TWI555290B - 超寬頻近紅外線發光模組及產生超寬頻近紅外線的方法 - Google Patents
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Description
本發明係與一種寬頻光源有關，特別係與一種利用固態增益介質產生寬頻近紅外線的發光模組及方法有關。
寬頻光源一般可分成超螢光發光二極體(Superluminescent diode,SLD)或邊射型發光二極體(Edge emitting LED,EELED)、超連續光譜光源(Supercontinuum)，以及受激幅射(stimulated emission)光源。
超螢光發光二極體或邊射型發光二極體是在半導體元件中，設計不同深度的多重量子井(multiple quantum well)，藉以產生超頻寬光源，此頻寬範圍大約在1300~1580nm，涵蓋通訊波段，但目前功率低，只能在特定的工作電流下進行操作。
超連續光譜光源是藉由摻鉺光纖放大器(erbium doped fiber amplifier,EDFA)將脈衝雷射(pulse laser)放大後，再利用強色散光纖(dispersive fiber)的Kerr effect的自相位調變(self phase modulation)及其他非線性效應，藉以將頻寬拓寬，其頻寬範圍大約在1420~1700nm，但其架構複雜，所輸出的是非連續光(continuous wave)，而且儀器昂貴，故不適於商業化。
受激幅射(stimulated emission)光源一般是利用摻雜稀土元素光纖(rare-earth-ion doped fiber)或是摻鉻光纖放大器(chromium doped fiber amplifier,CDFA)來產生受激幅射。
摻雜稀土元素光纖是在光纖中摻雜稀土元素，如：鉺(Er)、釹(Nd)、鐿(Yb)，並將光源耦入光纖中。當摻雜稀土元素光纖吸收幫浦光源的能量後，位於基態能階的電子會躍遷至亞穩態能階上，而達成居量反轉。當輸入的光訊號通過此摻雜稀土元素光纖，且其波段位於介質自發輻射區域時，將誘發亞穩態能階上的電子回到基態，並產生受激輻射(stimulated emission)，其輻射光譜範圍為1250~1650nm。
摻鉻光纖放大器的發光原理與摻雜稀土元素光纖相同，一般是以摻鉻石榴石(Cr4+：Y3Al5O12，Cr4+：YAG)晶體作為材料，其具有寬頻譜特性，其輻射光譜範圍為1050~1400nm，包含光纖通訊中之O-band(1270~1350nm)，此為傳統光纖與半導體光源所無法提供的。受激幅射光源為目前光通訊的主流，但以其有限的頻寬，在未來的市場需求上不敷使用，所以發展寬頻光源是未來的趨勢。
近紅外線光源一般是以半導體雷射與發光二極體(LED)為主，但其光譜的半高寬(或稱為3-dB頻寬)在30nm或以下。習知的技術難以將近紅外線光源的頻寬增加至大於1100-1350nm的波段範圍，並且其半高寬或波長可調範圍只有約100-150nm，且光學模組體積大，價格昂貴。
綜合以上所述，如何同時增加近紅外線寬頻光源的輸出功率與提供更大的頻寬是本領域亟欲解決之問題。
本發明之一目的在於提供一種可顯著提升頻寬與光輸出功率的近紅外線的發光模組。
本發明之另一目的在於提供一種利用新的幫浦光波段、新的光纖材料形成新的發光波段，而能顯著增加近紅外線光的輸出功率與頻寬的方法。
為了達到上述之一或全部目的，本發明提供一種超寬頻近紅外線發光模組，其包括一幫浦光源、一半波片(half-wave plate)及一晶體光纖。幫浦光源適於產生一線性極化的可見光雷射，例如二極體雷射(diode laser)，或一具有極化器的雷射(laser with a polarizer)。半波片係設置於可見光雷射之光路徑上，以供調整可見光雷射的極化方向。晶體光纖設置於通過半波片之可見光雷射的光路徑上。晶體光纖具有一纖核，纖核係以摻雜三價鉻離子及四價鉻離子的鎂橄欖石晶體為材料。值得注意的是，摻雜鉻離子的過程係於纖核的表面鍍一氧化鉻層，再加高溫使鉻離子擴散進入纖核中。纖核中的三價鉻離子及四價鉻離子適於被可見光雷射激發而產生一自發幅射(spontaneous emission)，形成一波長從850nm到1350nm的連續光譜。此自發幅射的光譜可隨著可見光雷射的極化方向而變動。
在一實施例中，上述的超寬頻近紅外線發光模組，更包括一第一非球面透鏡(aspheric lens)、一第二非球面透鏡及一高通濾波片(long-wave pass filter)。第一非球面透鏡設置於幫浦光源與半波片之間。第二非球面透鏡設置於半波片與晶體光纖之間。高通濾波片設置於晶體光纖之一輸出端。
在一實施例中，上述的晶體光纖，其纖核的直徑範圍在5μm至
200μm之間，所產生之連續光譜提供一半高寬之可調範圍為150nm至300nm。
此外，本發明還提供一種產生超寬頻近紅外線的方法，包括以下步驟：先以含四價鉻離子的鎂橄欖石晶體為材料生長一纖核；在該纖核的側表面鍍上一氧化鉻層；對該氧化鉻層施以一高溫加熱程序，使三價鉻離子擴散進入該纖核中，並以該纖核製作一晶體光纖；提供一可見光雷射幫浦及一半波片，並使該可見光雷射幫浦所發出的一可見光雷射通過該半波片之後，耦入該晶體光纖中，以激發該纖核中三價鉻離子與四價鉻離子分別產生一第一自發幅射與一第二自發幅射；以及利用該半波片改變該可見光雷射的極化方向，以調整該第一自發幅射與該第二自發幅射的相對強度，直到該第一自發幅射與該第二自發幅射之光譜疊加而形成一波長從850nm到1350nm的連續光譜。
在一實施例中，上述的方法更包括：調整該可見光雷射的極化方向使該第一自發幅射與該第二自發幅射的強度達到同一數量級，並使該連續光譜之半高寬大於220nm。
在一實施例中，上述的方法更包括：在將該纖核的該側表面鍍上該氧化鉻層之前，先以雷射加熱基座生長法拉提該纖核，直到該纖核的直徑小於200μm，其中該纖核之直徑範圍為5μm至200μm之間。
本發明藉由改良晶體光纖製作方式，大量增加晶體光纖中的鉻濃度，並以可見光雷射作為幫浦光，並調整幫浦光的極化方向，使晶體光纖發出一頻寬較習知技術寬的連續光譜。
100‧‧‧超寬頻近紅外線發光模組
110‧‧‧幫浦光源(可見光雷射幫浦)
120‧‧‧半波片
130‧‧‧晶體光纖
131‧‧‧纖核
1311‧‧‧原始晶棒
1312‧‧‧子晶
1313‧‧‧氧化鉻層
1314‧‧‧熔區
132‧‧‧纖衣
132a‧‧‧內層纖衣
132b‧‧‧外層纖衣
140‧‧‧第一非球面透鏡
150‧‧‧第二非球面透鏡
160‧‧‧第三非球面透鏡
170‧‧‧高通濾波片
圖1係為本發明之一實施例的超寬頻近紅外線發光模組示意圖。
圖2係為本發明之一實施例的晶體光纖之纖核製作過程示意圖。
圖3係為本發明之一實施例的晶體光纖剖面結構示意圖。
圖4係為本發明之一實施例的超寬頻近紅外線發光模組所產生的連續光譜示意圖。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是用於參照隨附圖式的方向。因此，該等方向用語僅是用於說明並非是用於限制本發明。
本發明之近紅外線發光模組為一自發輻射放大光源，其由一幫浦光源及一增益介質(gain medium)所構成。增益介質內部的電子吸收幫浦光源，並躍遷至較高能階。當激發態電子的生命週期(lifetime)結束後，放出自發輻射(spontaneous emission)，自發輻射行進於增益介質時，會誘發(stimulate)其他處於激發態的電子，使其放出與自發輻射相位(phase)、大小和方向相同的電磁波，使原來的自發輻射獲得增益(gain)而被放大，得到放大的自發輻射。由於自發輻射放大光源並未形成雷射共振，所以頻譜較寬。
請參閱圖1，其為本發明之超寬頻近紅外線發光模組100的示意圖。超寬頻近紅外線發光模組100之基本構成元件包括一幫浦光源110、一半波片(half-wave plate)120及一晶體光纖130。幫浦光源110適於產生一線性極化的可見光雷射L1，例如：二極體雷射，或是一具有極化器的雷射。本實施例採用波長670nm之多模二極體雷射作為幫浦光源110。值得注意的是，本實施例採用可
見光雷射作為幫浦光，可以提高超寬頻近紅外線發光模組100之光輸出功率。
半波片120設置於可見光雷射L1之光路徑上，以供調整可見光雷射L1的極化方向，之後再將改變極化方向之可見光雷射L2耦入晶體光纖130中。晶體光纖130用以作為一增益介質，其設置於通過半波片120之可見光雷射L2的光路徑上。晶體光纖130具有一纖核131及一纖衣132，纖核131係以摻雜三價鉻離子(Cr3+)及四價鉻離子(Cr4+)的鎂橄欖石(Forsterite)晶體為材料。纖衣132可以是單層或多層的玻璃毛細管，將纖核131包覆於其內。
值得注意的是，纖核131之一側表面鍍有一氧化鉻層(Cr2O3)，以增加纖核131中的三價鉻離子濃度，或改變纖核131中的三價鉻離子及四價鉻離子濃度比例。當纖核131中的三價鉻離子及四價鉻離子受到可見光雷射L2的激發後放出一自發幅射(spontaneous emission)，自發幅射在晶體光纖130中被放大後形成一輸出光L3，形成一波長從850nm到1350nm的連續光譜。此自發幅射的光譜強度分布與半高寬(Full width at half maximum,FWHM)可隨著可見光雷射的極化方向而調整。
在一實施例中，上述的超寬頻近紅外線發光模組100，更包括一第一非球面透鏡(aspheric lens)140、一第二非球面透鏡150、一第三非球面透鏡160及一高通濾波片(long-wave pass filter)170。第一非球面透鏡140設置於幫浦光源110與半波片120之間，可將可見光雷射L1準直平行化。第二非球面透鏡150設置於半波片120與晶體光纖130之間，將可見光雷射L2聚焦於晶體光纖130之一輸入端134。晶體光纖130的一輸出端135則使用一第三非球面透鏡160將晶體光纖130所產生的輸出光L3發散角降低。由於可見光雷射L2耦入晶體光纖130時，並不會完全被吸收，仍會有些殘餘的可見光雷射L2由晶體光纖130之輸出
端135通過，因此可設置一高通濾波片170於晶體光纖130之輸出端135，用以將殘餘的可見光雷射L2濾除。在本實施例中，輸出光L3係先通過第三非球面透鏡160，再通過高通濾波片170。
請參閱圖2，其為本發明之超寬頻近紅外線發光模組100之纖核131側鍍氧化鉻層1313之示意圖。先以一含有四價鉻的鎂橄欖石(Cr4+：Forsterite)晶體為原始晶棒1311，將其頂端熔融，而形成一熔區1314。將一子晶1312緩慢下移與熔區1314接觸，然後調整熔區1314之形狀，使上下兩個固態接面呈水平，再緩慢將子晶1312與原始晶棒以不同比例的速度向上拉提而生成更細的纖核131。值得注意的是，纖核131的直徑範圍在5μm至200μm之間。纖核131的晶格方向由子晶1312所決定，經由選擇子晶1312的晶格方向，可以生長特定晶相的纖核131。
纖核131之放大自發幅射(amplified spontaneous emission,ASE)功率與鉻離子的濃度及纖核131是否有缺陷有關。在一實施例中，利用雷射加熱基座生長技術(Laser heated pedestal growth,LHPG)將直徑500μm之Cr：Forsterite原始晶棒1311拉提為直徑290μm之纖核，再將其拉提至直徑70μm之纖核。值得注意的是，在每次拉提纖核的過程中都會使纖核中的鉻離子濃度降低，此時利用電子槍在纖核周邊蒸鍍Cr2O3來提升鉻離子濃度，此法在本發明之實施例中稱為「側鍍」。
側鍍製程是將Cr2O3靶材填入坩鍋，以電子束撞擊Cr2O3靶材後沉積在Cr：Forsterite纖核131之側面，其主要目的為將三價鉻離子融入纖核131中。在一實施例中，為了降低拉提的次數，並改善寬頻光源效率，可以先將原始晶棒1311拉提成為直徑140μm纖核之後做側鍍，在側鍍後再將直徑140μm纖核
拉提至直徑40μm。在另一實施例中，也可直接將原始晶棒1311拉提成為直徑70μm的纖核之後再做側鍍。
如圖3所示，為了增加摻雜鉻的鎂橄欖石(Cr：Forsterite)晶體光纖130的光波導特性，並降低傳輸損耗，因而選用折射率較低的玻璃毛細管，將纖核131包覆，而形成纖衣(Cladding)132。在一實施例中，可使用兩種材料來做雙纖衣晶體光纖130之纖衣132，內層纖衣132a為折射率1.538之鋁矽酸鹽(Aluminosilicate)玻璃毛細管，其內外徑分別為75μm與120μm，外層纖衣132b為折射率1.474之硼酸鹽(Borosilicate)玻璃毛細管，其內外徑分別為150μm與250μm。
為了讓三價鉻離子能有效的融入纖核131中，可以利用雷射加熱擴散法，對氧化鉻層1313施以一雷射加熱程序，使三價鉻離子擴散進入纖核131中；或是利用退火製程，使表面的氧化鉻層1313融入纖核131中，以提升三價鉻離子濃度，或調整纖核131之三價鉻離子與四價鉻離子之濃度或比例。
由於可見光雷射為高功率幫浦光源110，為了改善晶體光纖130的散熱，可藉由導熱性佳的金屬材質包覆。目前採用的包覆法有兩種，一為金屬包覆法，一為熱熔膠-銀膠包覆法。在晶體光纖130完成包覆並切割完成後，為了使晶體光纖130具有平滑之端面，需要研磨與拋光。此與一般玻璃光纖直接使用光纖切割刀即可切裂出平滑之端面不同。
圖4為本發明之一實施例的超寬頻近紅外線發光模組100所產生的連續光譜示意圖，其縱軸為功率譜密度(power spectral density,PSD)，以此代表光譜強度；橫軸為波長。在一實施例中，晶體光纖130所發出之連續光譜提供一半高寬FWHM之可調範圍為150nm至300nm；連續光譜的波長範圍R係從
850nm到1350nm。連續光譜係為三價鉻光譜及四價鉻光譜疊加產生，調整可見光雷射的極化方向可以改變二者之疊加後光譜的強度分布，進而增加連續光譜之半高寬，例如，將連續光譜的波長範圍係從1100nm到1350nm之範圍增大至850nm到1350nm之範圍，因此，也增加了連續光譜之半高寬可調範圍。
綜上所述，本發明提供了一種產生超寬頻近紅外線的方法，包括以下步驟：
先以含四價鉻離子的原始晶棒 1311為材料生長一纖核131；在纖核131的一側表面鍍上一氧化鉻層1313；對氧化鉻層1313施以一高溫加熱程序，使三價鉻離子擴散進入纖核131中，並以纖核131製作一晶體光纖130。
再提供一可見光雷射幫浦110及一半波片120，並使可見光雷射幫浦110所發出的可見光雷射L1通過半波片120之後，耦入晶體光纖130中，以激發纖核131中三價鉻離子產生一第一自發幅射，同時激發纖核131中四價鉻離子產生一第二自發幅射。在一實施例中，Cr3+的第一自發幅射可作為Cr4+的幫浦光，使得Cr4+被二次激發。
之後，利用半波片120改變可見光雷射L2的極化方向，以調整第一自發幅射與第二自發幅射的相對強度，直到第一自發幅射與第二自發幅射之光譜疊加而形成一波長從850nm到1350nm的連續光譜。
在本發明中，可見光雷射L2的極化方向與連續光譜的關係是值得注意的，例如，調整可見光雷射L2的極化方向，使第一自發幅射與第二自發幅射的強度達到同一數量級，則可形成連續光譜，並使該連續光譜之半高寬達到220nm或更高。
另外，側鍍的時機也是值得注意的，在將纖核131的側表面鍍上氧化鉻層1313之前，先以雷射加熱基座生長法拉提纖核131，直到纖核131的直徑小於200μm，例如140μm、70μm或40μm。
本發明採用新的光纖材料、改良光纖製作方式，以大量增加晶體光纖中的鉻濃度，並以可見光雷射提供新的幫浦光波段顯著提高近紅外線發光模組的光輸出功率，同時配合調整幫浦光的極化方向，而顯著提升頻寬並形成新的發光波段。相較於習知技術，具有超寬頻，新波段，對人體組織穿透度深的優勢，且光學模組體積小，價格有競爭力，適合作為光學同調斷層掃描儀(optical coherence tomography,OCT)的光源，並應用於波長可調雷射，近紅外線寬頻光源，超快雷射等相關產品中。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。
100‧‧‧超寬頻近紅外線發光模組
110‧‧‧幫浦光源(可見光雷射幫浦)
120‧‧‧半波片
130‧‧‧晶體光纖
131‧‧‧纖核
132‧‧‧纖衣
140‧‧‧第一非球面透鏡
150‧‧‧第二非球面透鏡
160‧‧‧第三非球面透鏡
170‧‧‧高通濾波片(濾除可見光雷射)
Claims (10)
- 一種超寬頻近紅外線發光模組，其包括： 一幫浦光源，適於產生一線性極化的可見光雷射； 一半波片(half-wave plate)，設置於該可見光雷射之光路徑上，以供調整該可見光雷射的極化方向；以及 一晶體光纖，設置於通過該半波片之該可見光雷射的光路徑上，該晶體光纖具有一纖核，其中該纖核係以摻雜三價鉻離子及四價鉻離子的鎂橄欖石晶體為材料，且摻雜鉻離子的過程係於該纖核的表面鍍一氧化鉻層，再加高溫使鉻離子擴散進入該纖核中，該纖核中的三價鉻離子及四價鉻離子適於被該可見光雷射激發而產生一自發幅射(spontaneous emission)，並且該自發幅射的光譜強度分布與半高寬係隨著該可見光雷射的極化方向而變動，該自發幅射具有一波長從850nm到1350nm的連續光譜。
- 如申請專利範圍第1項所述之超寬頻近紅外線發光模組，其中該晶體光纖之該纖核的直徑範圍在5μm至200μm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之超寬頻近紅外線發光模組，其中該晶體光纖所產生之該連續光譜具有一半高寬(Full width at half maximum)，該半高寬在150nm至300nm之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之超寬頻近紅外線發光模組，其中該幫浦光源係選自一二極體雷射及一具有一極化器的雷射兩者之其一。
- 如申請專利範圍第1項所述之超寬頻近紅外線發光模組，更包括一第一非球面透鏡(aspheric lens)設置於該幫浦光源與該半波片之間。
- 如申請專利範圍第5項所述之超寬頻近紅外線發光模組，更包括一第二非球面透鏡設置於該半波片與該晶體光纖之間。
- 如申請專利範圍第6項所述之超寬頻近紅外線發光模組，更包括一高通濾波片(long-wave pass filter)設置於該晶體光纖之一輸出端。
- 一種產生超寬頻近紅外線的方法，包括： 以含四價鉻離子的鎂橄欖石晶體為材料生長一纖核； 在該纖核的側表面鍍上一氧化鉻層； 對該氧化鉻層施以一高溫加熱程序，使三價鉻離子擴散進入該纖核中，並以該纖核製作一晶體光纖； 提供一可見光雷射幫浦及一半波片，並使該可見光雷射幫浦所發出的一可見光雷射通過該半波片之後，耦入該晶體光纖中，以激發該纖核中三價鉻離子與四價鉻離子分別產生一第一自發幅射與一第二自發幅射；以及 以該半波片改變該可見光雷射的極化方向，以調整該第一自發幅射與該第二自發幅射的相對強度，直到該第一自發幅射與該第二自發幅射之光譜疊加而形成一波長從850nm到1350nm的連續光譜。
- 如申請專利範圍第8項所述之增加近紅外線發光模組之頻寬的方法，其中以該半波片調整該可見光雷射的極化方向之步驟包括：調整該可見光雷射的極化方向使該第一自發幅射與該第二自發幅射的強度達到同一數量級，並使該連續光譜之半高寬達到220nm以上。
- 如申請專利範圍第8項所述之增加近紅外線發光模組之頻寬的方法，更包括：在將該纖核的該側表面鍍上該氧化鉻層之前，先以雷射加熱基座生長法拉提該纖核，直到該纖核的直徑小於200μm，其中該纖核之直徑範圍為5μm至200μm之間。
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