc sử dụng rộng rÃi. R có thể là các kim loại nh Ni, Zn, Ag,
Co... hay các kim loại nặng nh Hf.
Bảng 4.1

Hệ mẫu vật liệu SiO2: Er3+ với nồng độ pha tạp Er2O3 thay đổi.

76

Bảng 4.2

Hệ mẫu vật liệu 80SiO2-20Al2O3:Er3+ với nồng độ pha tạp

76

Er2O3 thay đổi
Bảng 4.3

Qui trình và thời gian nung nhiệt cho các mẫu với nồng độ 4 % trọng

77

lợng Er2O3 (đối với mẫu kí hiệu b4 cũng áp dụng qui trình này)
Bảng 4.4

Qui trình và thời gian nung nhiệt cho các mẫu SiO2:Er3+.

77

Bảng 4.5

Qui trình và thời gian nung nhiệt của hệ mẫu 80SiO2-20Al2O3 : Er3+.

78

B¶ng 4.6

HƯ mÉu III: 80SiO2-20Al2O3:Er3+/Yb3+, 4 % Er2O3, Yb2O3 thay đổi,

78

nung ở 900 oC.
Bảng 4.7

Hệ mẫu IV: 80SiO2-20Al2O3:Er3+/Yb3+, 1 % Er2O3, Yb2O3 thay đổi,

78

nung ở 900 oC.
Bảng 4.8

Hệ mẫu V: SiO2-Al2O3: Er3+/Yb3+, Al2O3 thay đổi, nung ở 900 oC.

78

Bảng 4.9

HƯ mÉu III: 80SiO2-20Al2O3:Er3+/Yb3+, 4% Er2O3, Yb2O3 thay ®ỉi,

79

nung ë 950 oC.
B¶ng 4.10 HƯ mÉu IV: 80SiO2-20Al2O3:Er3+/Yb3+, 1% Er2O3, Yb2O3 thay đổi,

79

nung ở 950 oC.
Bảng 4.11 Hệ mẫu V: SiO2-Al2O3: Er3+/Yb3+, Al2O3 thay đổi, nung ở 950 oC.

79

Bảng 4.12 Hệ mÉu III: 80SiO2-20Al2O3:Er3+/Yb3+, 4 % Er2O3, Yb2O3 thay ®ỉi,

79

nung ë 1000 oC.
B¶ng 4.13 HƯ mÉu IV: 80SiO2-20Al2O3:Er3+/Yb3+, 1 % Er2O3, Yb2O3 thay đổi,

79

nung ở 1000oC.
Bảng 4.14 Hệ mẫu V: SiO2-Al2O3:Er3+/Yb3+, Al2O3 thay đổi, nung ở 1000 oC.

79

Bảng 5.1

93

Góc liên kết giữa Si-O-Si trong SiO2 là một hàm số của nhiệt ®é.


xviii

Bảng 5.2

Góc liên kết giữa Si-O-Si trong SiO2-Al2O3 là một hàm số của nhiệt

93

độ.

Bảng 5.3

Độ bán rộng của vùng phát xạ 1,5 m đặc trng cho quá trình

101

chuyển mức năng lợng 4I13/2 4I15/2 là một hàm số của hàm lợng
pha tạp đất hiếm Er.
Bảng 5.4

Sự phụ thuộc của bề rộng vùng phổ phát xạ vào nồng độ pha tạp của

105

iôn Er3+ trong SiO2-Al2O3 đợc nung ở nhiệt độ 950 oC.
Bảng 5.5

Sự phụ thuộc của bề rộng vùng phổ phát xạ vào nồng độ pha tạp của

106

iôn Er3+ trong SiO2-Al2O3 đợc nung ở nhiệt độ 1000 oC.
Bảng 5.6

Thời gian sống cđa bøc x¹.

123


1

Mở đầu
1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu
Trong vài thập niên cuối thế kỷ 20 và những năm đầu thế kỷ 21, đà hình thành
một ngành khoa học công nghệ tiên tiến có triển vọng phát triển mạnh mẽ, ®ã lµ
ngµnh quang tư häc. Trong lÜnh vùc quang tư học, nghiên cứu vật lý và công nghệ
chế tạo vật liệu quang tử và quang điện tử tổ hợp có ý nghÜa hÕt søc quan träng cho
sù ph¸t triĨn c¸c hệ thống laser và viễn thông hiện nay trên thế giới. Đặc biệt, các
vật liệu quang tử đợc chế tạo bằng phơng pháp sol-gel là các loại vật liệu mới rất
hấp dẫn. Mặc dù phơng pháp này có trên 100 năm, nhng các thuỷ tinh chứa các
iôn đất hiếm nh Eu3+, Er3+, Nd3+... và những iôn đất hiếm khác là những nguồn vật
liệu quang học quan trọng với các ứng dụng đa dạng phong phú. Các vật liệu quang
học thờng đợc sử dụng để chế tạo ra các loại laser rắn, các cấu trúc ống dẫn sóng
quang học, chế tạo sợi quang (Optical fiber) và các bộ EDFA, tạo ra các bộ chuyển
mạch quang học (Densed optical switch) có thể mở rộng kênh thông tin cho truyền
dẫn, thiết kế màn hình phẳng hiển thị cho điện thoại di động, đặc biệt sử dụng để
chế tạo và thiết kế các bộ nhớ quang (Optical memory) theo miền tần số mật độ cao
và nhiều khả năng cho các ứng dụng quan trọng khác [3], [37], [64], [72], [81], [94],
[111], [142], và [145]. HƯ thèng c¸c thủ tinh quang häc bao gåm Al2O3, Y2O3,
SiO2, SiO2-TiO2, SiO2-TeO2, SiO2-Al2O3, SiO2-GeO2, SiO2-P2O5 và nhiều loại thuỷ
tinh khác có tính chất trong suốt đối với ánh sáng từ vùng hồng ngoại tới vùng tử
ngoại, tiêu biểu với loại thuỷ tinh SiO2 hoặc SiO2-Al2O3 pha tạp Er3+ có đặc tính
khuếch đại quang và bù suy hao vì phổ phát xạ đặc trng của nó nằm gần bớc sóng
1530 nm. Hiện nay, phơng pháp sol-gel là công nghệ thờng dùng để chế tạo các
gel thuỷ tinh SiO2 hoặc SiO2-Al2O3 với u điểm phân bố các iôn pha tạp Er3+ ®ång
®Ịu trong toµn khèi gel ë ngay nhiƯt ®é thÊp mà không cần sử dụng phơng pháp
nóng chảy truyền thống, dễ thực hiện phù hợp với điều kiện ở nớc ta. Trong công
nghệ viễn thông, chức năng của quang học tổ hợp bao gồm chia tín hiệu và tổ hợp,
khuếch đại và chuyển mạch đà giải quyết đợc bài toán xử lý tín hiệu thông tin
trong các thành phần linh kiện quang, chức năng điều khiển số liệu ở một chip

quang sao cho giảm chi phí và tiết kiệm kích thớc không gian. Việc truyền dẫn số
liệu nhờ sợi quang cũng đợc thực hiện tốt trên cơ sở hệ vật liệu sử dụng cho xử lý
tín hiệu, định tuyến, khuếch đại, tái tạo thông tin, chuyển mạch quang, lọc số liÖu


2

trong các ống dẫn sóng tổ hợp. Tuy nhiên, vẫn tồn tại khó khăn do thời gian tơng
tác giữa tín hiệu ánh sáng và vật chất vô cùng nhỏ nên khó quan sát và hiểu rõ đợc
các hiệu ứng tơng t¸c cđa ¸nh s¸ng víi vËt chÊt mét c¸ch chÝnh xác. Hơn nữa, sự
phát triển của các hệ thống thông tin quang đà dẫn tới sử dụng trực tiếp đợc nguồn
tài nguyên tri thức khổng lồ của nhân loại trên Internet và đem lại những lợi ích kinh
tế thực tiễn. Quá trình phát triển các hệ thống thông tin quang cho tới nay đà trải qua
năm thế hệ công nghệ, tõ thÕ hƯ thø t− sư dơng c¸c bé EDFA đà làm tăng khoảng
cách truyền dẫn và các công nghệ ghép kênh WDM (hay DWDM), TDM để nâng
cao dung lợng hệ thống. Ngày nay, việc ứng dụng các bộ EDFA trở nên phổ biến
trong vùng cửa sổ truyền dẫn thông tin thứ ba ở gần bớc sóng 1530 nm và qui trình
truyền dẫn thông tin đợc thực hiện một cách hiệu quả nhờ bộ các EDFA băng rộng.
Đặc biệt, ở b−íc sãng nµy suy hao tÝn hiƯu khi trun dÉn qua sợi quang chế tạo từ
các thuỷ tinh SiO2 và SiO2-Al2O3 pha tạp iôn Er3+ ở mức suy hao thấp nhất. Do đó,
các bộ EDFA đợc nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm bởi nhiều nhóm nghiên cứu và
phát triển tới mức độ công nghiệp. Chuyển mạch đóng vai trò quan trọng trong phân
tán tín hiệu, khi tổ hợp với bộ khuếch đại quang sẽ tạo ra một transitor quang, một
bớc tiến quan trọng để tính toán số liệu quang, cơ sở chế tạo máy tính quang, đây
có thể sẽ là một cuộc cách mạng trong viễn thông. Nh vậy, việc chế tạo các thuỷ
tinh SiO2 hoặc SiO2-Al2O3 pha tạp iôn Er3+ phục vụ cho khuếch đại quang có ý nghĩa
cấp thiết và đang đợc đặt ra ở nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới [3], [37],
[80], [94], [111], [117], [138], [142], [145], [146], và [161]. Để chế tạo đợc các
thuỷ tinh SiO2 và SiO2-Al2O3 pha tạp iôn Er3+ có chất lợng tốt, vẫn còn có nhiều
vấn đề cần phải nghiên cứu và giải quyết nh nghiên cứu các qui trình chế tạo gel ổn

định, qui trình nung nhiệt theo thời gian, vấn đề về nồng độ pha tạp và làm thế nào
điều chỉnh đợc tính chất phát quang của iôn Er3+ ở hiệu suất cao nhất đòi hỏi phải
tối u các tham số của các vật liệu ở trên. Đặc biệt, phải nghiên cứu và xác định
đợc các tham số nào quyết định đến cấu trúc và tính chất ứng dụng của vật liệu.
Đây cũng chính là những vấn đề đợc đề cập và giải quyết trong luận án này.
2. Nội dung và phơng pháp nghiên cứu
Hiện nay, các nghiên cứu trong viễn thông quang sợi tập trung vào các nghiên
cứu cơ bản nh chế tạo các loại vật liệu ứng dụng đợc trong các qui trình xử lý tín
hiệu quang và nghiên cứu phơng pháp để nâng cao chất lợng và hiệu suất của vật


3

liệu sử dụng trong các bộ EDFA và EYDFA. Trong luận án này, công nghệ sol-gel
đà đợc áp dụng để tổng hợp ra các mẫu gel thuỷ tinh SiO2 và SiO2-Al2O3 chứa các
iôn đất hiếm Er3+ hay Er3+/Yb3+ với phân bố đồng nhất. Với ý tởng là lựa chọn hợp
lý các vật liệu sao cho tạo ra đợc tính chất quang mới hay cải thiện u điểm vốn có.
Hơn nữa, các vật liệu đợc chế tạo phải có độ trong suốt quang học cao ở bớc sóng
tín hiệu và không có các tâm tán xạ và hấp thụ. Nghiên cứu qui trình công nghệ
nung nhiệt phù hợp để tạo ra các thủy tinh chất lợng tốt hơn trong điều kiện Việt
Nam, đặc biệt nghiên cứu khả năng đồng pha tạp giữa các iôn đất hiếm để thay đổi
tính chất phát xạ của iôn Er3+ và khả năng tạo ra các vật liệu mới và sử dụng chúng
hiệu quả trong viễn thông. Nghiên cứu sự phát triển cấu trúc của các gel khô thành
thuỷ tinh gắn liền với tính chất quang phổ và quang học của vật liệu bằng các
phơng pháp nghiên cứu nh nhiễu xạ tia X, phổ tán xạ Raman, phỉ hÊp thơ hång
ngo¹i khai triĨn Fourier (FTIR), phỉ huỳnh quang (PL) & phổ huỳnh quang chuyển
đổi ngợc... để đánh giá cấu trúc và tính chất vật liệu chứa đất hiếm chế tạo đợc.
Mặt khác, kết hợp giữa nghiên cứu thực nghiệm và mô hình lý thuyết để giải thích
các cơ chế khuếch đại quang làm cơ sở nâng cao chất lợng, tính ổn định cho vật
liệu và tối u hoá quá trình chế tạo.

3. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Chế tạo thành công các vật liệu thuỷ tinh SiO2 và SiO2-Al2O3 pha tạp iôn Er3+
bằng phơng pháp sol-gel sẽ rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Hiện nay, các vật
liệu SiO2 và SiO2-Al2O3 pha tạp iôn Er3+ đợc tổng hợp bằng phơng pháp sol-gel là
những vật liệu đang đợc tập trung nghiên cứu vì có tiềm năng ứng dụng trong viễn
thông. Mặc dù phơng pháp sol-gel là một phơng pháp đơn giản nhng việc ứng
dụng nó lại rất quan trọng vì khi kết hợp với những phơng pháp khác nh quay phủ
hoặc nhúng phủ ... sẽ có thể tạo ra các loại vật liệu mới không những có nhiều ứng
dụng trong quang điện tử tổ hợp mà còn ứng dụng trong viễn thông và đem lại nhiều
kết quả khoa học có ý nghĩa. Đồng thời, việc nghiên cứu các loại thuỷ tinh pha tạp
iôn Er3+ trong lĩnh vực khoa học cơ bản cũng góp phần khám phá các cơ chế phát
quang mới của iôn đất hiếm trong các loại mạng nền thuỷ tinh, cũng nh tìm hiểu và
giải thích đợc các nguyên nhân suy hao trong quang dẫn sóng và sự suy giảm chất
lợng của vật liệu theo thời gian. Mặt khác, đề tài có khả năng mở ra những hợp tác
với các nhóm nghiên cứu trong nớc và các nhà khoa häc trªn thÕ giíi.


4

4. Bố cục của luận án
Luận án đợc chia thành 5 chơng. Chơng 1 trình bày lý thuyết tổng quan các
nghiên cứu cơ học lợng tử về các mức năng lợng của các iôn đất hiếm trong chất
rắn và trình bày tổng quan lý thuyết vật lý về các iôn đất hiếm trong chất rắn, kết
quả đà dẫn tới sự hình thành các mức năng lợng của các iôn đất hiếm trong chất
rắn. Chơng 1 cũng trình bày lý thuyết Judd & Ofelt về các dịch chuyển hấp thụ và
bức xạ nhằm làm sáng tỏ bản chất vật lý của các phổ hấp thụ và bức xạ của các iôn
đất hiếm thu đợc từ các kết quả thực nghiệm. Chơng 2 giới thiệu khả năng ứng
dụng cũng nh những đặc điểm và u điểm nổi bật của các iôn đất hiếm đem lại
nhiều lợi ích kinh tế dẫn tới việc sử dụng trực tiếp tài nguyên mạng Internet trong
viễn thông và các ứng dụng đa dạng của lĩnh vực laser chứa đất hiếm. Chơng 3

trình bày các phơng pháp chế tạo và nghiên cứu các vật liệu thuỷ tinh làm cơ sở
khoa học cho luận án. Chơng 4 đề xuất và áp dụng qui trình công nghệ sol-gel và
nung nhiệt ổn định để chế tạo ra các gel thủy tinh SiO2:Er3+, SiO2-Al2O3:Er3+ và
SiO2-Al2O3:Er3+/Yb3+ trong các điều kiện thí nghiệm ở Việt Nam. Chơng 5 khảo sát
cấu trúc và tính chất quang của các vật liệu đà đợc chế tạo ở trên. Phân tích các ảnh
hởng của qui trình tổng hợp, thời gian chế tạo và qui trình nung nhiệt ở nhiệt độ
cao để nâng cao chất lợng của vật liệu SiO2 và SiO2-Al2O3 chứa các iôn đất hiếm.
Phân tích và đánh giá khả năng pha tạp của các iôn đất hiếm trong các nền chất chủ
khác nhau. Nghiên cứu và phân tích ảnh hởng của yếu tố nồng độ pha tạp đến
cờng độ phát xạ của các thuỷ tinh pha tạp iôn Er3+ ở trên, đồng thời cũng phân tích
khả năng đồng pha tạp của iôn Er3+ với iôn Yb3+ trong thủy tinh SiO2-Al2O3. Ngoài
ra, cũng tiến hành khảo sát tính chất phát xạ chuyển đổi ngợc ở vùng khả kiến của
iôn Er3+ trong các thuỷ tinh SiO2-Al2O3. Phần cuối nghiên cứu và thảo luận đặc
trng thời gian sống của trạng thái bức xạ của iôn Er3+ ở bớc sóng 1530 nm. Phần
kết luận nêu lên những kết quả đà đạt đợc của luận án. Trên cơ sở các nghiên cứu
và đóng góp của luận án, tổng kết qui trình công nghệ chế tạo vật liệu, đa ra các
định hớng nghiên cứu tiếp theo và khả năng sử dụng các đặc tính thu đợc của các
vật liệu trên trong viễn thông quang sợi hiện đại.


5

Chơng 1
Nghiên cứu cơ học lợng tử về các mức năng lợng của
iôn đất hiếm trong chất rắn
lý thuyết Trờng tinh thể Judd & Ofelt
Chơng này trình bày các kiến thức vật lý cơ bản về các iôn đất hiếm. Nghiên cứu
cơ học lợng tử về các mức năng lợng của iôn đất hiếm trong chất rắn. Trình bày lý
thuyết JO về các dịch chuyển hấp thụ và bức xạ làm cơ sở khoa học để giải thích
tính chất quang phỉ cđa chóng trong c¸c vËt liƯu míi quang tư và quang điện tử.

1.1 Các mức năng lợng của các cấu hình lợng tử nlN
1.1.1 Tính chất phát quang của các nguyên tố lantan hoá trị + 3
Rất lâu sau khi ngời ta chế tạo đợc các chất bán dẫn pha tạp các nguyên tố
lantan sử dụng làm các emitơ phát quang nhng hiện tợng phát huỳnh quang có
nguồn gốc từ lớp vỏ 4f vào thời đó đà khêu gợi các nhà nghiên cứu đi tìm hiểu bản
chất của nó. Các nhà nghiên cứu cho rằng sự phát huỳnh quang do các dịch chuyển
điện tử bức xạ trong lớp vỏ điện tử 4f của các iôn lantan có những đặc điểm nổi bật.
Một trong những dịch chuyển điện tử phát huỳnh quang lần đầu tiên đợc công bố
bởi nhà vật lý J. Becquerel vào năm 1907 [16], [147]. Sau đó, ngời ta khám phá ra
bản chất của sự phát huỳnh quang do các dịch chuyển bức xạ của điện tử ở lớp vỏ 4f
gắn liền với đặc trng của các dịch chuyển ED. Năm 1960, hai nhà nghiên cứu B.R.
Judd và G.S. Ofelt độc lập với nhau đà phát minh ra cách giải bài toán trên trạng
thái hỗn hợp của các trạng thái mang tính chẵn lẻ thông qua lý thuyết trờng tinh
thể, ở trạng thái này các dịch chuyển ED ë líp vá 4f cã thĨ diƠn ra [74], [75], và
[107]. Kể từ khi phát minh lý thuyết về bức xạ ED cảm ứng đà bất ngờ tạo ra một
công cụ lý thuyết mạnh để tính toán các mức năng lợng và xác suất dịch chuyển
bức xạ quang học [74], [107]. HiƯn nay, tÝnh chÊt ph¸t quang cđa c¸c iôn lantan
cũng có những ảnh hởng đáng kể vào những đòi hỏi trong công tác nghiên cứu
khoa học vì sự đa dạng trong ứng dụng của các nguyên tố lantan trong lĩnh vực các
linh kiện phát quang. Hơn nữa, các chất đất hiếm là yếu tố cơ bản không thể thiếu
trong các linh kiện quang tổ hợp (IO) và ứng dụng trong các bộ EDFA ở lĩnh vực
viễn thông quang đà dẫn tới sử dụng trực tiếp mạng Internet và các mạng truyền dẫn
thông tin tốc độ cao [5], [36], [37], [58], [67], [81], [94], [111], vµ [141]. Trong lÜnh