電場導致微擺動

根據我們實驗室團隊先前研究，藉由外加電場約1 kV/mm即可 導致極化反轉(poling)的產生[6]。然而在生長過程中，晶纖受到電場 感應而有微擺動的產生，微擺動影響了熔區內溫度梯度狀態與離子 濃度的分布，而這些因素將影響整個poling的機制；因此在此節將對 微擺動的機制與影響做一說明，並且提出我們嘗試改變的poling方式 與機制。

3.2.1 微擺動致區域極化反轉

LHPG 長晶法在熔區所產生的溫度梯度遠大於柴氏長晶法，由於 鈮酸鋰具焦電性質，因此溫度梯度的分布將形成焦電電場(pyroelectric field)，其電場可表示為：

E=Q∇T

其中Q為熱電功率張量(thermoelectric power tensor)

在鈮酸鋰晶纖生長過程中，鈮酸鋰晶體沿 x 軸生長，在自然生長 的狀態下，其固液界面的溫度梯度分布如圖 3.7(a)所示；由圖可知，

其溫度梯度在正負 z 方向上皆會有一定的分量產生，溫度梯度導致焦 電電場產生後，在 z 軸方向上將會有部分的電場分量，因而決定了晶 纖的極化方向，使得生長出的鈮酸鋰晶體自然形成雙區域(bi-domain) 結構，其區域界面(domain wall)恰位於晶體光纖的 y 面中央，如圖 3.7(c) 所示[31]。

(a) (b) (c) 圖 3.7 (a)固液界面的溫度梯度

(b)溫度梯度在 z 軸上的分量 (c)雙區域結構形成

除了雙區域結構的形成與我們欲得的週期性反轉相違，另一方 面，由於我們是屬高溫製程，晶體中的鋰離子(Li⁺)因擁有較低的活化 能而較易游離析出，鋰離子的減少將會增加晶體的缺陷，且因外擴散 所造成的鋰離子濃度減少將會導致電子密度的增加[32]。對於我們的 生長架構，生長中的晶纖以超過 1260 ℃的溫度熔融於熔區中，在高 溫區域中將會產生大量的空間自由電荷(free space charge)分布，影響 我們外加電場的分布與極化反轉的過程。

依據之前實驗室研究團隊的分析，熔融區附近的負電荷將受到正 電場之吸引力與負電場之排斥力，因而造成生長時晶纖的微擺動現 象。其中圖 3.8(b)表示未施加外加電場時，晶體光纖的位置，圖 3.8(a) 表示當施加+z 方向的電場時，晶體向左擺動之位置，圖 3.8(c)表示當 施加-z 方向的電場時，晶體向右擺動之位置。由圖中可知，當晶體於 生長過程中發生微擺動現象時，固液介面及居里溫度之等溫線將不再 是對稱的弧狀，而是呈現一邊高一邊低的狀態，此種新的溫度梯度分 布狀態，將有助於破壞鈮酸鋰晶體在自然生長下因焦電電場形成的雙 區域結構，且橫向溫度梯度而產生之熱電場亦能增強部分被空間電荷

阻絕的外加電場，進而實現週期性極化反轉的目的[33]。

(a) (b) (c)

圖 3.8 不同電場方向下熔區微擺動的影像(白色箭頭表示溫度梯度) (a)施加電場於+z 方向；(b)未施加電場；(c)施加電場於-z 方向

因此，綜合溫度梯度與濃度的分布，再加上電場導致的微擺動 使熔區固液界面產生不對稱的偏移，決定了我們 poling 的過程與結 果。為了了解微擺動所造成的影響，我們在長晶過程中施加 1 kV/mm 的電場，以長度 20 mm 的子晶生長，比較在不同長度時微擺動大小 對極化反轉結構的影響，如圖 3.9。由圖可知，微擺動大小隨著晶體 長度增加而增大，而區域反轉結構在最初生長時呈對稱的雙區域結 構，這是因為微擺動的幅度不足，使得固液界面上的溫度梯度形成 依然分別向正負 z 軸的熱電場，隨著晶體長度的增加，微擺動的影 響也明顯增加，週期性的極化反轉結構開始向晶纖中心擴散，且隨 著微擺動的增大而趨於明顯。

20 30 40 50 60 70 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Swing amplitude (mrad)

Crystal length (mm)

圖 3.9 晶體長度與微擺動對極化反轉結構的影響

3.2.2 脈衝式波包電場的嘗試

由上節中討論可知，藉由加交流電壓源於電極，在生長過程中 造成新生長的晶纖因正負電場的變化而造成的微擺動，可以降低因 自由電子所造成的屏蔽效應，使得電場容易作用至晶纖而達到極化 反轉的目的。然而，影響微擺動的原因極多，控制亦有所難度；單 純因功率的變化引起熔區些許的起伏，微擺動便會有明顯的變化。

因此，我們欲尋求一個可以不需靠擺動的機制來達到極化反轉的方 式，而自由電荷所引起的屏蔽效應便成為首要的考量。

屏蔽效應的產生，主要是由於在高溫下鋰離子析出，使得電荷 失去平衡，產生自由電子累積而形成，只要自由電子不累積，則屏 蔽效應將消除。基於這個概念，我們提出以脈衝式波包電場做為外 加電場的想法。如圖 3.10(a)所示為我們原本施加的方波電場，其週

期是經由 3.1 式所計算決定；而我們則是保留此週期，利用 LabVIEW 設計出內含快速脈衝的方波波包，做為新的外加電場，如圖 3.10(b)。

如此一來，原先的正電場將變為正電壓與零快速的切換，外加負電 場亦然；而整個正負電場的週期依然為我們原先的設計。我們預期 透過快速的脈衝電場切換，可以使得高溫區的自由電子來不及累積 形成屏蔽效應；另一方面，子晶的微擺幅是依照電場的感應做機械 式的規律擺動，當受到這種脈衝式的波包電場感應，若電場切換的 頻率到達一定程度，使得機械式的子晶擺動無法跟上，則原本的微 擺動將有機會減小、甚至趨於消失。

0 200 400 600 800 1000

-2 -1 0 1 2

0 200 400 600 800 1000

Applied voltage (kV)

Time (ms)

-2 0 1 2

lied voltage (kV) -1

Time (ms)

App

(a) (b)

圖 3.10 (a)一般方波電場 (b)脈衝式波包電場

我們以這種形式的電場加入生長系統內，以強度為 0.7 kV/mm 的脈衝開始實驗，隨著程式控制脈衝數的增加，子晶原本規律性的 微擺動擺幅逐漸減小，但卻會伴隨不規則的快速振動，熔區與固液 界面也因為快速的振動而無法達到穩定的生長。

我們試圖增加波包內的脈衝數，希望在脈衝增加後，不穩定的

現象能夠減小；然而受限於高壓放大系統的頻寬，在波包內脈衝數 為 5000 個時，其脈衝的頻率已達近 16 kHz，而此時電場強度僅可達 33 V/mm，在這樣的情況下，由於電場極小，振動亦極不明顯。在 我們交叉實驗各種脈衝數與電場強度的組合後，我們將所得的晶纖 以碳塊包覆，將其 Y 面研磨拋光後，以 50 %的氫氟酸(HF)蝕刻十小 時，希望能了解此快速的脈衝電場對於鈮酸鋰晶體極化的影響。

圖 3.11 為晶纖 Y 面的蝕刻整理結果；在低電場、穩定的熔區下，

不論脈衝數的多寡，其晶體結構皆為雙域結構，這與我們正常生長 下所得結果相同，如圖 3.11(a)；然而在電場逐漸升高，亦即熔區有 不穩定的振動下，晶體的結構開始轉為單域結構(single domain)，如 圖 3.11(b)，而這也是我們新的發現。由於單域結構比雙域結構更容 易產生週期性極化反轉，因此有機會做為後續處理的材料。

(a) (b) 圖 3.11 (a)穩定熔區生長下的晶纖結構

(b)具快速振動的熔區生長下之晶纖結構

雙區域結構的形成，表示熔區溫度梯度分布導致的熱電場仍為 決定晶體極化的主要依據；因此在脈衝電場強度較低，無擺動及振 動的情況下，所施加的脈衝波包電場並無法作用至晶纖，亦無法改 變熱電場造成的雙區域結構，而達到我們週期性極化反轉的目的。

至於單域結構的形成，我們認為與不穩定的熔區有關；在快速振動 的熔區內，其溫度梯度的分布隨著施加的電場及振動的幅度不斷改 變，當新生長出的鈮酸鋰晶纖由順電相轉為鐵電相的瞬間，外加電 場、熱電場均不斷的改變，在缺少一個主要作用場的情況下，我們 認為鈮酸鋰晶體將以其最低位能的晶體結構形成。由圖 2.9(a)我們可 知，鋰離子在氧平面上下皆可存在，在氧平面之上為其位能最低，

此時極化為正 z 方向，而我們知道正 z 極化的蝕刻速度遠小於負 z 極化[34]，因此正 z 極化的區域蝕刻後影像為較平滑的淺色；而這個 推斷正與我們蝕刻後的結果完全吻合，因此我們認為此一不穩定熔 區導致生長出來的鈮酸鋰晶纖為正 z 極化的單域結構。

3.2.3 外加電場與微擺動的控制

由上節的實驗，我們並無法得到簡易的方式來達成極化反轉，

因此我們朝改善原本製程的方向前進。由 3.2.1 的討論可知，在生長 過程中新生長的晶纖因正負電場的變化而引起的微擺動，可以降低 因自由電子所形成的屏蔽效應，使得電場容易作用而達到極化反轉 的目的，因此，微擺動的控制就顯得格外重要。微擺動的偏移量主 要取決於交流電壓源的信號大小與晶體長度，當生長過程中所造成 的微擺動超過一定值時，將有助於破壞鈮酸鋰晶體在自然生長下的 雙區域結構，補償部分被空間電荷阻絕的外加電場，實現週期性極 化反轉的目的。

然而，在生長過程中，我們以CO2雷射當做加熱源，CO2雷射經 過拋物面鏡聚焦於晶棒頂端使其熔融，由於其聚焦於源棒上的點固 定，過大的微擺動將會使得晶體偏離聚焦點過多，而造成已形成極 化反轉的區域結構因再度接觸CO₂之光束而重融，破壞原本已形成的

極化反轉結構。另一方面，我們生長的子晶尺寸為165×210 μm²，過 大的微擺動容易使得在晶體拉提時因擺動過大而斷裂。因此，在長 晶過程中，控制適當的微擺動擺幅使其足以達到極化反轉而又不使 子晶斷裂，是形成週期性極化反轉結構的必要條件。

實驗中，由於新生長晶纖長度的增加，為了維持相同的擺幅控 制，交流電壓源所提供的極化反轉電壓要隨晶纖總長度增加而降 低。為了了解擺幅對於極化反轉結構的影響，我們以不同的參數做 實驗，針對不同擺幅所對應極化反轉結構狀態的影響，其中，擺幅 比(swing ratio)意指擺動之最大位移量與未擺動時長出的晶纖直徑比 值，所歸納出如圖3.12，圖中顯示出，在微擺動擺幅比小於1時，無

實驗中，由於新生長晶纖長度的增加，為了維持相同的擺幅控 制，交流電壓源所提供的極化反轉電壓要隨晶纖總長度增加而降 低。為了了解擺幅對於極化反轉結構的影響，我們以不同的參數做 實驗，針對不同擺幅所對應極化反轉結構狀態的影響，其中，擺幅 比(swing ratio)意指擺動之最大位移量與未擺動時長出的晶纖直徑比 值，所歸納出如圖3.12，圖中顯示出，在微擺動擺幅比小於1時，無