實驗方法與原型製作

在本章中，我們將會利用工研院所研發之光纖耦合融燒機台來實做光纖耦合器。由於 一般光纖被動元件特性之考量首重損耗( loss )，因此我們會優先探討光纖耦合融燒機台 上製作參數與損耗之相關性。進而研究極化分光器停火點之選擇與技巧。最後依循模擬所 知的結果，製作出一弱熔式寬頻極化分光器。然元件的製作技巧固為重要，量測的精確亦 為觀測重點之一，因此在元件製作完畢後，我們會說明我們的量測環境與量測應注意事項，

最後會於本章說明我們所製作元件之特性參數表現。

2.3.1 光纖耦合融燒機

光纖耦合融燒機為工研院所研發之OES-CWS-Ⅲ第三代光纖耦合燒融機，如圖 2.3.1-1

所示為其大致之結構配置。我們將其簡化為一平面示意圖，如圖2.3.1-2 所示，其主要工作

步驟詳述如下：

1. 首先由光開關器( optical switch )選擇欲輸入之光源波長。

2. 將光源耦合入單模光纖( single mode fiber )中，在本實驗中所使用之單模光纖 為 標 準 單 模 光 纖 ， SMF-28 ， core/cladding/coating 的 直 徑 分 別 為 8~10um/125um/250um。

3. 將欲燒結區段之單模光纖包覆層(Coating 層)剥除，利用酒精及擦拭紙將兩光 纖剝除區段擦拭乾淨，平行擺放兩裸光纖於拉伸機台上，並用夾機具使之穩 定置放於拉伸機台上。

4. 設定好欲燒結之使用參數，包括光纖水平拉伸速度、火焰流量大小、火焰掃 描寬度、火焰掃描速度、火焰燒結點、停火點等六種與特性參數表現有關之 參數。此部分經由 PC 輸入及控制。

5. 啟動燒結程序，燒結過程中兩輸出端功率可由光功率計接至 PC 即時監控，待 燒結完成，可利用石英基板做一初步封裝，如此，便完成一融燒式光纖耦合

器之初步製作。

以上所述之流程，可由圖2.3.1-3 光纖耦合器製作流程圖做進一步之了解。

圖 2.3.1-1 光纖耦合機

圖 2.3.1-2 耦合機平面示意圖

Light source Optical switch

圖 2.3.1-3 光纖耦合器製作流程圖

2.3.2 製作參數與過量損失之關係

在上一節的耦合燒融機工作流程步驟四中，我們有提及影響特性參數表現的六項製作 參數，除停火點為影響元件欲表現功能，未直接影響損耗外，前五項皆有可能會影響元件 之過量損失( Excess Loss )。為使元件有較佳的特性表現，我們必須研究什們樣的參數組合 方能得到最佳的 (最低的) 損耗表現。以下我們分別會針對燒結點、光纖水平拉伸速度、火 焰掃描寬度、火焰掃描速度、火焰流量大小來做一詳盡分析。

首先我們來比較在相同的光纖水平拉伸速度、火焰流量大小、火焰掃描寬度、火焰掃 描速度下，變化火焰燒結點的位置，觀察損耗值的變化。在工研院所研發的燒融機台中，

火焰是由氧氣及丙烷兩種氣體所共同燒結而出，如圖2.3.2-1 所示，內焰為丙烷所噴出氣體

燒結而成，外焰為氧氣噴出之氣體燒結而成，火焰呈現兩層的結構。而在此所謂的燒結點，

表示的是火焰與光纖的接觸位置，由於火焰大小約為3 ~ 5 mm(依流量大小而有所不同)，

因此我們定義變數為距噴嘴口1mm、2mm、火焰邊緣、火焰外圍四個變動狀況，觀看損耗

的變動情形，如圖2.3.2-2 所示。除了了解位置的相關性之外，我們還加上溫度差異性的影

響因素探討，看位置與溫度及損耗的關聯性，以期能加深了解程度。在此我們所使用的溫

度計為FLUKE 53Ⅱ系列的溫度計，探棒為特別訂做的 R 型探棒(前端探測頭約為 1mm 左

右)，可量測溫度高達 1300℃。

圖 2.3.2-1 火焰示意圖 圖 2.3.2-2 燒結點示意圖

根據上段所設定的燒結變化點，配合著光纖水平拉伸速度(0.0947mm/s)、火焰流量大 小(丙烷：9ml/sec；氧氣：20ml/sec)、火焰掃描寬度(9.41mm)、火焰掃描速度(1.34mm/sec) 這些固定參數，我們實際去製作一光纖耦合器，觀察燒結至功率收縮細腰點時，其過量損 失的大小，進而去了解在何點的燒融位置，方能達到最小的過量損失。

由表 2.3.2，我們可知，由於火焰是左右不停的掃動，因此溫度並不是穩定的，而是 在一範圍內變化，且距離噴嘴口越近，溫度越高。表 2.3.2 說明越低溫處(越遠離噴嘴口) 損耗值便越高，而為何火焰邊緣處之損耗會突然上升，探究其原因為火焰燒結點與光纖接 觸面積太小，使得溫度過於集中，超過光纖表面張力所能負荷之程度，因而造成光纖燒結

處形變，隨之產生大量損耗。圖 2.3.2-3 (a)、(b)為光纖耦合器實際燒融的功率拉伸與過量

損失關係圖，可看到燒結出來的功率變化情形與我們用表面積分方程法所模擬出來的結果 是為一致。觀看我們實驗所得，可知欲得一較佳損耗值的光纖耦合器(極化分光器)，火焰 燒結點需靠近噴嘴口。

表 2.3.2 燒融位置與損耗關係表

位置 1mm 2mm 邊緣 外圍

最高溫 815℃ 762℃ 652℃ 622℃

最低溫 601℃ 533℃ 417℃ 356℃

溫差 214℃ 229℃ 235℃ 266℃

Excess Loss 0.23dB 0.6dB 2.34dB 1.65dB

圖 2.3.2-3(a) 實際燒融的功率拉伸與損耗關係圖

圖 2.3.2-3(b) 實際燒融的功率拉伸與損耗關係圖

2.3.3 光纖水平拉伸速度與過量損失之關係

上一小節中我們確定了火焰燒融位置的最佳點後，接下來我們來觀看光纖水平拉伸速 度的影響情形。由於之前我們知道燒結位置越靠近火焰噴嘴口，損耗值便越低，因此我們

設定之後的實驗火焰燒結位置點皆在噴嘴口下方1mm 的位置，但依此規則去實際製作極化

分光器，則有些設計的實驗架構會因溫度超過900℃，局部光纖受熱溫度過高而導致過量

損失太大，因此若我們要探究其他製程參數的影響因素，則燒結點位置我們需稍向下位移

一點，大約1~1.5mm 左右，而在之後的實驗燒結情況，我們的燒結點將不再做任何的更動，

以確保實驗的準確性。

我們在這一小節所探討的是光纖水平拉伸速度對損耗的影響情形，因此我們設定變動 的參數為機台光纖水平拉伸速度---馬達單位 5 ( 0.1702mm/sec )、10 ( 0.0947mm/sec )、15

( 0.06447mm/sec )、20 ( 0.0492mm/sec)，其餘固定參數分別為火焰掃描寬度(9.41mm)、火焰 掃描速度(1.34mm/sec)、火焰流量大小(丙烷：8ml/sec；氧氣：15ml/sec)，依此參數實際 製作光纖耦合器，觀看當功率收縮至震盪細腰點時之過量損失值。由表 2.3.3，我們可看 出，不論光纖水平拉伸速度變化如何，由於火焰所產生的溫度沒有任何的變動，因此損耗 值並不隨之而有一線性變化，也就是說光纖水平拉伸速度並不與過量損耗值有一關聯性，

而在之後的耦合器實作方面，我們發現光纖拉伸速度反而會與光纖的耦合燒結結構有一密 切關係。

表 2.3.3 光纖水平拉伸速度與損耗關係表

拉伸速度 0.1702mm/sec 0.0947mm/sec 0.0645mm/sec 0.0492mm/sec

最高溫 744℃ 726℃ 733℃ 738℃

最低溫 572℃ 555℃ 570℃ 560℃

溫差 172℃ 171℃ 163℃ 178℃

Excess Loss 0.43dB 0.39dB 0.23dB 0.57dB

2.3.4 火焰掃描速度與過量損失之關係

接著我們來探討在光纖耦合器製作的同時，火燄的掃描速度對過量損失值的影響。由 於我們加熱的火源並非設計為一定點加熱，而是經由左右掃描的方式來對光纖加熱，使之 融合。在融燒機台的參數設定上，掃描的方式可先左而右掃描，亦可先右而左來對光纖加 熱，只要設定的參數左右掃描長度對稱相同，則光纖耦合器的特性不會有太大的差異性。

在此由於我們欲探究的是火焰的掃描速度對過量損耗值的影響，因此我們變動的參數 為火焰掃描速度，製作機台的馬達單位分別為 --- 10 (5.8086mm/s)、20 ( 3.0752mm/s)、

30(2.1051mm/s)、40(1.5896mm/s)，而其餘固定的機台燒融參數為光纖水平拉速

(0.0947mm/s)、火焰掃描寬度( 9.41mm )、火焰流量大小(丙烷：9ml/sec；氧氣：20ml/sec)，

經由參數的變化，我們實際製作光纖耦合器，觀看功率震盪細腰處的過量損耗值變化。由

表2.3.4 火焰掃描速度與過量損失之關係，我們可看出一規律性：火焰掃描速度越快，則

溫度越集中，光纖受熱便越均勻，如此耦合器的過量損失就越小，也就是說，火焰掃描速 度與過量損失有一線性化關係，欲製作一過量損耗值較小的極化分光器，則火焰掃描速度 越快越好。附帶一提的是，在實驗過程當中，若掃速過快，導致溫度過高(約超過 900℃左 右)，則損耗值會呈現不穩定的狀況，時高時低，探究原因為受熱溫度超過當時光纖所能承 受的程度，而產生些微形變，造成損耗。因此掃速快雖可使光纖受熱較為均勻，但亦須配

合其他光纖耦合器之機台製作參數，方能得到較佳的元件特性。

表2.3.4 火焰掃描速度與過量損失之關係

火焰掃描速度 5.8086mm/sec 3.0752mm/sec 2.1051mm/sec 1.5896mm/sec

最高溫 725℃ 770℃ 790℃ 815℃

最低溫 650℃ 645℃ 630℃ 620℃

溫差 75℃ 125℃ 160℃ 195℃

Excess Loss 0.21dB 0.42dB 0.5dB 0.64dB

2.3.5 火焰掃描寬度與過量損失之關係

由上一小節中，我們有提及火燄是做左右不停的掃描，來對光纖進行加熱的動作。因 此在探討火焰掃速的同時，火燄掃描寬度亦為一重要的參考因素之一。兩者的相互配合，

方能得到一個較穩定的加熱源，也才能降低元件的過量損失值。

在此我們設定變動的參數為火燄掃描寬度，分別為融燒機台之馬達單位

---1000(6.94mm)、1200(8.01mm)、1500(9.41mm)、1700(10.53)，而其餘固定的機台燒融 參數為光纖水平拉伸速度(0.0947mm/s)、火焰掃描速度( 1.4324mm/s )、火焰流量大小(丙烷：

9ml/sec；氧氣：20ml/sec)，經由參數的變化，實際製作光纖耦合器，來觀看拉伸的同時，

功率細腰處的過量損失值變化。由表2.3.5 火焰掃描寬度與過量損失之關係，我們可看到，

當火燄掃描寬度越寬，則溫度差越大，此亦代表光纖受熱不均，因而過量損失不斷變大，

則若以此參數來製作極化分光器，元件特性便不完美。

表2.3.5 火焰掃描寬度與過量損失之關係

火焰掃描寬度 6.94mm 8.01mm 9.41mm 10.53mm

最高溫 877℃ 864℃ 846℃ 834℃

最低溫 730℃ 690℃ 624℃ 565℃

溫差 147℃ 174℃ 222℃ 269℃

Excess Loss 0.16dB 0.21dB 0.26dB 0.33dB

2.3.6 火焰流量大小與過量損失之關係

至Port 2 達 90%以上為合格，可看到由輸入阜所輸入的 980nm 光源(Pumping laser source)

在輸出阜Port 1 能量仍存有 55%左右(泵浦光源能量由外部提供，因此只輸入 55%並不影響

整個光放大器特性表現)，而由輸入阜所輸入的光源在輸出阜 Port 2 所得能量超過百分之九 十的波長範圍為1300nm~1700nm，共 400nm 的頻寬，也就是說，若泵浦波長 980nm 由輸 入端1 入射，而訊號光源波長範圍 1300nm~1700nm 由輸入端 2 入射，則可在輸出端 1 得

整個光放大器特性表現)，而由輸入阜所輸入的光源在輸出阜 Port 2 所得能量超過百分之九 十的波長範圍為1300nm~1700nm，共 400nm 的頻寬，也就是說，若泵浦波長 980nm 由輸 入端1 入射，而訊號光源波長範圍 1300nm~1700nm 由輸入端 2 入射，則可在輸出端 1 得