第二章 ---Cr 4+ :YAG 晶體光纖原理及應用
3.2 晶體光纖製程
3.2.1 抽絲塔生長法
3.2.1.1 Cr
4+:YAG 第二代預型體製程
為了解決套管方式在退火過程中產生的熱應力，並增進光纖品質及改善 抽絲過程之連續性，我們使用管中棒 ( RIT ) 的方式，以機械加工的方法來 製作新的 Cr4+：YAG 光纖預型體以及在抽絲製程加上負壓的控制。在新的 預型體方面，為了消除石英套管在鑽洞時所殘留的機械應力以及鑽洞後內 壁的粗糙度，我們將 Cr4+：YAG 光纖預型體的石英棒部分，改為採用了由 一體成形所生長的石英管。利用氫氧焰將前端燒結成尖錐狀以方便掉絲及 撐住 Cr4+：YAG 晶棒，然後將直徑 3mm 之 Cr4+：YAG 晶棒置入其中，如 圖 3-2 所示。
圖3-2 第二代預型體示意圖
便不須於末端再接上複製棒 ( Silica dummy rod )。在抽絲製程中以真空泵浦 於預型體末端之管口進行負向壓力控制，藉由控制壓力、抽絲速度及預型 體推進速度去調整我們想要的掺鉻光纖外徑。因為加上負向壓力控制的因 素，可以抵消作用於 Cr4+：YAG 晶棒本身的重力，並會稍微增加軟化後的 石英包覆力，使得製程得以連續。
3.2.1.2 商用抽絲塔介紹
在介紹抽絲塔生長法之前，在此先介紹我們目前所使用的抽絲塔，圖 3-3 為華榮電線電覽之抽絲塔示意圖，我們所使用的是商用型，塔高 21 公 尺，最大抽絲速度可達 2000m/min 最大溫度為 2300 ℃ 抽出裸光纖絲的外 徑為 125 μm，經過兩次被覆後外徑為 245 ± 5 μm。抽絲時，光纖絲的張力 介於 0 至 200 g。詳細的細部介紹會在後面的製程中詳加說明。
圖3-3 抽絲塔示意圖[60]
3.2.1.3 負壓控制之 Cr
4+:YAG 抽絲製程
在負壓控制抽絲製程方面，所使用的抽絲塔為芬蘭公司所架設的，有
之載具，然後將預型體緩慢下降至石墨加熱爐的中心加熱區，接著接上一 真空泵浦，進行負向壓力控制，如圖 3-4 所示。進入石墨爐長度約15 ~ 20
㎝，而後將溫度升溫至 2150 ℃。待溫度上升達 2150 ℃ 後，約等待 30 至 40 分鐘，讓光纖預型體頭端軟化，形成初始掉絲之頭端，經由其重力的作 用，將預型體頭端拉細成光纖絲而帶下。利用牽引轉輪的帶動、預型體推 進之速度與預型體在石墨爐內之鉛直位置的控制，把光纖之外徑控制在小 於 180 μm 後，穿過兩道眼膜(Eye die)，並進行兩次的被覆(coating)及固化 (curing)之製程，加強光纖之強度，最後以自動捲軸拉絲，拉取具有 125 μ m 穩定外徑的光纖絲，最後將光纖絲收取成軸。
而加上負壓的優點，除了可以抵消作用於Cr4+：YAG 晶棒本身的重力，
使得抽絲製程得以連續外，並可提高纖芯的真圓度至小於3%，降低傳輸損 耗，並減少預型體於石墨加熱爐內之時間，減少Cr4+：YAG 晶體與石英間 的擴散，提升纖芯的折射率，並將自發性輻射螢光功率密度提昇至nW/nm 等級。而圖3-5為負壓控制之Cr4+:YAG抽絲製程流程圖。
圖3-4 加負壓示意圖[55]
負壓控制在 100 帕(Pa)的負向壓力可在管內形成 1.13 克的吸力，1000 Pa 則約可以產生 11.3 克之吸力，可抵消 Cr4+：YAG 晶棒所產生之重力的 7 % 至 71% 左右的重力，並加強軟化態石英對 Cr4+：YAG 液態的包覆力，
以免將軟化態石英撐破而漏出。
圖3-6 為我們使用負壓控制製程所抽出來的晶纖之端面圖，其中圖 3-6(a)之纖芯的直徑為26 μm，纖殼直徑為125 μm；圖3-6(b) 之纖芯的直 徑為16 μm，纖殼直徑為125 μm。已可明顯發現所長出的光纖在纖芯的 真圓度上已經有了很大的改善，其約可以小於3%。
(a) (b)
圖3-6(a) 26μm 負壓製程之掺鉻光纖端面圖[55]
圖 3-6(b) 16μm 負壓製程之掺鉻光纖端面圖[55]