DWDM光学镀膜介绍与解析

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（Plasma 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 Deposition）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Filter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，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（hysteresis）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 、-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 power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 filter DWDM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（margin）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。寬頻用band pass filter CWDM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 filter EDFG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:15301565nm）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filter SMF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