DWDM光學(xué)鍍膜介紹與解析

1、DWDM光學(xué)鍍膜介紹與解析、八、前言隨著行動(dòng)電話與網(wǎng)際網(wǎng)路等通信量急速增加，連接幹線及都會(huì)之區(qū)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(shí)間光增幅器廣波域技術(shù)提升相對(duì)分割法(TDM,TimeDivisionMultiplexing)，另外一種是以單一光纖傳輸不同波長(zhǎng)光信號(hào)之多波長(zhǎng)方式(WDM,WavelenghtDivisionMultiplexing)。由於地也帶動(dòng)著高速化與高密度波長(zhǎng)多重化演進(jìn)，換言之它所使用的Filter種類與波長(zhǎng)亦隨之多樣化。Filter鍍膜基於耐環(huán)境、溫度、穩(wěn)定性等系統(tǒng)考量，通常採(cǎi)用離子(Ion)/等離子鎗(PlasmaGun)與濺鍍

2、(Suptter)或電子束(EB，ElectricBeam)等方式。然而鍍膜時(shí)有關(guān)膜厚監(jiān)控(Monitor)、重複再現(xiàn)性、良率改善、自動(dòng)化等諸多問(wèn)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(jié)構(gòu)，為獲高充填率(PackingDensity)的膜層，通常會(huì)採(cǎi)用Ion照射基板方式，經(jīng)Ion照射後由於離子(Ion)的能量使基板上形成活性核，同時(shí)促進(jìn)核成長(zhǎng)及核凝縮(Coalescence)，進(jìn)而獲得高充填率的膜層。電子束(EB)蒸鍍?cè)磁c離子/等離子鎗(PlasmaGun)的組合又可分為離子輔助(IAD,IonAssistedDeposition)及離子鍍(IP,IonPlatin

3、g)，這兩種方法常用於有耐環(huán)境需求的通信元件鍍膜工程。Leybold公司的APS(AdvancedPlasmaSystem)為典型代表。IAD的電子束蒸鍍?cè)磁cIon產(chǎn)生器可個(gè)別獨(dú)立控制，因此IAD方式較易找出最合適的鍍膜條件?；禘B鎗需長(zhǎng)時(shí)間操作，因此有些廠商修改Filament的尺寸與外形，用來(lái)降低電子束270°偏向時(shí)所產(chǎn)生的離子衝擊對(duì)Filament造成的耗損。如此一來(lái)由高周波放電所構(gòu)成的離子鎗，在DC放電時(shí)無(wú)法避免的FilamentSuptter不純物產(chǎn)生會(huì)完全消失，同時(shí)離子鎗可作長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。這種方式具有鍍膜時(shí)Filer吸收損失較小、膜應(yīng)力比其它等離子製程更小等優(yōu)點(diǎn)。濺鍍(S

4、uptter)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(cǎi)用。OCLI及加拿大的NRCC是將金屬靶材(Target)先作濺鍍，再經(jīng)過(guò)氧化等離子氧化過(guò)程，如此便可進(jìn)行製作窄域Filter及增益等化Filter雖然具備離子輔助(IAD,IonAssistedDeposition)之離子束濺鍍法(IPBS)的鍍膜速度非常緩慢，不過(guò)卻受到北美地區(qū)以大型基板鍍膜為主的Filtermaker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(xué)、機(jī)械強(qiáng)度、耐環(huán)境性等嚴(yán)苛要求，一般鍍膜材質(zhì)會(huì)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

5、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、Ti02)、HfO2、ZrO2、Ta2O5等等，除此之外Nb2O5亦備受期待。TiO2的折射率相當(dāng)大(n=2.25，入=1.55pm)，因此常用於EB鍍膜製程。若用於IAD鍍膜製程容易產(chǎn)生結(jié)晶化，以及因?yàn)檠趸蛔闼越?jīng)常發(fā)生吸收現(xiàn)等問(wèn)題，加上為獲得透明狀非結(jié)晶(Amorphous)，基板溫度、離子電流、鍍膜速度等參數(shù)最佳化設(shè)定範(fàn)圍極為狹窄，因此TiO2已被Ta2O5取代。膜厚監(jiān)控鍍膜時(shí)對(duì)中心波長(zhǎng)與穿透域波紋(Ripple)有極嚴(yán)苛要求，為滿足上述需求因此各膜層厚度精度必需控制在1x

6、10-4以下。因此鍍膜時(shí)一般都採(cǎi)取中心波長(zhǎng)穿透鍍膜基板的同時(shí)，一邊以直視型監(jiān)控(Monitor)方式直接監(jiān)視鍍膜厚度。由於Mirror層及Cavity層的nd值會(huì)隨著各1/4波長(zhǎng)在穿透光量上出現(xiàn)山谷，因此可依據(jù)各別變化曲線令停止鍍膜的shutter動(dòng)作。直視型會(huì)自動(dòng)補(bǔ)正上一層的膜厚誤差，因此誤差精度為設(shè)計(jì)值的0.03%(3x10-4)左右。不過(guò)即使如此至今尚無(wú)法作出100GHz的Filter，主要原因是尚無(wú)法偵測(cè)在變化曲線點(diǎn)時(shí)膜厚的光量變化最小值所致。為彌補(bǔ)此缺陷補(bǔ)救對(duì)策是接近變化曲線點(diǎn)時(shí)藉由理論計(jì)算來(lái)推測(cè)並控制shutter關(guān)閉，亦即所謂的推測(cè)控制法。進(jìn)行multicavityfilter鍍

7、膜時(shí)，cavity之間相互連接的結(jié)合層的光變化量較少，因此不作光量測(cè)直接作時(shí)間控制。表1、表2是膜厚監(jiān)控規(guī)格。圖2是Ta2O5/SiO2113層3cavity100GHz基板鍍膜時(shí)的runsheet(simulation)。不論是推測(cè)控制法或是時(shí)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(zhuǎn)速高達(dá)1000rpm。光學(xué)特性膜層穿透損耗DWDM系統(tǒng)用的filter膜層超過(guò)100層，物理膜厚為20pm以上。膜層本體會(huì)隨著鍍膜條件產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性瑕疵，這也是發(fā)生光散亂與吸收主要原因。若多膜層中附著submicron粒子，該處會(huì)形成核包並長(zhǎng)成所謂的球粒（nodule）。

8、如果球粒表面的積層形狀明顯彎曲，當(dāng)光線通過(guò)球粒眾多的膜層時(shí)會(huì)在膜層內(nèi)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?yàn)椋?基板研磨刮傷或清洗不良?真空槽內(nèi)混雜粉屑、塵埃?鍍膜速度太快?蒸鍍?cè)赐蝗环序v?鍍膜時(shí)基板帶有電荷光吸收現(xiàn)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0.380.78|Jm可視範(fàn)圍，0.8Mm附近或到2jm為止的近紅外線範(fàn)圍，因電子遷移引發(fā)吸收峰值（peak）。遷移元素等不存物可用瑩光X線儀或EPMA儀（ElectronProbeMicroAnalyzer）檢測(cè)。若膜層充填率太小時(shí)水份

9、（OH基）會(huì)附著於間隙，在2.8Jm附近出現(xiàn)極大的吸收band，即使在1.4Jm高頻波附近出也會(huì)產(chǎn)生吸收。紅外線分析儀可直接檢測(cè)水基酸（-OH或H2O）的存在。多層膜的場(chǎng)合由於多重干涉，不易取得有關(guān)水基酸的資料。不過(guò)只需將少許玻璃混入水基酸，它的機(jī)械特性（硬度、楊氏係數(shù)）會(huì)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(jì)算出膜層硬度與楊氏係數(shù)。8cavity120層寬頻域bandpassfilter可用APS方式鍍膜，之後再用純水煮沸24小時(shí)，此時(shí)因鍍膜速度不同會(huì)出現(xiàn)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(shù)有顯著差異。具體現(xiàn)象如圖3所示。High

10、tPower特性石英光纖以1.41.5Jm高功率雷射激發(fā)後，從激發(fā)波長(zhǎng)一延伸到1215THz長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)的stokes線區(qū)域會(huì)發(fā)生誘導(dǎo)Raman增幅效應(yīng)。上述增幅方式如果是未使用特殊光纖時(shí)，則可使低增益EDFA波長(zhǎng)區(qū)域產(chǎn)生Raman增幅效應(yīng)，由於它具有低雜音特性因此備受關(guān)注，目前已被考慮使用於長(zhǎng)距離的網(wǎng)際網(wǎng)路。由於上述的激發(fā)光源是使用高功率LD(LaserDiode)，因此所有相關(guān)的光學(xué)元件或光模組都必需具備承受一至數(shù)W連續(xù)光(CW)的能耐。石英光先本身耐power強(qiáng)度若以SMF計(jì)算大約為05KW(200MWcm2?d?勰？?lI?橢橢0?0?$?X?!T?元件的膜層由於光束外徑會(huì)擴(kuò)散為0.30.

11、5nm,實(shí)際上單位面積的能量比雷射損害值小，因此膜層不會(huì)發(fā)生損傷。不過(guò)表面研磨及清洗良否仍具有決定性影響。膜層應(yīng)力使用IAD及RPP(ReactivePlasmaPlating)鍍膜時(shí)SiO2、TiO2、Ta2O5膜層充填率雖然都視為1左右，然而此數(shù)據(jù)卻顯示膜層內(nèi)部確實(shí)存有壓縮應(yīng)力(CompressiveStress)，進(jìn)而造成基板朝膜層側(cè)成凸面狀彎曲。膜層內(nèi)部應(yīng)力a可由基板上微小單位面積的力與力矩合成作如圖4計(jì)算。一旦膜層內(nèi)部應(yīng)力變大時(shí)基板變會(huì)產(chǎn)生扭曲(複折射)，造成PMD(PolarizationModeDispersion)及PDL(PolarizationDependentLoss)等

12、問(wèn)題，因此一般都希望膜層內(nèi)部應(yīng)力愈小愈好。不過(guò)實(shí)際上在不會(huì)傷害膜層的耐環(huán)境特性前提下，又可減緩膜層內(nèi)部應(yīng)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(cè)IAD膜層內(nèi)部應(yīng)力的實(shí)測(cè)值。等離子輔助鍍膜法及離子鍍膜法會(huì)因鍍膜層數(shù)增加使基板逐漸彎曲，造成監(jiān)控(monitor)中心部位與周圍隨著蒸鍍?cè)淳嚯x的遠(yuǎn)近差異，在膜層內(nèi)面產(chǎn)生膜厚不均現(xiàn)象，最後導(dǎo)致基板內(nèi)面位置偏異，從而引起中心波長(zhǎng)偏離，形成filter的分光波形無(wú)法符合設(shè)計(jì)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(yè)通常會(huì)將filter切割成1.21.4mm正方，切割過(guò)程雖然可減緩內(nèi)

13、部應(yīng)力不過(guò)必需充分考慮中心波長(zhǎng)shift問(wèn)題。BPF溫度特性與基板選用SiO2、Ta2O531層singlecavityfilter鍍於各種基板時(shí)的溫度係數(shù)實(shí)測(cè)值如圖5所示。圖中的WMS-01、-02、-03是OHARA開發(fā)的DWDM用基板。如圖5所示溫度係數(shù)為0時(shí)基板的線膨脹係數(shù)為9.09.5x10-6。另外根據(jù)圖6所示得知即使是相同基板材質(zhì)multicavity時(shí)溫度係數(shù)會(huì)略為變大，換言之基版的選用必需配合膜層結(jié)構(gòu)與鍍膜方法。此外光通信用bandpassfilter基板需具備下列要件：?具有適合鍍膜方法與膜層結(jié)構(gòu)的線膨脹係數(shù)?透明狀?切斷或研磨工程不會(huì)龜裂、缺角?高溫高濕不會(huì)燒焦?不含公害

14、物質(zhì)尤其是海底用光通信元件對(duì)於長(zhǎng)期可靠性有極嚴(yán)苛規(guī)範(fàn)，因此玻璃材料需具備包含線膨脹係數(shù)等各種特性。光通信系統(tǒng)光學(xué)filter多波長(zhǎng)方式的channel間隔從200GHz(1.6nm)朝100GHz(0.8nm),50GHz(04nm)超高密度及波長(zhǎng)分/合波(Multiplexer/Demmultiplexer)等高規(guī)格方向發(fā)展。都會(huì)系統(tǒng)(Metropolitannetworksystem)則因成本考量以多波長(zhǎng)48channel為主。DWDW可區(qū)分為CWDM(CoarseWDM)及WWDM(WidebandpassWDM)。雖然使用波長(zhǎng)分離filter的穿透域幅寬為1013nm,但是為彌補(bǔ)LD發(fā)

15、振波長(zhǎng)的分佈缺陷，因此通常會(huì)要求穿透域的平坦性或切除餘波後的特性。光增幅器朝向?qū)掝l化與hightpower化發(fā)展，傳統(tǒng)的EDFA增幅器(ErbiumDopedFiberAmplifier)加強(qiáng)版Raman增幅器最近則是備受關(guān)注。為配合各種激發(fā)光源的波長(zhǎng)，用於dichrofilter及noisecut之寬頻bandpassfilter等元件需求則有明顯增加趨勢(shì)。光通信常用的波長(zhǎng)如圖7所示。各式光學(xué)filter:Mux/DeMux用bandpassfilterDWDM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。ITUgrid100GHz(0.8nm)間隔多波長(zhǎng)的場(chǎng)合

16、，若考慮溫度變化及光源波長(zhǎng)變動(dòng)界限(margin)時(shí)，它的中心波長(zhǎng)精度一般設(shè)為±0.1nm以下。此外由於使用溫度範(fàn)圍是(-20°C+70°C)，因此變動(dòng)設(shè)為土0.1nm以下，溫度係數(shù)則為1pm/C以下；50GHzfilter為1pm/C以下。換言之穿透域幅寬(從peak的0.5dB往下降的區(qū)域)須盡可能拉寬。為實(shí)現(xiàn)從中心波長(zhǎng)偏離0.8nm亦即鄰接channel的遮斷特性具有25dB以上水準(zhǔn)，如此一來(lái)它會(huì)變成一種膜層超過(guò)100層的multicavity干涉式filter。圖8是各種窄波域bandpassfilter的分光特性，這些filter全部是用IAD法作Ta2

17、O5/SiO2鍍膜。寬頻用bandpassfilterCWDM用filter的band幅寬為10nm，它是由78cavity所構(gòu)成的bandpassfilter。為抑制光纖增幅器的雜訊因此可將頻寬分割成短波帶(Blueband)與長(zhǎng)波帶(Redband)的filter亦經(jīng)常被用於一般寬頻帶bandpassfilter。圖9分別是各種寬頻帶filter特性。EdgefilterEDFG會(huì)反射0.98pm與1.4pm激發(fā)波長(zhǎng)，因此必須使用可穿透信號(hào)波長(zhǎng)1.531.63pm之edgefilter。且為了使C-band(Conventionalband:15301565nm)與L-band(15651

18、625nm)皆可並行動(dòng)作，因此需要有陡峭slope、穿透帶損耗低、平坦的edgefilter。此外用於Raman增幅器之filter雖然波長(zhǎng)不同，要求特性卻一樣，諸如耐高能量(hightpower數(shù)W)特性等等。圖10是分割C/Lband用SWPF(ShortWavelengthPassFilter)與LWPF(LongWavelengthPassFilter)的分光特性。增益等化filter(GEF,GainEqualizingFilter)以WDM傳輸作EDFA多段接續(xù)時(shí)，區(qū)域內(nèi)具平坦的增益特性是減少信號(hào)偏差重要因素。矽玻璃構(gòu)成的EDFA在增幅波長(zhǎng)域具有37db左右的增益凹凸，為了將此平坦

19、化因此將增益曲線幾乎相似且具備反射特性之補(bǔ)償filter插入。此類filter必需配合各種特性設(shè)計(jì)，因此它是一種膜厚控制極困難的filter。圖11為GEF設(shè)計(jì)實(shí)例。Polyimidebasefilter升、降1.3pm/1.55pm信號(hào)或?qū)?.65pm載入傳輸線路維修監(jiān)控等系統(tǒng)，其收信端為去除信號(hào)以外的波長(zhǎng)時(shí)經(jīng)常會(huì)使用edgefilter，最簡(jiǎn)易的方法是光纖或光導(dǎo)波路每隔3040pm設(shè)一切入點(diǎn)，並埋設(shè)微filterchip。該filter小是在厚約10pmpolyimide的膜層上製作厚約10pmedgefilter。圖12是的反射1310nm、穿透1550nm的LWPF，與反射1310nm

20、、1550nm、穿透1650nm的SWPF分光特性。波長(zhǎng)Lock隨著DWDM系統(tǒng)的channel增加，光源波長(zhǎng)的穩(wěn)定性變成非常重要。因此須針對(duì)LD光源的波長(zhǎng)與各channel作等比例誤差信號(hào)監(jiān)，藉此獲致LD波長(zhǎng)的穩(wěn)定化。波長(zhǎng)基準(zhǔn)儀則是溫度穩(wěn)定性極佳的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)儀(etalon)或是filter。若使用filter時(shí)需將波長(zhǎng)基準(zhǔn)設(shè)在穿透曲線的slope中心，使波長(zhǎng)變化與穿透/反射光量的變化構(gòu)成一定比例。波長(zhǎng)基準(zhǔn)儀則為溫度穩(wěn)定性極佳的singlecavitybandfilter。100GHz間隔的系統(tǒng)使用的基準(zhǔn)儀未作溫度穩(wěn)定化，因此filter的波長(zhǎng)移動(dòng)量約為陸基光通信系統(tǒng)的±10pm以下

21、，海底系統(tǒng)則為它的1/2。由於動(dòng)作溫度為0-70°C可以滿足如此嚴(yán)苛的filter目前仍處?kù)豆?yīng)困難階段，市售的機(jī)型幾乎都是溫度穩(wěn)定化type。表6是filter內(nèi)藏型波長(zhǎng)Lock的speclist。波長(zhǎng)分散補(bǔ)償filterSMF在1.55pm的信號(hào)波長(zhǎng)域具有分散特性，對(duì)波長(zhǎng)依存的時(shí)間延遲(群速度延遲，GroupDelay,GD)因距離變化產(chǎn)生波形歪曲造成傳輸速度受到限制。用波長(zhǎng)軸將GD微分後稱為2次波長(zhǎng)分散(或稱為GDD,GroupDelayDispersion)。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(zhǎng)分散。隨著周邊技術(shù)的進(jìn)步帶動(dòng)高速化腳步，傳遞通路的分散補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題愈來(lái)愈重要。例如為補(bǔ)償SMF得分散，市面上已出現(xiàn)一種可將分散補(bǔ)償光纖(DCF,DispersionCompensationFiber)連接的方法，不