第三章 晶體光纖雷射之製備與相關元件
3.1 光學薄膜之製備與原理
3.1.1 介電質電子槍蒸鍍系統原理
雷射形成需產生共振腔，使得信號光於共振腔內不斷來回增益放大。晶體光 纖端面經過 2.3 節所介紹的研磨拋光製程後，利用介電質電子槍蒸鍍系統(dielectric electron gun evaporation system)來蒸鍍高穩定性及低損耗的介電質材料，即可在光 纖 端 面 鍍 上 高 反 射 膜 ， 讓 光 可 在 共 振 腔 內 來 回 反 射 並 增 益 放 大 。
圖 3-1 為電子槍蒸鍍系統之腔體示意圖。待鍍或待測樣本以環狀且均勻的置於 腔內上方的旋轉平台(substrate holder)，腔體中心上方放置光學監控片(monitoring glass)，監控光源(optical monitor)則位於腔體外部以監控下方的光學監控片。電子 槍系統則位在腔體下方，利用可變磁場控制電子束旋轉打至坩鍋內的靶材，靶材 即轉變為蒸氣狀向上沉積至基板形成薄膜，達到蒸鍍的效果。
圖 3-1 電子槍蒸鍍系統之腔體示意圖[50]
比起使用熱電阻加熱，由電子束直接加熱對於膜材的汙染更少，品質也較高。
而電子束是利用電能加熱高熔點的鎢絲，使表面電子動能大於束縛能而逸出，並 施以外加電場加速，撞擊至膜材時將轉換成熱能，可達數千度。如圖 3-2 所示，電 子束裝置擺設在無氧銅爐床下方，避免製程時蒸發源汙染電子源，透過外加磁場 使電子束轉向 270 度後撞擊至靶材，亦可調整磁場大小控制電子束於把材的掃描 範圍以及掃描頻率。如圖 3-3 所示，無氧銅座坩堝系統具有六個坩鍋靶槽，可在製 程時旋轉更換靶材。此外，無氧銅座底部會通入冷卻水進行散熱，以減少高能電 子束產生的高熱損傷爐床基座。相關的電子槍蒸鍍系統規格如表 3-1。
圖 3-2 電子槍工作示意圖[50]
圖 3-3 電子源(左下方)與無氧銅坩堝系統(EBG-203UB6S, JEOL) [51]
表 3-1 電子槍蒸鍍系統規格
常見的膜厚監控方法可分為兩種，一種為石英晶體監控法(quartz crystal monitoring)，另一種為光學監控法(optical monitoring)。本實驗室主要使用的監控系 統為光學監控法，並同時以石英監控法作為輔助。
(1)石英晶體監控法
利用石英晶體振動頻率 v 與其質量呈反比的原理，在石英片上鍍製厚度 Δd 的 膜層造成其振動頻率減少∆v，製程上可由石英晶體式成膜控制器(CRTM-6000G)即 時監控∆v 反推出當下物理膜厚 Δd。石英片頻率變化量(Δv)與鍍製材料質量關係，
如式(3.1)[31]。
電子束輸出功率 6.4 kW
電子加速電壓 -4 to -8 kV DC
熱電子發射電流 0 to 0.8 A
電子束掃描調整範圍 ±10 mm
電子束受磁場轉彎角度 270 度
坩堝 12 mL 6 pockets
工作真空度(working pressure) 4×10-5 torr or less 冷卻水(cooling water) Flow rate: 8 to 10 L/min
Water temperature: 10 to 25 ⁰C
∆𝜈 = −𝐶𝑓∆𝑚𝑓 (3.1) 其中∆𝑚𝑓為單位面積鍍製材料的質量變化(單位: g/cm2)，∆𝜈為石英片震盪頻率變化 (單位: Hz)，𝐶𝑓為石英的 mass sensitivity，對於 5 MHz 的石英監控片𝐶𝑓為56.6 Hz μg-1 cm2[31]。但一般膜層材質仍與石英不同，所以在鍍到一定厚度時∆𝑑與∆𝜈不再有線 性關係，此時必須更換石英片(例如 6 MHz 可用∆𝜈約為 100 kHz)[50]。由於石英監 控所顯示的膜厚為物理膜厚且厚度顯示不穩定，對於更精密的光學鍍膜製程只能 做為參考，當作光學監控法的輔助，而是利用之來做鍍膜速率上的監控，因此石 英監控器上除了震盪頻率及膜厚參數外還有當下即時的鍍膜速率顯示。
(2)光學監控法
光學監控法為目前多層膜最常用的監控法。由圖 3-4 可知隨著膜層厚度增加，
監控光源波長的反射率也會隨之變化，當反射率到達極值點(turning point)時，所鍍 膜之光學厚度 nd 為監控波長的 1/4 整數倍，此法稱之為極值法(turning point monitoring method)。然而此法在極值點附近誤差很大，因在極值點反射率變化量(斜 率)會很緩慢，即膜厚增加(nΔd)很多，但 ΔR 變化不大。反之，在近 3/8 波長處的 反射斜率較陡，此時光學監控反應較靈敏。
圖 3-4 反射率隨光學膜厚(nΔd)變化情形(基板折射率 ns = 1.5，薄膜折射率 nf = 1.4 和 2) [52]
為補救極值法的缺點，可改用定值監控法(level monitoring method)，此法停鍍 點不在 1/4 波位(λ/4 的整數倍)，藉由選擇適當的監控波長 λm使反射率超過極值，
並接近 3/8 波位，即靈敏度最高位置，然後經由電腦計算 λm之反射率數值，此值 便是為停鍍之定值點，於此點反射率的斜率到達極值。此法可用於多層膜，但針 對每層膜必須選用適當的監控波長。
定值監控法需先得知薄膜折射率n(λ)，但由於製程上的其他因素，可能會造成 實際與模擬的不同，因此可以根據光學監控記錄圖(run sheet)作類比修正，如圖 3-5 所示，軟體模擬反射率斜率的變化量Δt1 (極值位置)，與實際製程時的反射率斜率 的變化量ΔT1 (極值位置)，而模擬的停鍍點與極值差為 Δt2，則修正後的實際停鍍 點ΔT2可寫作式(3.2)。
∆𝑇
2=
∆ 1∆ 1
∆𝑡
2(3.2)
圖 3-5 光學監控記錄實際(虛線)與模擬(實線)關係圖。(左)膜材之折射率高於基板 (右)膜材之折射率低於基板[50]
3.1.2 鍍膜設計與分析
光學薄膜主要是由干涉原理改變光學特性，藉由高低折射率之介電質材料的 膜層堆疊方式來達到特定頻譜。由於我們希望信號光能夠在共振腔內來回不斷增 益放大，一般而言，晶體光纖輸入端(input end)會鍍上高反射率(high reflection coating; HR)或固定穿透率之膜層，而對於外腔式雷射，光纖輸出端(output end)則 會鍍製上抗反射膜(antireflection coating; AR)。 法有 Abeles、ATR(attenuated total reflection)和包絡法，本實驗室使用包絡法計算 TiO2 和 SiO2折射率及消光係數(以薄膜設計軟體 Essential Macleod 輔助計算)，此 方法為 1976 年由 Manifacier 提出[53]，對於弱吸收膜相當方便。首先在基板(B270) 上鍍製一定厚(~1 μm)的單層光學膜，並透過光譜儀量測其穿透頻譜，此時的穿透
譜線將會呈現高低變化之曲線，如圖 3-6 所示，透過光譜圖，可以找出前後級數的
圖 3-6 單層 1 μm 厚之 TiO2光譜圖(TM及 Tm各為穿透極大和極小值，紅色曲線為 擬合包絡線，綠線則是基板穿透率)[1]
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2.00
400 600 800 1000 1200 1400 1600 以計算在參考波長(reference wavelength)為 780 nm 下，TiO2的折射率為 2.134，SiO2
的折射率為 1.424。此外，由於製程上使用間接監控法(監控片並非實際樣品)，因 此需計算出旋轉平台中心(監控片)及周圍(樣品)因位置差異而導致的厚度差異比例，
以修正設計上所要鍍製的厚度，此差異比值(監控片實際厚度/樣本實際厚度)我們 稱之為 tooling factor。而 TiO2的 tooling factor 為 1.08，SiO2的 tooling factor 為 0.96。
使用正確的折射率、消光係數和 tooling factor 的修正才能鍍製出所需要的光學厚
晶體光纖之輸出端設計為四層的高低折射率膜層堆疊，以達到低消耗以及製 程穩定性。圖 3-9 為四層抗反射膜層設計，黑線為設計之穿透率，而藍線為實際穿 透率。設計與實際厚度有些許的差異(總厚度差異<2%)，在信號光波段 700~900 nm，
其光譜圖為平坦且穿透率 98.6%，在幫浦光 520 nm 處穿透率則為 55.4%。詳細膜 層設計與實際比較如表 3-3 所示。
400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 50
高反射膜可由[(𝐻𝐿)𝑠𝐻]的膜層公式堆疊而成，H 為高折射率之材料(TiO2)且厚 度為 1/4 的參考波長膜厚(optical thickness)，L 為低折射率之材料(SiO2)且厚度為 1/4 的參考波長膜厚，s 為整數，共 2s+1 層，隨著堆疊數的增加，其設計光譜區間(由 參考波長決定)會更加平坦且更高反射，但鍍製在晶纖端面上的總設計厚度不宜超 過4 μm，否則容易於製程結束後的冷卻階段因與晶纖熱膨脹係數的差異而導致膜 層脫落或膜層破裂。而未來上需使用由輸入端所輸出的雷射光，則可以在晶纖輸 入端鍍製固定穿透率的膜層，其多膜層結構可由 Essential Macleod 軟體設計，圖 3-10 為針對信號光穿透率為 5%之膜層設計，黑線為設計之穿透率，而藍線為實際 穿透率，詳細膜層設計於表 3-4 所示。設計與實際有約 14 nm 之橫向波長位移，
且穿透率於信號光波段為 1.9~4.2%，其產生原因為鍍膜機台之誤差且固定穿透率 之膜層在製程上並不易達成，而在幫浦光波長穿透率為 94.9%，使之可用於晶體光 纖之輸入端作為信號光之共振腔。
400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 0
表 3-4 Ti:sapphire 晶體光纖輸入端膜層結構設計[1] 5% transmittamce @ 704~892 nm
層數 介質 物理厚度