DWDM光學鍍膜介紹與解析

1、v1.0可編輯可修改DWDMtIHt膜介貂典解析刖 H隨著行勤®舌奧女周除路等通信量急速增加，逋接及都曾之的光 AW俞容量亦隨之暴漲。增加通信容量有雨槿方法，一槿是提高速度的多重畤 IW光增幅器JS波域技循1提升相封分割法(TDM, Time Division Multiplexing ), 另外一槿是以罩一光SWlW俞不同波晨光信虢之多波房方式(WDM, WavelenghtDivision Multiplexing )。由於地也帶S&著高速化典高密度波房多重化演迤，換 言之它所使用的Filter槿I®典波辰亦隨之多檬化。Filter 膜基於耐碟境、溫 度、穩(wěn)定性

2、等系統(tǒng)考量，通常探用高隹子(Ion) /等高隹子( Plasma Gurn)奧腱度 (Suptter )或重子束(EB Electric Bean)等方式。然而4s摸畤有信H股厚陽$ (Monitor)、重褪冉琪性、良率改善、自S&化等錯多的!仍有待45膜J蔽商突破。膜方法重子束(EB)蒸方式容易形成柱狀膜結(jié)橫，懸攫 高充填率(Packing Density )的膜屑，通常11r探用Ion照射基板方式，系直Ion 照射彳爰由於高隹子(Ion)的能量使基板上形成活性核，同畤促迤核成畏及核凝縮 (Coalescence),迤而攫得高充填率的膜唇。霜子束(EB)蒸源典高隹子/等雕子it (P

3、lasma Gu。的黜合又可分寂!隹子軸助(IAD, Ion Assisted Deposition ) 及高隹子45 ( IP, Ion Plating ),造雨槿方法常用於有耐琪境需求的通信元件IS 膜工程。Leybold 公司的 APS (Advanced Plasma System)懸典型代表。IAD的18子束蒸源典Ion 生器可他別力蜀立控制，因此IAD方式敕易找出 最合逾的膜修件。基於EBit需辰畤IW操作，因此有些J®商修改Filament的尺 寸典外形，用來降低霜子束 270°偏向畤所生的雕子彳薊擎封Filament造成的 耗揖。如此一來由高周波放雷所情成的

4、高隹子在DC放雷畤瓢法避免的Filament Suptter不物生曾完全消失，同畤離隹子可作寺逋樽。道槿方式具有 膜畤Filer吸收揖失敕小、膜鷹力比其它等高隹子裂程更小等僵黑占。( Suptter )方式可攫得敕高的膜屑充填率，膜速度JW比上述方 式慢，因此光通信用多唇膜Filter裂程很少探用。OCLI及加拿大的NRCO> 金JB靶材(Target)先作»度，再謾氧化等高隹子氧化謾程，如此便可迤行裂作 窄域Filter 及增益等化Filter 。雖隹然具催摘t子軸助(IAD, Ion Assisted Deposition )之高隹子束度法 (IPBS)的膜速度非常慢，不謾

5、郤受到北美地顯以大型基板膜懸主的 Filter maker 青睞。各式45膜法如Bl 1所示。蒸材料光通信用Filter懸滿足光孥、械械強度、耐琪境性等殿苛要求，一般 膜材H曾逗用安定的金JB氧化物。然而不謫何槿膜方式，低折射率材料除了 SiO2之外其它材料黑乎不被考高折射率材料有TiO2(基本母材：TiO、Ti2O3、 Ti2O5、Ti4O7、TiO2)、HfO2、ZrO2、Ta2O5等等，除此之外 Nb2O5W®受期待。 TiO2的折射率相常大(n二, " m ,因此常用於EBK膜裂程。若用於IAD 膜裂程容易生結(jié)晶化，以及因懸氧化不足所以常彝生吸收垣等的題，加上 懸攫

6、得透明狀非結(jié)晶(Amorphous ,基板溫度、離隹子18流、膜速度等參數(shù)最佳 化IS定靶窄，因 此TiO2已被Ta205a代。膜厚盛控膜畤封中心波H典穿透域波觸 (Ripple )有趣殿苛要求，懸滿足上述 需求因此各膜唇厚度精度必需控制在1 x 10-4以下。因此膜畤一般都探取中心波房穿透膜基板的同畤，一遏以直視型盛控( Monitor )方式直接1018膜厚 度。由於Mirror屑及Cavity屑的m伯>隨著各1/4波房在穿透光量上出？I山谷， 因此可依摞各別建化曲令停止膜的 shutter勤作。直視型曾自SM甫正上一唇 的膜厚差，因此差精度懸段言十值的 % (3 x 10-4 )左

7、右。不謾即使如此至今 尚熊法作出100GHz勺Filter ,主要原因是尚輾法值測在建化曲黑占畤膜厚的光 量建化最小值所致。懸甫此缺陷禱救封策是接近建化曲黑占畤藉由理謫言十算來 推測或控制shutter亦即所滑的推測控制法。國m multi cavity filter膜畤，cavity之IW相互逋接的結(jié)合唇的光建化量敕少，因此不作光量測直接作畤控制。表 1、表2是膜厚盛控規(guī)格。BI 2 是 Ta2O5/SiO2 113 屑 3 cavity 100GHz 基板 膜畤的 run sheet （simulation ）。不謫是推測控制法或是畤控制法，安定的蒸著速度典均一的 膜唇折射率乃是基本要求。

8、此外懸了使基板的面均勻化基板樽速高連1000rpm。光孥特性膜唇穿透揖耗DWDM系統(tǒng)用的filter膜屑超謾100唇，物理膜厚懸20m以上。膜屑本體曾隨著膜修件崖生結(jié)情性瑕疵，道也是彝生光散窗L典吸收主要原因。若多膜屑中附著sub micron粒子，1r形成核包成所滑的球粒（nodule）。如 果球粒表面的稹唇形狀明Sttf曲，常光通謾球粒筮多的膜屑畤曾在膜屑內(nèi)部典 表面散置L ,換言之它是造成光揖失典光通路迷主要原因。形成核包的粒子主要原因懸：?基板研磨刮像或清洗不良?真空槽內(nèi)混親隹粉屑、廛埃? 膜速度太快?蒸源突然沸H? 膜畤基板帶有18荷光吸收垣象一般是由遭移元素等不存物或水酸基附著所造

9、成。遭移元 素分別有Ti、Cr、Mn Fe、Ni、Co Cu高隹子，在pm附近或到2pm懸止的近缸外H，因霜子遭移引彝吸收峰值（peak）。遭移元素等不存 物可用HE光 XHJi或 EPMAR （Electron Probe Micro Analyzer ）旅測。若膜屑充填率太小畤水份（OH基）曾附著於隙，在 pm附近出琪趣大的 吸收band,即使在高波附近出也曾生吸收。缸外分析倭可直接梅 水基酸（-OH或H2O的存在。多屑膜的埸合由於多重干涉，不易取得有水基 酸的資料。不謾只需招少那午玻璃混入水基酸，它的械械特性（硬度、榻氏彳系數(shù)） 11r有明SM!化，換言之可藉由微小JB入建位量的滯彳爰（

10、hysteresis ）曲言十算出 膜唇硬度典榻氏彳系數(shù)。8cavity 120 域band pass filter 可用APS方式 膜，之彳爰再用水煮沸24小畤，此畤因膜速度不同曾出琪吸收揖失增加的膜唇典吸收揖失未增加的膜屑，其膜厚硬度典榻氏彳系數(shù)有K著差H。 具象如 M 3所示。Hight Power 特性石英光以pm高功率雷射激彝彳爰，優(yōu)激彝波H一延伸到1215THz 晨波H例的stokes 域曾彝生RamaB曾幅效鷹。上述增幅方式如果是未 使用特殊光畤，JW可使低增益 EDFAOE域生Ramari曾幅效J®,由於它具 有低親隹音特性因此借受注，目前已被考f*使用於畏距離隹的除

11、路。由於上述的激彝光源是使用高功率 LD (Laser Diode ),因此所有相的光孥元件或光模 黜都必需具借承受一至數(shù) W®«光(CVV的能耐。石英光先本身耐power弓金度若 以 SMF 算大義勺懸 (200MWcn?2 a? ? 勰?8?1T T T T T T T o ?o ? o ?$? X ?!T?元件的膜屑由於光束外彳至散總,除上罩位面稹的能量比雷射揖害值小， 因此膜屑不曾彝生揖像。不謾表面研磨及清洗良否仍具有決定性影簪。膜唇鷹力使用 IAD 及 RPP( Reactive Plasma Plating ) 膜畤 SiO2、TiO2、Ta2O5 膜屑充填率雖

12、隹然都視懸i左右，然而此數(shù)at郤ie示膜唇內(nèi)部碓存有屋縮鷹力 (Compressive Stress ),迤而造成基板朝膜1M成凸面狀曲。膜唇內(nèi)部J8力 (7可由基板上微小罩位面稹的力典力矩合成作如圄4言十算。一旦膜屑內(nèi)部J8力建大畤基板建生扭曲(褪折射) ，造成PMD (Polarization Mode Dispersion ) 及 PDL ( Polarization Dependent Loss ) 等曲題，因此一般都希望膜唇內(nèi)部鷹力愈小愈好。不謾除上在不曾像害膜屑的耐琪境特性前提下，又可減膜唇內(nèi)部力的有效膜修件至今尚未被找到。表4是依照上束力典力聚方法量測IAD膜唇內(nèi)部鷹力的值。等高

13、隹子軸助膜法及高隹子膜法曾因膜唇數(shù)增加使基板逐?frit曲，造成盛控(monitor )中心部位典周闡隨著蒸源距離隹的速近差在膜唇內(nèi)面 生膜厚不均垣象，最彳爰醇致基板內(nèi)面位置偏優(yōu)而引起中心波房偏離隹，形成 filter的分光波形瓢法符合IS言十值的窘境。懸減少膜屑曲所以先在厚度10mm勺基板上成膜，之彳爰再削至所要厚度。此外懸配合黜裝作渠通常曾符filter 切割成1.4mm正方，切割謾程雖隹然可減內(nèi)部鷹力不謾必需充分考中心波H shift 曲 H。BPF溫度特性奧基板逗用SiO2、Ta2O5 31 ® single cavity filter於各槿基板畤的溫度彳系數(shù)值如H 5所示。

14、BI中的 WMS-01、-02、-03是OHARA彝的DWDM基板。如n 5所示溫度彳系數(shù) 0畤基板的膨sm系數(shù)懸x 10-6。另外根at M 6所示得知即使是相同基板材 multi cavity 畤溫度彳系數(shù)11r略懸建大，換言 之基版的退用必需配合膜唇結(jié)橫18膜方法。此外光通信用band pass filter基板需具借下列要件：?具有逾合膜方法典膜唇結(jié)橫的膨脹彳系數(shù)?透明狀?切斷或研磨工程不1rli裂、缺角?高溫高漏不曾燎焦?不含公害物U尤其是海底用光通信元件封於晨期可靠性有趣殿苛祝靶,因此玻璃材料需具借包含膨脹彳系數(shù)等各槿特性。光通信系統(tǒng)光孥filter多波房方式的channel IW

15、隔優(yōu)200GHz()朝100GHz() , 50GHz()超高密 度及波房分/合波(Multiplexer / Demmultiplexer )等高規(guī)格方向U展。都1r 系統(tǒng)(Metropolitan network system )刖因成本考量以多波H 48 channel融 主。DWDWH分懸 CWDMCoarse WDM 及 WWDMWide bandpass WDM。雖隹然使 用波房分離隹filter的穿透域幅31懸1013nm但是LD§f振波:M的分怖缺陷,因此通常曾要求穿透域的平坦性或切除繪波彳爰的特性。光增幅器朝向贄K化典hight power化彝展，傅統(tǒng)的EDFAi曾

16、幅器(Erbium Doped Fiber Amplifier )力口弓金版RamaB曾幅器最近刖是借受信D注。懸配合各槿 激？!光源的波用於 dichro filter 及 noise cut 之band pass filter 等元件需求JW有明g1增加超勢。光通信常用的波辰如圄7所示。各式光孥filter:Mux/DeMu汕 band pass filterDWDM用filter要求穿透揖失小且穿透域的平坦性或切除繪波彳爰的所具有良好的特性。ITU grid 100GHz ()隔多波辰的埸合，若考fftfi度建化及光源波H建勤界限(margin)畤，它的中心波房精度一般段懸士以下。此外由

17、於使 用溫度乾闡是(-20C+70C),因此建勤段懸士以下，溫度彳系數(shù)U懸1pm/C以下；50GHz的filter 懸1pm/C以下。換言之穿透域幅31 (ffi peak往下降的 癌域)i(翥可能拉竟。懸優(yōu)中心波辰偏離隹亦即舜B接 channel的遮斷特性具有 25dB以上水型，如此一來它11rti成一槿膜/W超謾100/W的multi cavity 干涉式filter 。M 8是各槿窄波域band pass filter 的分光特性，適些filter 全部是 用IAD法彳Ta2O5/SiO2蒯摸。31®用 band pass filterCWDM用filter的band幅31懸1

18、0nm它是由78cavity 所橫成的bandpass filter 。懸抑制光增幅器的親隹因此可力鉛度竟分割成短波帶(Blue band)典II波帶(Red band)的 filter亦常被用於一般帶 band pass filter 。Bl 9分別是各槿帶filter 特性。Edge filterEDFG曾反射pm典pm激彝波晨，因此必須使用可穿透信虢波房pm 之 edge filter 。且懸了使 C-band(Conventional band:1530 1565nm 典 L-band (15651625nm皆可行勤作，因此需要有陡峭 slope、穿透帶揖耗低、平坦 的edge fil

19、ter 。此外用於Ramark曾幅器之filter雖隹然波辰不同，要求特性谷P 一檬，褚如耐高能量(hight power數(shù)VV特性等等。M 10是分割C/L band用 SWPF Short Wavelength Pass Filter )典 LWPF( Long Wavelength Pass Filter ) 的分光特性。增益等化 filter (GEF, Gain Equalizing Filter )以WDMW俞作EDF夠段接畤，顯域內(nèi)具平坦的增益特性是減少信虢 偏差重要因素。矽玻璃情成的EDFAS增幅波辰域具有37db左右的增益凹凸，懸了符此平坦化因此符增益曲乎相似且具借反射特性之

20、未曲1filter 插入。此I® filter必需配合各槿特性段言十，因此它是一槿膜厚控制趣困I®的filter 。 11GEFK言十例。Poly imide base filterv1.0可編輯可修改升、降pm/Nm信虢或符pm載入AW俞路雉修整控等系統(tǒng)，其收信端 懸去除信虢以外的波標®常曾使用edge filter ,最曾易的方法是光或光厚波路每隔3040 pm段一切入黑占，或埋段微小filter chip 。filter 是在厚 余勺10(1 m poly imide 的膜/W上裂作厚系勺10pm的edge filter 。 M 12是反射 1310nm 穿

21、透 1550nm的 LWPF 典反射 1310nm 1550nm 穿透 1650nm的 SWP價 光特性。波是:Lock隨著DWD燎統(tǒng)的channel增加，光源波辰的穩(wěn)定性建成非常重要。因 此i(金十封LD光源的波H典各channel作等比例差信虢盛，藉此攫致LD波房的 穩(wěn)定化。波房基型倭刖是溫度穩(wěn)定性趣佳的襟型校型倭( etalon )或是filter 。 若使用filter 畤需符波辰基型IS在穿透曲的slope中心，使波H建化典穿透/ 反射光量的建化情成一定比例。波房基型倭刖懸溫度穩(wěn)定性趣佳的singlecavity band filter 。 100GHz|W隔的系統(tǒng)使用的基型倭未作溫

22、度穩(wěn)定化，因此 filter的波房移勤量余勺懸陛基光通信系統(tǒng)的士 10Pm以下，海底系統(tǒng)U懸它的1/2。由於勤作溫度懸0-70C可以滿足如此殿苛的filter目前仍虞於供鷹困莫鄴皆段，市售的械型襄乎都是溫度穩(wěn)定化type。表6是filter內(nèi)藏型波H Lock的 spec list 。波房分散未曲1 filterSMF在pm的信虢波辰域具有分散特性，封波房依存的畤延i1(群速度延il, Group Delay, GD因距離隹建化生波形歪曲造成AW俞速度受到限制。 用波晨物播GD散分彳爰殖 2次波房分散(或殖 GDDGroup Delay Dispersion )。 再次微分彳爰US1示成2次分散slope ,因此耦懸分散slope或是3次波房分散。 隨著周遏技衍的迤步帶勤高速化腳步，停遮通路的分散未曲！的曲題愈來愈重要。 例如懸禱彳賞SMFW分散，市面上已出？I一槿可符分(DCF, Dispersion Compensation Fiber )逋接的方法，不謾它只能作2次分散未曲M瓢