DWDM光学镀膜介绍与解析

1、DWDM 光学镀膜介绍与解析、八前言随着行动电话与网际网路等通信量急速增加，连接干线及都会之区间的光纤传输容量 亦随之暴涨。增加通信容量有两种方法，一种是提高变频速度的多重时间光增幅器广波域 技术提升相对分割法 （ TDM, Time Division Multiplexing ），另外一种是以单一光纤传输不同 波长光信号之多波长方式 （WDM, Wavelenght Division Multiplexing ）。由於地也带动着高速 化与高密度波长多重化演进，换言之它所使用的 Filter 种类与波长亦随之多样化。 Filter 镀膜 基於耐环境、温度、稳定性等系统考量，通常采用离子（Ion

2、） /等离子枪（Plasma Gun）与 溅镀（Suptter）或电子束（EB，Electric Beam）等方式。然而镀膜时有关膜厚监控（Monitor ）、 重复再现性、良率改善、自动化等诸多问题仍有待镀膜厂商突破。镀膜方法电 子 束 （ EB ） 蒸 镀 方 式 容 易 形 成 柱 状 膜 结 构 ， 为 获 高充填率（Packing Density）的膜层，通常会采用Ion照射基板方式，经Ion照射後由於离 子（Ion）的能量使基板上形成活性核，同时促进核成长及核凝缩（Coalesce nee，进而获得高充填率的膜层。电子束（EB）蒸镀源与离子/等离子枪（Plasma Gun）的组合又

3、可分为 离子辅助（ IAD, Ion Assisted Deposition ）及离子镀（ IP, Ion Plating） ，这两种方法常用於 有耐环境需求的通信元件镀膜工程。Leybold公司的APS（ Advaneed ?Plasma System为典型代表。IAD的电子束蒸镀源与Ion产生器可个别独立控制，因此IAD方式较易找出最合适的镀 膜条件。基於EB枪需长时间操作，因此有些厂商修改Filament的尺寸与外形，用来降低电子束 270偏向时所产生的离子冲击对 Filament 造成的耗损。如此一来由高周波放电所构成 的离子枪，在DC放电时无法避免的Filament Suptter不

4、纯物产生会完全消失，同时离子枪可 作长时间运转。这种方式具有镀膜时 Filer 吸收损失较小 、膜应力比其它等离子制程更小等 优点。溅镀（Suptter）方式可获得较高的膜层充填率，镀膜速度则比上述方式慢，因此光通信用多层膜Filter制程很少采用。OCLI及加拿大的NRCC是将金属靶材（Target）先作 溅镀，再经过氧化等离子氧化过程，如此便可进行制作窄域 Filter 及增益等化 Filter。虽然具备离子辅助（IAD, Ion Assisted Deposition）之离子束溅镀法（IPBS）的镀膜 速度非常缓慢，不过却受到北美地区以大型基板镀膜为主的Filter maker青睐。各式

5、镀膜法 如图 1 所示。蒸镀材料光通信用 Filter 为满足光学、机械强度、耐环境性等严苛要求，一般镀膜材质会选 用安定的金属氧化物。然而不论何种镀膜方式， 低折射率材料除了 SiO2 之外其它材料几乎 不被考虑， 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亦备受期待。TiO2的折射率相当大(n=2.25, 2=1.55 m)，因此常用於EB镀膜制程。若用於IAD镀膜制程容易产生结晶化，以及因为 氧化不足所以经常发生吸收现等问题，加上为获得透明状非结晶(Amorphous)，基

6、板温度、离子电流、镀膜速度等参数最佳化设定范围极为狭窄，因此TiO2已被Ta2O5取代。膜厚监控镀膜时对中心波长与穿透域波纹(Ripple)有极严苛要求，为满足上述需求因此各 膜层厚度精度必需控制在 1 x 10-4以下。因此镀膜时一般都采取中心波长穿透镀膜基板的同 时，一边以直视型监控( Monitor )方式直接监视镀膜厚度。由於 Mirror 层及 Cavity 层的 nd 值会随着各 1/4波长在穿透光量上出现山谷，因此可依据各别变化曲线令停止镀膜的 shutter 动作。直视型会自动补正上一层的膜厚误差，因此误差精度为设计值的 0.03%(3 x 10-4)左 右。不过即使如此至今尚

7、无法作出100GHz的Filter，主要原因是尚无法侦测在变化曲线点时膜厚的光量变化最小值所致。为弥补此缺陷补救对策是接近变化曲线点时藉由理论计算 来推测并控制shutter关闭，亦即所谓的推测控制法。进行 multi cavity filter 镀膜时， cavity 之间相互连接的结合层的光变化量较少，因 此不作光量测直接作时间控制。表 1、表 2 是膜厚监控规格。图 2 是 Ta2O5/SiO2 113层 3 cavity 100GHz基板镀膜时的run sheet (simulation)。不论是推测控制法或是时间控制法， 安定的蒸着速度与均一的膜层折射率乃是基本要求。此外为了使基板的

8、面均匀化基板转速 高达 1000rpm。光学特性 膜层穿透损耗DWDM系统用的filter膜层超过100层，物理膜厚为20 pm以上。膜层本体会随着 镀膜条件产生结构性瑕疵，这也是发生光散乱与吸收主要原因。若多膜层中附着 sub micron 粒子，该处会形成核包并长成所谓的球粒(nodule)。如果球粒表面的积层形状明显弯曲， 当光线通过球粒众多的膜层时会在膜层内部与表面散乱 ，换言之它是造成光损失与光通路 迷主要原因。 形成核包的粒子主要原因为：?基板研磨刮伤或清洗不良?真空槽内混杂粉屑、尘埃?镀膜速度太快?蒸镀源突然沸腾?镀膜时基板带有电荷 光吸收现象一般是由迁移元素等不存物或水酸基附着

9、所造成。迁移元素分别有Ti、Cr、Mn、Fe、Ni、Co、Cu离子，在0.380.78 g 可视范围，0.8 pm附近或到2口 为 止的近红外线范围，因电子迁移引发吸收峰值 （peak）。迁移元素等不存物可用莹光 X线仪 或 EPMA 仪（Electron Probe Micro Analyzer）检测。若膜层充填率太小时水份（OH基）会附着於间隙，在2.8 pm附近出现极大的吸收band, 即使在1.4 pm高频波附近出也会产生吸收。红外线分析仪可直接检测水基酸（-OH或H2O） 的存在。多层膜的场合由於多重干涉，不易取得有关水基酸的资料。不过只需将少许玻璃 混入水基酸，它的机械特性 （硬度

10、、杨氏系数） 会有明显变化，换言之可藉由微小压入变位 量的滞後（hysteresis曲线计算出膜层硬度与杨氏系数。8cavity 120层宽频域band pass filter 可用APS方式镀膜，之後再用纯水煮沸24小时，此时因镀膜速度不同会出现吸收损失增加 的膜层与吸收损失未增加的膜层，其膜厚硬度与杨氏系数有显着差异。具体现象如图 3 所 示。Hight Power 特性石英光纖以1.41.5 pm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Ram

11、an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?a ?勰?橢橢? ? ? ?TTTTTTk ?o?o ?$? ? ? X? !T?元件的膜層由於光束外徑會擴散為0.30.5 nm,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

12、 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 Stres)s，進而造成基板朝膜層側成凸面狀彎曲。膜層內部應力c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

13、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 (mon itor )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、

14、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

15、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

16、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 FiberAmplifier )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

17、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 ).1 nm以下。此外由於使用溫度範圍是(-20C +70C)，因此變動設為0.1 nm以下，溫度係數則為1pm/E以下；50GHz的filter為1pm/E 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

18、8是各種窄波域ba nd 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 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 ba nd)與長波帶(Redband)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0.98口與1.4pm激發波長，因此必須使用可穿透信號波長1.531.63 pm 之

19、 edge filter。且為了使 C-ban(Conventional band:153C 1565nm)與 L-band( 1565 1625nm)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 Filte)的分光特性。增益等化 filter ( GEF, Gai

20、n 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 0圖11為GEF設計實例。Poly imide base filter升、降1.3 口/1.55何信號或將1.65 pm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304

21、0pm 設一切入點，並埋設微小 filter chip 。該 filter 是在厚約 10pm poly imide 的膜層上製作 厚約 10pm 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

22、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0pm以下，海底系統則為它的1/2。由於動作溫度為0-70C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1.55 pm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) o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 Fibe)連接的方法，