TWI594030B - 雙變曲率光纖微透鏡的製造方法 - Google Patents

Description

雙變曲率光纖微透鏡的製造方法

本發明係關於一種雙變曲率光纖微透鏡的製造方法，特別是關於一種利用靜電力拉伸在光纖端部形成一雙變曲率微透鏡，並具有高耦合效率的雙變曲率光纖微透鏡的製造方法。

一般而言，光纖具有一定的發散角，若要提升光源與光纖之間的耦合效率來提升傳輸能力，則須利用光纖整合微透鏡來滿足其需求，因此，利用光纖微透鏡來提高耦合效率等相關研究持續被探討中。

以往製造光纖微透鏡之相關技術，在1980年Kuwahara等人在期刊(“Efficient coupling from semiconductor lasers into single-mode fibers with tapered hemispherical ends”APPLIED OPTICS,Vol.19,No.15,1 August 1980)中提出使用光纖熔融拉伸製程，將光纖加熱熔融之後，將光纖拉伸分成兩段帶有半球形微透鏡端面的光纖微透鏡，此製程具有低成本及高重複性的特性，但是最大之光耦合效率只有38%，所以實用價值並不高。

1991年Edwards等人在美國專利號US5,011,254A中提出以雷射微機械加工技術製作光纖微透鏡，製作方式將光纖固定於可控制平台 上，以固定雷射光束對光纖進行加工，藉由電腦接集控制光纖位置與角度，能有效製作出具有雙曲面之光纖透鏡，能夠達到很高的耦合效率，但此發明不但設備昂貴且不易控制，不具有產業量產特性。

1993年Presby等人提出以二氧化碳雷射加工製作出非對稱的雙曲線光纖微透鏡(“Asymmetric Fiber Microlenses for Efficient Coupling to Elliptical Laser Beams”IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.5,NO.2,FEBRUARY 1993)，此種光纖微透鏡的最大耦光效率可達78.4%。但由於加工的移動精度要求需小於微米等級，所以此種製程難以達到高良率。

1995年Modavis等人提出雙楔形光纖微透鏡(“Anamorphic Microlens for Laser Diode to Single-Mode Fiber Coupling”,IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,Vol.7,No.7,July 1995)，最大耦光效率可達78%。但雙楔形光纖微透鏡的研磨程序複雜，並且耦光效率對光纖微透鏡的偏軸量(Offset)相當敏感，所以此種光纖微透鏡製程的重複性相當地低。

在2003年Kim等人提出UV膠點膠製程(“Refractive Microlens on Fiber Using UV-Curable Fluorinated Acrylate Polymer by Surface-Tension”,IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.15,NO.8,AUGUST 2003)，先將單模光纖與一段無纖核光纖熔接在一起，再將液態UV固化膠沾在無纖核光纖端面上，經過UV照射固化後形成半球形微透鏡，但此法無法製作出多種曲率之微透鏡，故實用價值不高。

在2004年李麗娜等人在中國專利號CN1508584A中公開了 以電弧放電方法在光纖端面製作一個圓球形透鏡。其方法是將光纖切平後，壓在光纖熔接機中，以電弧放電使得光纖局部被迅速加熱融化自然收縮形成球形，放電時間長短以表面張力使透鏡呈現所要求曲率半徑所需時間決定，製作完成圓球形透淨值竟是光纖直徑1.2~2.5倍，球狀的透鏡與雷射光模態不匹配使得耦光效率不彰。

2005年鄭木海等人在中華民國專利公告號I241421號中，提出一個製造雙曲線形式光纖透鏡，此方法提出一個製造雙曲線形式光纖微透鏡的方法與步驟，首先將光纖剝除披附層且清洗後固定於光纖固定座內，以氫氟酸等溶液進行蝕刻形成錐角，最後以電弧放電形成不均勻溫度場以得到雙曲線形式之光纖微透鏡及其所需之曲率半徑，由於步驟繁雜且蝕刻難控制所以不利大量生產。

2007年鄭木海等人在美國專利號US7,295,729B2中提出了四角錐形光纖透鏡及其製法。他們將光纖研磨成四角錐形後再熔燒前端小部分體積形成橢球曲面透鏡，形成一四角錐形光纖透鏡。本發明優越之處在於可依照雷射遠場光場之長寬比，調整四角錐形光纖之角度來控制光纖前端橢圓透鏡之形狀，以達到最佳耦光效率之目的，但熔燒時因為光纖核心與外部熔點不同會形成凸起所以需要預先去除尖點，製程步驟增加影響良率。

2011年Liu等人在期刊(“New scheme of double-variable-curvature microlens for efficient coupling high-power lasers to single-mode fibers”,Journal of lightwave technology,vol.29,pp.898-904,2011.)提出雙變曲率微透鏡的製程。他們將光纖以自動化機械研磨之後， 進行融燒改變光纖端面曲率半徑且具有拋光功能使其形成微透鏡，但融燒的製程不易控制且費時，且會破壞光纖樣本，故此製成重複性低不易大量生產。

故，有必要提供一種雙變曲率光纖微透鏡的製造方法，以解決習用技術中所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種雙變曲率光纖微透鏡的製造方法，先研磨光纖形成一雙變曲率端面，再使用可固化透明液體(CURABLE TANSPARENT LIQUID)覆於該端面上，輔以靜電力拉伸的方式，控制電壓大小以形成不同曲率半徑的微透鏡，是一種步驟簡單、生產時間短、生產良率高且產品品質穩定的方法。此外，由該可固化透明液體所形成的微透鏡端面可達成80%以上的高耦合效率。

為達上述之目的，本發明的一實施例提供一種雙變曲率(Hyperboloid)光纖微透鏡的製造方法，其包含步驟：提供具有一雙變曲率端部的一光纖；將一可固化透明液體沾附於該雙變曲率端部；使該雙變曲率端部朝下，對該光纖施加一電場並調整該電場的強度，使該可固化透明液體受到一靜電力作用向下延伸，以獲得一預設表面曲率；以及維持該電場的強度同時固化該可固化透明液體。

在本發明之一實施例中，該雙變曲率端部是利用機械研磨法所形成。

在本發明之一實施例中，該可固化透明液體沾附於該雙變曲率端部的方式為：將該雙變曲率端部浸入該可固化透明液體中然後垂直 拉起。

在本發明之一實施例中，該電場大於10⁶伏特/公尺。

在本發明之一實施例中，該靜電力產生一靜電紡織現象而拉伸該可固化透明液體。

在本發明之一實施例中，該可固化透明液體在固化前呈現一薄膜結構。

在本發明之一實施例中，該電場施加於該光纖的方式為：將該光纖置於一導電套筒內並露出該雙變曲率端部，並在該雙變曲率端部下方設置一導電板；以及對該導電套筒施加正電壓及對該導電板施加負電壓。

在本發明之一實施例中，該可固化透明液體的固化方式是利用風乾固化。

在本發明之一實施例中，另包含一步驟：在該可固化透明液體固化之後，以一溶劑溶解已固化之該可固化透明液體，以移除該雙變曲率光纖微透鏡。

1‧‧‧光纖

2‧‧‧雙變曲率端部

3‧‧‧研磨機

4‧‧‧可固化透明液體

5‧‧‧導電套筒

6‧‧‧導電板

V‧‧‧電場

第1圖：本發明一實施例之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法中，步驟(S1)的操作示意圖。

第2圖：本發明一實施例的步驟(S1)所獲得的雙變曲率端部，以掃描式電子顯微鏡所拍攝的照片。

第3圖：本發明一實施例之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法中，步驟 (S3)的流程示意圖。

第4圖：本發明一實施例的步驟(S4)所獲得的雙變曲率光纖微透鏡，以掃描式電子顯微鏡所拍攝的照片。

第5圖：本發明一實施例之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法中，該可固化透明液體在不同的電場強度中的曲率半徑變化。

第6圖：本發明一實施例之雙變曲率光纖微透鏡的曲率半徑與耦合效率的分佈圖。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。此外，本發明所提到的單數形式“一”、“一個”和“所述”包括複數引用，除非上下文另有明確規定。數值範圍(如10%~11%的A)若無特定說明皆包含上、下限值(即10%≦A≦11%)；數值範圍若未界定下限值(如低於0.2%的B，或0.2%以下的B)，則皆指其下限值可能為0(即0%≦B≦0.2%)。上述用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

本發明的一實施例提供一種雙變曲率光纖微透鏡的製造方法，其主要包含步驟：(S1)提供具有一雙變曲率端部的一光纖；(S2)將一可固化透明液體沾附於該雙變曲率端部；(S3)對該光纖施加一電場；以及(S4)維持該電場的強度同時固化該可固化透明液體。

請參考第1圖，根據本發明一實施例之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法首先是：(S1)提供具有一雙變曲率端部2的一光纖1。在本步驟中，該雙變曲率端部2可例如是利用機械研磨法所形成。較佳的，可例如是先將該光纖1的外包層去除，再以光纖切割刀將該光纖1切平，清潔裁切端面確認平整後，放入一研磨機5，定位後以自動機械控制研磨出具有該雙變曲率端部2的該光纖1，該雙變曲率端部2係指一非軸對稱的端部，其表面形貌如第2圖所示。該研磨機3可例如是熊貓型光纖端面研磨機，然不限於此。

本發明一實施例之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法接著是：(S2)將一可固化透明液體沾附於該雙變曲率端部2。在本步驟中，該可固化透明液體可例如是一旋塗式玻璃(SOG，Spin-on-glass)，其主成分為一液態二氧化矽。較佳的，該可固化透明液體沾附於該雙變曲率端部2的方式是將該雙變曲率端部2浸入該可固化透明液體中然後垂直拉起。在實際操作中，可直接將該步驟(S1)研磨後的該光纖1以精密三軸平台固定，使該雙變曲率端部2垂直朝下，其下方放置一定量的該可固化透明液體，再以影像感應器(CCD)觀察並將該光纖1下移到該雙變曲率端部2浸入該可固化透明液體後即向上離開，利用表面張力使該可固化透明液體沾附該雙變曲率端部2。此外，為了提高製造效率，可同時將多條研磨後的該光纖固定於該精密三軸平台，以便於同時沾附該可固化透明液體於該雙變曲率端部。

請參考第3圖，本發明一實施例之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法接著是：(S3)對該光纖1施加一電場V。在本步驟中，可例如是 使該雙變曲率端部2朝下，對該光纖1施加該電場V，使該可固化透明液體4受到一靜電力作用向下延伸，並調整該電場V的強度以獲得一預設表面曲率。較佳的，該電場V大於6.8×10⁶伏特/公尺，該靜電力可發生一靜電紡織現象(electrospinning)而拉伸該可固化透明液體4，藉此在不同電場強度之中，該可固化透明液體4可具有不同表面曲率。更詳言之，藉由調整該電場V的強度大小，在該可固化透明液體4固化前可獲得不同表面曲率半徑，進而選擇出最適當的曲率半徑，製造高耦合效率的雙變曲率光纖微透鏡。再者，該電場V施加於該光纖1的方式為：將該光纖1置於一導電套筒5內並露出該雙變曲率端部2，並在該雙變曲率端部2下方設置一導電板6；對該導電套筒5施加正電壓同時對該導電板6施加負電壓，以產生該電場V。此外，類似於該步驟(S2)，為了提高製造效率，本步驟也可以同時施加該電場V於複數的光纖，亦即將複數的該光纖1放置於該電場V中，同時拉伸複數的該光纖1所沾附的該可固化透明液體4。

本發明一實施例之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法接著是：(S4)維持該電場V的強度同時固化該可固化透明液體4。在本步驟中，該電場V持續施加於該可固化透明液體4，待其中所含的溶劑揮發後即可初步固定該可固化透明液體4的形狀，該可固化透明液體4在完全固化前可呈現一薄膜結構附著於該光纖1的該雙變曲率端部2。接著，靜置使該可固化透明液體4風乾後即可完全固化，獲得一雙變曲率光纖微透鏡，其表面形貌請參考第4圖所示，其係經固化後的SOG所形成的微透鏡結構。該旋塗式玻璃固化後能形成近似二氧化矽物質，不僅能平坦化表面，且為一個相當堅固結構，不易遭外力破壞而變形。此外，由於該旋塗式玻璃固化 後之抗熱性也相當強，應用於雷射光源時，不易發熱而導致變形。

請參考第5圖，其顯示本發明一實施例之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法中的該可固化透明液體4在不同的電場強度中所對應的曲率半徑。較佳的，該電場強度係大於10⁶伏特/公尺。以SOG作為該可固化透明液體4為例，在電場強度大約4.6×10⁶伏特/公尺(V/m)時開始產生靜電拉伸現象，此時由於將該旋塗式玻璃的液滴略微向下拉，所以產生的曲率半徑是增加的。當電場強度大於6.8×10⁶伏特/公尺，液滴會發生明顯的泰勒錐現象，此時隨著電場強度的提升，曲率半徑會逐漸降低，因此能逐漸調整電場使該可固化透明液體4改變拉伸程度而得到所需要的曲率半徑，以達到高耦合效率。

請參考第6圖，其顯示了本發明的雙變曲率光纖微透鏡的曲率半徑與耦合效率的關係。其中，對照組1為第2圖所示之無SOG的雙變曲率的光纖(僅進行研磨)、對照組2為平整端部的光纖與本發明的雙變曲率光纖微透鏡(樣品1-10，曲率半徑介於4~5微米)進行實驗。實驗方式為將光纖固定於精密三軸電控平台上，精準對位雷射二極體出光口(波長980奈米)與光纖微透鏡，將光纖尾端切平擦拭乾淨放入光感測器量測能量大小，透過控制平台使其達到最高能量，除以雷射光總能量即可得到耦合效率。

從第6圖可以發現，在4.4±5微米的曲率半徑下，能達到很好的耦合效率，其平均值在80%以上，最高為84%。相較之下，由於對照組1具有研磨後的光纖端面表面，其表面粗糙並未形成透鏡結構，故而造成耦合效率僅在20%以下。而另一對照組2則為平整端部的光纖，其耦合 效率也僅在40%上下。此結果也證實了本發明的雙變曲率光纖微透鏡的製造方法利用該可固化透明液體形成的微透鏡結構來補償研磨後的粗糙表面，可增加研磨精度的容忍度，降低製造困難度。

另一方面，為了模擬在產業上的實際應用，進行了耦合效率的穩定性實驗。首先在實現高耦合效率之後，持續量測並計算5分鐘的耦合效率，實驗結果以變異量(Coefficient of Variation,C.V.)計算及評估，得到本發明的10個樣品均小於0.16%。此外，同時進行雷射開連續開關的實驗，在開關次數5次的測量結果中，也可以發現他們的耦光效率幾乎維持相同，穩定性相當高。

再者，本發明一實施例之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法可選擇性的包含一步驟(S5)：在該步驟(S4)之後，以一溶劑溶解已固化之該可固化透明液體4，以移除該雙變曲率光纖微透鏡。在本步驟中，已固化的該可固化透明液體4溶解於該溶劑中，故原本的該雙變曲率微透鏡結構可從該光纖1的該雙變曲率端部2被移除。該溶劑可例如是乙醇、酮類或酯類等。因此，該雙變曲率端部2可以被重新利用，並接著進行該步驟(S2)至(S4)，以形成所需的表面曲率。由此可知，本發明的雙變曲率光纖微透鏡的製造方法可以非常簡單的重製不符合需求的光纖微透鏡。

相較於習知技術，本發明所提供之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法是一種製程簡單、生產時間短且品質穩定的方法，可解決目前製造技術中會產生微透鏡曲率半徑難以控制而導致耦合效率極低的問題。再者，本發明的雙變曲率光纖微透鏡的製造方法不會破壞光纖本身，僅需研磨出雙變曲率端部，且若需要重製微透鏡，使用溶劑即可將可固化透明液 體移除，故具有低成本的優點。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧光纖

2‧‧‧雙變曲率端部

4‧‧‧可固化透明液體

5‧‧‧導電套筒

6‧‧‧導電板

V‧‧‧電場

Claims (8)

1. 一種雙變曲率光纖微透鏡的製造方法，其包含步驟：提供具有一雙變曲率端部的一光纖；將一可固化透明液體沾附於該雙變曲率端部；使該雙變曲率端部朝下，對該光纖施加一電場並調整該電場的強度，使該可固化透明液體受到一靜電力作用向下延伸，以獲得一預設表面曲率；以及維持該電場的強度同時固化該可固化透明液體，其中該可固化透明液體在固化前呈現一薄膜結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法，其中該雙變曲率端部是利用機械研磨法所形成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法，其中該可固化透明液體沾附於該雙變曲率端部的方式為：將該雙變曲率端部浸入該可固化透明液體中然後垂直拉起。
4. 如申請專利範圍第1項所述之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法，其中該電場大於10⁶伏特/公尺。
5. 如申請專利範圍第1項所述之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法，其中該靜電力產生一靜電紡織現象而拉伸該可固化透明液體。
6. 如申請專利範圍第1項所述之雙變曲率光纖微透鏡的製造 方法，其中該電場施加於該光纖的方式為：將該光纖置於一導電套筒內並露出該雙變曲率端部，並在該雙變曲率端部下方設置一導電板；以及對該導電套筒施加正電壓且對該導電板施加負電壓。
7. 如申請專利範圍第1項所述之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法，其中該可固化透明液體的固化方式是利用風乾固化、加熱固化或光照固化。
8. 如申請專利範圍第1項所述之雙變曲率光纖微透鏡的製造方法，其中另包含一步驟：在該可固化透明液體固化之後，以一溶劑溶解已固化之該可固化透明液體，以移除該雙變曲率光纖微透鏡。