TWI466817B - 微奈米導光線之製作方法以及製作微奈米導光線之裝置 - Google Patents

微奈米導光線之製作方法以及製作微奈米導光線之裝置 Download PDF

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Description

微奈米導光線之製作方法以及製作微奈米導光線之裝置
本發明係關於一種製造微奈米導光線之方法,更關於一種製造微奈米導光線之裝置。
隨著微處理器(micro processor)演算速度的增加,近年來為了突破10Gb/s之演算速度,係將矽光子學(silicon photonics)之原理運用於解決此方面之瓶頸。一般而言,光傳輸之研究重點係著重於中長程訊號之傳遞。而短距離之傳遞則有許多方法,如基板與基板之間、或晶片與晶片之間的訊號傳遞。此外,微米級的光學元器件(optical component)係已被廣泛地使用於光學通訊、光感測器、以及生醫光學元件中。而光學元件的微小化,可帶來許多好處,如效能的提升、成本降低、以及生產性提升等,且一些新物理學以及新的光學設計更可由次波長元件(subwavelength device)的開發而被實現。然而,將光波導元件微小化至次波長元件及微奈米等級元件之過程,係受限於其生產之材料高成本以及產量性不高等因素。
微奈米級之導光線(micro/nano optical wire,MNOW)的提供,係作為未來次波長光學元件建構之重要材料,不僅兼具了訊息傳遞之基本功能,更可減少光波導元件製造尺寸。其可應用於波導耦合器(waveguide coupler)、分波多工器(Wavelength Division Multiplexing,WDM)、光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)、光纖光源器(Fiber Optic Illuminators)、中央處理單元(central processing unit,CPU)、光感器(optical sensor)等元件之製備,使此些元件達到微小化之目的,並加速科技發展。
一般傳統技術中,製備導光線(亦可稱為光纖)之拉伸步驟主要係包含預形體之預備以及由預形體拉伸成為導光線等步驟。於預形體拉伸之過程中,其係使用一拉伸裝置,將預形體經由加熱、軟化、拉伸而製得一導光線。
如圖1所示,其係一傳統之導光線拉伸裝置,包含:一加熱單元3(以軟化預形體1)、一直徑測量單元4、一塗覆(coating)單元5、一固化單元6以及一牽引機7。預形體1經由加熱單元3加熱至軟化溫度後,由牽引機7提供一拉伸力拉伸形成一條導光線2。
而一經由上述傳統方法所製得之導光線其切面直徑約為百微米等級,為一般工業上標準之光纖直徑:125 μm。若欲直接經由傳統導光線製備方法將預形體拉伸至微奈米等級直徑之導光線,則必須大幅提高拉伸速度。然而,在非常快速(如,20m/s)的拉伸情形下,導光線將會受不了張力而斷裂,而得不到所想要的微奈米導光線。
因此,於2005年,有研究者提出一種二段式拉伸方法。如圖2A以及2B所示,其係將微米級之導光線纏繞於一藍寶石錐形體(作為一載具)10之一具有切面直徑L約為100 μm之尖端12,以火焰11加熱後,由垂直藍寶石錐形體軸之方向(箭頭方向)快速拉伸,而可得到微奈米等級之導光線(submicrometer- or nanomicrometer diameter wires,SMNW)13。然而,利用此方法製作出之奈米等級之導光線,其長度僅可達到數公分至數十公分左右,且導光線直徑之均勻度不佳,無法製作出較長且可於工業上大量生產之奈米級導光線。因此,奈米級導光線之製備方法仍需進一步地被開發與研究。
本發明之主要目的係在提供一種製造微奈米導光線(其直徑約介於50nm至50 μm之間)之方法,俾能穩定地施予拉伸力量,而大量生產微奈米導光線。且相較於習知技術中以藍寶石錐形體作為一載具之拉伸方法,習知技術之方法僅可得到數公分至數十公分左右之微奈米導光線,但本發明可製得長度1公尺以上之微奈米導光線。再者,本發明之製造微奈米導光線之方法,不僅製程步驟簡單,且裝置便宜、生產成本低、可連續性生產,為一兼具便利性及生產性之發明。
為達成上述目的,本發明係提供一種製造微奈米導光線之方法與裝置。其裝置包括:一供料滑輪,用以固定一直徑微米級之預型體;一收料單元,配置於供料滑輪之一側;以及一加熱單元,配置於供料滑輪與收料單元之間,且加熱單元具有一長度可變之加熱區域。
欲使用本發明之製造微奈米導光線之方法,首先,需提供一上述之微奈米導光線拉伸裝置,並將一預型體之一端固定於裝置之供料滑輪上;接著,將預型體之另一端穿過裝置之加熱單元並固定於收料單元;以及,啟動加熱單元將預型體加熱至預型體之軟化溫度,並使收料單元拉伸預型體以形成一微奈米導光線。
本發明之製造微奈米導光線之方法,其中,預型體之直徑較佳可介於1μm至1000μm之間,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之方法,其中,預型體較佳為一光纖、一矽晶體、一非晶矽、或其組合,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之方法,其中,光纖較佳為一不具有外層保護層之裸光纖、或一摻雜有稀土元素之光纖,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之方法,其中,加熱單元較佳為具有一長度可變之加熱區域,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之方法,其中,加熱單元較佳為一高溫爐、一電弧爐、一火焰加熱器、或其組合,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之方法,其中,收料單元較佳為一滑輪,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之方法,其中,預型體之另一端穿過加熱單元後,較佳係繞過收料單元並回繞至供料滑輪,使形成一循環機制,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之方法,其中,收料單元較佳為一輸送帶與滾輪組,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之方法,其中,裝置較佳可更包括一緩衝裝置,其係配置於收料單元以及加熱單元之間,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之方法,其中,緩衝裝置較佳可為一滾筒組、一動滑輪與彈簧組、或其組合,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之方法,其中,形成之微奈米導光線之直徑較佳約介於50nm至50 μm之間,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之方法,其中,微奈米導光線拉伸裝置較佳更包括一直徑測量儀,且直徑測量儀係配置於加熱單元及收料單元之間,但無限制。
此外,本發明之另一目的係在提供一種製造微奈米導光線之裝置,其特色係具有一可調整加熱區域長度之加熱單元,俾能控制熱量供應,使微米級之預型體於加熱單元中的受熱情形可加以控制,以拉伸出直徑均勻之微奈米導光線。
為達成上述目的,本發明係提供一種製造微奈米導光線之裝置,其包括:一供料滑輪,用以固定一直徑微米級之預型體;一收料單元,配置於供料滑輪之一側;以及一加熱單元,配置於供料滑輪與收料單元之間,且加熱單元具有一長度可變之加熱區域。
本發明之製造微奈米導光線之裝置,其中,加熱單元較佳可為一高溫爐、一電弧爐、一火焰加熱器、或其組合,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之裝置,其中,收料單元較佳可為一滑輪、或一輸送帶與滾輪組,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之裝置,其中,裝置較佳可更包括一緩衝裝置,配置於收料單元以及加熱單元之間,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之裝置,其中,緩衝裝置較佳可為一滾筒組、一動滑輪與彈簧組、或其組合,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之裝置,其中,裝置較佳可更包括一直徑測量儀,且直徑測量儀係配置於加熱單元及收料單元之間,但無限制。
本發明之製造微奈米導光線之裝置,其中,由裝置所製得之微奈米導光線之直徑大約介於50nm至50 μm之間,但無限制。
經由本發明之製造微奈米導光線之方法所製得之微奈米導光線可應用於波導耦合器(waveguide coupler)、分波多工器(Wavelength Division Multiplexing,WDM)、光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)、光纖光源器(Fiber Optic Illuminators)、中央處理單元(central processing unit,CPU)、光感器(optical sensor)等元件之製備,使達到裝置尺寸減小之目的。
在以下文字中將以實施例詳細描述本發明。然而該實施例僅為說明用,並不會對發明權力之範圍有所限制。
實施例1
如圖3所示,其係本實施例之微奈米導光線拉伸裝置示意圖。其裝置包含有:一供料滑輪20,用以固定一直徑微米級之預型體23;一收料滑輪22,配置於供料滑輪20之一側;以及一加熱單元21,係配置於供料滑輪20與收料滑輪22之間。
於本實施例中,製造微奈米導光線之方法係,首先,取一直徑約125 μm之傳統光纖,剝除其外層塗覆層後得到一裸光纖,以該裸光纖作為本實施例之預型體23。接著,將預型體23一端先固定並捲收於供料滑輪20,另一端則通過加熱單元21而固定於收料滑輪22。由於預型體23本身具有細長的結構,因此容易被彎曲捲繞,亦即容易捲收於供料滑輪20或收料滑輪22中。並且,啟動加熱單元21,使溫度提升至預形體23之軟化溫度後(約1500℃左右),收料滑輪22以一預定之方向(如箭頭所指方向)轉動並拉伸預形體23以形成微奈米導光線24。
此外,於拉伸過程中,供料滑輪20供給預型體23之速率Vf ,與收料滑輪22拉伸捲收微奈米導光線24之速率Vd ,係分別經由兩個直流馬達(DC motor,圖未示)作控制。而速率Vf 與Vd 兩者之間的調整,可用以控制拉伸得到之微奈米導光線24之直徑。其相對關係可以[式1]作一表示:[式1]Vf x df =Vd x dd
其中,df 代表預型體23之直徑;dd 代表微奈米導光線24之直徑。
因此,拉伸的速率越快,所得到的微奈米導光線24之直徑則越小。舉例來說,當供料滑輪20供給之速率Vf 為31 μm/s、收料滑輪22拉伸之速率Vd 為133.33mm/s時,可由直徑125 μm(df )之預型體23拉伸得到直徑約為1.91 μm(dd )之微奈米導光線24。
拉伸之方向亦可於收料滑輪22拉伸收料後,反方向(相對箭頭所指方向之反向)再次拉伸,以得到更細之微奈米導光線。因此,拉伸方向不限於圖3中箭頭所指之方向。
此外,於本實施例中,加熱單元21可為一般習知技術中使用之加熱單元,如高溫爐、電弧爐、火焰加熱器等(圖未示),而無特別限制。本實施例中係使用高溫爐。
本實施例中,依據各種不同拉伸速率Vd 之調整,分別製得具有直徑為402nm、801nm、1.83 μm、3.13 μm之微奈米導光線。其掃描式電子顯微鏡(SEM)照片如圖7A~7D所示。
因此,由本實施例之製造微奈米導光線之裝置及方法,可製得直徑為微奈米等級之導光線,且製程步驟簡單、裝置便宜、生產成本低、可連續性生產。而穩定地拉伸,更使製備出之微奈米導光線具有之直徑分布均勻以及長度大幅提高等優點,係為傳統拉伸方法所無法達到之效果。
實施例2
如圖4所示,其係本實施例之微奈米導光線拉伸裝置示意圖。本實施例中之拉伸裝置,除了具有與實施例1相同之特徵外,特別地,本實施例中更包括有一引導滑輪25,使供料滑輪20之設置位置可調整至使用者易拆裝之位置,使增加便利性。此外,本實施例中之拉伸裝置更加裝有一直徑測量儀26,其用以偵測拉伸出之微奈米導光線之直徑,並回饋作為溫度以及速率調整之依據。
實施例3
如圖5A所示,其係本實施例之微奈米導光線拉伸裝置示意圖。本實施例中之拉伸裝置,除了具有與實施例1相同之特徵外,特別地,本實施例中更包括有一緩衝裝置27。其緩衝裝置27包括有一動滑輪272與一彈簧271。由於拉伸過程中,供料張力對拉伸的穩定性影響甚鉅,因此,緩衝裝置27的應用可用來降低張力效應,使拉伸過程更為平穩而避免斷裂。此外,本發明中之緩衝裝置27可不限定於動滑輪272與彈簧271之組合,亦可為一緩衝滾筒273組(如圖5B所示)或其他具有緩衝效應之機構。
實施例4
如圖6所示,其係本實施例之微奈米導光線拉伸裝置示意圖。其裝置包含有:一供料滑輪20、一加熱區域可伸縮之加熱單元28以及一輸送帶與滾輪組29。當拉伸動作進行時,可伸縮之加熱單元28可控制熱量供應,使微米級之預型體23於加熱單元28中的受熱情形可加以控制;以及微奈米導光線24垂下至輸送帶與滾輪組29,並由輸送帶與滾輪組29承接並拉伸。此外,本發明中之輸送帶與滾輪組29可為一般習知技術中之輸送帶與滾輪組,使可達到大量生產之效果。
實施例5
如圖7所示,其係本實施例之微奈米導光線拉伸裝置示意圖。其裝置包含有:一供料滑輪20、一加熱單元21以及一收料滑輪22。於本實施例中,預型體23之一端穿過加熱單元21後,繞過該收料滑輪22並回繞至供料滑輪20,使形成一循環機制。如此之循環機制可使預型體23連續拉伸,並使微奈米導光線直徑分布更為均勻。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已,本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準,而非僅限於上述實施例。
1...預形體
2...導光線
3...加熱單元
4...直徑測量單元
5...塗覆單元
6...固化單元
7...牽引機
10...藍寶石錐形體
11...火焰
12...尖端
13...導光線
20...供料滑輪
21...加熱單元
22...收料滑輪
23...預型體
24...微奈米導光線
25...引導滑輪
26...直徑測量儀
27...緩衝裝置
271...彈簧
272...動滑輪
273...緩衝滾筒
28...加熱單元
29...輸送帶與滾輪組
L...直徑
圖1係一傳統導光線(直徑125 μm)拉伸裝置之示意圖。
圖2A係一習知以藍寶石錐形體作為載體拉伸微奈米級導光線之側視示意圖。
圖2B係圖2A中藍寶石錐形體之尖端拉伸微奈米級導光線之剖視圖。
圖3係本發明實施例1之微奈米導光線拉伸裝置示意圖。
圖4係本發明實施例2之微奈米導光線拉伸裝置示意圖。
圖5A及5B係本發明實施例3之微奈米導光線拉伸裝置示意圖。
圖6係本發明實施例4之微奈米導光線拉伸裝置示意圖。
圖7係本發明實施例5之微奈米導光線拉伸裝置示意圖。
圖8A~8D係本發明實施例1之微奈米導光線之掃描式電子顯微鏡(SEM)照片。
20...供料滑輪
21...加熱單元
22...收料滑輪
23...預型體
24...微奈米導光線

Claims (15)

  1. 一種製造微奈米導光線之方法,包括:提供一微奈米導光線拉伸裝置,該裝置包括:一供料滑輪;一收料單元,係配置於該供料滑輪之一側;以及一加熱單元,係配置於該供料滑輪與該收料單元之間;固定一直徑微米級之預型體之一端於該供料滑輪;將該預型體之另一端穿過該加熱單元並固定於該收料單元;以及啟動該加熱單元,以加熱該預型體至該預型體之軟化溫度,並使該收料單元拉伸該預型體以形成一微奈米導光線,其中,該預型體之直徑為介於1μm至1000μm之間,該預型體為一光纖、一矽晶體、一非晶矽、或其組合,該形成之微奈米導光線之直徑為介於50nm至50μm之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製造微奈米導光線之方法,其中,該光纖為一不具有外層保護層之裸光纖、或一摻雜有稀土元素之光纖。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之製造微奈米導光線之方法,其中,該加熱單元具有一長度可變之加熱區域。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之製造微奈米導光線之方法,其中,該加熱單元為一高溫爐、一電弧爐、一火焰加熱器、或其組合。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之製造微奈米導光線之方法,其中,該收料單元為一滑輪。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之製造微奈米導光線之方法,其中,該預型體之另一端穿過該加熱單元後,繞過該收料單元並回繞至該供料滑輪,使形成一循環機制。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之製造微奈米導光線之方法,其中,該收料單元為一輸送帶與滾輪組。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之製造微奈米導光線之方法,其中,該裝置更包括一緩衝裝置,其係配置於該收料單元以及該加熱單元之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之製造微奈米導光線之方法,其中,該緩衝裝置為一滾筒組、一動滑輪與彈簧組、或其組合。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之製造微奈米導光線之方法,其中,該微奈米導光線拉伸裝置更包括一直徑測量儀,且該直徑測量儀係配置於該加熱單元及該收料單元之間。
  11. 一種製造微奈米導光線之裝置,該裝置包括:一供料滑輪,用以固定一直徑微米級之預型體;一收料單元,係配置於該供料滑輪之一側;以及一加熱單元,係配置於該供料滑輪與收料單元之間,且該加熱單元具有一長度可變之加熱區域,其中,該收料單元為一滑輪、或一輸送帶與滾輪組,該預型體之直徑為介於1μm至1000μm之間,該預型體為 一光纖、一矽晶體、一非晶矽、或其組合,且由該裝置所製得之微奈米導光線之直徑為介於50nm至50μm之間。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之製造微奈米導光線之裝置,其中,該加熱單元為一高溫爐、一電弧爐、一火焰加熱器、或其組合。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之製造微奈米導光線之裝置,其中,該裝置更包括一緩衝裝置,其係配置於該收料單元以及該加熱單元之間。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之製造微奈米導光線之裝置,其中,該緩衝裝置為一滾筒組、一動滑輪與彈簧組、或其組合。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之製造微奈米導光線之裝置,其中,該裝置更包括一直徑測量儀,且該直徑測量儀係配置於該加熱單元及該收料單元之間。
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