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

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]

圖 4-8 纖心 16 μm 之掺鉻光纖穿透螢光頻譜[55]

4.2.1.1.2 Cr

:YAG 晶纖之折射率量測結果

首先是反射式折射率量測結果。圖 4-9、圖 4-10 分別為纖芯直徑為 26 μm 及 16 μm 的摻鉻光纖之折射率分佈圖，在量測的設定上，是以光纖 最外層纖殼折射率為 1.458 為基準來進行量測。從圖中我們可得到纖芯直 徑為 26μm 的掺鉻光纖其纖芯折射率為 1.61，折射率差為 9.4% ；纖芯 直徑為 16 μm 的掺鉻光纖其纖芯折射率1.55，折射率差為6.0%。我們知 道 Cr⁴⁺：YAG 晶棒其折射率為 1.82，石英管的折射率為 1.458，而目前所 量測到的掺鉻光纖纖芯折射率分別為 1.61 與 1.55，造成掺鉻光纖纖芯折 射率降低的最主要因素是因為在抽絲過程中 Cr⁴⁺：YAG 晶體由固態變成液 態，石英管則為軟化態，纖芯中的 Cr⁴⁺：YAG 晶體會擴散到石英中，而石 英也會往內向液態 Cr⁴⁺：YAG 晶體的擴散，形成相互擴散的現象。且在抽 絲過程中，光纖絲是從粗變細，也因此當纖心越細時，表示其在高溫環境 越久，擴散的程度也因此更嚴重。但已較未加負壓之抽絲製程所抽出之掺 鉻光纖具有較高的纖芯折射率。

圖 4-9 纖心 26 μm 折射率分佈圖[55]

圖 4-10 纖心 16 μm 折射率分佈圖[55]

4.2.1.1.3 Cr

:YAG 晶纖之損耗量測結果

在此節量測掺鉻光纖之損耗以纖芯16 μm 之摻鉻光纖為主。在量測傳 輸損耗前，我們先將6.2 cm 長之16 μm 掺鉻光纖與一般標準單模光纖做 熔燒接合，使用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，進行量測。然後再將掺鉻光纖截短成約4.2 cm 長，再量測一次。

性，且纖心之Cr⁴⁺：YAG 與纖殼石英間有相互擴散之現象，故掺鉻光纖在 1300 至 1600 皆 會 有 吸 收 的 狀 況 。 故 在 波 長 1300 nm 處 損 耗 為 1.46 dB/cm，而在波長1550 nm 處損耗為0.33 dB/cm。由圖可知，越往長波長掺 鉻光纖之吸收損耗越小，大部分之損耗多為傳輸損耗，故總損耗越小。

圖 4-11 掺鉻光纖傳輸損耗[55]

4.2.2 LHPG 生長法晶纖光學特性分析

本節將針對 LHPG 生長法做光學特性分析，由以下光學特性分析結果 我們可以結合之後的微結構分析來研究改善我們晶纖的品質，降低傳輸損 耗(Loss)，提高增益(Gain)，以期達到成為放大器的目標。

4.2.2.1 單層及雙層纖衣 Cr

:YAG 晶纖放大增益值量測結果

將雙纖衣 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖之輸入端與輸出端皆與矽光纖對準耦合 後，便可進行增益量測實驗而在進行增益量測實驗時，若只將波長 1.064 μ m 之激發光源入射 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖纖心，可在光頻譜分析儀上看見一條 非常寬頻的曲線，如圖4-12之頻譜圖中的圓弧形曲線，此為Cr⁴⁺:YAG 吸收 激發光源使得基態電子躍遷至上能階，之後跳下基態並自發輻射出螢光 (fluorescence)或被稱為自發輻射放大頻譜(Amplified spontaneous emission;

ASE)，而 Cr⁴⁺:YAG 的 ASE 頻譜範圍約在 1.2 μm ~ 1.6 μm，頻譜中心波 長為λ=1.4 μm，此波長也是 Cr⁴⁺:YAG 螢光放射最強的波長，選擇λ=1.4 μm 當作訊號光波長也可獲得較好的增益效果，故本論文進行增益量測實 驗主要用λ=1.4 μm 之訊號光源當做增益量測時的訊號光波長。

圖4-12 訊號光與激發光入射晶體光纖頻譜圖[61]

1399.0 1399.5 1400.0 1400.5 1401.0

-54

signal w/ 2W pump

Power density (dBm/nm)

W avelength (nm )

signal w/o pump 2.4 dB

1200 1300 1400 1500 1600

-100

Power density (dBm/nm)

Wavelength (nm)

Signal Signal+pump Amplified signal

Signal

光通過雙纖衣 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖而被放大過後的光功率，再與沒有入射激 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(gain)大小。圖4-15、4-16 所示為量 測一纖心直徑 12 μm、長度 7.8 cm 之雙纖衣 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖，在不同

泵浦光功率下所產生之增益關係圖，雙向各別輸入泵浦光源 0.7 W 可產生 1.9 dB 之增益。而整體系統的插入損耗為 3.2 dB，故淨損耗為 1.3 dB，亦即 要達到淨增益尚有 1.3 dB 的距離須努力。

圖4-15 訊號光增益放大頻譜圖[61]

◆雙向激發且雙次傳輸量測

延續上一節，我們又嘗試了雙向泵浦且雙次傳輸量測，雙向泵浦且雙 次傳輸(double-pass)的架構是先不考量插入損耗的影響，單純就增加增益的 角度。其基本架構與上節雷同，其主要差異為收光端的SMF28 在其表面鍍 上針對訊號光(1.4 μm)波長的高反射膜。架構圖如圖4-17所示。

圖 4-17 雙向激發且雙次傳輸雙纖衣 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖架構[61]

上圖架構中的可調雷射有兩台，但並不表示同時輸入兩種訊號光。波 長 1510~1640 nm 的可調雷射，其目的為耦光用，確保鍍膜的 SMF28 也能 與雙纖衣 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖的纖心耦合。當訊號光行經至晶體光纖後端 時，會因反射膜使其往回行進，如此訊號光將可被放大兩次。放大兩次的 訊號光將經由分波多工耦合器以及光束分歧器回到光頻譜分析儀，便可加 以計算得此樣品的增益(gross gain)大小。

圖 4-18、4-19 所示為量測一纖心直徑 11 μm、長度 7.7 cm 之雙纖衣 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖，在不同泵浦光功率下所產生之增益關係圖，雙向各別 輸入泵浦光源 0.7 W 可產生 3.2 dB 之增益。

圖 4-18 訊號光增益放大頻譜圖[61]

圖 4-19 輸入泵浦光源與增益關係圖[61]

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

0 1 2 3 4

Gross gain (dB)

Pump power (w)

Gain measurement

4.2.2.2 單層纖衣及雙層纖衣晶纖 ASE 值量測結果

圖 4-20為單層纖衣晶體光纖輸出端的 ASE 量測和模擬結果，而圖4-21 為雙層纖衣晶體光纖輸出端的 ASE 量測和模擬結果。

圖4-20 單層纖衣晶體光纖輸出之ASE 量測及模擬頻譜[61]

圖 4-21 雙層纖衣晶體光纖輸出之 ASE 量測及模擬[61]

比較圖 4-20及圖4-21，在1W 的 Absorbed power 下，雙層纖衣晶體光

Percent diameter (%) YAG

YAG + SiO₂

SiO₂

面體中由 Cr³⁺轉換成 Cr⁴⁺，也就是說，Ca 離子濃度越高，則能夠產生 Cr⁴⁺ 去做觀察分析，由 HRTEM 試片的觀察，了解奈米微結構(nano-partical) 的 分佈，之後結合光學分析結果，回饋製程，以期能拉製較佳之晶纖品質。

4.3.1 抽絲塔生長法之晶纖微結構及成份分析

接下來探討抽絲塔生長法拉製晶體晶纖微結構觀察，由於抽絲塔生長 速度快，雖然可以快速的拉製晶體晶纖，以目前我們的所設定的速度為 200m/min，但是其晶體晶纖的結構品質比起 LHPG 生長法來的差很多，若 又是未加負壓製程拉製的纖心大小為 9μm 的晶體晶纖，其結構更差，最後

Norm. fluorescence intensity (a.u.)

Percent diameter (% )

core inner

cladding

再加上 HRTEM 試片製作困難，故目前研究決定先由加負壓控制製程所拉 升的晶體晶纖為主要研究目標，另一方面是此製程也是之後的重要架構。

本研究目前已成功完成由加負壓控制製程所拉升的纖心大小為27μm 和 13 μm 晶體晶纖的 HRTEM 試片，亦成功的在纖心以及纖衣部份用離子薄化 出薄區，並觀察到高解析的影像。本論文中有關 Cr⁴⁺:YAG 晶體光纖之微結 構分析主要由以下兩種 TEM 完成：(1)為 JEOL JEM-3010 TEM，配備有加 速電壓 300 kV 之 LaB₆電子槍，其兩點間之解析度為0.12 nm；(2)為 Hitachi

圖4-24 纖心 26 μm 之掺鉻光纖成分分析[55]

圖 4-25 纖心 16 μm 之掺鉻光纖成分分析圖[55]

表4-1 不同粗細摻鉻光纖中心成分表[55]

4.3.1.2 加負壓之晶纖微結構分析

圖 4-26 為 抽 絲 塔 生 長 法 所 生 長 的 單 層 纖 衣 晶 體 光 纖 纖 心 內 部 的 HRTEM 影像。而圖 4-27 為抽絲塔生長法所生長的單層纖衣晶體光纖纖心 邊緣部分的 HRTEM 影像。其纖心大小為 13μm 之晶體晶纖。圖4-26(a)及 圖 4-27(a)上之白點為 HRTEM 所拍攝之位置。

我們可以從圖4-26及圖4-27中，觀察抽絲塔所生長出來的單層纖衣晶 體光纖主要在非晶結構中存在許多結晶相結構。我們並未觀察如同 LHPG 生長法所生長的雙層纖衣晶體光纖纖心部分之完美結晶相，然觀察到在愈 靠近纖心內部，其奈米結晶顆粒將聚集而成可能形微米團簇結構。我們亦 從 HRTEM 的影像得知越接近纖心處，其奈米微結構(nano-partical)密度越 高，易形成團簇結構，如此將有可能造成較大的傳輸損耗，紅色箭頭為奈 米微結構。

另圖 4-28 為抽絲塔所生長的單層纖衣晶體光纖之纖衣微結構。由於其

纖衣完全是 SiO₂的成分，故其微結構觀察均是由非結晶相。再由左上方之 SAD 圖所得到的非結晶環狀結構，確實得知其纖衣確為非結晶相。

(a)

(b)

圖4-26 (a)(b)(c)抽絲塔單層纖衣 13μm 晶體光纖其纖心內部之 HRTEM 影 像[60]

(a)

(b)

圖4-27 (a)(b) 抽絲塔單層纖衣 13μm 晶體光纖其纖心邊緣之 HRTEM 影像

圖4-27 (a)(b) 抽絲塔單層纖衣 13μm 晶體光纖其纖心邊緣之 HRTEM 影像