行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
新型四角錐形光纖所形成橢圓曲面光纖透鏡適用於高功率
雷射二極體與單模光纖耦合之研製與應用(1/3)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2215-E-110-012- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學光電工程研究所 計畫主持人： 鄭木海 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 5 月 6 日
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行政院國家科學委員會專題研究計劃成果報告
新型四角錐形光纖所形成橢圓曲面光纖透鏡適用於
高功率雷射二極體與單模光纖耦合之研製與應用(1/3）
A Novel Elliptical Fiber Lens Employing a Quadrangular-Pyramid-Shaped Fiber Endface for the Coupling between High-Power Laser Diodes and Singlemode Fibers
計劃類別：;個別型計劃整合型計劃 計劃編號：NSC 92-2215-E-110-012 執行期間：92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日
主持人：鄭木海 中山大學 光電所 教授
一、中文摘要
本計畫旨在研製新型四角錐形光 纖透(Quadrangular-Pyramid-Shaped Fiber Endface,QPSFE), 所 形 成 橢 圓 曲 面 光 纖 透鏡適合於高功率 980 nm 雷射二極體與 單模光纖耦合之研製與應用，使研製橢圓 形光纖透鏡場型完全匹配 980 nm 雷射場 型，達到兩者最佳耦合效率。本計畫係一 個三年計畫，第一年計畫為四面錐型光纖 之研磨與以熔燒機形成不同長寬比橢圓 光纖透鏡之製造，及雷射與光纖耦光之量 測。第二年計畫為雷射與扁平橢圓曲面透 鏡耦合之高斯分佈理論分析，橢圓曲面光 纖透鏡之有限元素法模擬，及量測與理論 耦光效率之比較。第三年為雷射銲接技術 構裝雷射與橢圓曲面光纖透鏡模組之研 製及加裝光纖光柵產生波長穩定雷射模 組之研製。二、緣由及目的
計畫緣由：980 nm 幫浦雷射，基於 高功率輸出的要求，其雷射結構設計需 要較寬的活性層以降低電流密度，因此 雷射之遠場場型分佈為極扁平之橢圓 形 ， 典 型 980nm 雷 射 遠 場 角 度 為 0 0 32 8 × = ×θ⊥ θII ，一般 其橢 圓長 寬比 （Aspect ratio）約為 3 至 5，不同於 1310nm 或 1550nm 雷射其長寬比僅為 2。當具有極扁橢圓場型的 980 nm 雷射 與具有圓形場型的單模態光纖耦合時， 這二者間的模態不匹配將造成嚴重耦光 損失。 目前高橢圓長寬比 980 nm 雷射與 單模態光纖耦合技術大概分三類：外加 圓柱型光學透鏡1-2，漸進式微透鏡3-4， 及利用楔型光纖透鏡 5-7，由於楔型光 纖透鏡製程較簡單，又不需額外增加光 學元件，因此被廣泛應用 980 nm 幫浦 雷射模組8。形成極扁平橢圓（高長寬 比）曲面光纖透鏡，係將光纖透過研磨 成為楔型光纖及熔燒達成，但楔型光纖 直徑為 125 µm，困難以熔燒機將大面 積光纖形成完美扁平橢圓曲面。因此本 計畫擬提出以研磨機將光纖研磨成四 角錐形，並將四角錐形光纖端面前端小 部分體積利用熔燒機形成扁平橢圓光 纖透鏡(QPSFE)。將光纖研磨為四角錐 形光纖端面並形成橢圓光纖透鏡之結 構，以個人瞭解尚未有資料報導，因此 極扁平橢圓曲面光纖透鏡(QPSFE)架 構具有技術新穎性。 計畫目的：本計畫旨在研製新型四角錐 形光纖纖透(QPSFE),所形成橢圓曲面光 纖透鏡適合於高功率 980 nm 雷射二極體 與單模光纖耦合之研製與應用，使研製 橢圓形光纖透鏡場型完全匹配 980 nm 雷 射場型，達到兩者最佳耦合效率。在雷 射模組構裝方面，將以雷射銲技術固定 光纖，使自製 980 nm 雷射模組性能具有 商用利用性。三、研究方法與成果
研究方法: 四角錐形光纖的形成係2 將光纖前端經過四次研磨成為具有α與 β角之錐狀(圖一)，然後四角錐形光纖經 熔燒後達成橢圓曲面光纖透鏡(圖二)。在 理論分析方面，利用雷射與光纖場型為高 斯分佈之分析，及橢圓曲面光纖透鏡之有 限元素法模擬，以獲得雷射與光纖最大耦 光效率之理論值，使實驗量測耦光效率接 近理論計算之最大值。在雷射模組構裝方 面，將以雷射銲技術固定光纖，使自製 980 nm 雷射模組性能具有商用利用性。 研 究成 果: 本計畫係一個三年計 畫，第一年計畫(92 年 )為四面錐型光纖 之研磨與以熔燒機形成不同長寬比橢 圓光纖透鏡之製造，及雷射與光纖耦光 之量測。 目前所研製新型四角錐形光纖透 鏡（QPSFE），其耦光效率高達 83%（圖 三），比楔型光纖透鏡耦光效率 78％ 高，因此新型四角錐形光纖透鏡之耦光 效率已達到預期成果。圖三說明 QPSFE 耦光效率與其垂直曲率半徑關係圖，最 高耦光效率為 83%，理論計算值跟實驗 量測耦光效率非常接近。這些結果已發 表 於 今 年 OFC （ 參考 文 獻 九） 及 J. Lightwave Technology（參考文獻十）。
四、討論與結論
本計畫係一個三年的計畫，第一年執 行至目前的進度相當滿意並比預期成果提 早。藉由光纖研磨與熔燒形成研製新型四角 錐形光纖透(Endface,QPSFE)，適用於 980 nm 高功率雷射二極體與單模光纖耦合，本計畫 同時可研製不同長寬比橢圓光纖透鏡，使適 合應用於 1310 與 1550 nm 雷射耦光。在計 畫執行與完成期間申請專利及期刊論文發 表，執行本計畫可研製新型光電元件構裝， 以提升國內在光電構裝之國際學術與技術地 位。五、參考文獻
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10.S.Z. Yeh,Y.K. Lu,S.Y. Huang, H.H. Lin, C.H. Hsieh, and W.H. Cheng, " A Novel Scheme of Lensed Fiber Employing a Quadrangular-Pyramid-Shaped Fiber Endface for the Coupling between High-Power Laser Diodes and Singlemode Fibers" J. Lightwave Technol., 22, May (2004).
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Fig.1 An SEM of fabricated quadrangular-pyramid-shaped fiber.
Fig.2 An SEM of fabricated Quadrangular-Pyramid-Shaped Fiber Endface(QPSFE).
40 50 60 70 80 90 100 0 2 4 6 8 10
Vertical Radius of Curvature (um)
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