Tài liệu Chế tạo màng dẫn sóng phẳng trên cơ sở pha trộn hạt nano sno2er3+ vào mạng nền sio2

LÃ QUỲNH NGA BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- Lã Quỳnh Nga KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIÊU CHẾ TẠO MÀNG DẪN SÓNG PHẲNG TRÊN CƠ SỞ PHA TRỘN HẠT NANO SnO2:Er3+ VÀO MẠNG NỀN SiO2 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Khoa học và kỹ thuật vật liệu KHÓA 2015B Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- Lã Quỳnh Nga CHẾ TẠO MÀNG DẪN SÓNG PHẲNG TRÊN CƠ SỞ PHA TRỘN HẠT NANO SnO2:Er3+ VÀO MẠNG NỀN SiO2 Chuyên ngành : Khoa học và kỹ thuật vật liệu LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Khoa học và kỹ thuật vật liệu NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. Trần Ngọc Khiêm Hà Nội – Năm 2017 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn của tôi TS. Trần Ngọc Khiêm vì đã tạo điều kiện cho tôi học tập và làm việc tại viện ITIMS. Luận văn của tôi sẽ không thể thực hiện nếu thiếu sự chỉ bảo về kiến thức cũng như động viên tinh thần của thầy. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Phạm Văn Tuấn đã hỗ trợ tôi trong quá trình nghiên cứu, tìm hiểu kiến thức và những lời góp ý quý báu của thầy giúp tôi ngày càng tiến bộ hơn. Đồng thời tôi gửi lời cảm ơn tới TS. Nguyễn Văn Toán đã hỗ trợ nhiệt tình trong quá trình tôi chế tạo mẫu. Tôi xin chân thành cám ơn tới tất cả các thầy giáo, cô giáo, các giáo sư, tiến sỹ trong viện ITIMS, viện Sau đại học trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giảng dạy giúp tôi năng cao kiến thức về lĩnh vực nghiên cứu, tạo các điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn. Có được kết quả ngày hôm nay ngoài sự nỗ lực cố gắng của bản thân, tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên trong nhóm Quang điện tử những sự giúp đỡ nhiệt giúp tôi vượt qua nhiều khó khăn trong quá trình nghiên cứu và hỗ trợ tôi hoàn thành các kết quả và số liệu trong luận văn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình của tôi đã luôn bên cạnh và ủng hộ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học. Tác giả Lã Quỳnh Nga 1 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi, các số liệu và kết quả là trung thực chưa được công bố ở công trình nào hoặc cơ sở nào khác dưới dạng luận văn. Người cam đoan Lã Quỳnh Nga 2 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 1 LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... 2 MỤC LỤC ...................................................................................................................... 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... 6 DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ 7 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................. 10 MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 11 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................ 13 1.1. Kênh dẫn sóng phẳng và khuếch đại quang học ............................................. 13 1.1.1. Kênh dẫn sóng phẳng ............................................................................... 13 1.1.2. Khuếch đại quang học .............................................................................. 14 1.2. Vật liệu nền SiO 2 ............................................................................................. 16 1.2.1. Cấu trúc tinh thể ....................................................................................... 16 1.2.2. Tính chất của vật liệu SiO 2 ...................................................................... 19 1.2.3. Ứng dụng .................................................................................................. 20 1.3. Các nguyên tố đất hiếm và ion Er3+ ................................................................ 20 1.3.1. Giới thiệu chung về các nguyên tố đất hiếm ............................................ 20 1.3.2. Các nguyên tố đất hiếm họ Lanthanide .................................................... 21 1.3.2.1. Khái quát các nguyên tố đất hiếm họ Lanthanide............................. 21 1.3.2.2. Tính chất của các nguyên tố đất hiếm họ Lanthanide ...................... 24 1.3.3. Ion Erbium................................................................................................ 25 1.3.3.1. Giới thiệu chung về Erbium (Er) và ion Erbium (Er3+) .................... 25 1.3.3.2. Tính chất vật lý và hóa học của Erbium ........................................... 26 1.3.3.3. Giản đồ phân bố năng lượng của ion Erbium ................................... 27 1.3.3.4. Ứng dụng của Erbium ....................................................................... 28 1.4. Vật liệu SnO 2.................................................................................................................................................... 29 1.4.1. Cấu trúc tinh thể ....................................................................................... 29 1.4.2. Tính chất của vật liệu SnO 2......................................................................................................... 31 3 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B 1.4.3. Ứng dụng .................................................................................................. 32 1.4.4. Quá trình truyền năng lượng từ SnO 2 sang các ion Er3+ ....................................... 33 CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM .................................................................................. 36 2.1. Một số phương pháp chế tạo vật liệu .............................................................. 36 2.1.1. Phương pháp Sol-Gel ............................................................................... 36 2.1.2. Phương pháp quay phủ màng ................................................................... 44 2.2. Thực nghiệm chế tạo vật liệu SnO 2 :Er3+ trong mạng nền SiO 2 .......................... ................................................................................................................................ 47 2.2.1. Thiết bị và hóa chất .................................................................................. 47 2.2.2. Quy trình chế tạo vật liệu SnO 2 : Er3+ vào mạng nền SiO 2 ...................... 47 2.2.3. Thiết kế chế tạo kênh dẫn sóng phẳng trên cơ sở màng dẫn sóng nanocomposite SnO 2 :Er3+- SiO 2 ................................................................................... 48 2.2.4. Các mẫu chế tạo được .............................................................................. 52 2.3. Các phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu .................................................. 53 2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X ..................................................................... 53 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu hình thái bề mặt (SEM) .................................. 54 2.3.3. Phổ huỳnh quang ...................................................................................... 56 2.3.4. Phổ kích thích huỳnh quang ..................................................................... 58 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .............................................................. 59 3.1. Khảo sát cấu trúc và hình thái bề mặt của vật liệu màng nanocomposite SnO 2 -SiO 2 pha tạp Er3+ ................................................................................................................................................. 59 3.1.1. Kết quả phân tích phổ nhiễu xạ tia X ....................................................... 59 3.1.2. Kết quả chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) ......................................... 60 3.2. Tính chất quang của vật liệu ............................................................................ 63 3.2.1. Phổ kích thích huỳnh quang ..................................................................... 63 3.2.2. Phổ huỳnh quang của màng nano composite SnO 2 :Er3+- SiO 2 ....................... 65 3.3. Kết quả thu được sau khi chế tạo kênh dẫn sóng phẳng trên cơ sở màng dẫn sóng SnO 2 :Er3+- SiO 2 ...................................................................................................................................................... 69 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 74 4 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 75 5 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Cấu trúc tinh thể của SiO 2 : SiO 2 tồn tại ở rất nhiều dạng tinh thể [18] .... 17 Bảng 1.2. Các thông số vật lý của vật liệu SiO 2 ........................................................... 19 Bảng 1.3: Các nguyên tố đất hiếm hóa trị 3 ................................................................. 22 Bảng 1.4: Một số tính chất vật lý của các nguyên tố đất hiếm họ Lanthanide ............. 24 Bảng 1.5: Tính chất vật lý và hóa học của nguyên tố Erbium [5] ............................... 27 Bảng 2.1: Các hóa chất đã sử dụng ............................................................................. 47 Bảng 2.2. Hệ mẫu thay đổi tỉ lệ giữa SnO 2 :Er3+ và SiO 2 ............................................. 52 6 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu tạo của một kênh dẫn sóng phẳng đơn giản [15] ................................ 13 Hình 1.2: Sơ đồ khối của một khuếch đại quang học đơn giản [29] ........................... 14 Hình 1.3: (a) Cơ chế bức xạ ba mức và (b) Cơ chế bức xạ bốn mức [29] .................. 15 Hình 1.4: Cấu trúc của silica ở dạng vô định hình và tinh thể [16] ............................ 16 Hình 1.5: (a) Nam châm đất hiếm NdFeB,(b) Nam châm đất hiếm SmCo,(c) Pin nhiên liệu sử dụng hidro dùng trong xe ô tô sử dụng điện cực làm từ đất hiếm [21] .. 21 Hình 1.6: Biểu diễn các giá trị moment quỹ đạo (L), moment spin (S), và tổng moment (J) của các nguyên tố đất hiếm theo định luật Hund ...................................... 22 Hình 1.7: Bán kính của các nguyên tố đất hiếm giảm dần được biết như là hiện tượng co Lanthanide ..................................................................................................... 23 Hình 1.8: Các hàm sóng 5s, 5p và 4f của ion Ce3+....................................................... 24 Hình 1.9: Giản đồ vùng năng lượng của ion Er3+ và sự chuyển dịch bức xạ giữa các mức ................................................................................................................................ 28 Hình 1.10: (a) Cấu trúc của SnO 2 với ô đơn vị Tetragonal; (b) Cấu trúc của SnO 2 với ô đơn vị Othorhobic: đáy trên là mặt stoichimetric và đáy dưới là mặt reduce .... 30 Hình 1.11: Phổ nhiễu xạ tia X của SnO 2 [36] .............................................................. 30 Hình 1.12: Giản đồ năng lượng vùng cấm của SnO 2 [5] ........................................... 31 Hình 1.13: Cấu trúc tinh thể SnO 2 nhìn từ phía trên (a) mặt (110) stoichiometric và (b) mặt (110) reduce, trên mặt reduce có sự co lại để đạt được tối ưu về năng lượng .... ....................................................................................................................................... 32 Hình 1.14: Quá trình truyền năng lượng từ SnO 2 sang ion Er3+ .................................. 33 Hình 1.15: Phổ quang học hấp thụ của vật liệu SnO 2 :Er3+ (0,3%mol Er3+) [3] ........ 34 Hình 2.1: Các sản phầm thu được từ các quá trình sol-gel .......................................... 37 Hình 2.2: Ảnh hưởng của lượng nước đến thời gian gel hóa của silica....................... 41 Hình 2.3: Một số phương pháp phủ màng sol- gel ....................................................... 44 Hình 2.4: Các bước của quá trình quay phủ ................................................................ 45 Hình 2.5: Quy trình chế tạo vật liệu SnO 2 : Er3+ vào mạng nền SiO 2 .......................... 48 Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo hệ oxi- hóa nhiệt ẩm .............................................................. 50 7 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B Hình 2.7: Hệ quang khắc .............................................................................................. 50 Hình 2.8. Quy trình chế tạo kênh dẫn sóng phẳng ....................................................... 52 Hình 2.9: Máy nhiễu xạ tia X tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội ........................................................................................................................... 53 Hình 2.10: (a) Sơ đồ hình học tụ tiêu thu các cực đại nhiễu xạ tia X và (b) Mặt phẳng Bragg .................................................................................................................. 54 Hình 2.11: Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................. 56 Hình 2.12: Sơ đồ của một hệ quang phổ huỳnh quang ................................................. 57 Hình 2.13: Sơ đồ khối hệ đo phổ kích thích huỳnh quang ............................................ 58 Hình 3.1: Phổ nhiễu xạ tia X màng dẫn sóng phẳng [xSnO 2 :Er3+-(100-x)SiO 2 ] với x lần lượt là : 0,1%; 0,5%; 1%; 1,5%; 2%; 2,5%; 3,5 % và 5% theo tỉ lệ mol, ủ nhiệt ở 900oC trong 1 giờ, quay phủ 30 lớp ........................................................................... 59 Hình 3.2: Ảnh hiển vi điện tử quét của màng 5% SnO 2 : 0,25% Er3+-95 % SiO 2 , được ủ nhiệt ở 900oC trong 1 giờ, quay phủ 30 lớp, được phóng đại 30.000 lần ........ 60 Hình 3.3: Ảnh hiển vi điện tử quét của màng 5% SnO 2 : 0,25% Er3+-95 % SiO 2 , được ủ nhiệt ở 900oC trong 1 giờ, quay phủ 30 lớp, được phóng đại 60.000 lần ........ 61 Hình 3.4: Ảnh hiển vi điện tử quét của màng 5% SnO 2 : 0,25% Er3+-95 % SiO 2 , được ủ nhiệt ở 900oC trong 1 giờ, quay phủ 30 lớp, được phóng đại 120.000 lần ...... 61 Hình 3.5: Ảnh hiển vi điện tử quét của màng 5% SnO 2 : 0,25% Er3+-95 % SiO 2 , được ủ nhiệt ở 900oC trong 1 giờ, quay phủ 30 lớp, được phóng đại 240.000 lần ...... 62 Hình 3.6: (a) Mô hình hạt nano SnO 2 và (b) Hạt nano SnO 2 phân tán vào mạng mạng nền SiO 2 pha tạp Er3+[24] ........................................................................................................................... 63 Hình 3.7: Phổ huỳnh quang dạng 3D của màng 2,5 % SnO 2 :Er3+- 97,5 % SiO 2 , ủ nhiệt ở 900oC trong 1 giờ, quay phủ 30 lớp .................................................................. 63 Hình 3.8: Phổ kích thích huỳnh quang của màng 2,5 % SnO 2 :Er3+- 97,5 % SiO 2 , ủ nhiệt ở 900oC trong 1 giờ, quay phủ 30 lớp .................................................................. 65 Hình 3.9: Phổ huỳnh quang của màng [xSnO 2 :Er3+-(100-x)SiO 2 ] với x lần lượt là : 0,1%; 0,5%; 1%; 1,5%; 2%; 2,5% theo tỉ lệ mol, kích thích ở bước sóng 295nm, ủ nhiệt ở 900oC trong 1 giờ, quay phủ 30 lớp .................................................................. 66 8 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B Hình 3.10: Phổ huỳnh quang của màng [xSnO 2 :Er3+-(100-x)SiO 2 ] với x lần lượt là : 2,5%; 3,5%; 5% theo tỉ lệ mol, kích thích ở bước sóng 295 nm, ủ nhiệt ở 900oC trong 1 giờ, quay phủ 30 lớp ......................................................................................... 67 Hình 3.11: Cường độ huỳnh quang phụ thuộc vào nồng độ pha tạp hạt nano SnO 2 :Er3+ trong SiO 2 ................................................................................................... 68 Hình 3.12: Hình ảnh bộ mặt nạ (mask) dùng để chế tạo kênh dẫn sóng song song..... 69 Hình 3.13: Bộ mặt nạ dùng chế tạo các bộ dẫn sóng phẳng với độ rộng kênh dẫn khác nhau 100, 150 và 200 µm ..................................................................................... 70 Hình 3.14: Kênh dẫn sóng song song dựa trên màng dẫn sóng SnO 2: Er3+ - SiO 2 ....... 71 Hình 3.15: Một kênh dẫn sóng thẳng dựa trên màng dẫn sóng SnO 2: Er3+ - SiO 2 sau khi phóng đại ở thang 20x ............................................................................................. 71 Hình 3.16: Phiến chứa 12 linh kiện dẫn sóng với độ rộng kênh dẫn khác nhau 100, 150 và 200 µm sau khi chế tạo bằng công nghệ quang khắc và ăn mòn ướt trong 10 phút ................................................................................................................................ 72 Hình 3.17: Hình ảnh sau khi phóng đại bề mặt phiến chứa các linh kiện dẫn sóng với độ rộng kênh dẫn khác nhau 100, 150 và 200 µm .................................................. 72 Hình 3.18: Một đơn linh kiện cắt ra từ phiến chứa 12 linh kiện dẫn sóng với độ rộng kênh dẫn là 200 μm .............................................................................................. 73 9 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ đầy đủ Ý nghĩa SOA Optical Semiconductor Amplifier Khuếch đại quang bán dẫn OFA Optical Fiber Amplifier khuếch đại quang sợi ET Energy Transfer Truyền năng lượng TEOS Tetraethyl orthosilicate Si(OC 2 H 5 ) 4 TMOS Tetramethoxysilan Si(OCH3)4 SC Standard cleaning Chuẩn phòng sạch XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X SEM Scanning Electron Microscope Hiển vi điện tử quét PL Photoluminescence Phổ huỳnh quang PLE Photoluminescence excitation Phổ kích thích huỳnh quang 10 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B MỞ ĐẦU Vật liệu thủy tinh (SiO 2 ) pha tạp Er3+ đã và đang được quan tâm nghiên cứu bởi các ứng dụng của nó trong các hệ khuếch đại quang sợi, các mạch tích hợp quang học dẫn sóng phẳng trong vùng bước sóng 1,5 µm [1, 9]. Công nghệ chế tạo sợi quang có pha tạp Er3+ (Erbium doped fiber amplifiers) đã được chuyền từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm vào sản xuất công nghiệp trong một thời gian rất ngắn và nhanh chóng được triển khai trong các mạng viễn thông và ngày nay đã trở thành một lựa chọn tốt nhất cho việc truyền số liệu và hình ảnh trong hầu hết các kết nối điểm –điểm (point-to-point link). Khác với khuếch đại quang sợi có chiều dài từ vài mét (m) tới hàng trăm kilomet (km) thường không cần pha tạp ion Er3+ với nồng độ cao, đối với các bộ khuếch đại dẫn sóng nhằm ứng dụng trong các mạch tích hợp quang học nên đòi hỏi phải có khả năng khuếch đại cao trong khoảng cách rất ngắn. Tuy nhiên, vật liệu thủy tinh silica với liên kết cộng hóa trị bền vững không thực sự phù hợp với việc pha tạp các ion đất hiếm với nồng độ cao [10, 6, 38, 26]. Để tăng cường hiệu suất phát quang của các ion Er3+, trước đây người ta đã tiến hành theo hai cách (i) đồng pha tạp nhôm hoặc photpho với các ion đất hiếm để cải tạo mạng nền và có thể pha tạp các ion đất hiếm với nồng độ cao vào mạng nền mà không xảy ra hiện tượng dập tắt huỳnh quang do sự kết đám của các ion đất hiếm [10, 6, 38, 26]; (ii) Đồng pha tạp Yb3+ với Er3+, Yb3+ có tiết diện hấp thụ lớn hơn, sau khi hấp thu photon bơm các điện tử sẽ nhảy lên các trạng thái kích thích và sau đó tái hợp không bức xạ về trạng thái cơ bản và truyền năng lượng cho các ion Er3+ ở lân cận. Các ion Er3+ khi đó được kích thích lên các trạng thái kích thích cao hơn và tái hợp không bức xạ về mức 4I 13/2, và khi chuyển từ mức 4I 13/2  4I 15/2 phát ra bước sóng 1,5 µm [14, 27, 23]. Trong các hệ khuếch đại dẫn sóng phẳng, một điều kiện bắt buộc là lớp hoạt động phải có chiết suất cao hơn lớp đế và lớp phủ. Do vậy, gần đây một số tác giả đã bước đầu nghiên cứu chế tạo các màng dẫn sóng phẳng trên vật liệu thủy tinh silica pha tạp Eu3+ có chứa các nanô tinh thể bán dẫn nhằm tăng cường hiệu suất phát quang của ion Eu3+ và cải tạo chiết suất của mạng nền [4, 34]. Trong luận văn này chúng tôi chế tạo màng dẫn song phẳng SiO 2 có chứa các nanô 11 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B tinh thể SnO 2 :Er3+, sau đó thử nghiệm chế tạo các linh kiện dẫn sóng phẳng trên các màng SiO 2 -SnO 2 :Er3+. Chúng tôi tiến hành nghiên cứu theo các nội dung chính sau: Chương 1: Tổng quan lý thuyết về kênh dẫn sóng, khuếch đại quang học, giới thiệu cấu trúc, tính chất và ứng dụng của SiO 2 , SnO 2 , các nguyên tố đất hiếm và ion đất hiếm Er3+, các cơ chế truyền năng lượng từ các hạt nano SnO 2 sang ion Er3+. Chương 2: Thực nghiệm: trình bày những nét cơ bản về cơ chế và quy trình công nghệ chế tạo vật liệu bằng phương pháp sol-gel và quay phủ, quy trình chế tạo mẫu và các hệ mẫu đã thực hiện được, các bước chế tạo linh kiện hoàn chỉnh, các kỹ thuật khảo sát cấu trúc, hình thái và tính chất quang của vật liệu. Chương 3: Đưa ra những kết quả về cấu trúc, hình thái của vật liệu thông qua phép đo nhiễu xạ tia X và ảnh SEM, nhận xét về các tính chất quang của vật liệu sử dụng phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang đo được từ vật liệu đã chế tạo. Thực nghiệm chế tạo các linh kiện dẫn sóng trên cơ sở màng dẫn sóng phẳng SiO 2 SnO 2 :Er3+. 12 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Kênh dẫn sóng phẳng và khuếch đại quang học 1.1.1. Kênh dẫn sóng phẳng (waveguide) Trong hệ thống truyền thông quang học, ánh sáng được sử dụng để truyền thông tin từ nơi này đến nơi khác. Để thực hiện được điều đó thì phải cần dùng đến mạch quang học tích hợp, một yếu tố cơ bản trong mạch quang tích hợp để truyền dẫn ánh sáng đó là dẫn sóng phẳng. Dẫn sóng phẳng được cấu tạo gồm phần lõi với chiết suất n 2 và phần phủ chiết suất là n 3, phần đế chiết suất là n 1 như hình vẽ, trong đó n 2 lớn hơn n 1 và n 3 (Hình 1.1). Ánh sáng chiếu tới dẫn sóng phẳng với một góc thích hợp sẽ bị giam giữ và lan truyền trong dẫn sóng phẳng theo đường zig-zac bởi định luật phản xạ toàn phần hay định luật Snell giữa mặt phân cách của phần lõi với phần phủ và phần vỏ. Hình 1.1: Cấu tạo cùa một kênh dẫn sóng phẳng đơn giản [15] Phần lõi của một dẫn sóng phẳng phải đảm bảo các yếu tố như sự trong suốt trong vùng khả kiến cũng như vùng hồng ngoại, chiết suất phải lớn hơn chiết suất của lớp vỏ và lớp phủ. Sự tổn thất quang học trong quá trình truyền có thể được bù đắp bằng việc pha tạp lớp lõi với các ion đất hiếm để có thể tạo thành khuếch đại quang học trong vùng ánh sáng tương ứng với phát xạ đặc trưng của ion đất hiếm đó. 13 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B 1.1.2. Khuếch đại quang học (optical amplifier) Cùng với sự phát triển ngày càng nhanh của khoa học kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực, người ta đã thực hiện quá trình khuếch đại quang trực tiếp hay còn gọi là kỹ thuật khuếch đại quang. Kỹ thuật này trực tiếp khuếch đại tín hiệu quang học (quang- quang) mà không cần phải chuyển đổi nó thành tín hiệu điện (quang – điện - quang). Việc sử dụng kỹ thuật khuếch đại quang sẽ làm tăng cự ly truyền dẫn của các hệ thống thông tin sợi quang, đặc biệt là các tuyến cáp quang biển, từ đó sẽ phát triển một hệ thống thông tin quang toàn cầu. Hình 1.2: Sơ đồ khối của một khuếch đại quang học đơn giản [29] Người ta đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều loại bộ khuếch đại quang khác nhau và chia thành hai loại chính : Khuếch đại quang bán dẫn SOA ( Optical Semiconductor Amplifier) và khuếch đại quang sợi OFA (Optical Fiber Amplifier). Trong các loại OFA, khuếch đại sợi quang pha trộn Erbium được sử dụng phổ biến hiện nay vì nó có nhiều ưu điểm về đặc tính kỹ thuật so với SOA và có vùng ánh sáng khuếch đại (1530 nm - 1565 nm) thích hợp với dải tần hoạt động của hệ thống ghép kênh theo theo bước sóng mật độ và có nhiều ưu điểm như : độ băng tần rộng, tạp âm thấp, phù hợp với bước sóng suy hao trong sợi quang. Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại quang sợi - pha tạp ion đất hiếm nói chung và ion Er3+ nói riêng: Các chất kích tạp và các chất nhạy cảm dùng để pha tạp sợi dẫn quang với các mức độ tập trung khác nhau là các chất có chứa ion đất hiếm. Cơ chế hoạt động cửa sợi quang pha tạp đất hiếm để trở thành các bộ khếch đại như hình 1.3. 14 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B Hình 1.3: (a) Cơ chế bức xạ ba mức và (b) cơ chế bức xạ bốn mức[29] Khi một điện tử ở trạng thái cơ bản E 1 được kích thích từ một nguồn bức xạ có bước sóng phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển tới mức cao hơn E 2 , từ mức này nó sẽ phân rã trực tiếp xuống trạng thái cơ bản theo cách bức xạ và phát ra photon. Hoặc nếu như có mức năng lượng thấp hơn E 3 nó sẽ thả không bức xạ tới mức đó, từ đây điện tử có thể phân rã xuống mức năng lượng E 1 (hình 1.3 a) hay E 4 (hình 1.3 b) thông qua quá trình bức xạ tự phát, trong đó năng lượng dư ra thu được nhờ sự phát photon có bước sóng dài hơn bước sóng kích thích. Nếu thời gian sống của mức E 3 đủ dài để điện từ được nguồn bơm kích thích thì có thể xảy ra sự nghịch đảo độ tích lũy. Đây là điều kiện để có số điện tử trên mức siêu bền E 3 nhiều hơn mức tới (E 1 hay E 4 ). Một photon có mức năng lượng tương đương với sự chênh lệch giữa E 3 và E 1 (đối với 3 mức) hay giữa E 3 và E 4 ( đối với 4 mức ) thì nó sẽ kích thích các điện tử ở mức E 3 rơi xuống mức E 1 hay E 4 và phát ra thêm một photon, photon này cùng pha và cùng hướng với photon tới ( hiện tượng này gọi là bức xạ kích xạ kích thích của các photon). Bức xạ là làm xuất hiện thêm các photon cùng pha và cùng hướng với các photon tới, điều này có nghĩa là ánh sáng đã được khuếch đại. Trong hình 1.3 còn lưu ý rằng ở điều kiện không kích thích, hầu hết các điện tử ở trạng thái cơ bản E 1 , vì thế nên thông thường thì giá trị ngưỡng ở các laser bốn mức thấp hơn so với laser ba mức. Có nhiều ion đất hiếm có các dải huỳnh quang cho khả năng bức xạ kích thích và được ứng dụng trong khuếch đại các tín hiệu quang. Ví dụ như Nd3+, Ho3+, Tm3+. 15 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B Ở đây chúng ta nghiên cứu chủ yếu bộ khuếch đại được sử dụng rộng rãi nhất đó là bộ khuếch đại pha tạp ion đất hiếm Er3+. 1.2. Vật liệu nền SiO 2 1.2.1. Cấu trúc tinh thể Từ thời cổ đại vật liệu thủy tinh đã được biết đến và sử dụng để chế tạo các vật liệu dụng cụ phục vụ đời sống con người vì chúng có độ cứng cao [25]. Ngày nay vật liệu thủy tinh càng được ứng dụng rộng rãi hơn trong nhiều lĩnh vực của đời sống vì các tính chất nổi bật của nó, đặc biệt là trong công nghệ điện tử, viễn thông và thông tin quang . Vật liệu thủy tinh hay còn gọi là silica với công thức phân tử là SiO 2 . Phân tử SiO 2 không tồn tại ở dạng đơn lẻ mà liên kết với nhau thành phân tử rất lớn. Silica có hai dạng cấu trúc là dạng tinh thể và vô định hình như hình 1.4 [17]. Hình 1.4: Cấu trúc của silica ở dạng vô định hình và tinh thể [16] Cấu trúc điện tử của tinh thể được hình thành bằng việc ghép các đỉnh tứ diện SiO 4 lại với nhau qua các đỉnh oxy chung. Mỗi tứ diện [ SiO 4 ]4- bao gồm 4 nguyên tử oxy ở xung quanh và tâm là một nguyên tử Si trong đó các anion O2- và cation Si4+ liên kết đồng hóa trị với nhau. Góc liên kết O-Si-O là cỡ 109o, khoảng cách liên kết Si-O xấp xỉ 1,61 Å. Trong điều kiện áp suất thường, silica tinh thể có 3 dạng thù hình chính, đó là thạch anh, tridymit và cristobalit. Mỗi dạng thù hình này lại có hai hoặc ba dạng thứ cấp: dạng thứ cấp α bền ở nhiệt độ thấp và dạng thứ cấp β nhiệt độ cao. Ba dạng 16 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B tinh thể của silica có cách sắp xếp khác nhau của các nhóm tứ diện SiO 4 ở trong tinh thể. Ở thạch anh α, góc liên kết Si-O-Si bằng 150°, ở tridimit và cristobalit thì góc liên kết Si-O-Si bằng 180°. Trong thạch anh, những nhóm tứ diện SiO 4 được sắp xếp sao cho các nguyên tử Si nằm trên một đường xoắn ốc quay phải hoặc quay trái, tương ứng với α-thạch anh và β-thạch anh. Từ thạch anh biến thành cristobalit cần chuyển góc Si-O-Si từ 150° thành 180°, trong khi đó để chuyển thành α-tridimit thì ngoài việc chuyển góc này còn phải xoay tứ diện SiO 4 quanh trục đối xứng một góc bằng 180° [20]. Sự chuyển đổi từ α-thạch anh sang beta-thạch anh xảy ra đột ngột ở 573 ° C. Đi kèm với chuyển đổi này là sự thay đổi về thể tích , điều này sẽ gây ra các vết nứt của gốm hoặc đá khi vượt qua nhiệt độ giới hạn [19]. Các khoáng chất ở áp suất cao như seifertite, stishovite, and coesite có mật độ và chiết suất cao hơn thạch anh. Faujasite silica là một dạng tinh thể khác của silica. Faujasite silica có độ bền nhiệt và tính ổn định axit cao [35]. Bảng 1.1: Cấu trúc tinh thể của SiO 2 : SiO 2 tồn tại ở rất nhiều dạng tinh thể [18] Các dạng Tính đối xứng tinh thể Ρ (g/cm3) α-thạch anh Khối sáu mặt thoi 2.648 β-thạch anh Lục giác 2.533 α-tridymite Trực thoi 2.265 β-tridymite Lục giác - α-cristobalite Tứ giác 2.334 Cấu trúc 17 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B β-cristobalite Lập phương - keatite Tứ giác 3.011 moganite Đơn nghiêng - coesite Đơn nghiêng 2.911 stishovite Tứ giác 4.287 seifertite Trực thoi 4.294 melanophlogite Lập phương hoặc tứ giác 2.04 Fibrous W-silica Trực thoi 1.97 2D silica Lục giác 18 Lã Quỳnh Nga ITIMS2015B