從 2000 年網際網路 (Internet)的蓬勃發展[1]，新的資訊交換管道就此展開，世界各 角落的資訊可透過網際網路，輕易地散播至全世界，資訊的流量也以等比級數不斷成長 [2]；因此，消費者對於資訊的內容量與品質之要求與日俱增。為了快速便利的散播與接 收大量資訊，資訊傳播方法與儲存方式也不間斷演進[3]。在光學儲存方面，從 1983 年 飛利浦與新力公司的開發的 0.65 GB 之 CD(Compact Disc)，1990 年代的 4.7 GB 之 DVD(Digital Video Disc)，至現今的 25 GB 之藍光光碟片(Blue-ray Disc)，增加約 50 倍的 容量；光學存取系統的光源由紅光雷射進展至 405 nm 藍光雷射，讀取頭的數值孔徑 (Numerical aperture)也由 0.65 增加至 0.85，但卻始終受限於繞射極限[4, 5]；因為機械馬 達的轉速限制，讀取資訊的速度遠遠不如其他介面，如 SATA3、USB 3.0、Thunderbolt®
等，更無法與磁碟儲存裝置的容量(> 1 TB)與讀取速度(>300 MB/s)匹配[6, 7]；近來日本 更規劃 4K 特高解析視訊 (Ultrahigh definition video) [8]，儲存與資料傳輸方法勢必須有 更進一步的突破。另一方面，使用者勤於交換質量並俱的資訊，對於網路頻寬也愈來愈 要求，如 Youtube®影音網站、Google®雲端應用，在大量使用者存取的環境下，骨幹網 路的速度也必須隨之升級，最早的商用光纖系統在 1980 年上市，傳輸速度為 45 Mb/s，
至高密度波長劃分多工(DWDM, Dense Wavelength Division Multiplexing)的開發成功，傳 輸速度也提升至 14 Tb/s[9-13]，為了更進一步提升資料頻寬，如何在有限的頻帶中，增 加更多頻道，得以在一條光纖網路中，傳輸更多資訊；在這之中，窄頻(< 0.8 nm)濾 波元件在整個骨幹網路中扮演關鍵的腳色[14]；透過窄頻元件，在相同寬度的頻帶中，
可加入或取出更多頻道的資訊。
體 積 全 像 術 (Volume holography) 已 經 被 證 明 是 上 述 兩 大 難 題 的 解 決 方 案 之 一
[15-24]；利用體積全像術儲存資料，逐點掃描存取的二維儲存結構將演變至三維體積存 取，大幅提升單位面積的儲存密度；頁面式存取使得存取速度在相同的機械架構下，增 加 106倍(以每頁 1000×1000 資料點為例)；而利用體積全像術，增加體積全像濾波元件 的厚度，就可以製作帶寬更窄的濾波元件，可在同一條光纖中加入更多頻道，增加傳輸 速度。
1.1.1 全像術與體積全像術原理簡介
全像術，從指利用感光材料記錄兩道同調光波的干涉光場，然後利用與記錄 (Recording)時的相同條件之一道光波照射材料，便可重建(Reconstruction)出另一道光波 的資訊，如圖 1-1 所示；經由物體表面散射的光波稱為物體光波，另一道光波稱為參考 光波；在記錄時，在底片上干涉記錄；重建時則只需利用參考光照射底片，就可重建出 與原物體相同之虛像；此技術最早由 Dennis Gabor 所提出；1961 年雷射發明後，Y. N.
Denisyuk 用同調光實現反射式全像記錄與重建，Leith 與 Upatneiks 的離軸全像消除同軸 全像的雙影像干擾[25-27]，開啟全像與資訊光學的應用領域。
Recording Reconstruction
Laser
Film BS
Laser
Film BS
Object beam Reference beam
圖 1-1 全像的記錄與重建示意圖。
全像可分為薄全像與厚全像，根據記錄材料的厚度、光波波長、感光材料折射率 與兩道光波的夾角，可寫出依判斷薄全像與厚全像的 Q 因子[28]：
sin
28 nd
Q
,(1.1)
只要 Q 大於 10，此全像便可稱為厚全像；厚全像的特點在於重建全像時，嚴格要求重 建光波的條件與記錄時的參考光波相同，如入射角度、波長與波前等，與參考光波之條 件偏離過多時，便無法重建已經記錄在材料中的資訊；若材料尚未飽和，對於使用者來 說，相當於尚未記錄全像的材料，可再進行全像記錄；1969 年，Kogelnik 提出耦合波理 論，解釋厚全像的繞射光強度隨著讀取光角度不同而變化[29]，如圖 1-2(a)所示，材料
的折射率成諧波分布，其分佈有一空間週期
，材料厚度為 d，滿足厚光柵之條件；讀取光由原來的記錄角度
入射，會在原來另一道記錄光的方向上出現繞射光，繞射光強度與讀取光強度的比例為繞射效率
：
in
d n
sin2 cos1 ,
(1.2) 其中
為偵測光波長，θin為偵測光在材料內部的入射角，與
之關係可用 Snell’s Law 求 之，n1為相位光柵的振幅；繞射效率對於光柵振幅之模擬結果如圖 1-3 (a)所示，模擬參 數：波長為 514 nm，厚度為 2 mm，θin為 15o；當光柵振幅的調變範圍很大時，也就是 材料照光後的折射率變化大，繞射效率為一正弦平方之分布，當分布週期有數個的時 候，可說材料之動態範圍(dynamic range)很大；而使用體積全像術儲存多張資訊，我們 希望每張資訊繞射效率最大但又不會浪費動態範圍，所以最小光柵強度(Grating strength) 應為 7.9
10-5( cos
in d)；當讀取光入射角改變的時候，布拉格失配量(Bragg mismatch)
增加，繞射效率隨著失配量變化為
inin
d kd
n 2 sin
cos sinc 2
2 2
1 ,
in
B
d
sin
2
(1.3)
因此，當 sinc 函數等於零，
B就是布拉格失配角(Bragg mismatch angle)，也就是 讀取角度偏移量至
B，繞射效率就為零，在此模擬中，布拉格失配角為 0.028 度，非常 的小；此偏移量亦隨著材料的厚度增加而減小，代表材料對於角度的偏移越敏感，因此 就可以在同一位置上記錄更多全像資訊。而在波長多工系統中，布拉格失配波長最敏感的則是反射式全像光柵，如圖 1-2(b)所示，當入射光為正向入射時，其布拉格失配波長 為[30]
B
d
2
2
, (1.4)
若波長為 1550 nm，要達到 0.2 nm 的窄頻濾波器，只需要 6 mm 厚度，
d
z
d
z
(a) (b)
圖 1-2 厚光柵示意圖：(a)穿透式光柵；(b)反射式光柵。
0 1 2 3 4 5
0 20 40 60 80 100
Diffraction efficiency (%)
Modulation of index
x10-4 0.0-0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Normailized efficiency (%)
Bragg detuning angle (DEG)
圖 1-3(a)繞射效率與光柵振幅的關係；(b)繞射效率與入射角變化的關係。
從體積全像術的原理分析，我們可以利用不同入射角或波長相異的參考光，與物 體光干涉，在厚材料的同一個位置上記錄多張全像；因此應用體積全像術，透過適當的 多工安排，可以在同樣體積的材料中記錄更多資訊，增加資訊容量；或整合更多的全像 繞射元件於單一元件上。