生長方式與架構

傳統的PPLN製程，大多是以一LiNbO3塊材為基板，配合光罩定 義欲反轉週期，再以液態電極加上高壓電場，得到一週期性極化反轉 晶體。而我們實驗室是採用LHPG法生長小尺寸的晶體光纖，藉由一 外加電場，可以較簡單的達到極化反轉的目的，以下將對整個生長架 構作介紹。

3.1.1 雷射加熱基座生長法

常見的生長晶體的方法有柴氏長晶法、Verneuil 法、浮動熔區 (floating zone) 法、 Bridgman-Stockbarger 法、高溫溶液法等，其中 柴氏長晶法為近來較多人討論與使用，此法可以生長出大面積的晶 體，但是由於其製程方式有耗時、耗能以及坩鍋污染的缺點，且無法 生長出直徑數十微米的晶體，故較不適用於晶體光纖的生長。因此我 們採用 LHPG 法，藉由聚焦之雷射做為加熱光源，以生長出直徑更 小、品質更好的晶體。

LHPG 法是利用聚焦後的二氧化碳雷射做為加熱光源，加熱原始 晶棒使其熔融，再以單晶做為子晶，接觸熔區與以接合並拉提，生長 出晶體，如圖 3.1，其中晶體的直徑取決於原始晶棒的尺寸與拉提的 速度比率。

原始晶棒 熔區 CO2雷射

子晶 新生長的晶體

圖 3.1 LHPG 生長方式示意圖

我們選擇 LHPG 法生長，主要是其具有下列優點：

1.高生長速度、高溫度梯度

以聚焦的雷射光束為熱源，其生長方向上的溫度梯度可達 10 ⁴

℃/cm[29]，比傳統柴氏長晶法的溫度梯度(20~50 /cm℃ )高出 20 倍之 多。在生長速度上，LHPG有相當的彈性，而我們的系統，其生長速 度範圍可在 0.025~100 mm/min之間，可以有效的節省時間。

2.無坩鍋污染問題

晶體的熔區乃雷射加熱原始晶棒之一端而達熔融，不會與任何容 器接觸，因此在生長過程中，不會發生坩鍋污染而造成晶體品質受影 響的問題。

3.適用於生長不同的晶體

依據所生長的晶體特性，我們可透過調整雷射功率來配合不同晶 體的生長熔區。另一方面，以 LHPG 法生長之晶體其組成與晶體軸向 完全遵循子晶的特性，因此，可在不改變長晶系統架構下，只改變子 晶晶格方向的選擇，就可以生長出不同晶格方向的晶纖。此外，也可 以將材料粉末依比例混合，壓成硬塊作成原始晶棒，以供生長晶纖使 用。

4.可生長直徑極小的晶體光纖

生長出的晶體光纖直徑取決於熔區高度、拉提速度比以及源棒 直徑，可藉由調整雷射光束輸出功率改變熔區或增加拉提速度比，

即可長出直徑約數微米的晶體光纖。

我們所架設之LHPG長晶系統如圖3.2所示，以一50 W之CO2雷射 為光源，先以一分光鏡(beam spliter)與校準所須之氦氖雷射(He-Ne laser) 耦 合 至 同 一 光 路 上 ， 經 兩 平 面 鏡 反 射 後 進 入 一 偏 振 片 (polarizer)，其主要目的是可透過偏振片的轉動來調整輸出的雷射功 率，經後方beam spliter及光偵測器(detector)，我們可推算進入生長 腔內的功率；後方兩突透鏡配合其焦距及擺設位置，將原本直徑5 mm之光束擴束到直徑30 mm，並且近似平行光入射生長腔體(growth chamber)。生長腔體架構如圖3.3所示，當CO2雷射進入生長腔後，經 內外錐狀面反射，形成一空心光環，再經平面鏡反射，拋物面鏡聚 焦在原始晶棒上，使晶棒產生熔區後，再將子晶往下移使與熔區接 觸，由電腦控制步進馬達帶動子晶與源棒，往上提拉生長成晶體光 纖。

CO² laser He-Ne

Polarize Growth

chamber

Detector Block

Mirror

B.S Mirror

Mirror B.S

Pin hole Lens Lens

Pin hole

PC

圖 3.2 LHPG 系統架構圖

源棒 拋物面鏡 子晶

內圓錐反射鏡 外圓錐反射鏡

平面鏡

平面鏡

圖 3.3 生長腔示意圖

我們所使用的為 50 W 的近似連續光雷射，重複頻率為 24 kHz，

除了提供熔區所需之能量，其功率穩定度可長時間維持於±1%內的變 動，因此在生長晶纖時可以避免因為加熱源不穩定，造成熔區改變而 形成晶纖節點與直徑起伏等問題。另一方面，我們以軸控卡輸出脈衝 信號，各別控制子晶與源棒平移台上的步進馬達速度，提拉出晶體光 纖，同時以較高的減速比降低馬達的振動。

晶纖與電極的校準，則是使用兩部顯微鏡和兩部準直儀控制電極 與晶纖的相對位置以及晶纖的方向，同時使用兩部電荷耦合偵檢器 (charge-coupled device; CCD)以互相垂直的方向，即時觀察晶纖的外 形、熔區形狀、大小和固液界面的形狀與變化。電極位置則是向下延 伸到熔區的 3/4 高度，如圖 3.4 所示，兩電極相距 3 mm，藉由 D/A card 送一類比訊號至高壓放大器，使訊號放大 1000 倍，以提供足夠的高 壓外加電場給晶體，一般使用約 1 kV/mm 之外加電場。

圖 3.4 電極架設示意圖

3.1.2 電極架設與外加電場

利用外加電場產生極化反轉的概念是來自於 Ballman 的週期性極 化反轉鉭酸鈮實驗[30]，如圖 3.5 所示，當晶體在溫度高於 Tc時，適 當的給予一均勻電場，其自發極化方向會隨著外加電場的加入而改 變，一旦晶體溫度小於居里溫度，其矯頑電場立刻升高，外加電場將 無法再改變晶體極化方向，晶體由順電相轉為鐵電相，達成了極化反 轉的目的。利用於我們 LHPG 的系統，當新生長出的子晶其溫度高於 居里溫度時，外加電場作用使其極化改變，由於在生長方向上的溫度 梯度極大，晶體溫度將很快的下降而進入梯形區域而其極化方向也將 被固定。

圖 3.5 區域反轉概念示意圖

至於極化反轉之週期，在一般的塊材製程上，是設計光罩產生欲 反轉週期，配合蝕刻法定義液態電極的位置，再加高壓進而反轉晶體 之極化方向。而以 LHPG 法，我們是利用兩根電極，外加一週期性方 波產生隨時間變化的近似平行電場，而此方波的週期則是由生長速度 以及 QPM 設計之週期來決定；如 3.1 式所示：

Λ =V g ×T (3.1)

其中，Λ為 QPM 設計週期(μm)，Vg (μm/sec)子晶生長速度，T (sec) 為外加電場週期。當 QPM 計算出所需的反轉週期後，可透過生長速 度改變來調整外加電場週期。圖 3.6 所示則為我們生長極化反轉週期 15.45 及 18.9 µm 之生長速度與電場頻率的關係。

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

15.45 μm 18.9 μm

E-field freqency (Hz)

Growth speed (mm/min)

圖 3.6 電場頻率與生長速度之關係

由於生長速度在低於 1 mm/min時將會明顯的有鋰離子(Li⁺)析 出，因此生長速度有其下限，然而晶體極化反轉亦須有一定的電場作 用時間，故外加電場週期有其限制，基於以上兩個原因，將限制我們 可以反轉的最小極化反轉週期，在設計QPM時須額外注意。