微孔崩陷問題與解決方法

本實驗開始時是嘗試使用圖 3-7 所示第一種製程製造光子晶體光 纖，實驗中所使用的毛細管陣列是向 SCHOTT 公司所購買，其端面 照片如圖 3-10 所示，由 397 根毛細管排列而成，最外圈為實心玻璃 管，而由圖3-10 右上方的毛細管陣列局部放大圖中可以明顯觀察到，

任三根毛細管中間留有似三角形的小縫隙。經過一次提拉將毛細管陣 列縮徑為約250 微米左右之後，三角形小縫隙仍存在，外圍的毛細管 直徑變得比中央毛細管小，如圖3-11 所示。

圖3-10 SCHOTT 公司生產的毛細管陣列，直徑約 1.8 mm。

圖 3-11 毛細管陣列經提拉一次後的端面照片，直徑約 300 μm。

表3-1 玻璃毛細管材料特性。

玻璃類型（glass type） Borosilicate glass

密度（density） 2.3 g/cm³

折射率（refractive index） 1.49

熱膨脹係數（thermal expansion） 5.0×10^-6/ºC 退火溫度（anneal temperature） 510 ºC 軟化點（softening point） 715 ºC 毛細管內徑（inner diameter） 46 μ^m 外徑（outer diameter） 64 μ^m

表面張力係數 170 dynes/cm

如同圖 3-7 的製程所示，縮徑後的毛細管陣列必須套進厚壁毛細 管，再提拉一次成為光纖成品，經多次實驗後，即發現使用各種雷射 功率或生長速度，皆無法提拉出預期的微結構，而是變成如圖 3-12 所示，外圈圓形的毛細管為拉細後的厚壁毛細管，而中央六角形的實 心玻璃即為原先的毛細管陣列，由電子顯微鏡下的影像可以清楚看 出，原本毛細管陣列中所有的毛細管都崩陷成實心的玻璃。

不論是使用雷射加熱基座生長法，或是用傳統抽絲塔製造微結構

由(3-2)式的估算得知，若毛細管內徑縮小到 2 微米時，則相當於 內部存在約 90 PSI 的負壓驅使毛細管崩陷成為玻璃棒，因此，若要 成功提拉出光子晶體光纖，勢必要在毛細管陣列中施加正壓抵抗此等 效負壓，阻止微孔崩陷效應作用。此外，雖然微孔崩陷效應有驅使微 結構崩陷消失的壞處，但卻也是避免如圖3-10 或 3-11 中所示三角形 小洞出現在光纖成品的必要驅使力，毛細管間的三角形小洞其實會嚴 重影響光子晶體光纖中光子能隙的形成，因此表面張在此成為助力。

圖3-13 即為本實驗中設計用以對毛細管陣列施加正壓的裝置，照 片中左邊的銅柱 A 可固定在雷射加熱基座系統的提拉步進馬達基座 (Stage)之上，而右邊的銅柱 B 用來固定預形體，圖中間的軟管接上高 壓氣瓶與壓力控制裝置，充氬氣以提供正壓。中間的鋁製柱狀連接器 則以六顆螺絲固定銅柱B，如此兼具微調銅柱 B 的效果，避免預形體 裝上銅柱後偏離中心。

圖3-13 提供毛細管陣列正壓的裝置。

銅柱A

銅柱B 鋁柱

軟管

圖 3-14 正壓裝置中所用銅柱 B 的設計圖。

圖3-15 正壓充器方法示意圖。

圖 3-14 即為銅柱 B 的設計圖，預形體由右方置入，因為只有毛 細管陣列需要施加正壓，陣列與厚壁毛細管之間不需充正壓，因此厚 壁毛細管伸長至圖中直徑4 mm 的孔洞中，而毛細管陣列伸長至完全 通過3 mm 孔洞，並在 3 mm 孔洞中倒入熱融蠟密封，使充正壓所用 的氬氣不外洩，圖3-15 為其示意圖。

厚壁毛細管 毛細管陣列

熱融蠟

軟管(內充氬氣) 銅柱B

在正壓裝置的作用之下，生長時即可觀察到熔區附近毛細管陣列 的變化，如圖 3-16 所示，圖片上方中央明亮處即為毛細管陣列，當 其接近高溫的熔區時，便受正壓影響而膨脹開來，並緊貼厚壁毛細管 內壁，與為充正壓時毛細管陣列始終不會緊貼厚壁毛細管的情形十分 不一樣；圖 3-17 即為充正壓後成功提拉出的微結構光纖，證明了正 壓裝置確實有效解決了微孔崩陷問題。

圖3-16 有施加正壓情形下的熔區。

由(3-2)式可以估算出要避免微孔崩陷所需施加的正壓大小，計算

除此之外，本實驗中採用Alicat Scientific 公司所生產的壓力/流量 控制器(MC-200SCCM-D)，控制得到實驗所需的氣體壓力值，其外觀