利用雙曲線漸變折射率光纖端面之雷射與光纖耦光
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(4) 中文摘要 本篇論文提出一種同時具有高耦合效率、工作距離長、以及對準 容忍度佳等優點之新型光纖架構。此架構係將單模光纖(SMF)前端接 上一段纖核直徑為 50µm 漸變折射率光纖(GIF)。並且在 GIF 前端製 作雙曲線透鏡。雙曲線透鏡能將雷射波前轉換為平面波，且利用 GIF 的聚焦特性，因此能有效提高 SMF 耦光效率。 根據模擬結果，最佳 GIF 長度為 1160µm。雷射發光功率操作在 10mW 及光纖透鏡曲率半徑為 12.74 µm 下，此新型光纖結構之耦光效 率可達 77%，工作距離為 16µm。此光纖之橫向與縱向對準容忍度為 0.8µm 與 1.3µm。本架構與傳統的單模光纖透鏡相較下，具有較長的 工作距離以及較佳的光纖對準容忍度，因此應用於雷射磨組構裝中可 以提升構裝良率與降低製造成本。. I.
(5) Abstract In this thesis, a novel fiber structure with advantages of high coupling efficiency, long working distance and better alignment tolerance has been presented. In this structure, the front-end of the singe-mode fiber (SMF) was spliced a graded-index fiber (GIF) with 50µm core diameter. A hyperbolic-shaped lens was fabricated in the front-end of GIF. This novel fiber structure can increase the coupling efficiency of SMF effectively. by. using. the. wavefront-transfer. characteristic. of. hyperbolic-shaped lens and the focusing characteristic of GIF. According to the simulation results, the optimized length of the GIF was 1160µm. This novel fiber structure can reach to the coupling efficiency of 77% and working distance of 16µm when the output power of laser diode was operated at 10mW and the radius curvature of lensed fiber was 12.74µm. The lateral and longitudinal alignment tolerances of this fiber were 0.8µm and 1.3µm, respectively. In comparison with the conventional SMF lens, this novel fiber structure has longer working distance and better fiber alignment tolerance. Therefore, this structure can increase the package yield and reduce the fabrication cost for the application of laser module package.. II.
(6) 誌謝 首先感謝我的指導教授鄭木海博士在這兩年的研究生活上所給 予的指導與照顧，使我能在短暫的時間掌握問題的重心與尋求解決之 道，並且使學生對光電領域有更深一層的瞭解與認知。 老師也很喜歡運動，很鼓勵同學們有空常運動，常常會帶實驗室 一起去爬山。感謝義守大學通訊系老師楊惠民博士在理論上的指導以 及儀器設備上的支援與所上老師的教導與訓練。感謝構裝實驗室的沈 茂田博士、黃翊中學長、葉斯銘學長、林旻進學長、洪文祺學長、呂 昱寬學長、邱金城學長、劉育達學長，與劉文貴、林啟中、陳志青、 胡峰瑞等同學，吳俊德、許宏崑、林哲葳、劉元村等學弟在各方面的 幫忙與協助，另外也要感謝量子實驗室林信宏同學在一些實驗量測上 的協助。 最後感謝我的家人振吉老爸、秀桂老媽、怡甄美女妹妹、信豪帥 哥弟弟的支持與鼓勵始能完成此篇論文。. III.
(7) 內容目錄 中文摘要. I. Abstract. II. 誌謝. III. 內容目錄. IV. 圖表目錄. VI. 第一章 緒論. 1. 1-1 研究背景. 1. 1-2 研究目的. 2. 1-3 論文架構. 3. 第二章 波前形狀轉換理論. 6. 2-1 光纖的分類. 6. 2-2 理論基礎. 7. 第三章. 2-2-1 高斯光束與波前耦合理論. 7. 2-2-2 雙曲型光纖透鏡. 9. 新型光纖透鏡的製作. 18. 3-1 光纖熔接. 19. 3-2 光纖切割. 20. 3-3 光纖蝕刻與熔燒. 20 IV.
(8) 第四章 雷射二極體與光纖耦光的量測 4-1 元件特性. 29 29. 4-1-1 Fabry-Perot 雷射二極體. 29. 4-1-2 光纖介紹. 29. 4-2 雙曲型光纖透鏡之量測. 29. 4-2-1 光纖透鏡外觀之量測. 29. 4-2-2 光纖透鏡遠場光場之量測. 30. 4-3 耦光功率量測. 31. 4-3-1 實驗架構. 31. 4-3-2 量測結果. 31. 第五章 結論與未來工作. 49. 5-1 結論. 49. 5-2 未來工作. 50. V.
(9) 圖表目錄 圖 1.1 透鏡耦合示意圖. 4. 圖 1.2 光纖透鏡. 4. 圖 1.3 無核心光纖耦光示意圖. 5. 表 2.1 FP 雷射二極體與單模光纖內部光場模態之比較. 9. 圖 2.1 Fabry-Perot 輸出光場形狀. 13. 圖 2.2 光纖結構圖. 13. 圖 2.3 光纖尺寸圖. 14. 圖 2.4 漸變折射率多模光纖. 14. 圖 2.5 高斯光束. 15. 圖 2.6 FP 雷射二極體與單模光纖光場模態比較. 15. 圖 2.7 高斯光束在空氣中傳播的模場形狀關係圖. 16. 圖 2.8 高斯光束在空氣中傳播的波前曲率半徑關係圖. 16. 圖 2.9 以幾何原理說明光纖透鏡入射光路徑. 17. 圖 2.10 理想化的耦合架構. 17. 圖 2.11 雙曲線光纖透鏡製造理論分析. 18. 圖 2.12 新型雙曲線光纖透鏡結構參數. 18. 圖 3.1 本論文所提出的新耦光架構. 23. 圖 3.2 透鏡製作流程. 23 VI.
(10) 圖 3.3 光纖熔燒機. 24. 圖 3.4 光纖切割系統. 24. 圖 3.5 光學顯微鏡下多模光纖熔接單模光纖. 25. 圖 3.6 切割好之光纖側視圖. 25. 圖 3.7 蝕刻光纖實驗設備. 26. 圖 3.8 蝕刻時間與光纖錐角成形圖. 26. 圖 3.9 未到達蝕刻成形時間. 27. 圖 3.10 超過蝕刻成形時間. 27. 圖 3.11 電弧放電熔燒. 28. 圖 3.12 雙曲線型光纖透鏡完成圖. 28. 圖 4.1 Fabry-Perot 雷射示意圖. 34. 圖 4.2 致冷器示意圖. 34. 圖 4.3 單模光纖折射率分佈圖. 35. 圖 4.4 多模光纖折射率分佈圖. 35. 圖 4.5 光纖透鏡曲率半徑量測法. 36. 圖 4.6 光纖透鏡中心與光纖軸心偏移量量測法. 36. 圖 4.7 光纖透鏡遠場光場量測裝置圖. 37. 圖 4.8 光纖透鏡遠場光場量測圖. 38. 圖 4.9 溫度控制器. 39. VII.
(11) 圖 4.10 電流供應計. 39. 表 4.1 熱敏電阻溫度與對應的電阻值. 40. 圖 4.11 光纖透鏡耦光效率量測設備. 41. 表 4.2 平端多模光纖長度與耦光效率關係圖. 42. 圖 4.12 平端多模光纖長度與耦光效率關係圖. 42. 圖 4.13 光纖容忍度量測示意圖. 43. 圖 4.14 雙曲線光纖透鏡曲率半徑與耦光效率之關係. 44. 圖 4.15 雙曲線型以及半球型之光纖透鏡耦光效率比較圖. 44. 圖 4.16 光纖透鏡曲率半徑與工作距離關係圖. 45. 圖 4.17 光纖透鏡曲率半徑與光纖水平軸容忍度關係. 45. 圖 4.18 光纖透鏡曲率半徑與光纖垂直軸容忍度關係. 46. 圖 4.19 (GIF+SMF)與(SMF)之耦光效率比較. 46. 圖 4.20 光纖透鏡曲率半徑與工作距離關係圖. 47. 圖 4.21 光纖透鏡曲率半徑與光纖水平軸容忍度關係. 47. 圖 4.18 光纖透鏡曲率半徑與光纖垂直軸容忍度關係. 48. VIII.
(12) 第一章 緒論 1-1 研究背景 光纖通訊，是指將要傳送的聲音、影像和數據訊號等，轉化成光 訊號，以光纖作為傳輸媒介的通訊方式。光纖是迄今為止發現的最適 合傳輸光的傳輸媒介，亦是光纖通訊系統中不可缺少的組成部分。從 本世紀 70 年代初至今，尤其是近 20 年來，光纖通訊的研究可以說是 蓬勃發展，現已在長途的資訊傳輸中逐步取代同軸電纜而成為主要的 傳輸工具。可以預計，在不久的將來，光纖通訊將會更為普及，逐漸 取代現有的網路傳輸方式，達到光纖到家(Fiber To The Home，FTTH) 的情景。. 光纖是目前最佳的光波導，現今已廣泛的運用於日常生活中，例 如傳輸影像、聲音及數據及圖形等資訊。由於光纖的高容量、高品質、 高速率，光纖光纜已逐漸的取代通訊電纜，而成為通訊業的新寵。因 此光源的選擇就成了光訊號在傳輸和應用上不可或缺的主動元件之 一。目前市面上所能選擇並應用在光纖通訊上的光源為半導體雷射， 但雷射與光纖之耦光效率及模組構裝尚有許多技術問題，為了提升構 裝良率，因此各家廠商莫不開發各種各樣的透鏡光纖，希望能提高光 與光纖之間的光耦合效率，以節省成本及提高技術良率。 1.
(13) 在光纖通訊系統裡，一般我們所使用的雷射，其光場形態皆為橢 圓形，且雷射所發出之光在空氣中以近似球面波的方式傳播，所以通 常在與單模光纖進行耦光時，受限於單模光纖的纖核為對稱形狀，且 光在單模光纖中以近似平面波的方式傳播，故會有場形不匹配以及波 前形狀不匹配的情形發生而無法達到高的耦合效率。為了提高耦光效 率，通常有幾種做法：一種是在雷射與光纖間另外加上光學透鏡 [1-2]，如圖 1.1 所示，另一種則直接在光纖頭端加工形成各種光纖透 鏡(Lens Fiber)[3-6]，並且將雷射與光纖對準後直接耦合，圖 1.2 為 一些常見的光纖透鏡。. 1-2 研究目的 以上這些方法，雖然皆能有效的提高耦合效率，但受限於單模光 纖纖核直徑只有 9µm， 所以在耦光過程中，會有光纖工作距離 (Working Distance)無法拉長，以及光纖對準容忍度(Tolerance)太小的 情況發生，因此在構裝上會有困難。由於這些問題的產生，因此在文 獻 上 有 人 提 出 在 單 模 光 纖 前 端 接 一 段 無 核 心 光 纖 (Coreless Fiber)[7-9]，雖然改善了工作距離與容忍度的缺點，卻導致耦合效率 下降。圖 1.3 為無核心光纖耦光架構示意圖。而本論文則提出一個新 架構，在單模光纖前端接上一段漸變折射率光纖，並且在多模光纖頭. 2.
(14) 端加工形成雙曲線型光纖透鏡，藉由雷射波前形狀的轉換以及利用漸 變折射率光纖有較大的纖核直徑進而提高雷射與單模光纖的耦光效 率、拉長光纖的工作距離，以及增加耦光時的光纖對準容忍度。. 1-3 論文架構 本論文第一章為緒論，第二章主要為理論與計算，包含雙曲 線型光纖透鏡參數設定、光纖結構、光纖特性以及多模光纖長度的選 擇。第三章主要敘述雙曲線型光纖透鏡之研製，說明整個雙曲線型光 纖透鏡之製作過程。第四章主要說明量測 Fabry-Perot 雷射二極體與 雙曲線型光纖透鏡的實驗架構、機台設置及實驗結果。第五章為結論 與未來工作。. 3.
(15) 圖 1.1 透鏡耦合示意圖. 圖 1.2 光纖透鏡. 4.
(16) 圖 1.3 無核心光纖耦光示意圖[9]. 5.
(17) 第二章 理論與計算 目前應用在光通訊上的訊號輸出光源大多是使用雷射二極體。由 於雷射二極體的發光區長度與波長比較之下是相當短的，同時共振腔 鏡面上的發光區域多呈長方形，特別是發光區的高度比波長還短，因 此其輸出之雷射光的發散角相當的大。這個角度約在 10o 至 40o 之 間，輸出的雷射光遠場呈現直立的橢圓形場，且波前以近似球面波的 方式在空氣中傳播[16]。但是由於光纖本身的形狀為圓柱形，在耦光 時勢必會造成光模態的不匹配而使雷射光無法百分之百耦入光纖，造 成耦光效率降低。雖然垂直腔表面發射雷射(VCSEL)可以輸出圓形 的光束雷射，但在中、長程光纖通訊應用中 1310nm 或 1550nm 波長 的 VCSEL 元件仍然沒有實用化。大多數的中、長程光纖通訊應用仍 然需要採用如 Fabry-Perot 雷射(FPL)和分散式回授型雷射(DFBL)雷 射。本實驗所使用的雷射，為波長 1550nm 之 FPL，其雷射遠場角度 約為 θII × θ⊥ = 20o × 30o，其光場形狀如圖 2.1 所示。因此要獲得圓形 的雷射光束，必須依賴特別的光學元件，而這也造成了耦合上的不易 與成本的增加。有鑑於耦光效果的不彰，乃是因為光場的不匹配所 致，因此嘗試設計並製作出具有匹配雷射光場之雙曲線型光纖透鏡， 以期獲得良好之耦合效果。. 2-1 光纖的分類 6.
(18) 依照光纖的傳播模態可分為單模光纖、階射率多模光纖、漸變折 射率多模光纖。圖 2.2 為光纖結構圖，光纖從內部到外分別為纖核、 纖殼、披覆層，光在纖核層與纖殼層之間經由全反射而傳遞。圖 2.3 為不同的光纖尺寸圖，分為多模光纖與單膜光纖兩種，外徑皆為 125µm。圖 2.4 為漸變折射率多模光纖示意圖，本實驗將多模光纖作 為聚焦透鏡使用，因為光在漸變折射率光纖中傳輸時，光的傳播路徑 近似正弦波，本實驗利用這個聚焦特性，便能夠將大尺寸的雷射光束 耦入單模光纖之中。. 2-2 理論基礎 在 FPL 與光纖間耦合效率上將採取高斯光束(Gaussian Beam)， 配合波前轉換理論來分析雷射與光纖間的耦合程度，並以波前轉換理 論推算出相匹配之新型光纖透鏡架構，另外也計算出所需的多模光纖 長度能夠有效的將光耦入當模光纖中。. 2-2-1 高斯光束與波前轉換理論 1.高斯光束： 雷射具有高度之指向性，因此假設雷射光為一平面波沿 Z 軸傳 播，加上近光軸近似之條件，帶入波方程式(Helmholtz equation)，可. 7.
(19) 得其中一解為高斯函數，如圖 2.5 所示，其函數分佈特性與實際雷射 光束極其近似，所以在理論模型上常以高斯光束描述雷射光場的行 為。 高斯光束有幾個重要參數分別敘述如下[17]：1.光腰 ωo(Beam Waist)：高斯光束寬度最小處，2.高斯光束寬度 ω s, z ，如方程式(2.1) 所 示 ︰ 距 離 光 腰 z 處 之 高 斯 光 點 形 狀 大 小 (Spot Size) ， 3. 波 前 (Wavefront)半徑 Rs , z ，如方程式(2.2)所示︰距離光腰 z 處之波前曲率 半徑，4.發散角 θ，如方程式(2.3)所示︰高斯光束之發散角。 ω s, z = ω s , 0. RS , z. λz 1+ 2 πω s ,0 . 2. (s=x,y). (2.1). πω 2 2 s ,0 = z 1 + λz . (s=x,y). (2.2). λ πω s ,0 . (s=x,y). (2.3). θ = tan −1 . λ：雷射光波長. z：與光腰的距離. 2.波前匹配(Wavefront Matching) 在探討耦合效率之前，首先需比較雷射光場與單模光纖內之光場 模態與波前形狀，如圖 2.6 所示，光場模態與波前形狀分為兩個部份 [18-20]，1.波前，2.光場光點大小，其比較如表 2.1 所示：. 8.
(20) 表 2.1 FP 雷射二極體與單模光纖內部光場模態之比較表 波前. 光場形狀. FP 雷射二極體. 曲率為 Rx、Ry 之波前. 橢圓場形. 單模光纖內部. 平面波前(R=∞). 圓形場形. 在波前匹配理論中，兩個光場模態要完全匹配必須有兩個條 件：1.波前(Wavefront)一致，2.光場光點的大小(Spot Size)一致，即 兩者光場波前之曲率半徑與光場光點大小要相同。本實驗的雷射參數 如下：ωx,0 = 0.79µm，ωy,0 = 0.5µm，λ= 1.55µm。圖 2.7 為高斯光束在 空氣中傳播的光點大小與遠離雷射距離的關係圖，圖 2.8 為高斯光束 在空氣中傳播的波前曲率半徑與遠離雷射距離的關係圖。. 2-2-2 雙曲型光纖透鏡 圖 2.9 以幾何原理說明雷射光耦入光纖之光路徑[21]，光線 B 與 光纖末端球面相交於纖核與纖殼的交界，此光線被折射入光纖，與光 纖軸的夾角為 γ 1 ，假設 γ 1 小於內部全反射，即臨界角 γ c = cos −1 n2 n ， . 1. . 其中 n1 、 n 2 為纖核與纖殼的折射率，則光線將被捕捉在纖核內，最大 入射角 θ i 之公式如式(2.4) [21]︰ 9.
(21) . . . . a Rl. θ i = sin −1 n1 ⋅ sin sin −1 . n + cos −1 2 n1 . a − sin −1 Rl. . (2.4). 其中 Rl 與 a 分別為透鏡曲率半徑及光纖纖核半徑，但是 θ i 並不能稱為 光纖之受光角，因為此將暗示所有小於 θ i 之光線都會被纖核所捕捉。 如果光線 B 進入纖核半徑內， θ i 角度越大，則至鏡面的距離 D 將會 越短。為了利用球面鏡之技術並得到較大的 θ i ，雷射與光纖透鏡之距 離 D 必須遠小於雷射的焦距。在一個很小的錐形角內的光線經過折 射將有發散的現象，可能有的光線入射角遠小於 θ i ，在光纖內的發散 角太陡以致無法在纖核及纖殼的交界面產生全反射，圖 2.9 內的光線 C 說明此現象。有三種現象使光線可能無法進到光纖的纖核︰(1)折射 角γ大於纖核與纖殼介面的全反射角 γ c；(2)光線的入射角 θ i 大於透鏡 表面的切線角，光線將無法進入透鏡及光纖；(3)如果光線落在光纖 纖核外之透鏡鏡面，不管它的折射角大小。 本實驗是根據 C.A.Edwards 所提出的想法:一個沒有像差的透 鏡，須將全部的光相同的收斂至焦距上，也就是從一個波前的所有光 至焦距的光程距離皆相同。圖 2.10 顯示了雷射與透鏡耦合架構：ωo 為雷射光腰、雷射與透鏡距離 D、雷射導入模態半徑為 ω1、A 點為 入射波前中心。對於入射光場而言，在透鏡表面的相分佈取決於 A 點到 B 點的距離，而光纖的模態具有均勻的相分佈，因此兩個相分 佈之間存在一光程差(Optical Path)[22]： 10.
(22) L = n L r 2 + [z (r ) + R ] − [n0 z (r ) + n L R ]. (2.5). r = x2 + y2. (2.6). 2. 其中 n0 、 nL 為空氣與透鏡的折射率， z (ρ ) 為 B 點的極座標，R 為由 A 點所發出光之光波前。當 r 非常小時，光程差又可以表示為： L≅. nl 2. 1 1 R − f r . (2.7). 其中 f 為透鏡焦距，由(2.2)、(2.3)式，當假設 L=0 時，即入射的光沒 有任何的光程差，可以得到一個雙曲線的式子[22]：. ( z + q )2 q2. −. ρ2 t2. =1. (2.8). 2. n0 − n L 2 nL 2 2 q = R , t = R n0 + n L n0 + n L 2. (2.9). 由圖 2.11 可以看出，理想的雙曲線透鏡與光場對稱的雷射耦合 時，所有在雙曲線漸進線左方某一定點所打出的非軸向光線進入透鏡 後光程差皆消除。因此當光纖透鏡設計成雙曲線形狀時與對稱光場的 雷射耦合，理論上可以做到無球面相差，而達到 100%的耦光效率。 圖 2.12 為我們所設計的新型雙曲線光纖透鏡結構參數︰D 為光 纖頭端與雷射的工作距離，RL 為雙曲線光纖透鏡的曲率半徑，a 為多 模光纖的核心半徑，J 為多模光纖長度。由於光纖的結構已確定，因 此我們可由已知的結構參數去計算所需的多模光纖長度，使光能夠在 經過多模光纖後有效的聚焦到單模光纖裡面傳輸。由漸變折射率光纖 11.
(23) 透鏡聚焦的特性[17]： f ≈. 1 n1α sin αd. (2.10). 其中 d 為光在透鏡中行走的距離，由此可知漸變折射率透鏡的週期為 sin (αd ) 的週期。當 αd = 2π 時，Pitch 可定義為： d = d Pitch =. 2π. (2.11). α. 由漸變折射率透鏡的折射率分佈的方程式可知：. (. n 2 (r ) = n12 1 − α 2 r 2. ). (2.12). 而漸變折射率光纖纖核的折射率分佈方程式為： ρ r n (r ) = n 1 − 2 ∆ a 2. 2 1. (2.13). 其中 Quadratic Profile ρ = 2 ， ∆ =. n1 − n 2 為光纖的 Refractive Index n1. Difference 由(2.12)、(2.13)可得知： α=. 2∆ a. (2.14). 將(2.11)、(2.14)是結合可得知： d Pitch =. 2πa. (2.15). 2∆. 而 NA ≈ n1 2∆ d Pitch =. 2πan1 NA. (2.16). 由(2.15)式可得 d 約為 1160µm。. 12.
(24) 電流輸入 半導體雷射. 半功率等高線 雷射輸出之. 光束形狀. 圖 2.1 Fabry-Perot 輸出光場形狀[16]. 保護層 外殼 核心 保護層 外殼 核心 入射角. 圖 2.2 光纖結構圖. 13. 反射角.
(25) 125μm. 62.5μm. 125μm. 125μm. 50μm. 9μm. 多模光纖. 單模光纖. 圖 2.3 光纖尺寸圖. r. 圖 2.4 漸變折射率多模光纖[14]. 14.
(26) 圖 2.5 高斯光束. 單模光纖 y. FP雷射二極 y 光場 形狀大小. x. x 橢圓(elliptical mode). 圓形(circle mode). x. 波前. z. Rx. z. Ry. y. 曲率R之波前. 平面之波前. 圖 2.6 FP 雷射二極體與單模光纖光場模態比較[18]. 15.
(27) 50. wx,z wy,z. Spot Size (µm). 40. 30. 20. 10. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. Z (µm). Radius of curvature (µm). 圖 2.7 高斯光束在空氣中傳播的模場尺寸與遠離雷射距離關係圖. Rx,z. 80. Ry,z 60. 40. 20. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. Z (µm) 圖 2.8 高斯光束在空氣中傳播的波前曲率半徑與遠離雷射距離關係圖. 16.
(28) Lensed fiber γ2. γ1. Laser. B θi. C a. Rl. n1 n2. D. 圖 2.9 以幾何原理說明光纖透鏡入射光路徑. r. D nL n0. 圖 2.10 理想化的耦合架構. 17.
(29) 圖 2.11 雙曲線光纖透鏡製造理論分析. Z=0 J. D. a RL. RX,D. 雷射. 雙曲型透鏡. 單模光纖. 圖 2.12 新型雙曲線光纖透鏡結構參數. 18.
(30) 新型光纖透鏡的製作 本研究所提出的架構如圖 3.1 所示，在單模光纖前端接上一段漸 變折射率多模光纖，並且在多模光纖頭端製作雙曲線型光纖透鏡，藉 由雷射波前形狀的轉換進而提高雷射與單模光纖的耦光效率，並且利 用多模光纖有較大的纖核直徑，以拉長雷射與光纖的工作距離及增加 耦光時的光纖對準容忍度。 整個光纖透鏡的製作過程如圖 3.2 所示，有四個步驟：光纖熔 接、光纖切割、光纖蝕刻與熔燒，分別敘述如下：. 3-1 光纖熔接 先各取一段多模光纖與單模光纖，接下來將多模光纖與單模光纖 放置於光纖熔燒機內進行熔接。光纖熔燒機的實體圖如圖 3.3 所示， 型號為 Corning Cable System X-77。熔燒機熔接採用 MMF/MMF 模 式，其中參數設定為: 光纖類型 ： 50 µm 光纖重疊 ： 16 µm 預熔電流 ： 12.5 mA 預熔時間 ： 0.5 s 熔燒電流 ： 13.5 mA. 19.
(31) 熔燒時間 ： 6 s 強度檢測 ： 是. 3-2 光纖切割 精密切割機台系統是由光纖切割機、數位照相機和光學顯微鏡組 成，如圖 3.4 所示。精密切割步驟如下： (1) 將已熔接好的光纖放置於光纖切割機上。 (2) 調整顯微鏡焦距於切割機的刀鋒，將刀鋒的位置與鏡頭內的測微 尺刻度 0 對齊。 (3) 調整焦距於光纖熔接線，切割所需要的多模光纖長度。 光學顯微鏡下多模光纖接單模光纖如圖 3.5 所示，圖 3.6 為切割 好之光纖側視圖。. 3-3 光纖蝕刻與熔燒 光纖蝕刻採用了最常用的氫氟酸蝕刻，因氫氟酸具高腐蝕性及高 揮發性，故取用時需戴雙層塑膠手套、防酸手套、護目鏡和活性碳口 罩。在蝕刻過後的清潔部分我們使用丙酮來取代酒精，因為酒精無法 完全清潔機油中的長碳鍊分子，為在熔燒時避免雜質熔入光纖中改變 折射率，而造成光傳輸損失增加，所以需用丙酮將光纖清潔乾淨。. 20.
(32) 整個蝕刻步驟敘述如下: (1) 首先用丙酮將已切好的光纖裸光纖部分擦拭乾淨，丙酮主要 目的是除去不乾淨的雜質及油脂。 (2) 蝕刻：55%之氫氟酸倒入鐵氟龍杯中，其上加一層厚度約 4mm 的機油(如機車機油)，如圖 3.7 所示。加入機油的目的係利用機 油之密度與厚度來控制光纖透鏡之錐形角度以製作出所需之光纖透 鏡。 將裸光纖置放在鐵氟龍夾具上並將光纖固定，並露出約 1.5 公分 使其可伸入氫氟酸中進行蝕刻，由於仍有些微氫氟酸分子會揮發至空 氣中，所以將整個裝置放入抽風櫃中。蝕刻時間與光纖錐角成形示意 圖如圖 3.8。蝕刻時間約 23 分鐘左右，若未達蝕刻成形時間(小於 23 分鐘)，則如圖 3.9 所示，若超過蝕刻成形時間(大於 23 分鐘)，則如 圖 3.10 所示。等到光纖被蝕刻至氫氟酸與機油的交界面時即將光纖 從夾具中取出，並用去離子水清洗光纖頭端上的氫氟酸與機油的殘留 物約 10~15 分鐘，並用氮氣將其吹乾，再用丙酮擦拭多次。 (3) 電弧放電熔燒：將錐型光纖頭端置於熔接機之 V 槽上，並將 其設定為手動熔接，選定電弧熔燒的電流大小及放電時間，如圖 3.11 所示，再適當調整光纖前後位置決定光纖透鏡頭端的曲率半徑。 圖 3.12 為已完成的雙曲線型光纖透鏡顯微鏡下所拍攝的照片。. 21.
(33) 我們將光纖尾端接上積分球式光功率計，便可測量光纖透鏡的耦光效 率。. 22.
(34) 圖 3.1 本論文所提出的新耦光架構. Fusion ¼ pitch [1] Fusion SMF. GIF Etching. ¼ pitch. [2] GIF Electrode. SMF. ¼ pitch. [3] Arc GIF. SMF. 圖 3.2 透鏡製作流程. 23.
(35) 圖 3.3 光纖熔燒機. 圖 3.4 光纖切割系統 24.
(36) GIF. 125µm. 圖 3.5 光學顯微鏡下多模光纖接單模光纖. 圖 3.6 切割好之光纖側視圖 25.
(37) 圖 3.7 蝕刻光纖實驗設備. Oil Oil + HF HF t=0. t=T. 0<t<T. t >T. 圖 3.8 蝕刻時間與光纖錐角成形圖. 26.
(38) 圖 3.9 未到達蝕刻成形時間. 圖 3.10 超過蝕刻成形時間. 27.
(39) 圖 3.11 電弧放電熔燒. 圖 3.12 雙曲線型光纖透鏡完成圖. 28.
(40) 第四章 雷射二極體與光纖耦光的量測 4-1 元件特性 4-1-1 Fabry-Perot 雷射二極體 在我們的實驗架構中，所使用的為FP雷射晶粒一端鍍上90%的高 反射膜(HR Coating)，另一端則鍍上約0.2%的抗反射膜(AR Coating)， 使雷射所有能量皆集中於抗反射膜輸出，FP雷射晶粒其示意圖如圖 4.1所示。. 4-1-2 光纖介紹 本實驗所使用的光纖為：1.康寧公司所製造的階射率單模光纖， 其纖核與纖殼直徑為 9/125µm，光纖折射率為1.468，圖4.3為單模光 纖折射率分佈圖；2.卓越公司所製造的漸變折射率多模光纖，其纖核 與纖殼直徑為 50/125µm，圖4.4為多模光纖折射率分佈圖。. 4-2 雙曲型光纖透鏡之量測 4-2-1 光纖透鏡外觀之量測 在光纖外觀的量測上分為兩個部份︰1.光纖透鏡曲率；2.軸心偏 移量(Offset)。如圖4.5與圖4.6所示，量測上，是利用光學顯微鏡照相 技術，照下光纖透鏡外觀，將照片存入電腦中，以CAD軟體於相片中. 29.
(41) 量測光纖透鏡曲率及軸心偏移量。. 4-2-2 光纖透鏡遠場光場之量測 利用顯微鏡來分析輕微的錐形光纖的非對稱性是困難的，最有效 的方法係利用光學系統及光束分佈來提供最有價值的資訊，因此可由 量測遠場分佈來辨別錐形光纖透鏡的非對稱性及具有所需之光場發 散角度。其機臺架設，如圖4.7所示，將雙曲形光纖頭端至於XYZ移 動平臺上從光纖末端打入1550nm光源，光由光纖內部經過透鏡打出 由IR CCD攝影機接收，光束強度分佈能以一維的水平或垂直掃描， 或者以二維輪廓描繪[23]。一個好的錐形雙曲線光纖透鏡表面，其遠 場分佈極接近高斯分佈，即正規分佈，如圖4.8(a)所示，呈現一對稱 圓形場，一個不好的錐形雙曲線光纖透鏡表面，其遠場分佈偏離高斯 分佈，如圖4.7(b)所示，呈一不規則場形，另外圖4.7(c)為平端單模光 纖場形以作為比較。由遠場量測可確定對稱的錐形雙曲線光纖透鏡可 產生一個高斯分佈。因此要得到高偶合效率必須要匹配先的高斯強度 分佈，除了考慮高斯場分佈的光點大小之匹配問題，不同曲率半徑的 錐形雙曲線光纖透鏡，影響雷射傳送光束與光纖模態之波前匹配，所 以改變曲率半徑也可改善耦光性能。較小的光點必有較大的發散角， 而較小的接受角光腰也必定較大。. 30.
(42) 4-3 耦光功率量測 4-3-1 實驗架構 FP雷射晶粒以銲接方式附著於一長方體次載具(3×3×1mm)上，並 將其置於挖有一符合尺寸U型槽銅質基座上，在U型槽旁邊以353ND 膠將一熱敏電阻固定於此基座上，並經由加熱平台以130°C烘烤15小 時，之後基座下方則附著於致冷器，如圖4.2，熱敏電阻與致冷器外 接溫度控制器，圖4.9為溫度控制器，依相對應溫度的電阻值如表(4.1) 調整溫度控制器，使之維持半導體雷射晶粒溫度的穩定性。將整個系 統 固 定 於三 軸基座 上 ， 另一 邊則將 光 纖 透鏡 以銅製 圓 柱 形套 管 (Ferrule)固定後，再將其以二維調位器固定，再固定於三軸基座上， 將光纖末端剥除披覆後切割出約12.5mm左右長度，以光學積分球接 收，再接上光功率計。調整正負探針位置提供雷射所需偏壓，圖4.10 為電流供應計，並調整三軸基座旋鈕，透過顯微鏡，使光纖對準於雷 射晶粒發光區，以求得最大耦光功率，整個系統如圖4.11所示。. 4-3-2 量測結果 首先，我們取不同長度的平端多模光纖與單模光纖熔接，並對其 作耦光效率的量測，觀察其耦光效率對應不同長度的多模光纖關係， 我們取樣的多模光纖長度範圍從140µm到1880µm。表4.2為我們所量. 31.
(43) 測到的結果，圖4.12為多模光纖長度與耦光效率關係圖。由圖4.12中 可看出，當多模光纖長度在1180µm時有最高耦光效率，此結果與我 們的計算值相近。 本實驗在量測時尚有兩個參數要定義：1.工作距離，即雷射與光 纖耦光到最佳值時，雷射與光纖頭端的距離；2.光纖對準容忍度，即 耦光功率降到原始功率之ㄧ半時，也就是3dB loss時的位置，光纖與 原始位置的偏移量，在此分別對水平與垂直軸方向作量測，圖4.13為 示意圖。本實驗也做了半球型透鏡光纖，在量測上以與錐形雙曲線光 纖透鏡做比較，圖4.14為雙曲線光纖透鏡在不同曲率半徑下量測到的 耦光效率，曲率半徑約在12.74µm 左右，可達到高達77%的耦光效 率，且此跟光纖的工作距離約為16µm，水平與垂直軸的光纖容忍度 可達0.8µm與1.3µm，圖4.15為與半球型光纖透鏡耦光效率比較圖。另 外我們分比較半球型與雙曲型光纖透鏡其曲率半徑與工作距離關 係、曲率半徑與光纖對準容忍度關係，如圖4.16、圖4.17、圖4.18所 示。我們發現半球型與雙曲型光纖透鏡在耦光效率上有較明顯的差異 性，而工作距離與光纖容忍度方面，並無太大的差別。最後我們把本 實驗所做的結果與直接使用單模光纖所量測到的結果做耦光效率、工 作距離以及光纖容忍度做比較，如圖4.19、圖4.20、圖4.21、圖4.22 所示。我們發現本實驗所設計的架構在耦光效率上與直接使用單模光. 32.
(44) 纖差異性很小，但在光纖工作距離以及光纖容忍度上確有明顯上的增 加，由此證實了此實驗架構在構裝上會有極大的優勢。. 33.
(45) 金. 陶. 銀. 陶 金. 箔. 瓷. 膠. 瓷 箔. 單位 : mm. Submoun. LD. 金線. 圖 4.1 Fabry-Perot 雷射示意圖. N型及P型半導體. 冷端. 絕緣體 金屬導體. 熱端. 直流電流. 圖 4.2 致冷器示意圖. 34.
(46) 1 .4 7 0. Reflective index. 1 .4 6 5. 1 .4 6 0. 1 .4 5 5. 1 .4 5 0 -2 0. -1 5. -1 0. -5. 0. 5. 10. 15. 20. x o r y po sition ( µ m ) 圖 4.3 單模光纖折射率分佈圖. Reflective index. 1.470. 1.465. 1.460. 1.455 -125. 0. x or y position (µ m) 圖 4.4 多模光纖折射率分佈圖. 35. 125.
(47) 20 10 0 -71 -61 -51. -10 -20. 圖 4.5 光纖透鏡曲率半徑量測法. 圖 4.6 光纖透鏡中心與光纖軸心偏移量量測法. 36.
(48) 雷射 光源. CCD. 光纖透鏡. 平端光纖. 圖 4.7 光纖透鏡遠場光場量測裝置圖. 37.
(49) (a). (b). (c). 圖 4.8 光纖透鏡遠場光場量測圖(a)對稱之光纖透鏡遠場光場 (b)非對稱之光纖透鏡遠場光場(c)平端單模光纖遠場光場. 38.
(50) 圖 4.9 溫度控制器. 圖 4.10 電流供應計 39.
(51) 表 4.1 熱敏電阻溫度與相對應的電阻值 temperature(℃) resistance(kΩ) temperature(℃) resistance(kΩ) temperature(℃) resistance(kΩ). 1. 28.12. 21. 11.77. 41. 5.389. 2. 26.89. 22. 11.29. 42. 5.193. 3. 25.69. 23. 10.84. 43. 5.006. 4. 24.55. 24. 10.41. 44. 4.827. 5. 23.46. 25. 10. 45. 4.655. 6. 22.43. 26. 9.605. 46. 4.488. 7. 21.45. 27. 9.227. 47. 4.331. 8. 20.52. 28. 8.867. 48. 4.179. 9. 19.63. 29. 8.523. 49. 4.033. 10. 18.79. 30. 8.194. 50. 3.893. 11. 27.98. 31. 7.88. 51. 3.758. 12. 17.22. 32. 7.579. 52. 3.629. 13. 16.49. 33. 7.291. 53. 3.504. 14. 15.79. 34. 7.016. 54. 3.385. 15. 15.13. 35. 6.752. 55. 3.27. 16. 14.5. 36. 6.5. 56. 3.16. 17. 13.9. 37. 6.258. 57. 3.054. 18. 13.33. 38. 6.025. 58. 2.952. 19. 12.79. 39. 5.805. 59. 2.854. 20. 12.26. 40. 55.92. 60. 2.76. 40.
(52) 電流供應器 溫度控制器 電極 致冷器. 光學積分球. 光纖透鏡. 功率量測計. 雷射晶粒 三軸基座. 熱敏電阻. 三軸基座. 圖 4.11 光纖透鏡耦光效率量測設備. 41.
(53) 表 4.2 平端多模光纖長度與耦光效率關係 MMF Length NO. (μm). Coupling MMF Length Efficiency NO. (μm) (%) 5.2 #7 980 5 #8 1180. Coupling Efficiency (%) 5.7 12. #1 #2. 140 360. #3. 470. 8.6. #9. 1380. 4.7. #4 #5 #6. 610 740 840. 10.6 5 5. #10 #11 #12. 1520 1780 1880. 8.3 7.2 5. 圖 4.12 平端多模光纖長度與耦光效率關係圖. 42.
(54) Normalized Coupling Efficiency. 1.0. Horizontal Vertical 0.8. 0.6. 0.4. 0.2. 0.0 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0. Lateral displacement (µm). 圖 4.13 光纖對準容忍度量測示意圖. 43.
(55) 100 95. Coupling Efficiency (%). 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 8. 10. 12. 14. 16. 18. Radius of Curvature (µm). 圖 4.14 雙曲線光纖透鏡曲率半徑與耦光效率之關係. 100. Hemispherical-shape Hyperbolic lens-shape. 95. Coupling Efficiency (%). 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 8. 10. 12. 14. 16. 18. Radius of Curvature (µm). 圖 4.15 雙曲線型以及半球型之光纖透鏡耦光效率比較. 44.
(56) 30. Working Distance (µm). Hemispherical-shape Hyperbolic-shape 25. 20. 15. 10. 8. 10. 12. 14. 16. 18. Radius of Curvature (µm). 圖 4.16 光纖透鏡曲率半徑與工作距離關係. Horizontal Tolerance (µm). 1.0. Hemispherical-shape Hyperbolic-shape. 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5. 8. 10. 12. 14. 16. Radius of Curvature (µm). 圖 4.17 光纖透鏡曲率半徑與光纖水平軸容忍度關係. 45. 18.
(57) 1.6. Hemispherical-shape Hyperbolic-shape. Vertical Tolerance (µm). 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0. 8. 10. 12. 14. 16. 18. Radius of Curvature (µm). 圖 4.18 光纖透鏡曲率半徑與光纖垂直軸容忍度關係. 100. (SMF) (GIF+SMF). Coupling Efficiency (%). 90 80 70 60 50 40. 8. 10. 12. 14. 16. Radius of Curvature (µm). 圖 4.19 光纖透鏡曲率半徑與工作距離關係. 46. 18.
(58) 25. (SMF) (GIF+SMF). Working Distance (µm). 20 15 10 5 0. 8. 10. 12. 14. 16. 18. Radius of Curvature (µm). 圖 4.20 光纖透鏡曲率半徑與工作距離關係. 1.0. 1.0. Horizontal Tolerance (µm). (SMF) (GIF+SMF) 0.9. 0.9. 0.8. 0.8. 0.7. 0.7. 0.6. 0.6. 0.5. 0.5. 8. 10. 12. 14. 16. 18. Radius of Curvature (µm). 圖 4.21 光纖透鏡曲率半徑與光纖水平軸容忍度關係. 47.
(59) 1.6 (SMF) (GIF+SMF). Vertical Tolerance (µm). 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 8. 10. 12. 14. 16. 18. Radius of Curvature (µm). 圖 4.22 光纖透鏡曲率半徑與光纖垂直軸容忍度關係. 48.
(60) 第五章 結論與未來工作 5-1 結論 由實驗結果得知，在雷射二極體發光區與光纖透鏡的頭端間有一 最佳的工作距離，隨著光纖與雷射二極體間距離縮小，耦光效率會有 一峰值出現，而再繼續縮小時，則耦光效率漸漸下降，且耦光效率隨 著光纖透鏡的曲率半徑增大而有變小的趨勢，。相反的，工作距離卻 有隨著曲率半徑增大而有增大的趨勢，光纖容忍度方面亦有此情況產 生。目前本實驗所提出的架構，在光纖透鏡曲率半徑為 12.74µm 下， 已可達 77%的耦光效率，在此效率下有約 16µm 的工作距離，並且伴 隨 0.8µm 與 1.3µm 的水平與垂直軸光纖對準容忍度，而與單模光纖透 鏡比較下，單模光纖在透鏡曲率半徑為 9.56µm 可得到 82%的耦光效 率，工作距離為 8µm，光纖對準容忍度方面，水平方向為 0.5µm，垂 直方向為 0.6µm，此研究已比直接使用單模光纖所得到的成果進步良 多。且本實驗所使用的光纖，皆為一般常見的標準光纖，所以在製作 成本上相當便宜，且可重複使用。 但是實驗上還是有相當的誤差，可能原因包括： (1). 多模光纖與單模光纖之間接點損失問題. (2). 所量測到的光纖透鏡曲率半徑不夠精準. (3). 錐型光纖之頭端對稱性有待改善. 49.
(61) (4). 量測裝置不夠精準造成光纖與雷射在對位時有軸向與水平角度 的偏差. (5). 雷射與空氣和空氣與光纖介面有 Fresnel 反射. 5-2 未來工作 目前已完成耦光實驗上的量測，與我們預計的目標尚有些微差 距，所以會配合模擬的方式，計算出不同的曲率半徑所對應的耦光效 率、工作距離以及光纖容忍度，並與我們的實驗值做比較，找出最佳 的曲率半徑可對應的最高耦光效率，並且有最長的工作距離與最好的 光纖對準容忍度做為改善，以期達成我們的目標。在量測實驗上，我 可換上精密度更好的耦光基座，並且更精準的切割出我們求得的多模 光纖長度，以減少耦光過程中的光功率損失，另外可使用更高解析度 光學顯微鏡，以量測出更精確的透鏡曲率半徑。. 50.
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