Cr 4+ ：YAG 預型體製造及其製程

在下面的章節，將說明我們在光纖預型體製作的演進，以及其相 應的製程。

由於 Cr⁴⁺離子必須要摻雜在YAG 晶體中才會有 1.3 µm 至 1.6 µm 的自發輻射頻譜，所以無法像一般摻鉺光纖使用內部沈積(MCVD)的

方式製作 Cr⁴⁺：YAG 預型體。早期本實驗室是利用套管的方式製作 Cr⁴⁺：YAG 預型體，利用自動焰磨車床，如圖 3-16 所示，以氫氧焰 作為加熱源，將Cr⁴⁺：YAG 晶體放入石英管中，進行縮套製程。

裸光纖外徑

上第一層被覆後外徑

上第二層被覆後外徑

圖3-16 自動焰磨車床

圖3-17 摻鉻晶棒套入石英管中

因 Cr⁴⁺：YAG 晶棒之外徑約在 5mm 左右，故先以外徑 8 mm / 內 徑6 mm 之石英套管進行，以減少套管與晶棒間之空隙。將其石英管 放置至自動焰磨車床上，把 Cr⁴⁺：YAG 晶棒置入管內，以氫氧焰加

Cr⁴⁺：YAG 晶體

石英管 氫氧焰

熱，利用加熱石英套管使其內縮包覆晶棒，進行晶棒套管。利用多次 套管的方式，製作出內徑為5 mm 外徑為 60 mm 的 Cr⁴⁺：YAG 預型 體。

但由於石英的熱膨脹係數(5.5×10^-7 /℃)與 Cr⁴⁺：YAG 晶體的熱膨 脹係數(7.7×10^-6~8.2×10^-6 /℃)相差過大，故使用套管的方式製作在退 火時因會產生熱應力，而使預型體破裂，如圖3-18 所示。

圖3-18 利用套管方式製作 Cr⁴⁺：YAG 預型體退火後的情形

為了解決套管方式在退火過程中產生的熱應力，我們使用類似 Rod-in-Tube(RIT)[27-28]的方式，以機械加工的方法來製作 Cr⁴⁺：YAG

預型體，此方法採用實心的石英棒，可以避免預型體在製作過程中，

因為退火所產生的熱應力。

熱應力產生所造成的破裂

首先，將直徑為62.5 mm 的石英棒中心鑽一個直徑為 6 mm 的孔 洞，且將孔壁作機械拋光，並將頭端磨成尖錐形，使預型體容易掉絲。

再利用稀釋之氫氟酸(HF)將鑽孔造成的粉末以及刻痕清洗乾淨。再將 直徑為5 mm，長度為 5 cm 的 Cr⁴⁺：YAG 晶棒放入石英棒中，再用 石英條將晶棒後面的孔洞封住，然後在後末端接上60cm 長之複製棒 (silica dummy)內，製成光纖預型體。在抽絲塔的製程中，石英棒即成 為光纖的纖殼(cladding)；Cr⁴⁺：YAG 晶棒即成為光纖的纎芯(core)。

圖3-19 為 Cr⁴⁺：YAG 光纖預型體示意圖，圖 3-20 為 Cr⁴⁺：YAG 光纖 預型體實體圖。

圖3-19 Cr⁴⁺：YAG 光纖預型體示意圖

圖3-20 Cr⁴⁺：YAG 光纖預型體實體圖

Cr⁴⁺：YAG 晶棒與石英棒的直徑比例為 10：125，抽出來的 Cr⁴⁺： YAG 光纖外徑即為 10：125，故控制 Cr⁴⁺：YAG 晶棒與石英棒的直 徑比例即可以控制所生長出Cr⁴⁺：YAG 光纎纎殼與纎芯的比例。

在抽絲製程方面，一開始的時候，我們採用與一般單模光纖的製 程參數，先將光纖預型體下降至石墨加熱器的加熱中心時，直接將溫 度升溫至2150 ℃，結果升溫過程中預型體因為產生熱應力而斷裂，

如圖3-21 所示。

圖3-21 預型體因熱應力而斷裂

由表3-1 石英與 Cr⁴⁺：YAG 晶棒材料特性比較可知。由於 Cr⁴⁺：

→1600 ℃。由於石英並非晶體，沒有熔點(melting point)只有軟化點 (softening point)，且石英軟化點為 1667 ℃；而 Cr：YAG 晶棒為晶體，

有熔點並沒有軟化點，Cr：YAG 晶棒熔點為 1970 ℃，當溫度升至 1600

表3-1 石英與 Cr⁴⁺：YAG 晶棒材料特性比較[29]

材料 石英 Cr⁴⁺：YAG 晶棒 退火點 1140 ℃ 無

軟化點 1667 ℃ 無

熔點 無 1970 ℃

熱膨脹係數 7.7~8.2×10^-6 /℃ 5.5×10^-7 /℃

折射率 1.458 1.82

當抽絲抽至 YAG 晶棒與石英交界處時，材料狀態有很大的差異 性，因此會造成所抽出的光纖絲外徑突然變大，如圖 3-22 所示。此 突然變大的外徑會造成光纖絲無法通過眼膜，而使抽絲製程中斷。

圖3-22 外徑突然變大的摻鉻光纖

因此我們採用兩段抽絲的方式，當光纖絲塞住眼膜之後即停止抽

型體內部的 YAG 晶體已經被抽到了，且有被拉成細絲的現象，這樣 可以避免再進行第二次抽絲時摻鉻光纖絲的外徑突然變大，塞住眼膜 造成抽絲作業停止。

圖3-23 二次抽絲的光纖預型體

我們成功的用抽絲塔抽出10 km 的摻鉻光纖，其端面圖如圖 3-24 所示，其中纖芯的直徑為10 µm，纖殼直徑為 125 µm。圖 3-25 為 Cr⁴⁺： YAG 晶體光纖的側面圖。

圖 3-24 Cr⁴⁺：YAG 晶體光纖端面圖

圖3-25 Cr⁴⁺：YAG 晶體光纖側面圖

此方法雖然已經成功的抽出摻鉻光纖，但是在製程上卻無法十分 穩定，每當抽至YAG 晶棒與石英交界處時，光纖外徑都會突然變大，

塞住眼膜，造成製程中斷。最主要的因素就是晶棒在預型體中並不是 固定的，當石英套管加熱變軟後，晶棒可能有一部份仍為固體，所以 會受到重力影響而往下移動，而當其融化時，包裹在晶棒周圍的石英 太薄(如圖 3-26)，導致 YAG 和石英的比例不對無法順利抽絲。而且

纖殼 纖芯

纖殼

纖芯

形狀。

為了增進光纖品質及改善抽絲過程，我們使用了新的預型體作法 以及製程上添加預型體內之壓力的控制。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 們在石英套管方面，採用了由 MCVD 一體成形所生長的，如圖 3-27 所示。我們目前使用內外徑比12:32 之套管，利用火焰將前端燒結成 尖錐狀以方便掉絲及撐住YAG 晶棒，然後將直徑 3mm 之 YAG 晶棒 置入其中。

圖3-27 預型體示意圖

內外徑比例不對

在壓力控制方面，如圖 3-28，我們在空心石英套管末端以真空泵 浦進行壓力控制，藉由控制壓力及抽絲速度及預型體推進速度去調整 我們想要的內外徑。因為加上負壓的因素，可以抵消作用於YAG 晶 棒上的重力以及提高纖芯的真圓度。

圖3-28 加負壓示意圖

圖 3-29 為我們使用新製程所抽出來的光纖，其中纎芯的直徑為 26 µm，纎殼直徑為 125 µm，所長出的光纖在纖芯的真圓度上已經有 了很大的改善。

吸氣

圖3-29 Cr⁴⁺：YAG 晶體光纖端面圖