6-1 結論
本文提出兩種新型的光纖微透鏡結構，經實驗證實有極高的耦光 效率。其中新型四角錐形光纖微透鏡(QPSFM)和錐式楔形光纖微透鏡 (CWSFM)對長寬比5和4.3的雷射則分別有83%和84%的耦光效率，與 其他適用於高功率雷射的光纖微透鏡製作技術，如對長寬比2.7的雷 射有78%耦光效率的非對稱雙曲線形光纖微透鏡[16]，以及對長寬比 3.6的雷射有78%耦光效率的雙楔型光纖微透鏡[18]相比，QPSFM和 CWSFM具有極高的耦光效率。
在製程上，與前人所發表適用於高功率雷射的光纖微透鏡製作技 術相比：非對稱雙曲線形光纖微透鏡，需要用到複雜的二氧化碳雷射 系統和精密控制系統。此外由於光纖纖核和纖殼的材料差異，雙曲線 形光纖微透鏡在製作時避免不了纖核部分在熔融與凝固時，因為纖殼 擠壓纖核產生的透鏡凸起現象，所以不能製作出具有高遠場長寬比的 光纖微透鏡。並且採用二氧化碳雷射加工製作光纖微透鏡時，光纖微 透鏡的偏軸量難以控制，所以無法達到高良率。雙楔形光纖微透鏡的 研磨需要極高的精度，研磨時只要產生0.8µm的垂直軸偏移就會增加 7dB的耦光損失，所以光纖微透鏡製作的良率偏低。此外由於平面式 的研磨無法製作出完美的曲面微透鏡，所以雙楔形光纖微透鏡的耦光
效率有限。QPSFM製程需經過五次研磨和一次的熔燒，QPSFM型態 為橢圓曲面微透鏡，透過製程能夠有效控制兩個軸向的曲率半徑，進 而造成橢圓場形，所以能和橢圓形的雷射模場有好的匹配。QPSFM 的缺點是研磨偏軸量稍大，約為0.5~3.0µm之間，平均值為1.5µm，所 以良率無法提升。CWSFM製程只需經過三次研磨、一次的蝕刻和一 次的熔燒，除了製程簡單、成本低之外，在製作上除了也能有效控制 兩個軸向的曲率半徑。並且由於光纖研磨平均偏軸量小於1µm，以至 於能形成優良的橢圓形微透鏡端面，並且能達到高良率。在製作的一 批25根的CWSFM樣本中，對於耦光效率大於70%的條件下有六成的 良率，對於耦光效率大於60%的條件下有九成六的良率。這樣的結果 說 明 了CWSFM 有 適 用 於 商 用 幫 浦 雷 射 模 組 的 潛 力 。 QPSFM 與 CWSFM的比較，如表6.1所示。
表6.1 QPSFM與CWSFM的比較
結構 QPSFM CWSFM 幾何圖形
研磨步驟 5 3
偏軸量範圍/平均值 0.5~3.0 / 1.5 (µm) 0.3~1.5 / 0.8 (µm)
最大耦光效率 83% 84%
耦光70%良率 * 六成
在理論模擬部分，本文對五種適用於高功率雷射的光纖微透鏡型 式分別計算了個別的最大耦光效率，由結果發現最佳光纖微透鏡的型 式是曲面型式，其中又以雙曲線形光纖微透鏡的耦光效率最高，高達 97.26%。此外對本文所提出之橢圓形光纖微透鏡的模擬中，發現耦光 效率對垂直曲率半徑之關係曲線的理論值與實驗值結果之間相當一 致，這顯示出本文所採用之耦光數學模型適用於光纖微透鏡與雷射的 耦光效率計算。耦光效率對偏軸量的計算結果，在與前人所作的工作 比較下，橢圓形光纖微透鏡和雙楔型光纖微透鏡[18]的垂直偏軸量 7dB容忍度分別為±3.3µm和±0.8µm，所以顯然是橢圓形光纖微透鏡的 垂直偏軸量容忍度特性較佳。而耦光效率對光纖未對準的計算結果，
在與前人所作的工作比較下，橢圓形光纖微透鏡、雙楔型光纖微透鏡 [18]和圓柱透鏡耦光架構[25]的垂直平移未對準3dB容忍度分別為
±0.5µm 、 ±0.6µm 和 ±0.9µm ， 水 平 平 移 未 對 準 3dB 容 忍 度 分 別 為
±2.25µm、±2.2µm和±3.4µm。三者的平移未對準容忍度特性相似。橢 圓形光纖微透鏡與圓柱透鏡耦光架構[25]的垂直角度未對準3dB容忍 度分別為±29.0°和±20.7°，水平角度未對準3dB容忍度分別為±5.7°和
±6.5，這兩者的垂直角度未對準容忍度特性相似。這些結果顯示本文 中耦光效率對偏軸量的計算以及耦光效率對光纖未對準的計算結果 是相當合理的。
在光纖微透鏡品質的檢定部分，由於橢圓形光纖微透鏡的最佳垂 直曲率半徑在 3~5µm 之間，較佳的測量誤差應在 0.1µm 以內，而顯 微鏡照相測量光纖微透鏡參數的誤差只能達到0.5µm 以內，所以無法 精確的判斷出光纖微透鏡的品質。此外光纖微透鏡直接對雷射耦光的 作法雖然可以百分之百地判斷出光纖微透鏡品質，但是要作五軸的對 準卻是相當地費時費力。故本文提出一種簡單實用的遠場圖樣(FFP) 測量方法來檢定光纖微透鏡品質，透過對光纖微透鏡 FFP 的輪廓、
對稱性和長寬比的觀察可以分別判斷出微透鏡是否有缺陷、偏軸量以 及是否和雷射模態相匹配。由結果中我們發現 FFP 對稱性較佳的光 纖微透鏡有較佳的耦光效率，此外對於低長寬比的雷射，當光纖微透 鏡的遠場長寬比與雷射長寬比接近時，會有較佳的耦光效率。FFP 測 量可以間接成為一種在光纖微透鏡量產時，精確判斷光纖微透鏡品質 的最佳工具。
總結，兩種適用於980nm高功率雷射的新型光纖微透鏡被提出。
經由實驗證實分別有83%和84%的最大耦光效率，其中CWSFM更同 時具有製程簡單、低研磨偏軸量和高良率的特性，有適用於商用幫浦 雷射模組的潛力。
6-2 未來工作
雖然本文提出之兩種新型光纖微透鏡結構已驗證有極高的耦光 效率，其中在耦光效率70%的條件下，CWSFM的良率為六成。但是 在商業用途上，好的良率應該要達到八到九成以上，除非能將研磨偏 軸量控制在0.5µm以下，不然無法達成。本實驗室目前與中山大學機 電系蔡穎堅老師合作，開發一種超低研磨偏軸量的光纖一次研磨成型 製程。在光纖作錐形研磨時，透過週期性改變光纖與研磨盤之間的正 向 力 ， 如 圖6.1 所 示 ， 來 研 磨 出 如 圖 6.2 所 示 的 橢 圓 錐 形 微 光 纖 (Ellipical-Cone-Shaped Fiber)結構。一次研磨成型製程由於步驟簡單，
並且研磨動作完全是在光纖自轉的狀態下進行，研磨對稱性極佳，因 此目前已證實平均研磨偏軸量為0.4µm。
綜觀所有的980nm單模光纖微透鏡製程[16-19]，都是一次只能製 作一根，無法達到真正的量產。雖然一般的氫氟酸蝕刻製程[10-11]
能同時製作數十根以上的光纖，但卻只能製作出軸對稱的結構。本實 驗室提出一個動態蝕刻的作法，如圖6.3所示，先將光纖插進氫氟酸 和機油混合層中蝕刻成圓錐狀光纖後，移至黏性較低的氫氟酸內，左 右直線擺動光纖增加該方向的蝕刻率，最後蝕刻出類似錐式楔形光纖 結構。此法有能達到980nm單模光纖微透鏡量產的潛力，本實驗尚在 進行中。
Periodically Variable Torque System
Fiber Holder
Optical Fiber
Grinding Film
ω 2ω
(a)光纖應力最小時
Periodically Variable Torque System
Fiber Holder Optical Fiber
Grinding Film
2ω
ω
(b)光纖應力最大時
圖6.1 橢圓錐形光纖研磨原理
圖6.2 橢圓錐形光纖結構
X-Z Y-Z
Oscillation
X-Z Y-Z
(a) Step1：錐形蝕刻 (b) Step2：錐式楔形蝕刻
圖6.3 動態光纖蝕刻製程示意圖