微結構的電子顯微鏡影像分析

如第三章所述，本實驗中製造光子晶體的製程分為三種，分別如 圖 3-7、3-8、3-9 之製程流程圖所示，首先介紹第一種製程的實驗結 果。為了能將毛細管陣列塞入內徑約300 微米的厚壁玻璃毛細管中，

因此必須將原先直徑約為1.8 毫米的毛細管陣列拉細，使其直徑縮至 約250 微米大小；圖 4-1 即為提拉前與提拉後的毛細管陣列圖例，與 其在光學顯微鏡下拍攝的端面照片。並由照片中可以觀察出，經由提 拉後的毛細管陣列有變形的現象，陣列中心的孔洞直徑較大，而靠近 邊緣的孔洞直徑較小。

圖4-1 第一種製程。

提拉

Λ=50 μm, d=40 μm

直徑~250 μm

Λ=11 μm, d=8 μm 直徑~1.8 mm

毛細管陣列 毛細管陣列

造成變形的主要原因，我們推測是雷射的吸收深度造成的；當二 氧化碳雷射聚焦加熱在毛細管陣列周圍時，由於玻璃對二氧化碳雷射 的吸收深度相當淺，因此在周圍的毛細管具有較高的溫度，然而玻璃 的軟化程度是與溫度有極大關係，換句話說，提拉過程中，毛細管陣 列的周圍叫中心部位軟，較容易流動，而如第三章第三節所述，毛細 管表面張力會驅使孔徑縮小，因此溫度高較容易流動的陣列周圍，孔 洞縮小的速度自然要比溫度低不容易流動的陣列中心快，而形成周圍 孔洞小，中心孔洞大的結果。

接著我們將此毛細管陣列置入厚壁玻璃毛細管後再提拉，並施予 正壓防止微孔崩陷效應，便可以製造出具有微結構的光纖，圖 4-2 是 微結構光纖在光學顯微鏡下看到的影像。而圖 4-3、4-4 為光纖端面 與針對端面中心微結構放大的電子顯微鏡影像。

圖4-3 光纖端面的電子顯微鏡影像(第一種製程)。

圖4-4 光纖端面中心的電子顯微鏡影像(第一種製程)。

由光學顯微鏡以及電子顯微鏡影像可以得出幾項結論，其一是光

圖4-5 插入實心玻璃的毛細管陣列經一次提拉後的端面影像。

圖 4-6 上圖針對中心部分放大。

圖 4-7 即為上述中心具有玻璃柱的毛細管陣列插入厚壁毛細管後 再提拉的結果，而圖4-8 為針對中心微結構放大的電子顯微鏡影像，

圖4-8 中 A 處即為插入玻璃柱所形成的效果，此處具有一個直徑將近 1 微米的小洞，是因為玻璃柱插入後產生較強的微孔崩陷效果所造 成，雖然此處並未如預期般完全崩陷，但相信只要增加縮徑比或插入 更密合的玻璃柱，便能使孔洞完全崩陷，形成纖心。

圖4-8 中 B 處長條形的大孔隙是毛細管陣列塞入厚壁毛細管時，

六角形毛細管陣列與厚壁毛細管之間的孔隙所造成，一般而言我們在 毛細管陣列中充氣導入正壓可以使孔隙消失，我們推測未消失的主要 原因是加熱不均勻，倘若提拉時雷射導入的熱不均勻，則較熱的部分 因為玻璃黏滯性較低，造成孔洞崩陷的速度快，使毛細管陣列某一邊 的孔洞迅速變少，因而體積變小，無法完好的貼附在厚壁毛細管內 緣；而提拉後纖心位置偏往長條孔隙處正是此說法的佐證。

圖4-8 光纖端面中心的電子顯微鏡影像(第二種製程)。

纖心偏離中心點造成嚴重的不對稱性，而周圍孔洞小，中央孔洞 較大的情形也破壞了此二維結構的週期性，而造成這些問題的主要成 因是熱的不對稱與不均勻。例如因為提拉時光纖偏離雷射焦點或雷射 光束本身校正並不完美造成加熱不對稱、材料對雷射的吸收深度造成 陣列內外溫度不一致等問題，都會使加熱變得不對稱或不均勻。

然而，為了改善這些製程不完美所造成的影響，以及簡化製程，

我們設計了第三種製程方法，製程如圖3-9 所示，不使用厚壁毛細管 作為纖衣，而是讓毛細管陣列周圍自然崩陷的孔隙成為纖衣，如此一 來毛細管陣列只經過一次的提拉，預期將會減少製程上不完美所帶來 的影響，並使製程簡單許多。

A

B

圖4-9 與 4-10 即為第三種製程所提拉出來的光纖，其直徑約為 90 微米，Λ約為 4 微米，兩圖分別為同一跟光纖的兩個端面，光纖長度 約2.7 公分；第三類光纖提拉時不需要施加正壓便能提拉出如圖所見 的結構，其原因應為孔洞大小較大(直徑約 2 微米)的緣故，較大的孔 洞微孔崩陷的效應相對較弱；此外，第三種製程製造的光纖纖心，比 起第二種製程纖心的大量偏移，確實改善許多。

圖4-9 光纖端面 A(第三種製程)。

圖4-10 光纖端面 B(第三種製程)。