1、DWDM 光學鍍膜介紹與解析前 言隨著行動電話與網際網路等通信量急速增加，連接幹線及都會之區間的光纖傳輸容量亦隨之暴漲。增加通信容量有兩種方法，一種是提高變頻速度的多重時間光增幅器廣波域技術提升相對分割法（TDM, Time Division Multiplexing） ，另外一種是以單一光纖傳輸不同波長光信號之多波長方式（WDM, Wavelenght Division Multiplexing） 。由於地也帶動著高速化與高密度波長多重化演進，換言之它所使用的 Filter 種類與波長亦隨之多樣化。Filter 鍍膜基於耐環境、溫度、穩定性等系統考量，通常採用離子（Ion）/等離子鎗（Pla
2、sma Gun）與濺鍍（Suptter）或電子束（EB，Electric Beam）等方式。然而鍍膜時有關膜厚監控（Monitor） 、重複再現性、良率改善、自動化等諸多問題仍有待鍍膜廠商突破。鍍膜方法電子束（EB）蒸鍍方式容易形成柱狀膜結構，為獲 高充填率（Packing Density）的膜層，通常會採用 Ion 照射基板方式，經 Ion照射後由於離子（Ion）的能量使基板上形成活性核，同時促進核成長及核凝縮（Coalescence） ，進而獲得高充填率的膜層。電子束（EB）蒸鍍源與離子/等離子鎗（Plasma Gun）的組合又可分為離子輔助（IAD, Ion Assisted Depos
3、ition）及離子鍍（IP, Ion Plating） ，這兩種方法常用於有耐環境需求的通信元件鍍膜工程。Leybold 公司的 APS（Advanced Plasma System）為典型代表。IAD 的電子束蒸鍍源與 Ion 產生器可個別獨立控制，因此 IAD 方式較易找出最合適的鍍膜條件。基於 EB 鎗需長時間操作，因此有些廠商修改 Filament的尺寸與外形，用來降低電子束 270偏向時所產生的離子衝擊對 Filament 造成的耗損。如此一來由高周波放電所構成的離子鎗，在 DC 放電時無法避免的Filament Suptter 不純物產生會完全消失，同時離子鎗可作長時間運轉。這種方
4、式具有鍍膜時 Filer 吸收損失較小 、膜應力比其它等離子製程更小等優點。濺鍍（Suptter）方式可獲得較高的膜層充填率，鍍膜速度則比上述方式慢 ，因此光通信用多層膜 Filter 製程很少採用。OCLI 及加拿大的 NRCC 是將金屬靶材（Target）先作濺鍍，再經過氧化等離子氧化過程，如此便可進行製作窄域 Filter 及增益等化 Filter。雖然具備離子輔助（IAD, Ion Assisted Deposition）之離子束濺鍍法（IPBS）的鍍膜速度非常緩慢，不過卻受到北美地區以大型基板鍍膜為主的Filter maker 青睞。各式鍍膜法如圖 1 所示。蒸鍍材料光通信用 Fil
5、ter 為滿足光學、機械強度、耐環境性等嚴苛要求，一般鍍膜材質會選用安定的金屬氧化物。然而不論何種鍍膜方式，低折射率材料除了SiO2 之外其它材料幾乎不被考慮，高折射率材料有 TiO2（基本母材：TiO、Ti2O3、Ti2O5、Ti4O7、TiO2） 、HfO2、ZrO2、Ta2O5 等等，除此之外Nb2O5 亦備受期待 。TiO2 的折射率相當大（n=2.25，=1.55m） ，因此常用於 EB 鍍膜製程。若用於 IAD 鍍膜製程容易產生結晶化，以及因為氧化不足所以經常發生吸收現等問題，加上為獲得透明狀非結晶（Amorphous） ，基板溫度、離子電流、鍍膜速度等參數最佳化設定範圍極為狹窄，
6、因此 TiO2 已被 Ta2O5 取代。膜厚監控鍍膜時對中心波長與穿透域波紋（Ripple）有極嚴苛要求，為滿足上述需求因此各膜層厚度精度必需控制在 1 x 10-4以下。因此鍍膜時一般都採取中心波長穿透鍍膜基板的同時，一邊以直視型監控（Monitor）方式直接監視鍍膜厚度。由於 Mirror 層及 Cavity 層的 nd值會隨著各 1/4 波長在穿透光量上出現山谷，因此可依據各別變化曲線令停止鍍膜的 shutter 動作。直視型會自動補正上一層的膜厚誤差，因此誤差精度為設計值的 0.03%（3 x 10-4）左右。不過即使如此至今尚無法作出 100GHz 的 Filter，主要原因是尚無法
7、偵測在變化曲線點時膜厚的光量變化最小值所致。為彌補此缺陷補救對策是接近變化曲線點時藉由理論計算來推測並控制 shutter 關閉，亦即所謂的推測控制法。進行 multi cavity filter 鍍膜時，cavity 之間相互連接的結合層的光變化量較少，因此不作光量測直接作時間控制。表 1、表 2 是膜厚監控規格。圖2 是 Ta2O5/SiO2 113 層 3 cavity 100GHz 基板鍍膜時的 run sheet（simulation） 。不論是推測控制法或是時間控制法，安定的蒸著速度與均一的膜層折射率乃是基本要求。此外為了使基板的面均勻化基板轉速高達1000rpm。光學特性 膜層穿
8、透損耗DWDM 系統用的 filter 膜層超過 100 層，物理膜厚為 20m 以上。膜層本体會隨著鍍膜條件產生結構性瑕疵，這也是發生光散亂與吸收主要原因。若多膜層中附著 sub micron 粒子，該處會形成核包並長成所謂的球粒（nodule） 。如果球粒表面的積層形狀明顯彎曲，當光線通過球粒眾多的膜層時會在膜層內部與表面散亂 ，換言之它是造成光損失與光通路迷主要原因。形成核包的粒子主要原因為：基板研磨刮傷或清洗不良真空槽內混雜粉屑、塵埃鍍膜速度太快蒸鍍源突然沸騰鍍膜時基板帶有電荷光吸收現象一般是由遷移元素等不存物或水酸基附著所造成。遷移元素分別有 Ti、Cr、Mn、Fe、Ni、Co、Cu
9、 離子，在 0.380.78m 可視範圍，0.8m附近或到 2m 為止的近紅外線範圍，因電子遷移引發吸收峰值（peak） 。遷移元素等不存物可用瑩光 X 線儀或 EPMA 儀（Electron Probe Micro Analyzer）檢測。若膜層充填率太小時水份（OH 基）會附著於間隙，在 2.8m 附近出現極大的吸收 band，即使在 1.4m 高頻波附近出也會產生吸收。紅外線分析儀可直接檢測水基酸（-OH 或 H2O）的存在。多層膜的場合由於多重干涉，不易取得有關水基酸的資料。不過只需將少許玻璃混入水基酸，它的機械特性（硬度、楊氏係數）會有明顯變化，換言之可藉由微小壓入變位量的滯後（hy
10、steresis）曲線計算出膜層硬度與楊氏係數。8cavity 120 層寬頻域 band pass filter 可用APS 方式鍍膜，之後再用純水煮沸 24 小時，此時因鍍膜速度不同會出現吸收損失增加的膜層與吸收損失未增加的膜層，其膜厚硬度與楊氏係數有顯著差異。具體現象如圖 3 所示。Hight Power 特性石英光纖以 1.41.5m 高功率雷射激發後 ，從激發波長一延伸到1215THz 長波長側的 stokes 線區域會發生誘導 Raman 增幅效應。上述增幅方式如果是未使用特殊光纖時，則可使低增益 EDFA 波長區域產生 Raman 增幅效應，由於它具有低雜音特性因此備受關注，目前
11、已被考慮使用於長距離的網際網路。由於上述的激發光源是使用高功率 LD（Laser Diode） ，因此所有相關的光學元件或光模組都必需具備承受一至數 W 連續光（CW）的能耐。石英光先本身耐power 強度若以 SMF 計算大約為 0.5KW（200MWcm2 勰 橢橢 l $ X ! 元件的膜層由於光束外徑會擴散為 0.30.5nm，實際上單位面積的能量比雷射損害值小，因此膜層不會發生損傷。不過表面研磨及清洗良否仍具有決定性影響。膜層應力使用 IAD 及 RPP（Reactive Plasma Plating）鍍膜時 SiO2、TiO2、Ta2O5膜層充填率雖然都視為 1 左右，然而此數據卻
12、顯示膜層內部確實存有壓縮應力（Compressive Stress） ，進而造成基板朝膜層側成凸面狀彎曲。膜層內部應力 可由基板上微小單位面積的力與力矩合成作如圖 4 計算。一旦膜層內部應力變大時基板變會產生扭曲（複折射） ，造成PMD（Polarization Mode Dispersion）及 PDL（Polarization Dependent Loss）等問題，因此一般都希望膜層內部應力愈小愈好。不過實際上在不會傷害膜層的耐環境特性前提下，又可減緩膜層內部應力的有效鍍膜條件至今尚未被找到。表 4 是依照上束力與力舉方法量測 IAD 膜層內部應力的實測值。等離子輔助鍍膜法及離子鍍膜法會因
13、鍍膜層數增加使基板逐漸彎曲，造成監控（monitor）中心部位與周圍隨著蒸鍍源距離的遠近差異，在膜層內面產生膜厚不均現象，最後導致基板內面位置偏異，從而引起中心波長偏離，形成filter 的分光波形無法符合設計值的窘境。為減少鍍膜層彎曲所以先在厚度10mm 的基板上成膜，之後再削至所要厚度。此外為配合組裝作業通常會將filter 切割成 1.21.4mm 正方，切割過程雖然可減緩內部應力不過必需充分考慮中心波長 shift 問題。BPF 溫度特性與基板選用SiO2、Ta2O5 31 層 single cavity filter 鍍於各種基板時的溫度係數實測值如圖 5 所示。圖中的 WMS-01
14、 、-02、-03 是 OHARA 開發的 DWDM 用基板。如圖 5 所示溫度係數為 0 時基板的線膨脹係數為 9.09.5 x 10-6。另外根據圖 6 所示得知即使是相同基板材質 multi cavity 時溫度係數會略為變大，換言之基版的選用必需配合膜層結構與鍍膜方法。此外光通信用 band pass filter 基板需具備下列要件：具有適合鍍膜方法與膜層結構的線膨脹係數透明狀切斷或研磨工程不會龜裂、缺角高溫高濕不會燒焦不含公害物質尤其是海底用光通信元件對於長期可靠性有極嚴苛規範，因此玻璃材料需具備包含線膨脹係數等各種特性。光通信系統光學 filter多波長方式的 channel 間
15、隔從 200GHz（1.6nm）朝 100GHz（0.8nm） ，50GHz（0.4nm）超高密度及波長分/合波（Multiplexer / Demmultiplexer）等高規格方向發展。都會系統（Metropolitan network system）則因成本考量以多波長 48 channel 為主。DWDW 可區分為 CWDM（Coarse WDM）及 WWDM（Wide bandpass WDM） 。雖然使用波長分離 filter 的穿透域幅寬為 1013nm，但是為彌補 LD 發振波長的分佈缺陷，因此通常會要求穿透域的平坦性或切除餘波後的特性。光增幅器朝向寬頻化與 hight pow
16、er 化發展，傳統的 EDFA 增幅器（Erbium Doped Fiber Amplifier）加強版 Raman 增幅器最近則是備受關注。為配合各種激發光源的波長，用於 dichro filter 及 noise cut 之寬頻 band pass filter等元件需求則有明顯增加趨勢。光通信常用的波長如圖 7 所示。各式光學 filter:Mux/DeMux 用 band pass filterDWDM 用 filter 要求穿透損失小且穿透域的平坦性或切除餘波後的所具有良好的特性。ITU grid 100GHz（0.8nm）間隔多波長的場合，若考慮溫度變化及光源波長變動界限（marg
17、in）時，它的中心波長精度一般設為0.1nm 以下。此外由於使用溫度範圍是（-20+70） ，因此變動設為0.1nm 以下，溫度係數則為 1pm/以下；50GHz 的 filter 為 1pm/以下。換言之穿透域幅寬（從 peak 0.5dB 往下降的區域）須盡可能拉寬。為實現從中心波長偏離 0.8nm亦即鄰接 channel 的遮斷特性具有 25dB 以上水準，如此一來它會變成一種膜層超過 100 層的 multi cavity 干涉式 filter。圖 8 是各種窄波域 band pass filter 的分光特性，這些 filter 全部是用 IAD 法作 Ta2O5/SiO2 鍍膜。寬
18、頻用 band pass filterCWDM 用 filter 的 band 幅寬為10nm，它是由 78cavity 所構成的 band pass filter。為抑制光纖增幅器的雜訊因此可將頻寬分割成短波帶（Blue band）與長波帶（Red band）的 filter 亦經常被用於一般寬頻帶 band pass filter。圖 9 分別是各種寬頻帶 filter 特性。Edge filterEDFG 會反射 0.98m 與 1.4m 激發波長，因此必須使用可穿透信號波長1.531.63m 之 edge filter。且為了使 C-band（Conventional band:153
19、01565nm）與 L-band（15651625nm）皆可並行動作，因此需要有陡峭 slope、穿透帶損耗低、平坦的 edge filter。此外用於 Raman 增幅器之filter 雖然波長不同，要求特性卻一樣，諸如耐高能量（hight power 數 W）特性等等。圖 10 是分割 C/L band 用 SWPF（Short Wavelength Pass Filter）與 LWPF（Long Wavelength Pass Filter）的分光特性。增益等化 filter（GEF, Gain Equalizing Filter）以 WDM 傳輸作 EDFA 多段接續時，區域內具平坦的
20、增益特性是減少信號偏差重要因素。矽玻璃構成的 EDFA 在增幅波長域具有 37db 左右的增益凹凸，為了將此平坦化因此將增益曲線幾乎相似且具備反射特性之補償 filter 插入。此類 filter 必需配合各種特性設計，因此它是一種膜厚控制極困難的 filter。圖 11 為 GEF 設計實例。Poly imide base filter升、降 1.3m/1.55m 信號或將 1.65m 載入傳輸線路維修監控等系統，其收信端為去除信號以外的波長時經常會使用 edge filter，最簡易的方法是光纖或光導波路每隔 3040m 設一切入點，並埋設微小 filter chip。該filter 是在
21、厚約 10m poly imide 的膜層上製作厚約 10m 的 edge filter。圖 12 是反射 1310nm、穿透 1550nm 的 LWPF，與反射 1310nm、1550nm、穿透1650nm 的 SWPF 分光特性。波長 Lock隨著 DWDM 系統的 channel 增加，光源波長的穩定性變成非常重要。因此須針對 LD 光源的波長與各 channel 作等比例誤差信號監，藉此獲致 LD 波長的穩定化。波長基準儀則是溫度穩定性極佳的標準校準儀（etalon）或是 filter。若使用 filter 時需將波長基準設在穿透曲線的 slope 中心，使波長變化與穿透/反射光量的變
22、化構成一定比例。波長基準儀則為溫度穩定性極佳的 single cavity band filter。100GHz 間隔的系統使用的基準儀未作溫度穩定化，因此filter 的波長移動量約為陸基光通信系統的10pm 以下 ，海底系統則為它的1/2。由於動作溫度為 0-70可以滿足如此嚴苛的 filter 目前仍處於供應困難階段，市售的機型幾乎都是溫度穩定化 type。表 6 是 filter 內藏型波長Lock 的 spec list。波長分散補償 filterSMF 在 1.55m 的信號波長域具有分散特性 ，對波長依存的時間延遲（群速度延遲，Group Delay，GD）因距離變化產生波形歪曲
23、造成傳輸速度受到限制。用波長軸將 GD 微分後稱為 2 次波長分散（或稱為 GDD，Group Delay Dispersion） 。再次微分後則顯示成 2 次分散 slope，因此稱為分散 slope 或是3 次波長分散 。隨著周邊技術的進步帶動高速化腳步，傳遞通路的分散補償的問題愈來愈重要。例如為補償 SMF 得分散，市面上已出現一種可將分散補償光纖（DCF, Dispersion Compensation Fiber）連接的方法，不過它只能作 2 次分散補償無法作 3 次分散補償。最近新開發的逆分散補償光纖（RDF, Reciprocal Dispersion Fiber）須具備與傳輸通
24、路幾乎相同長度，因此有損耗極大之缺點。另一方面更有人提出利用特殊的誘電多層膜 filter 補償元件LOTADE（Layer Optical Thin-film All Pass Dispersion Equalizer）補償此波長分散，而且已獲得極佳的實驗結果。如此一來不僅對於具有分散特性之光纖與 filter 的波長特性產生影響，作為波長分散補償方法倍受期待。圖 13 與圖 14 分別是誘電多層膜所製成的 LOTADE 構造，與利用 LOTADE 作 SMF 系統分散補償時的脈衝（Pulse）波形及分散形狀形象化（image） 。積層型偏光器（Lamipol）積層型偏光器（Lamipol）
25、是用誘電體與金屬膜交互堆疊而成的薄片狀直線偏光元件。它是在基板上用濺鍍法（Sputter）將 60nm 的金屬（Aluminum）以及 1000nm 的 SiO2 作成 200 層的積層，之後再將它切割研磨成厚度 30m 的薄片。如圖 15 所示與積層方向垂直的偏光成份穿透積層（X 軸方向） ，水平方向的成份則被膜層的金屬自由電子吸收無法穿透。該元件在 1.55m 區域的消光比為 55dB，損耗為 0.4dB。短波長域的 Lamipole 可取代 Al 當作 Ge 使用且可改善損耗。結語DWDM 是光通信系統中繼 AWG 之外一個極重要主動光學元件。尤其是 DWDM鍍膜製程中舉凡鍍膜方法、材料選用、膜厚監控、穿透損耗、膜層內應力等微視要因仍有待進一步解析 。此外本文礙於篇幅限制有關 filter 波長、插入損耗、楊氏係數 PDL、PMD、波長分散等量測方法則省略之。
