Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của Erbium trong vật liệu thủy tinh silicate ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang EDFA

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

48
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của đề tài là nghiên cứu chế tạo vật liệu đơn tạp Er3+; đồng pha tạp Er3+/Nd3+ và đồng pha tạp Er3+/Pr3+ trên nền vật liệu thủy tinh silicate, được tổng hợp từ các thành phần chính SiO2, AlF3, BaF2, LaF3, CaCO3, ErF3 và NdF3, PrF3 (hoặc Pr2O3). Đồng thời, nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của sợi Erbium, ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang EDFA thông qua các sự kết hợp của đồng pha tạp Er3+/Nd3+, Er3+/Pr3+ và thông quacơ chế, quá trình chuyển giao năng lượng giữa Er3+ với Nd3+ và Pr3+.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của Erbium trong vật liệu thủy tinh silicate ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang EDFA

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Vũ Hằng Nga NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI CỦA ERBIUM TRONG VẬT LIỆU THỦY TINH SILICATE ỨNG DỤNG CHO BỘ KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG EDFA LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Khánh Hòa – Năm 2020
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Vũ Hằng Nga NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI CỦA ERBIUM TRONG VẬT LIỆU THỦY TINH SILICATE ỨNG DỤNG CHO BỘ KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG EDFA Chuyên ngành: Vật Lý Kỹ Thuật Mã số: 8520401 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : Hướng dẫn 1 : TS. Hồ Kim Dân Hướng dẫn 2: TS. Phạm Hồng Nam Khánh Hòa – Năm 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn thạc sĩ này là kết quả trong công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Hồ Kim Dân và TS. Phạm Hồng Nam. Tất cả các số liệu được công bố là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố tại các tài liệu, ấn phẩm nào khác. Các số liệu tham khảo khác đều có chỉ dẫn rõ ràng về nguồn gốc xuất xứ và được nêu trong phần phụ lục cuối luận văn. Học viên thực hiện Vũ Hằng Nga
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Hồ Kim Dân và TS. Phạm Hồng Nam, các thầy là những người đã tận tình chỉ dạy, hướng dẫn và cung cấp kiến thức nền tảng cho tôi trong suốt thời gian qua để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn tất cả các thầy giáo, cô giáo ở Học Viện Khoa Học và Công Nghệ - Viện Khoa Học Hàn Lâm Việt Nam, Viện Nghiên Cứu và Ứng Dụng Công Nghệ Nha Trang, Đại Học Đà Lạt đã giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong thời gian học tập tại trường. Tôi xin cảm ơn Quỹ Phát Triển Khoa Học & Công Nghệ Quốc Gia (NAFOSTED) đã góp phần tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến Nhà trường nơi tôi công tác, gia đình, bạn bè đã luôn động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập. Kính chúc tất cả quý thầy cô, gia đình, bạn bè sức khỏe và thành công! Khánh Hòa, ngày 15 tháng 10 năm 2020 Học viên thực hiện Vũ Hằng Nga
DANH MỤC KÝ HIỆU & CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết Chữ viết đầy đủ bằng Tiếng Chữ viết đầy đủ bằng Tiếng tắt Anh Việt SiO2–AlF3–BaF2–LaF3– SABLC SiO2–AlF3–BaF2–LaF3–CaCO3 CaCO3 NIR Near InfraRed Cận hồng ngoại DTA Differential thermal analysis Phân tích nhiệt vi sai Bộ khuếch đại sợi quang pha EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier tạp Erbium Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo WDM Multiplexing bước sóng Ghép kênh phân chia theo TDM Time Division Multiplexing thời gian Frequency – division Ghép kênh phân chia theo tần FDM multiplexing số FWHM Full Width at Half Maximum Độ rộng nửa cực đại MUX Multiplexer Mạch ghép kênh DEMUX Demultiplexer Mạch giải ghép kênh EDF Erbium Doped Fiber Sợi pha tạp Erbium LD Diod laser Đèn diod XRD X – ray diffraction Nhiễu xạ tia X
DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đơn tạp Er3+ trong thủy tinh silicate SABLC-xEr (x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25 và 0.3 mol. %) ........ 18 Bảng 2.2. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của Er3+ đơn tạp, Nd3+ đơn tạp và đồng pha tạp Nd3+/Er3+trong mẫu thủy tinh silicate SABLC-xNyE … 19 Bảng 2.3. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong thủy tinh silicate SABLC-0.5NxE (x = 0.2, 0.3, 0.4 và 0.5 mol. %). ... 19 Bảng 2.4. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong mẫu thủy tinh silicate SABLC-xN0.2E (x = 0, 0.5, 0.8, 1.0 và 1.2 mol. %). ................................................................................................................... 20 Bảng 2.5. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của Er3+ đơn tạp, Pr3+ đơn tạp và đồng pha tạp Er3+/ Pr3+ trong thủy tinh silicate SABLC-xPryEr. ......... 20 Bảng 2.6. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đồng pha tạp Pr3+/Er3+ trong mẫu thủy tinh silicate SABLC-xPr0.1Er (x = 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 và 1.0 mol. %) . .................................................................................................... 21 Bảng 2.7. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đồng pha tạp Pr3+/ Er3+ trong thủy tinh silicate SABLC-0.8PrxEr (x = 0.15, 0.2, 0.25, 0.3 và 0.35 mol.%). ............................................................................................................ 21 Bảng 3.1. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong thủy tinh silicate SABLC-xNd-yEr theo tỷ lệ nồng độ mol.% (p = x/y). ......................................................................................................................... 45 Bảng 3.2. So sánh các thông số đỉnh phát thải NIR của Er 3+, đỉnh phát xạ cận hồng ngoại NIR của Er3+, Pr3+, ex và FWHM của nghiên cứu này với một số nghiên cứu tương tự . .................................................................................... 589
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Hình ảnh sợi quang ........................................................................... 7 Hình 1.2. Truyền dẫn quang bằng (a) đa mode và (b) đơn mode .................... 8 Hình 1.3. Sơ đồ chức năng của hệ thống WDM . ............................................. 9 Hình 1.4. Hệ thống thông tin quang ................................................................ 10 Hình 1.5. Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên 2 sợi quang ..................................... 11 Hình 1.6. Sơ đồ truyền dẫn 2 chiều trên cùng 1 sợi quang ............................ 11 Hình 1.7. Cấu tạo của một EDFA ................................................................... 13 Hình 2.1. Tỷ lệ thành phần chính và trạng thái thủy tinh. .............................. 18 Hình 2.2. Các mức năng lượng và chuyển tiếp của Erbium. .......................... 22 Hình 2.3. Các mức năng lượng và chuyển tiếp của Praseodymium. .............. 22 Hình 2.4. Các mức năng lượng và chuyển tiếp của Neodymium. .................. 23 Hình 2.5. Vật liệu thí nghiệm (a) ErF3, (b) PrF3, (c) NdF3 ............................. 23 Hình 2.6. Quy trình thí nghiệm tạo mẫu thủy tinh và đo đạc các thông số. ... 24 Hình 2.7. Hình ảnh các mẫu SABLC-0N0.2E, SABLC-0.5N0.2E, SABLC- 0.8N0.2E, SABLC-1.0N0.2E, SABLC-1.2N0.2E sau khi chế tạo, ủ nhiệt và đánh bóng bề mặt . .......................................................................................... 25 Hình 2.8. Giao diện phần mềm TA 60 kèm theo thiết bị đo và phân tích nhiệt DTA-60AH-SHIMADZU. .............................................................................. 26 Hình 2.9. Đường cong DTA của thủy tinh SABLC........................................ 27 Hình 2.10. Thiết bị đo quang phổ hấp thụ Hitachi U-4100. ........................... 28 Hình 2.11. Giao diện phần mềm trên thiết bị đo quang phổ hấp thụ Hitachi U- 4100. ................................................................................................................ 29 Hình 2.12. Bộ phát bước sóng kích thích 980 nm LD. ................................... 30
Hình 2.13. Giao diện phần mềm trên thiết bị đo quang phổ phát xạ cận hồng ngoại ZOLIX SBP300. .................................................................................... 31 Hình 2.14. Giao diện phần mềm FLS-980 đo thời gian sống trên thiết bị đo FLS-980. .......................................................................................................... 32 Hình 3.1. Kết quả phân tích XRD…………………………………………..34 Hình 3.2. Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Er3+ trong mẫu thủy tinh .............. 35 SABLC-0.5Er. ................................................................................................. 35 Hình 3.3. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của đơn tạp Er3+ trong các mẫu thủy tinh SABLC-xEr (x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25 và 0.3 mol. %). .... 36 Hình 3.4. FWHM (Full Width at Half Maximum) của đơn tạp Er3+ trong mẫu thủy tinh SABLC-0.3Er…………………………………………………….37 Hình 3.5. Sơ đồ mức năng lượng và phát xạ NIR của Er3+............................. 38 Hình 3.6. Quang phổ hấp thụ của các mẫu thủy tinh SABLC-0Nd0.4Er, SABLC-0.5Nd0Er và SABLC-0.5Nd0.4Er. ................................................... 39 Hình 3.7. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của các mẫu đơn tạp Nd3+, đơn tạp Er3+ và đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong thủy tinh SABLC. .......................... 41 Hình 3.8. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của các mẫu thủy tinh SABLC-xNd-0.2Er (x = 0, 0.5, 0.8, 1.0 và 1.2 mol. %) ................................. 42 Hình 3.9. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của các mẫu thủy tinh SABLC-0.5Nd-xEr (x = 0.2, 0.3, 0.4 và 0.5 mol. %). .................................... 43 Hình 3.10. Sơ đồ mức năng lượng và cơ chế chuyển giao năng lượng giữa Er3+ và Nd3+ . ................................................................................................... 44 Hình 3.11. Phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong thủy tinh SABLC với các tỷ lệ nồng độ p = Nd3+/Er3+ khác nhau.................................. 46 Hình 3.12. Mối quan hệ giữa cường độ phát xạ NIR của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ đỉnh tại bước sóng 1546 nm với các tỷ lệ nồng độ mol. % p của Nd3+/Er3+ khác nhau......................................................................................... 47
Hình 3.13. Thời gian sống của các mẫu thủy tinh SABLC-xNd-0.2Er (x = 0, 0.5, 0.8, 1.0 và 1.2 mol. %) đo tại bước sóng 1348 nm dưới kích thích bước sóng 808 nm LD. ............................................................................................. 48 Hình 3.14. Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Pr3+ trong mẫu thủy tinh SABLC- 0.5Pr. ............................................................................................................... 51 Hình 3.15. Quang phổ hấp thụ của các mẫu thủy tinh SABLC-0.5Er, SABLC- 0.5Pr và SABLC-0.5Er0.5Pr. .......................................................................... 52 Hình 3.16. Phổ phát xạ NIR của các mẫu thủy tinh SABLC-0.5Er, SABLC- 0.5Pr và SABLC-0.5Pr0.5Er dưới kích thích của 980 nm LD. ...................... 53 Hình 3.17. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của các mẫu thủy tinh SABLC- xPr0.1Er (x = 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 và 1.0 mol. %). ....................................... 54 Hình 3.18. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của các mẫu thủy tinh SABLC- 0.8PrxEr (x = 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, và 0.35 mol. %). ....................................... 55 Hình 3.19. Sơ đồ mức các năng lượng và cơ chế chuyển giao năng lượng giữa Er3+ và Pr3+ ...................................................................................................... 56 Hình 3.20. FWHM của các đơn tạp Er3+, đơn tạp Pr3+ và đồng pha tạp Er3+/Pr3+ trong thủy tinh SABLC. ................................................................... 57 Hình 3.21 (a). Thời gian sống của Pr3+ tại bước sóng 1375nm tương ứng với quá trình chuyển đổi 1G4 3H5 của Pr3+ trong SABLC-0.5Pr0.1Er, SABLC- 0.6Pr0.1Er, SABLC-0.7Pr0.1Er, SABLC-0.8Pr0.1Er, SABLC-0.9Pr0.1Er vàSABLC-1Pr0.1Er dưới sự kích thích của bước sóng 980 nm LD………..60 Hình 3.21 (b). Thời gian sống của Er3+ τEr ở 1546nm tương ứng với quá trình chuyển đổi 4I13/2  4I15/2 của Er3+ trong SABLC-0.8Pr0.15Er, SABLC- 0.8Pr0.2Er, SABLC-0.8Pr0.25Er, SABLC-0.8Pr0.3Er và SABLC- 0.8Pr0.35Er. Các mẫu thủy tinh 0.8Pr0.3Er và SABLC-0.8Pr0.35Er dưới sự kích thích của bước sóng 980 nm LD………………………………………..61 Hình 3.22 (a). Phổ hấp thụ của các mẫu thủy tinh SABLC-0.5Er (Er3+ đơn tạp) và SABLC-0.5Pr (Pr3+ đơn tạp). .............................................................. 63
Hình 3.22(b). Phổ phát xạ NIR của mẫu thủy tinh niurate SABLC-0.5Er (Er3+ đơn tạp) và SABLC-0.5Pr (Pr3+ đơn tạp). ....................................................... 64 Hình 3.23 (a). Các mặt cắt hấp thụ σa(Er)(λ) và mặt cắt phát xạ và σe(Er)(λ) cho các chuyển tiếp 4I15/2  4I13/2 và 4I13/2  4I15/2 của Er3+. ................................. 65 Hình 3.23 (b). Các mặt cắt hấp thụ σa(Pr)(λ) và mặt cắt phát xạ σe(Pr)(λ) cho các chuyển tiếp 1G4  1D2 và 1D2  1G4 của Pr3+. .............................................. 665 Hình 3.24(a). Hệ số khuếch đại GEr(λ) cho chuyển tiếp 4I13/2 → 4I15/2 của Er3+ với p = 0, 0.1 đến 1 ......................................................................................... 66 Hình 3.24 (b). Hệ số khuếch đại GPr(λ) cho quá trình chuyển đổi 1D2  1G4 của Pr3+ với p = 0, 0.1 đến 1 ........................................................................... 67
MỤC LỤC MỤC LỤC ......................................................................................................... 1 MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................... 5 1.1. TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG ............................................................... 5 1.1.1. Sơ lược về sự phát triển của sợi quang ................................................... 5 1.1.2. Khái niệm, cấu tạo và nguyên lí hoạt động của sợi quang ..................... 6 1.1.2.1. Khái niệm sợi quang ............................................................................ 6 1.1.2.2. Cấu tạo của sợi quang .......................................................................... 6 1.1.2.3. Nguyên lí hoạt động của sợi quang ...................................................... 7 1.1.3. Các công nghệ truyền dẫn quang ............................................................ 8 1.2. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG (WDM)8 1.2.1. Tổng quan về ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) ......................... 8 1.2.2. Nguyên lí hoạt động của hệ thống WDM ............................................... 9 1.2.3. Phân loại kỹ thuật ghép kênh WDM ..................................................... 10 1.2.3.1. Kỹ thuật truyền dẫn hai chiều trên hai sợi: ........................................ 10 1.2.3.2. Kỹ thuật truyền dẫn hai chiều trên một sợi ........................................ 11 1.2.4. Ứng dụng của kỹ thuật ghép kênh WDM ............................................. 12 1.3. BỘ KHUẾCH ĐẠI SỢI QUANG EDFA ................................................ 12 1.3.1. Sơ lược về sự phát triển của bộ khuếch đại quang EDFA .................... 12 1.3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của EDFA .......................................... 13 1.3.2.1. Sơ đồ khối của EDFA ........................................................................ 13 1.3.2.2. Nguyên lý hoạt động của EDFA ........................................................ 14 1.3.3. Ứng dụng của bộ khuếch đại quang EDFA. ......................................... 15 CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.17 2.1. GIỚI THIỆU ............................................................................................ 17 2.2. VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM ....................................................................... 17 2.2.1. Vật liệu thí nghiệm cho nghiên cứu băng thông cận hồng ngoại của đơn tạp Er3+ trong vật liệu thủy tinh silicate .......................................................... 18 2.2.2. Vật liệu thí nghiệm cho nghiên cứu băng thông cận hồng ngoại của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong vật liệu thủy tinh silicate.................................. 19 2.2.3. Vật liệu thí nghiệm cho nghiên cứu băng thông cận hồng ngoại của đồng pha tạp Pr3+/Er3+ trong vật liệu thủy tinh silicate ................................... 20 2.2.4. Các mức năng lượng và mẫu vật liệu.................................................... 22 2.3. QUY TRÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC, PHÂN TÍCH THÍ NGHIỆM. ........................................................................................................ 24 2.3.1. Quy trình thí nghiệm ............................................................................. 24 2.3.2. Phân tích nhiệt DTA (Differential thermal analysis). ........................... 25
2.3.3. Phân tích quang phổ hấp thụ. ................................................................ 27 2.3.4. Phân tích quang phổ phát xạ cận hồng ngoại........................................ 29 2.3.5. Phân tích lifetimess. .............................................................................. 31 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 34 3.1. NGHIÊN CỨU BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI CỦA ĐƠN TẠP Er3+ TRONG VẬT LIỆU THỦY TINH SILICATE. ..................................... 34 3.1.1. Kết quả phân tích XRD ......................................................................... 34 3.1.2. Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Er3+ ..................................................... 35 3.1.3. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đơn tạp Er3+............................ 36 3.1.4. Thảo luận, đánh giá kết quả .................................................................. 37 3.2. NGHIÊN CỨU BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI ĐỒNG PHA TẠP Nd3+/Er3+ TRONG VẬT LIỆU THỦY TINH SILICATE .............................. 38 3.2.1. Quang phổ hấp thụ của đồng pha tạp Nd3+/ Er3+ .................................. 39 3.2.2. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ .......... 40 3.2.3. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Er3+/Nd3+ khi thay đổi tỷ lệ nồng độ mol của Nd3+ ....................................................................... 42 3.2.4. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Er3+/Nd3+ khi thay đổi tỷ lệ nồng độ mol. % của Er3+ ................................................................... 43 3.2.5. Cơ chế phát xạ cận hồng ngoại và quá trình chuyển giao năng lượng giữa Er3+ và Nd3+ trong đồng pha tạp Er3+/Nd3+. ............................................ 44 3.2.6. Kết quả đo thời gian sống của đồng pha tạp Nd3+/Er3+......................... 48 3.3. NGHIÊN CỨU BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI ĐỒNG PHA TẠP Er3+/Pr3+ TRONG VẬT LIỆU THỦY TINH SILICATE ............................... 50 3.3.1. Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Pr3+ và đồng pha tạp Er3+/Pr3+............ 50 3.3.2. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đơn tạp Er3+, đơn tạp Pr3+ và đồng pha tạp Er3+/Pr3+. .................................................................................... 53 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................. 69 4.1. KẾT LUẬN……………………… 4.2. KIẾN NGHỊ CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ................ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 73
MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ, Internet kết nối vạn vật (IoT: Internet Over Thing) cũng đã phát triển và ngày càng đi sâu vào cuộc sống. Thông qua IoT con người có thể làm việc, học tập, mua sắm, giải trí, giao lưu…với toàn thế giới thông quang mạng Internet. Chính vì vậy đòi hỏi hạ tầng kỹ thuật cho việc truyền dẫn dữ liệu qua mạng Internet ngày cũng càng phát triển để đáp ứng được nhu cầu đó. Trong các công nghệ truyền dẫn của hệ thống viễn thông, công nghệ truyền dẫn quang với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing) là giải pháp tiên tiến trong truyền dẫn sợi quang, WDM ngày càng được sử dụng phổ biến với nhưng ưu điểm đáp ứng được yêu cầu về chất lượng truyền dẫn. Để kỹ thuật ghép kênh theo bước sóng WDM đáp ứng được yêu cầu trong truyền dẫn quang thì các bộ khuếch đại quang đóng vai trò quan trọng. Trong đó bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium (EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier) nằm trong băng tần C (1530- 1565nm) với đỉnh phát xạ của Erbium tại khoảng 1550 nm đang được sử dụng và có vai trò quan trọng trong kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng WDM. Do đó, gần đây nhiều nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu tìm giải pháp để mở rộng băng thông cho các bộ khuếch đại sợi quang EDFA. Từ những cơ sở trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của Erbium trong vật liệu thủy tinh silicate ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang EDFA”. Trong đề tài này, tác giả tập trung nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại (NIR: Near-Infrared) của Erbium trong vật liệu thủy tinh Silicate ứng dụng cho bộ khuếch đại EDFA. Mục đích của đề tài Mục đích của đề tài là nghiên cứu chế tạo vật liệu đơn tạp Er3+; đồng pha tạp Er3+/Nd3+ và đồng pha tạp Er3+/Pr3+ trên nền vật liệu thủy tinh silicate, được tổng hợp từ các thành phần chính SiO2, AlF3, BaF2, LaF3, CaCO3, ErF3 và NdF3, PrF3 (hoặc Pr2O3). Đồng thời, nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của sợi Erbium, ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang EDFA thông qua các sự kết hợp của đồng pha tạp Er3+/Nd3+, Er3+/Pr3+ và thông qua
cơ chế, quá trình chuyển giao năng lượng giữa Er3+ với Nd3+ và Pr3+. Tính thực tiễn của đề tài + Luận văn đã nghiên cứu, chế tạo vật liệu thủy tinh silicate với thành phần SiO2–AlF3–BaF2–LaF3–CaCO3 (viết tắt: SABLC). Đây là vật liệu thủy tinh có tính ổn định nhiệt và độ bền cơ học có thể sử dụng làm vật liệu thủy tinh nền khi đưa các ions đất hiếm vào ứng dụng cho sợi quang. + Luận văn đã nghiên cứu, chế tạo, đưa các thành phần đơn tạp Er3+; đồng pha tạp Er3+/Nd3+ và đồng pha tạp Er3+/Pr3+ vào vật liệu thủy tinh silicate SABLC ứng dụng cho bộ khuếch đại quang EDFA với phạm vi bước sóng từ khoảng 1460nm đến 1565 nm, tương ứng với băng tần S+C trong cửa sổ quang học. + Luận văn đã nghiên cứu, mở rộng băng thông cận hồng ngoại của sợi Erbium để ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang EDFA thông qua các cơ chế kết hợp của đồng pha tạp Er3+/Nd3+, đồng pha tạp Er3+/Pr3+ và thông qua quá trình chuyển giao năng lượng giữa Er3+ với Nd3+ và Pr3+. Nội dung chi tiết của luận văn thạc sĩ Nội dung chi tiết của luận văn bao gồm phần mở đầu và 4 chương: Chương 1: Tổng quan tài liệu. Chương 2: Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu. Chương 3: Kết quả và thảo luận. Chương 4: Kết luận và kiến nghị.
5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. TỔNG QUAN VỀ SỢI QUANG 1.1.1. Sơ lược về sự phát triển của sợi quang Năm 1880, Alexander Graham Bell, người Mỹ, đã phát minh ra một hệ thống thông tin ánh sáng, đó là hệ thống photophone sử dụng ánh sáng mặt trời từ một gương phẳng mỏng đã điều chế tiếng nói để mang tiếng nói đi, nhưng nguồn nhiễu quá lớn làm giảm chất lượng đường truyền [1]. Năm 1934, Norman R.French, kỹ sư người Mỹ, nhận được bằng sáng chế về hệ thống thông tin quang với phương tiện truyền dẫn là thanh thủy tinh [1]. Năm 1966, Charles K. Kao và George Hockham thuộc phòng thí nghiệm Standard Telecommunication của Anh thực hiện nhiều thí nghiệm để chứng minh rằng nếu thủy tinh được chế tạo trong suốt hơn bằng cách giảm tạp chất trong thủy tinh thì sự suy hao ánh sáng sẽ được giảm tối thiểu. Và họ cho rằng nếu sợi quang được chế tạo đủ tinh khiết thì ánh sáng có thể truyền đi xa nhiều Km [1]. Năm 1983, sợi quang đơn mode SM (Single Mode) được sản xuất ở Mỹ. Đầu những năm 1980, các Công ty điện thoại bắt đầu sử dụng sợi quang để xây dựng lại cơ sở hạ tầng truyền thông và sử dụng cáp quang vào mục đích thương mại [1]. Ngày nay, công nghệ và kỹ thuật truyền dẫn quang tiếp tục phát triển mạnh và được coi là hệ thống truyền tải thông tin với tốc độ cao khi hàng tỉ dữ liệu số hoá được chuyển hoá thành những tín hiệu ánh sáng để truyền đi trong sợi quang. Ngoài ra, công nghệ và kỹ thuật truyền dẫn quang cũng đang đóng vai trò quan trọng tại nhiều lĩnh vực như: truyền hình mạng, mạng Internet, mạng điện thoại….
6 1.1.2. Khái niệm, cấu tạo và nguyên lí hoạt động của sợi quang 1.1.2.1. Khái niệm sợi quang Sợi quang là một loại sợi linh hoạt, trong suốt và được làm bằng thủy tinh (silicate) hoặc nhựa (plastic). Sợi quang có kích thước rất nhỏ, được dùng để truyền dẫn tín hiệu bằng ánh sáng và được sử dụng rộng rãi trong truyền thông tin sợi quang nhờ những ưu điểm nổi bật của nó như: Hoạt động tốt ở khoảng cách hàng ngàn mét, băng thông rộng, suy giảm tín hiệu ít, tính bảo mật tín hiệu cao, không bị nhiễu điện từ, không dẫn điện, tỷ lệ lỗi bít rất thấp, suy hao tín hiệu thấp và ít méo dạng tín hiệu, sợi quang cung cấp băng thông rộng…. Vì vậy, sợi quang là giải pháp lựa chọn phù hợp để truyền tải dữ liệu tốc độ cao và truyền đi đến những khoảng cách xa. 1.1.2.2. Cấu tạo của sợi quang * Thành phần chính của sợi quang gồm lõi và lớp bọc được mô tả như hình 1.1. - Lõi (core): Hình trụ, là thành phần chính của một sợi quang, có vai trò truyền dẫn tín hiệu ánh sáng nhờ sự phản xạ toàn phần ánh sáng giữa lõi và lớp bọc. Lõi thường được làm bằng vật liệu thủy tinh hoặc chất dẻo trong suốt có chiết suất n1. - Lớp vỏ bọc (cladding): Hình trụ, là lớp bao ngoài trực tiếp với lõi sợi quang, nhờ đó tạo ra hiện tượng phản xạ toàn phần liên tiếp trong sợi quang. Lớp vỏ bọc có chiết suất n2 nhỏ hơn so n1 [1]. Lõi và lớp vỏ bọc của sợi quang với các chiết suất n 1, n2 được minh họa trong hình 1.1.
7 Hình 1.1. Hình ảnh sợi quang * Để bảo vệ sợi quang tránh các tác dụng bên ngoài, sợi quang còn được bọc thêm các lớp: - Lớp phủ ngoài (coating): Có tác dụng hấp thụ các tia sáng bị tán xạ ra bên ngoài lớp vỏ bọc, chống gãy dập sợi quang, chống sự xâm nhập của nước, các tác nhân vật lý, hóa học bên ngoài...đến lõi sợi quang [1,2]. Chiết suất của lớp phủ lớn hơn chiết suất của lớp bọc để loại bỏ các tia sáng truyền trong lớp bọc. - Lớp gia cường (strength memner): Làm tăng sức chịu lực, chịu nhiệt cho sợi quang. - Lớp vỏ (outer jacket): Là lớp vỏ cứng ngoài cùng có tác dụng bảo vệ các thành phần bên trong trước các tác dụng cơ học và sự thay đổi nhiệt độ…đến lõi sợi quang. 1.1.2.3. Nguyên lí hoạt động của sợi quang Thông tin được truyền dẫn qua cáp quang bắt đầu ở dạng một dòng điện mang theo một lượng dữ liệu số hoá. Một nguồn sáng, thường là nguồn laser, chuyển hoá dòng điện mang thông tin này thành những xung ánh sáng và đưa chúng vào những sợi cáp quang. Trong sợi quang, chiết suất của lớp vỏ bọc n2 nhỏ hơn chiết suất của lớp lõi n1 nên ánh sáng bị phản xạ toàn phần liên tục ở mặt phân cách giữa lớp lõi và lớp vỏ bọc như được minh họa ở hình 1.1, nhờ đó ánh sáng được truyền đi dọc theo sợi quang. Xung ánh sáng đi qua lõi của sợi quang bằng rất nhiều hướng được gọi là những đường dẫn .Ở điểm nhận tín hiệu, một thiết bị dò ánh sáng nhận xung ánh sáng và chuyển hoá chúng thành dòng điện và tái tạo lại thông tin gốc ban đầu. Kết quả là thông tin đã được truyền đi xa thông qua sợi quang [2].
8 1.1.3. Các công nghệ truyền dẫn quang Công nghệ truyền dẫn quang gồm hai mode truyền dẫn: Đơn mode (Single mode) và đa mode (Multi mode). - Loại đa mode thể hiện trên hình 1.2 (a). Trong đó các tia tạo xung ánh sáng có thể đi theo nhiều đường khác nhau trong lõi: thẳng, cong, zig zag…sử dụng cho truyền tải tín hiệu trong khoảng cách ngắn [1, 2]. - Loại đơn mode thể hiện trên hình 1.2 (b). Trong đó các tia truyền theo phương song song trục. Xung nhận được hội tụ tốt, ít méo dạng. Thường dùng cho truyền tải tín hiệu khoảng cách xa hàng nghìn km. (a) (b) Hình 1.2. Truyền dẫn quang bằng (a) đa mode và (b) đơn mode [3] 1.2. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO BƯỚC SÓNG (WDM) 1.2.1. Tổng quan về ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) Ghép kênh là kỹ thuật rất quan trọng trong các hệ thống thông tin. Khi truyền đi, mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang. Ghép kênh có nhiều dạng: Ghép kênh theo thời gian (TDM), ghép kênh theo tần số (FDM), ghép kênh theo bước sóng WDM, trong đó ghép kênh theo
9 bước sóng WDM là giải pháp tiên tiến trong kỹ thuật thông tin quang và được sử dụng phổ biến nhất hiện nay [3]. Ghép kênh phân chia bước sóng WDM là công nghệ ghép nhiều tín hiệu (hoặc chuỗi dữ liệu) có các bước sóng khác nhau thành một tín hiệu (hoặc chuỗi dữ liệu) sóng mang trên một sợi quang để truyền tín hiệu đi xa. Kĩ thuật ghép kênh phân chia bước sóng WDM cho phép tăng dung lượng mà không cần tăng tốc độ bít đường truyền và cũng không dùng thêm sợi dẫn quang. Công nghệ WDM đã giúp tiết kiệm tài nguyên, tăng hiệu suất kênh truyền, nhất là băng thông WDM sử dụng rất lớn và có đặc tính trong suốt với dữ liệu, do đó các mạng WDM có thể chấp nhận dữ liệu ở bất kỳ tốc độ bít nào và bất kỳ định dạng giao thức nào trong phạm vi giới hạn. Trong hai thập kỷ qua, công nghệ truyền tải quang WDM đã có sự phát triển vượt bậc. Những thành tựu của công nghệ này đã góp phần tạo nên hệ thống WDM dung lượng rất lớn như ngày nay [4]. Sơ đồ khối của hệ thống WDM được hiển thị trong hình 1.3. Hình 1.3. Sơ đồ chức năng của hệ thống WDM [1, 3]. Trong những năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ WDM trên sợi quang đã phát triển mạnh mẽ và bắt đầu được đưa vào sử dụng rộng rãi hình thành mạng thông tin quang. 1.2.2. Nguyên lí hoạt động của hệ thống WDM Hệ thống WDM hoạt động dựa trên cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang đi nhiều bước sóng ánh sáng khác nhau, điều thiết yếu là
10 việc truyền đồng thời nhiều bước sóng cùng một lúc này không gây nhiễu lẫn nhau. Mỗi bước sóng đại diện cho một kênh quang trong sợi quang. Mục tiêu của ghép kênh quang là nhằm để tăng dung lượng truyền dẫn. Tại phía phát, bộ ghép kênh quang MUX thực hiện việc ghép và khuếch đại các sóng ánh sáng với các bước sóng khác nhau để cùng truyền đi trên một sợi quang đến máy thu. Tại phía thu, bộ tách kênh quang DEMUX thực hiện việc tách các sóng ánh sáng đã ghép thành các bước sóng khác nhau để đưa đến các đầu thu tương ứng, sau đó khôi phục lại tín hiệu gốc rồi đưa vào các đầu cuối khác nhau. Khi dùng bộ tách/ghép WDM, ta phải xét các tham số như : khoảng cách giữa các kênh, độ rộng băng tần của các kênh bước sóng, bước sóng trung tâm của kênh, mức xuyên âm giữa các kênh, tính đồng đều của kênh, suy hao xen, suy hao phản xạ, xuyên âm đầu gần đầu xa [3, 4] . Sơ đồ hệ thống thông tin quang được thể hiện trên hình 1.4. Hình 1.4. Hệ thống thông tin quang 1.2.3. Phân loại kỹ thuật ghép kênh WDM Có hai kỹ thuật ghép kênh WDM đó là: 1.2.3.1. Kỹ thuật truyền dẫn hai chiều trên hai sợi: Trong hệ thống WDM truyền dẫn hai chiều trên hai sợi, tất cả kênh quang cùng trên một sợi quang truyền dẫn theo cùng một chiều (như hình 1.5 )