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 ，λ=1.55 μm），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 n d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20μm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0.38 ～0.78 μm可視範圍，0.8 μm 附近或到 2μm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 2.8 μm附近出現極大的吸
收band，即使在1.4 μm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 1.4 ～1.5 μ m 高功率雷射激發後，從激發波長一延伸到 12～
15THz 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
