離子束減薄

目前主要用於最後試片減薄步驟的方法包括圓弧型減薄(dimpling)、聚 焦離子束(focused ion beam；FIB)減薄、離子束減薄等，這些方法都可製造 出電子可穿透的薄區。

圖 3-20 為離子束減薄機(ion miller)內部結構圖。在上述幾種試片減薄 的方法中，我們採用離子束減薄作為本實驗之最後減薄步驟，本論文所使 用之離子減薄機為 Gatan 公司所製造，其型號為 Model 691，precision ion polishing system，簡稱 PIPS。此儀器以其高減薄效率可在低角度、短時間 內有效減薄出大面積之電子束穿透薄區。

圖 3-20 Ion miller 內部結構圖[60]

(a) (b)

(c) (d)

圖 3-21 (a)與(c)分別為單層纖衣與雙層纖衣結構之 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖 TEM 試片在離子束減薄前的端面拍照圖；(b)與(d)分別為離子束

Core

Core Core

Core

圖 3-22 (a)與(c)分別為抽絲塔製程纖芯直徑 13μm 與 27μm 結構之 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖 TEM 試片在離子束減薄前的端面拍照圖；(b)與(d)分別 為離子束減薄後的端面圖。以上所詳細敘述之完整 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖之 TEM 試片製作流程如圖 3-23所示，試片經鍍碳後，即可置入 TEM 作微結 構觀察。

(a) (b)

(c) (d)

圖 3-22 (a)與(c)分別為抽絲塔製程纖芯直徑 27μm 與 13μm 結構之

Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖 TEM 試片在離子束減薄前的端面拍照圖；(b)與(d)分別 為離子束減薄後的端面圖。[10]

Core Core

Core

Core

3.3.5.5 Cr

⁴⁺

:YAG 晶體光纖之 TEM 試片製作過程

3.4 光學量測設備介紹

3.4.1 雷射加熱提拉生長法光學量測設備介紹

3.4.1.1 單層及雙層纖衣 Cr

⁴⁺

:YAG 晶體光纖放大增益值量測設備 介紹

本論文所採用的量測方法乃先將波長＝1.4 μm 之訊號光源與波長λ

=1.064 μm 之激發光源，經由分波多工耦合器(1060/1550 WDM coupler)合 併送進單模矽光纖，並利用光纖切割刀(fiber cleaver)將單模矽光纖端面切割 平整之後與雙纖衣 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖端面對接耦合，在晶體光纖的輸出端 也用單模光纖對接耦合，接收從晶體光纖輸出的光波，從光功率計以及光 頻 譜 分 析 儀(optical spectrum analyzer; OSA)可 判 讀 訊 號 光 通 過 雙 纖 衣 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖之後的變化，便可加以計算得此樣品的增益(gross gain) 大小，架構如圖 3-24所示。

圖 3-24 雙纖衣Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖之增益量測架構[61]

圖3-24架構中以當作激發光源的是IPG 公司生產的高功率摻鐿光纖雷 射(Ytterbium fiber laser)，其規格如表 3-2 所示。此雷射為連續式輸出 (continuous wave)的 TEM₀₀單模光纖雷射，可以提供很強的激發光源強度，

最大輸出功率可達 10 W，且其中心波長λ=1064.12 nm，為 Cr⁴⁺:YAG 的最 佳吸收波長，當做Cr⁴⁺:YAG 之激發光源可以獲得較好的吸收效率，使得較 多的 Cr⁴⁺:YAG 基態電子躍遷至上能階產生居量反轉。

表3-2 Ytterbium fiber laser 規格表[61]

1064 Yb-fiber laser

Tunable laser

輸出中心波長 1064.12 nm 最大輸出功率 10 W

光源頻寬 0.35 nm 輸出光束直徑 5.1 mm 輸出光源模態 TEM₀₀

光纖規格 SM 1060

3.4.1.2 單層及雙層纖衣 Cr

⁴⁺

:YAG 晶體光纖自發輻射(ASE)設備介 紹

對於單層纖衣晶體光纖放大頻譜之量測，同樣是使用 λ=1400μm 的訊 號，搭配 λ=1064μm 的激發光源。但是在量測架構上和雙層纖衣的量測架 構略有不同，因單層纖衣晶體光纖的纖心直徑遠大於單模矽光纖的纖心，

所以若接上單模矽光纖，在耦光時只有少部分的光會耦入單模矽光纖的纖 心，其餘會在空氣中散失造成損失。對於此種情況，我們在對單層纖衣晶 體光纖時，在後端使用一無色差的透鏡再搭配一片長波通濾光片濾除激發 光，其架構如圖 3-25。

圖3-25 單層纖衣量測系統架構示意圖[61]

3.4.1.3 單層及雙層纖衣 Cr

⁴⁺

:YAG 晶體光纖折射率與螢光分佈量 測設備介紹

圖 3-26 為雷射掃瞄共焦顯微鏡之反射式折射率量測架構，分佈式回授 雷射(distributed feedback laser)，其波長為 635 nm 當作激發光源，入射至二 色分光鏡(dichroic beam splitter)並反射至 40 倍物鏡聚焦於待測物表面上，由 於待測物的折射率與空氣不同，因此會有部份反射光，反射光經 40X 物鏡

DFB laser (635 nm) Prism

圖 3-27為反射式螢光量測架構，以波長為1064 nm 之 Yb：fiber laser Silicon PD Lens

(For Cr³⁺)

Objective lens

600-900 nm band pass filter

Sample long pass filter

Pinhole Lens

Frequency doubled Nd:YVO₄laser (532 nm)

Yb fiber laser (1064 nm)

穿透，圖 3-29 為所使用。

圖3-28 反射螢光頻譜量測架構圖[55]

圖3-29 分光器特性曲線[55]

圖 3-30 為掺鉻光纖的自發輻射穿透螢光頻譜量測架構，我們使用波長

800 nm，激發功率為 200 mW 的激發光源，入射至分光器，經分光器反射 後，由 40 倍的物鏡聚焦在光纖的纖芯上，經過掺鉻光纖的傳遞後，從光 纖的另一端面穿透出，再以光譜分析儀來量測其自發輻射穿透螢光頻譜。

圖 3-30 掺鉻光纖自發輻射穿透螢光頻譜量測架構[55]

3.4.2.2 Cr

⁴⁺

:YAG 晶體光纖之折射率量測設備介紹

我 們 利 用 一 般 商 業 上 用 來 測 量 光 纖 折 射 率 曲 線 的 機 台 EXFO-NR9200，來測量掺鉻光纖的折射率曲線(Refractive Index Profile；

RIP)，圖3-31 為 EXFO-NR9200 之照片。

圖3-31 EXFO-NR9200[55]

圖3-32 為EXFO-NR9200 量測原理示意圖，此機台是利用光 纖散射的原理來量測其折射率曲線。用兩片透鏡將光源聚焦導入掺 鉻光纖中，由於訊號光在光纖之中會有散射的現象，導致在光纖外 面光學感測器收到的光訊號強度不同，同時需有已知的石英及匹配

液(matching liquid)的折射率作為比較基準值，如此即可推算出掺鉻光纖之 折射率曲線。

圖3-32 EXFO-NR9200 量測原理示意圖[55]

3.4.2.3 Cr

⁴⁺

:YAG 晶體光纖之損耗量測設備介紹

掺鉻光纖為以Cr⁴⁺：YAG 單晶棒為纖芯，石英為纖殼所製成的光學元 件，其兩種材料本身的吸收及兩者間介面之狀況不佳，皆會造成激發光源 和自發輻射光源在光纖裡面傳輸的功率損耗，而減少自發輻射光源的輸出 功率。

在量測傳輸損耗前，我們先將掺鉻光纖與一般標準單模光纖跳接線 (patched cord)做熔燒接合，如此即可以將光源耦合進掺鉻光纖的耦合效 率固定，然後再以不同長度之掺鉻光纖，利用長度刪減方法來量測其傳輸 損耗。為了可以準確量測計算出光纖的吸收和傳輸損耗，使用的光源為可 調波長的雷射光源，分別以1064 nm、1260 nm、1300 nm、1350 nm、1400 nm、

1450 nm、1500 nm 和1547 nm等波長之雷射光作為入射光源；將附有FC 接 頭的單模光纖跳接線直接插入可調波長的雷射光源之連接器，使得每次的 量測情況保持一致，減少人為的誤差。圖3-33 為傳輸損耗量測之架構圖。

圖 3-33 傳輸損耗量測之架構圖[55]

第四章---Cr

⁴⁺

:YAG 晶體光纖光學特性與結構分析 4.1 Cr

⁴⁺

:YAG 晶體光纖纖心結構觀察

4.1.1 晶纖結構量測

圖 4-1(a)為抽絲塔側照圖，是使用光學顯微鏡所拍攝之圖形。由前所

述，因抽絲塔在進行抽絲時，會由感測器用以控制所提拉之纖心直徑。而

圖 4-1(b)為LHPG 所生長之雙層纖衣晶體光纖側照圖。從圖中我們可以得知

雙纖衣和傳統的光纖及抽絲塔所生長的晶體光纖結構上的不同。傳統的光 纖及抽絲塔所生長的晶體光纖，只有單層纖衣。而 LHPG 所拉製的晶體光 纖可生長為雙層纖衣。雙層纖衣的優點是擁有較好的波導效果，而且光的 入射角若是過大，使得部分光線無法在晶體光纖中造成全反射，但仍可在 內纖衣中傳遞。雖然光在內纖衣中傳遞會有部分訊號的損失，但我們仍可 以藉由 Cladding Pump 來使訊號提高，達到傳輸訊號的效果。

(a) (b)

圖 4-1 (a) 抽絲塔生長法晶體光纖之側照圖 (b) LHPG 生長法晶體光纖側 照圖[60]

4.1.2 抽絲塔晶體光纖之纖心結構

由前述，我們可以知道 LHPG 提拉生長法和抽絲塔生長法是兩種不同 的製程。由於製程上的不同，也使得生長出來的晶體光纖在結構上也有所 不同。因 LHPG 可以藉由控制 CO₂雷射的功率，來決定生長熔區的大小，

因此可以生長出雙層纖衣及單層纖衣的結構。而抽絲塔生長法，雖然可以 控制生長腔體的加熱溫度，但是因為抽絲塔的生長腔體是個不可觀察的，

所以我們無法觀察其熔區來控所生長的晶體光纖。因此目前抽絲塔生長法 只能生長出單層纖衣的晶體光纖。

4.1.2.1 加負壓之晶體晶纖

.由前敘述的加負壓之抽絲塔生長法所提拉出來的晶體光纖，其真圓度 小於 3％，其纖心接近正圓，如圖4-2 所示。

圖 4-2 抽絲塔生長法所提拉加負壓之晶體光纖端面圖[55]

4.1.3 LHPG 晶體光纖之纖心結構

在雷射提拉生長法(LHPG)方面，因 LHPG 生長法可以穩定的控制熱源 的功率，所以可以很精準的控制生長時的熔區大小。因此，我們可以藉由 觀察熔區來生長單層纖衣的晶體光纖(Single Cladding Cr⁴⁺:YAG Fiber)或雙 層纖衣的晶體光纖(Double Cladding Cr⁴⁺:YAG Fiber)。

4.1.3.1 LHPG 雙層纖衣晶體光纖

圖 4-3為LHPG 生長法所生長出來的雙層纖衣的晶體光纖。

圖4-3 LHPG 生長法所提拉之雙層纖衣晶體光纖[10]

4.1.3.2 LHPG 單層纖衣晶體光纖

圖 4-4為LHPG 生長法所生長單層纖衣的晶體光纖。

圖4-4 LHPG 生長法所提拉之單層纖衣晶體光纖[10]

從圖中很明顯可以看出單層纖衣的纖心明顯較雙層纖衣要大，其差異 會在後面的章節詳細說明。由我們先前研究結果發現。目前 LHPG 所生長 的單層纖衣晶體光纖，其纖心約是抽絲塔生長法所生長出來的晶體光纖纖 心的十倍大小。抽絲塔所生長的單層纖衣的晶體光纖之纖心其直徑之所以

相較於 LHPG 提拉生長法所生長的單層纖衣的晶體光纖小，主要原因是因

(SiO4)^4-，(Si2O7)^6- 等[8-13]，且當Cr³⁺ 及Cr⁴⁺ 位於SiO2 與YAG 混合基材結 構內時，Cr³⁺ 輻射中心波長會由 700 nm 往長波長1000 nm 偏移，而Cr⁴⁺ 輻 射中心波長會由 1400 nm 往短波長1250 nm 偏移，這結果與使用LHPG 方 法生長之雙纖衣掺鉻光纖之內纖衣的特性相似。

圖

4-5 纖心 26 μm 之掺鉻光纖反射螢光頻譜[55]

圖 4-6 纖心 16 μm 之掺鉻光纖反射螢光頻譜[55]

接著是穿透螢光頻譜量測結果。圖4-7 及4-8 分別為我們量測26μm及 16μm 的掺鉻光纖所得之螢光頻譜。圖4-7 為激發光源經過2.1 公分纖芯直

徑為 26μm 的掺鉻光纖所量到穿透螢光頻譜，其在1250 nm 及1400 nm 附 近有兩個峰值，在1.5 瓦的激發能量下，輻射功率密度已從每nm 有pW 的 功率，成長至平均值接近有0.5 nW，這比未加入預型體負壓控制製程的功 率已經大了近一千倍，三個數量級左右。而圖4-8 所示為激發光源經過 3 公分纖芯直徑為 16μm 的掺鉻光纖所量到穿透螢光頻譜，其中心波長以平 移至1400 nm 附近，且在400毫瓦(mW)的激發能量下，輻射功率密度更成 長至每nm 平均值接近有2 nW 左右，且其擴展之範圍在 1250 nm 至1550 nm，有大約 300nm 左右的放大頻寬[4,17]。而往長波長移動的原因是當激 發光源在光纖中傳輸一段距離後，所經過的增益介質較多，Cr⁴⁺ 離子會再 吸收Cr³⁺ 離子所產生之較長波長的螢光，產生自發輻射螢光。Cr⁴⁺ 離子吸 收越多Cr³⁺ 離子所產生的螢光，使得自發輻射螢光的中心波長越往長波長 1400 nm 附近移動。

圖 4-7 纖心 26 μm 之掺鉻光纖穿透螢光頻譜[55]

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