近年来，由于全球资讯基础建设(GII)与国家资讯基础建设(NII)的大力推展，加上网际网路及WWW的风行，电信网路系统宽频化、光纤化的建设亦积极地展开；再加上区域性电脑网路或有线电视业者为因应高品质、高频宽通讯的需求，发展光纤化网路已经形成全球共识，但如何在既有的光纤干线(Trunk)网路上增大其传输容量( Capacity)与调制速率，遂为当今发展通讯网路及国家资讯基础建设的重要课题。

试想若能在单一条光纤中，同时使用多数个波长的光信号，立即使光纤网路容量大增数倍，是为解决网路塞车的最具效益的解决方案，高密度分波多工器( Dense Wavelength Division Multiplex;DWDM)成为光纤通讯最重要的被动元件之一，即因其具备此特性。(图一)说明DWDM光纤通信基本架构，全球光纤通讯市场目前正处于蓬勃发展阶段，以1999年全球光电市场领域来看，光纤通讯占有之比例超过15%以上，而国内在此领域中，只占光电产业的5%左右(图二)，产值约117亿台币，显示国内的光纤通讯应用未来的成长空间极大。

《图一 DWDM光纤通信基本架构》

《图二 1999年我国及全球光纤通讯在 光电市场中之比例》

根据日本光电协会1997年的预测未来全球光纤通信在主干网路上的技术趋势为朝向极高传输容量为目标，预计DWDM会由1998年的8通道发展到2010年的100通道(图三)。又根据ElectroniCast报导，DWDM滤镜模组的全球市场消费总值在1997年为美金九千万元，预估全球市场总值​​至公元2007年可高达美金11.7亿元。

《图三 全球光纤通讯技术发展历程图》

制程技术

DWDM滤镜分光的原理有好几种，包含干涉滤镜、光纤光栅，及平面波导等。其中以DWDM干涉滤镜镀，最具热稳定性也最受欢迎。但是由于DWDM干涉滤镜的光学需求极为严格，要以镀膜方式做到合格的标准产品，必须使用高精度与高可靠性的镀膜设备，采用精准的膜厚监控方式，镀制出具高致密度与高稳定性的膜层材料与膜系。目前全世界只有少数几家镀膜加工厂具有镀制如此高品质产品的能力，如OCA,OCJ,JDS Fitel,E-Tek Dyna.,Dicon,Schott,POS,OCLI等。其中大部份的厂商(如JDS、E-Tek Dyna.、Dicon等)皆采用德国Leybold公司所制造的AG1104专用电子枪镀膜机来镀制DWDM 干涉滤镜。由于DWDM干涉滤镜制作相当的困难，形成卖方市场，供不应求。因此欲自国外购买取得DWDM干涉滤镜非常的不易，价格也相当的昂贵，造成国内业者无法有效提升其在DWDM模组产业的竞争力。基于此一理由，国内光纤通讯被动元件业者极有必要自行开发此一技术及生产DWDM干涉滤镜，以达到降低进口依赖，提升国内产业自主能力。

工研院及少数厂商加入技术开发

目前国内除了工研院正在开发DWDM干涉滤镜镀膜技术外，从去年年中开始也有厂商投入此一行业，他们直接从德国Leybold公司购买AG1104专用电子枪镀膜机，或者是向日本购买专用电子枪镀膜机来生产镀制DWDM干涉滤镜。但是不论是德国Leybold公司专用电子枪镀膜机或者是日本专用电子枪镀膜机，其价格都是非常的昂贵，甚至单价高达新台币五千万元以上(Leybold Coater)，如果再加上每年需花费镀膜机价格10%以上的维护费，其资本投资相当的高。为了降低生产成本及提升该产业产品的竞争优势，因此非常有必要自行研究开发DWDM干涉滤镜专用镀膜机及其制程技术。

镀膜机必须具备的功能

基本上镀制DWDM干涉滤镜所需的镀膜机必须具备如下功能：(1)具离子助镀蒸镀或溅镀之功能；(2)全自动光学膜厚与制程监控系统；(3)大面积的镀膜均匀性；(4)极佳的制程稳定性与再现性。目前国内虽有真空镀膜机制造商，但由于本镀膜系统的膜厚精度控制及制程稳定性要求极为严谨，必需要有制作DWDM干涉滤镜相关技术及经验的业者才能开发出完全满足DWDM干涉滤镜需求的设备。

正因为具实用量产功能的镀膜机的开发并非一蹴可成，必须花费相当的时间与精力，对于DWDM干涉滤镜这种具时效性与市场经济价值性的产品，能够愈早推出产品愈能够占有市场的利基。工研院光电所已拥有近三年之DWDM干涉滤镜镀膜制程技术与经验，并且已经成功开发出符合Bellcore GR-1209-Core要求的≧200GHz DWDM干涉滤镜，而且是以自行组装的离子助镀溅镀镀膜机完成DWDM干涉滤镜的制作。

满足商品化产品的规格要求

DWDM干涉滤镜基本上必须具有如下的特征才能满足商品化产品的规格要求：(1)方形通带；(2)窄频宽；(3)高穿透通带区；(4)高反射止带区；(5)优良之温度、湿度稳定性；(6)低极化依赖损失；(7)低背向反射。为了达成干涉滤镜如上的特征要求，在其构成的膜层材料性能上必须具有如下的功能：(1)高密实度；(2)稳定之光学性能；(3)没有吸收；(4)不潮解；(5)化学钝性；(6)高硬度；(7)高平滑表面；(8)非晶结构。

然而膜层的功能与其制备的过程有很密切的关系，最常使用也是最具环保功能的膜层制程便是物理气相沉基制程，(表一)所示即为各种物理气相沉基制程对膜层功能的影响之比较。由表一的比较结果显示，欲得到满足DWDM干涉滤镜的规格要求的膜系则必须采用离子镀膜的蒸镀方式，比如离子助镀蒸镀或离子助镀溅镀。 Leybold公司所推出的DWDM镀膜机即为离子助镀电子枪蒸镀机，而OCA公司所采用的DWDM镀膜机即为自行开发的离子助镀溅镀机。

《表一 各种物理气相沉基制程对膜层功能之影响》

DWDM干涉滤镜结构的设计

DWDM干涉滤镜结构的设计是由几个Fabry-Perot滤镜堆叠而成，而单一Fabry-Perot滤镜的结构是由两个高反射膜系加上间隔层组合而成。随着Fabry-Perot滤镜堆叠数目n值的增加（意即膜层数愈多），则DWDM干涉滤镜的频宽会减小，波型愈趋于矩形，如(图四)所示。在混合光波中，频宽减少则各通道间的干扰会减少，愈容易将不同的光波讯号分离出来。根据Bellcore GR-1209-Core要求，200GHz DWDM干涉滤镜必须满足下列之规范：

《图四 一腔,二腔及三腔式Fabry-Perot滤镜堆栈的光谱特性》

(1)其通道间距为1.6 nm；

(2)在-1 dB的频宽必须≧0.56 nm;

(3)在-3dB的频宽必须≧0.8 nm；

(4)在-20dB的频宽必须≦2.4 nm；

(5)在-30dB的频宽必须≦3.52 nm；

(6)其中心波长必须满足ITU-T Rec.G.692定义（频率=193.1 + 0.1ITHz）；

(7)其中心波长之偏移量≦±0.16 nm；

(8)其中心波长之穿透率≧83﹪；

(9)在操作温度0~50℃范围内，其波长对温度变化必须≦0.003 nm/℃。

针对上述200GHz DWDM干涉滤镜的规格而言，至少需要三个Fabry-Perot滤镜叠加而成近百层结构才可满足。一般常用的高、低折射率膜层膜材为Nb2O5/SiO2或Ta2O5/SiO2。每一膜层的厚度控制、膜材的均匀度控制，及膜材的密实度与应力等对DWDM干涉滤镜性能影响极大，因此其制程控制必须十分严谨。

为达成上述的需求，我们采用由我们所自行设计制作的离子助镀溅镀系统来镀制≧200GHz DWDM干涉滤镜。该镀膜机腔体内装有三支溅镀枪及一支离子枪，其中一支溅镀枪用来溅镀Si靶以和氧反应生成SiO2，另外一支溅镀枪用来溅镀Ti靶以和氧反应生成Ta2O5，剩余的一支溅镀枪用来当作备用溅镀源。DWDM干涉滤镜的制程技术的制造原理与传统的光学多层膜的制程在基本上是相似的，然而由于DWDM干涉滤镜在规格上的特殊要求，使得制造传统的光学多层膜的制程设备并不能直接拿来制造DWDM干涉滤镜。

此外，由于Fabry-Perot滤镜独特的光谱特性，使得在监控整个光学镀膜的过程中所使用的光学监控方法必须与传统的光学镀膜所使用的监控方法不同。由于DWDM干涉滤镜膜层数非常多，因此可以容忍的膜厚误差相当小。 (图五)所示即为正常镀制三腔式DWDM干涉滤镜时，监控讯号将在100%~0.5%之间呈现周期性的变化。在此一情况下整个制程的膜厚监控可以在单一监控波长下以四分之一波长作极值监控来达成。

《图五 以正确1/4波长极值监控之光谱穿透率随膜厚变化情形》

(图六)即为实验所得200 GHz DWDM干涉滤镜的光谱图，其结构设计为[(HL)8 2H (LH)8 L]3，其中H代表光学厚度四分之一波长厚之高折射率材料Ta2O5，L代表光学厚度四分之一波长厚之低折射率材料SiO2，监控波长为1547.72nm。图六显示实测所得200GHz DWDM干涉滤镜在-1dB的频宽0.79 nm；在-3dB的频宽1.06 nm；在-20dB的频宽1.93 nm；在-30dB的频宽2.78 nm；且其中心波长为1546.44 nm；穿透率≧83﹪。而测量该DWDM干涉滤镜中心波长因温度的改变而偏移的结果显示，当温度从23℃变化至83.4℃，光谱中心波长漂移量随着温度的增加，由0.019nm增至0.1915nm。因温度变化所引起的中心波长偏移量在51.5℃以下时为小于0.00213nm/℃，在74.5℃以下时为小于0.00315nm/℃。上述之规格完全满足Bellcore GR-1209-Core 之规范。

《图六 200GHz DWDM干涉滤镜之实测光谱图》

结论

由于雷射及光纤通讯技术的快速发展，促使了全光网路的发展指日可待。光纤通讯的应用，已从长途跨海、跨洲的电信传输延伸到都会区，甚至于社区与住宅区的网际网路与多媒体应用。而其高频宽、低损失不受电磁干扰等优良特性，更使得光纤通讯成了21世纪的明星产业。因此如何能开发出高容量、宽频、高速、与低价位的光纤通讯系统与元件成了当今全球通讯企业所关住的重要课题。

在目前全球光纤通讯系统皆为国际大厂所掌控的情势下，发展关键性光纤通讯元件成为台湾通讯业者的希望之路。为了赶上此一潮流甚至于居于领先的地位，因此工研院光电所特别执行200GHz DWDM干涉滤镜制程技术开发，以加速建立国内自主化之DWDM干涉滤镜模组制程能力。由于目前DWDM的产品生命周期正处于成长期，价格维持在高价位，且在近期内预估其价位亦不至于大幅降价，故若厂商能建立此产品技术，必可增加厂商的产品获利率及附加价值。

在经费有限的情形下，经由近三年的努力，我们目前已拥有非常丰富的技术经验与成果。我们已经自行建立了一套具有全自动直接光学监控的离子助镀溅镀系统，应用该系统我们可以在完全自动化的条件下，成功完成镀制102层三腔式200GHz DWDM干涉滤镜[(HL )8 2H (LH)8 L]3，该DWDM干涉滤镜之中心波长介于1530~1560 nm之间，而且其频宽完全满足Bellcore GR-1209-CORE规范：在-1dB,-3dB,- 20dB,-30dB时的频宽依序分别为0.8、0.94、1.92、2.80 nm。

该200GHz的DWDM干涉滤镜在横向方向之中心波长偏移量小于±0.32nm的范围有4mm宽；而纵向方向也有4mm宽。其中心波长因温度变化所引起的中心波长偏移量在51.5℃以下时＜0.00213nm/℃，在74.5℃以下时＜0.00315nm/℃，因此在使用环境温度50℃下，完全满足规格要求。今后半年内我们会持续进行三个空腔近100层的DWDM干涉滤镜的制作，重点将会朝向建立具高稳定性、高再现性、高均匀性与高产能的制程技术及设备。目标在于建立国内自主之高品质低成本的DWDM干涉滤镜生产方法。

在硬体的开发方面，除了DWDM干涉滤镜专用镀膜机之外，我们同时开发出各种特殊测量系统，其中包括穿透率量测系统，反射率量测系统，以及温度稳定性量测系统。应用这些自行开发的量测系统，我们可以测量评估自制或外购之DWDM 干涉滤镜的穿透率，反射率、极化损失及温度稳定性。有好的量测系统才能制作出具有良好品质之商品。我们非常乐意将我们所开发之DWDM干涉滤镜制程技术及量测系统技术，转移给国内有意愿承接发展之产商，来协助国内产商建立完整之光纤通讯关键被动元件产业。 (本文作者现任职工研院光电所光学系统组)