近年來，由於全球資訊基礎建設(GII)與國家資訊基礎建設(NII)的大力推展，加上網際網路及WWW的風行，電信網路系統寬頻化、光纖化的建設亦積極地展開；再加上區域性電腦網路或有線電視業者為因應高品質、高頻寬通訊的需求，發展光纖化網路已經形成全球共識，但如何在既有的光纖幹線(Trunk)網路上增大其傳輸容量(Capacity)與調制速率，遂為當今發展通訊網路及國家資訊基礎建設的重要課題。

試想若能在單一條光纖中，同時使用多數個波長的光信號，立即使光纖網路容量大增數倍，是為解決網路塞車的最具效益的解決方案，高密度分波多工器(Dense Wavelength Division Multiplex;DWDM)成為光纖通訊最重要的被動元件之一，即因其具備此特性。(圖一)說明DWDM光纖通信基本架構，全球光纖通訊市場目前正處於蓬勃發展階段，以1999年全球光電市場領域來看，光纖通訊佔有之比例超過15%以上，而國內在此領域中，只佔光電產業的5%左右(圖二)，產值約117億台幣，顯示國內的光纖通訊應用未來的成長空間極大。

《圖一　DWDM光纖通信基本架構》

《圖二　1999年我國及全球光纖通訊在 光電市場中之比例》

根據日本光電協會1997年的預測未來全球光纖通信在主幹網路上的技術趨勢為朝向極高傳輸容量為目標，預計DWDM會由1998年的8通道發展到2010年的100通道(圖三)。又根據ElectroniCast報導，DWDM濾鏡模組的全球市場消費總值在1997年為美金九千萬元，預估全球市場總值至公元2007年可高達美金11.7億元。

《圖三　全球光纖通訊技術發展歷程圖》

製程技術

DWDM濾鏡分光的原理有好幾種，包含干涉濾鏡、光纖光柵，及平面波導等。其中以DWDM干涉濾鏡鍍，最具熱穩定性也最受歡迎。但是由於DWDM干涉濾鏡的光學需求極為嚴格，要以鍍膜方式做到合格的標準產品，必須使用高精度與高可靠性的鍍膜設備，採用精準的膜厚監控方式，鍍製出具高緻密度與高穩定性的膜層材料與膜系。目前全世界只有少數幾家鍍膜加工廠具有鍍製如此高品質產品的能力，如OCA,OCJ,JDS Fitel,E-Tek Dyna.,Dicon,Schott,POS,OCLI等。其中大部份的廠商(如JDS、E-Tek Dyna.、Dicon等)皆採用德國Leybold公司所製造的AG1104專用電子槍鍍膜機來鍍製DWDM 干涉濾鏡。由於DWDM干涉濾鏡製作相當的困難，形成賣方市場，供不應求。因此欲自國外購買取得DWDM干涉濾鏡非常的不易，價格也相當的昂貴，造成國內業者無法有效提升其在DWDM模組產業的競爭力。基於此一理由，國內光纖通訊被動元件業者極有必要自行開發此一技術及生產DWDM干涉濾鏡，以達到降低進口依賴，提升國內產業自主能力。

工研院及少數廠商加入技術開發

目前國內除了工研院正在開發DWDM干涉濾鏡鍍膜技術外，從去年年中開始也有廠商投入此一行業，他們直接從德國Leybold公司購買AG1104專用電子槍鍍膜機，或者是向日本購買專用電子槍鍍膜機來生產鍍製DWDM干涉濾鏡。但是不論是德國Leybold公司專用電子槍鍍膜機或者是日本專用電子槍鍍膜機，其價格都是非常的昂貴，甚至單價高達新台幣五千萬元以上(Leybold Coater)，如果再加上每年需花費鍍膜機價格10%以上的維護費，其資本投資相當的高。為了降低生產成本及提升該產業產品的競爭優勢，因此非常有必要自行研究開發DWDM干涉濾鏡專用鍍膜機及其製程技術。

鍍膜機必須具備的功能

基本上鍍製DWDM干涉濾鏡所需的鍍膜機必須具備如下功能：(1)具離子助鍍蒸鍍或濺鍍之功能；(2)全自動光學膜厚與製程監控系統；(3)大面積的鍍膜均勻性；(4)極佳的製程穩定性與再現性。目前國內雖有真空鍍膜機製造商，但由於本鍍膜系統的膜厚精度控制及製程穩定性要求極為嚴謹，必需要有製作DWDM干涉濾鏡相關技術及經驗的業者才能開發出完全滿足DWDM干涉濾鏡需求的設備。

正因為具實用量產功能的鍍膜機的開發並非一蹴可成，必須花費相當的時間與精力，對於DWDM干涉濾鏡這種具時效性與市場經濟價值性的產品，能夠愈早推出產品愈能夠佔有市場的利基。工研院光電所已擁有近三年之DWDM干涉濾鏡鍍膜製程技術與經驗，並且已經成功開發出符合Bellcore GR-1209-Core要求的≧200GHz DWDM干涉濾鏡，而且是以自行組裝的離子助鍍濺鍍鍍膜機完成DWDM干涉濾鏡的製作。

滿足商品化產品的規格要求

DWDM干涉濾鏡基本上必須具有如下的特徵才能滿足商品化產品的規格要求：(1)方形通帶；(2)窄頻寬；(3)高穿透通帶區；(4)高反射止帶區；(5)優良之溫度、溼度穩定性；(6)低極化依賴損失；(7)低背向反射。為了達成干涉濾鏡如上的特徵要求，在其構成的膜層材料性能上必須具有如下的功能：(1)高密實度；(2)穩定之光學性能；(3)沒有吸收；(4)不潮解；(5)化學鈍性；(6)高硬度；(7)高平滑表面；(8)非晶結構。

然而膜層的功能與其製備的過程有很密切的關係，最常使用也是最具環保功能的膜層製程便是物理氣相沉基製程，(表一)所示即為各種物理氣相沉基製程對膜層功能的影響之比較。由表一的比較結果顯示，欲得到滿足DWDM干涉濾鏡的規格要求的膜系則必須採用離子鍍膜的蒸鍍方式，比如離子助鍍蒸鍍或離子助鍍濺鍍。Leybold公司所推出的DWDM鍍膜機即為離子助鍍電子槍蒸鍍機，而OCA公司所採用的DWDM鍍膜機即為自行開發的離子助鍍濺鍍機。

《表一　各種物理氣相沉基製程對膜層功能之影響》

DWDM干涉濾鏡結構的設計

DWDM干涉濾鏡結構的設計是由幾個Fabry-Perot濾鏡堆疊而成，而單一Fabry-Perot濾鏡的結構是由兩個高反射膜系加上間隔層組合而成。隨著Fabry-Perot濾鏡堆疊數目n值的增加（意即膜層數愈多），則DWDM干涉濾鏡的頻寬會減小，波型愈趨於矩形，如(圖四)所示。在混合光波中，頻寬減少則各通道間的干擾會減少，愈容易將不同的光波訊號分離出來。根據Bellcore GR-1209-Core要求，200GHz DWDM干涉濾鏡必須滿足下列之規範：

《圖四　一腔,二腔及三腔式Fabry-Perot濾鏡堆疊的光譜特性》

(1)其通道間距為1.6 nm；

(2)在-1dB的頻寬必須≧0.56 nm；

(3)在-3dB的頻寬必須≧0.8 nm；

(4)在-20dB的頻寬必須≦2.4 nm；

(5)在-30dB的頻寬必須≦3.52 nm；

(6)其中心波長必須滿足ITU-T Rec.G.692定義（頻率=193.1 + 0.1ITHz）；

(7)其中心波長之偏移量≦±0.16 nm；

(8)其中心波長之穿透率≧83﹪；

(9)在操作溫度0~50℃範圍內，其波長對溫度變化必須≦0.003 nm/℃。

針對上述200GHz DWDM干涉濾鏡的規格而言，至少需要三個Fabry-Perot濾鏡疊加而成近百層結構才可滿足。一般常用的高、低折射率膜層膜材為Nb2O5/SiO2或Ta2O5/SiO2。每一膜層的厚度控制、膜材的均勻度控制，及膜材的密實度與應力等對DWDM干涉濾鏡性能影響極大，因此其製程控制必須十分嚴謹。

為達成上述的需求，我們採用由我們所自行設計製作的離子助鍍濺鍍系統來鍍製≧200GHz DWDM干涉濾鏡。該鍍膜機腔體內裝有三支濺鍍槍及一支離子槍，其中一支濺鍍槍用來濺鍍Si靶以和氧反應生成SiO2，另外一支濺鍍槍用來濺鍍Ti靶以和氧反應生成Ta2O5，剩餘的一支濺鍍槍用來當作備用濺鍍源。DWDM干涉濾鏡的製程技術的製造原理與傳統的光學多層膜的製程在基本上是相似的，然而由於DWDM干涉濾鏡在規格上的特殊要求，使得製造傳統的光學多層膜的製程設備並不能直接拿來製造DWDM干涉濾鏡。

此外，由於Fabry-Perot濾鏡獨特的光譜特性，使得在監控整個光學鍍膜的過程中所使用的光學監控方法必須與傳統的光學鍍膜所使用的監控方法不同。由於DWDM干涉濾鏡膜層數非常多，因此可以容忍的膜厚誤差相當小。(圖五)所示即為正常鍍製三腔式DWDM干涉濾鏡時，監控訊號將在100%~0.5%之間呈現周期性的變化。在此一情況下整個製程的膜厚監控可以在單一監控波長下以四分之一波長作極值監控來達成。

《圖五　以正確1/4波長極值監控之光譜穿透率隨膜厚變化情形》

(圖六)即為實驗所得200 GHz DWDM干涉濾鏡的光譜圖，其結構設計為[(HL)8 2H (LH)8 L]3，其中H代表光學厚度四分之一波長厚之高折射率材料Ta2O5，L代表光學厚度四分之一波長厚之低折射率材料SiO2，監控波長為1547.72nm。圖六顯示實測所得200GHz DWDM干涉濾鏡在-1dB的頻寬0.79 nm；在-3dB的頻寬1.06 nm；在-20dB的頻寬1.93 nm；在-30dB的頻寬2.78 nm；且其中心波長為1546.44 nm；穿透率≧83﹪。而測量該DWDM干涉濾鏡中心波長因溫度的改變而偏移的結果顯示，當溫度從23℃變化至83.4℃，光譜中心波長漂移量隨著溫度的增加，由0.019nm增至0.1915nm。因溫度變化所引起的中心波長偏移量在51.5℃以下時為小於0.00213nm/℃，在74.5℃以下時為小於0.00315nm/℃。上述之規格完全滿足Bellcore GR-1209-Core 之規範。

《圖六　200GHz DWDM干涉濾鏡之實測光譜圖》

結論

由於雷射及光纖通訊技術的快速發展，促使了全光網路的發展指日可待。光纖通訊的應用，已從長途跨海、跨洲的電信傳輸延伸到都會區，甚至於社區與住宅區的網際網路與多媒體應用。而其高頻寬、低損失不受電磁干擾等優良特性，更使得光纖通訊成了21世紀的明星產業。因此如何能開發出高容量、寬頻、高速、與低價位的光纖通訊系統與元件成了當今全球通訊企業所關住的重要課題。

在目前全球光纖通訊系統皆為國際大廠所掌控的情勢下，發展關鍵性光纖通訊元件成為台灣通訊業者的希望之路。為了趕上此一潮流甚至於居於領先的地位，因此工研院光電所特別執行200GHz DWDM干涉濾鏡製程技術開發，以加速建立國內自主化之DWDM干涉濾鏡模組製程能力。由於目前DWDM的產品生命週期正處於成長期，價格維持在高價位，且在近期內預估其價位亦不至於大幅降價，故若廠商能建立此產品技術，必可增加廠商的產品獲利率及附加價值。

在經費有限的情形下，經由近三年的努力，我們目前已擁有非常豐富的技術經驗與成果。我們已經自行建立了一套具有全自動直接光學監控的離子助鍍濺鍍系統，應用該系統我們可以在完全自動化的條件下，成功完成鍍製102層三腔式200GHz DWDM干涉濾鏡[(HL)8 2H (LH)8 L]3，該DWDM干涉濾鏡之中心波長介於1530~1560 nm之間，而且其頻寬完全滿足Bellcore GR-1209-CORE規範：在-1dB,-3dB,-20dB,-30dB時的頻寬依序分別為0.8、0.94、1.92、2.80 nm。

該200GHz的DWDM干涉濾鏡在橫向方向之中心波長偏移量小於±0.32nm的範圍有4mm寬；而縱向方向也有4mm寬。其中心波長因溫度變化所引起的中心波長偏移量在51.5℃以下時＜0.00213nm/℃，在74.5℃以下時＜0.00315nm/℃，因此在使用環境溫度50℃下，完全滿足規格要求。今後半年內我們會持續進行三個空腔近100層的DWDM干涉濾鏡的製作，重點將會朝向建立具高穩定性、高再現性、高均勻性與高產能的製程技術及設備。目標在於建立國內自主之高品質低成本的DWDM干涉濾鏡生產方法。

在硬體的開發方面，除了DWDM干涉濾鏡專用鍍膜機之外，我們同時開發出各種特殊測量系統，其中包括穿透率量測系統，反射率量測系統，以及溫度穩定性量測系統。應用這些自行開發的量測系統，我們可以測量評估自製或外購之DWDM 干涉濾鏡的穿透率，反射率、極化損失及溫度穩定性。有好的量測系統才能製作出具有良好品質之商品。我們非常樂意將我們所開發之DWDM干涉濾鏡製程技術及量測系統技術，轉移給國內有意願承接發展之產商，來協助國內產商建立完整之光纖通訊關鍵被動元件產業。(本文作者現任職工研院光電所光學系統組)