行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
總計畫：超頻寬光通訊摻鉻光纖製程與特性之研究(1/3)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC93-2215-E-110-010- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學光電工程研究所 計畫主持人： 鄭木海 共同主持人： 黃升龍，邱逸仁，吳宗霖 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 94 年 5 月 20 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
□ 成 果 報 告
;期中進度報告
超頻寬光通訊摻鉻光纖製程與特性之研究（1/3）
The Study of Fabrication and Characteristics for Superbroadband
Chromium-Doped Fibers in Fiber Optic Communication
計畫類別：□ 個別型計畫
;整合型計畫
計畫編號：
NSC 93-2215-E-110-010
執行期間：
93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日
計畫主持人：鄭木海 中山大學 光電所 教授
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：;精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計
畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，
;一年□二年後可公開查詢
執行單位：國立中山大學光電工程研究所
中 華 民 國
94 年 5 月 19 日
附件一
I行政院國家科學委員會專題研究計劃期中報告
超頻寬光通訊摻鉻光纖製程與特性之研究（1/3）
The Study of Fabrication and Characteristics for Superbroadband
Chromium-Doped Fibers in Fiber Optic Communication
計劃類別：個別型計劃;整合型計劃 計劃編號：NSC 93-2215-E-110-010 執行期間：93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日
主持人：鄭木海 中山大學 光電所 教授
一、中文摘要
新一代無氫氧離子吸收光纖可擴展使 用低損失光纖波段範圍由 1300 至 1600 nm 共300 頻寬，惟現有摻鉺光纖增益波段使用 範圍限制於C-band 1530-1560 nm 及 L-band 1570-1610 nm 共 70 nm 頻寬，在光通訊分 波多工系統中僅使用低損失光纖波段範圍 之25%，因此現有摻鉺光纖放大器與新一代 光纖結合之技術，無法充分利用300 nm 低 損失光纖頻寬。中山大學光電所研究團雖自 製摻鉻晶纖與抽絲製程可研發摻鉻晶纖之 放大自發輻射頻寬由1300 至 1600 nm，但以 目前本所設備與技術，抽絲研製困難達到具 有產品化規格之摻鉻光纖以利跟一般單模 光纖接續。因此需透過擁有光纖抽絲製程公 司協助，例如與高雄華榮電線電纜公司合 作，進行利用達到具有產品化規格之摻鉻光 纖來研發超頻寬光纖放大器。 這創新前瞻性摻鉻光纖在國內外尚未 有之技術與產品，除具有300 nm 超頻寬外， 其他功能期能研發跟摻鉺光纖一樣應用於 光纖通訊系統。因此本整合計畫研發成果相 當 有 潛 力 可 在 未 來 光 通 訊 產 業 技 術 發 展 中，導致新型光纖通訊技術與產品，並大幅 提昇國內光通訊關鍵性元件與模組之競爭 晶棒抽絲製程，摻鉻光纖傳輸損耗，吸收 及增益量測，摻鉻光纖波導傳播分析，摻 鉻光纖放大器製程在低密度分波多工系統 應用，及低成本幫浦雷射模組構裝與應用 為本整合型計畫關鍵性的研究。第一年計 畫係光纖具有5 µm 核心與 125 µm 外殼規 格化之摻鉻晶棒抽絲製程，摻鉻光纖傳輸 損耗與放大自發輻射功率量測，四價/三價 鉻離子比例分佈量測，摻鉻光纖波導傳播 模態分析，摻鉻光纖放大器設計與模擬， 及低成本幫浦雷射模組設計。第二年計畫 係光纖具有5 µm 核心與 125 µm 外殼規格 化不同 NA 與不同吸收係數之摻鉻晶棒抽 絲製程，摻鉻光纖吸收與增益之量測，及 提高四價/三價鉻離子比例分佈之製程，摻 鉻光纖與摻鉺光纖波導傳播分析之比較， 摻鉻光纖放大器之製程與特性量測分析， 及低成本幫浦雷射模組構裝。第三年計畫 為最佳化摻鉻光纖製程，最佳化摻鉻光纖 傳輸損耗與增益設計量測，高頻寬摻鉻孔 隙(holey)光纖波導傳播特性分析，低成本 幫浦雷射應用於摻鉻光纖放大器，及摻鉻 光纖放大器在低密度分波多工光通訊系統 之應用。2 應用，本計畫主要關鍵技術研究共五項：（1） 摻鉻光纖之製程，包括光纖具有5 µm 核心 與 125 µm 外殼規格化之摻鉻晶棒抽絲製 程，光纖具有5 µm 核心與 125 µm 外殼規格 化不同NA 與不同吸收係數之摻鉻晶棒抽絲 製程，摻鉻晶棒折射率量測，（2）摻鉻光纖 特性之量測，包括傳輸損耗、摻鉻光纖吸收 與增益截面積量測、放大自發放大輻射功率 量測、鉻離子四價與三價比例分佈量測、最 佳化傳輸損耗至小於 0.1 dB/m（3）摻鉻光 纖波導傳播特性之分析，包括摻鉻光纖模態 與色散特性分析，摻鉻光纖與摻鉺光纖波導 特性比較與分析，及高頻寬摻鉻孔隙(holey) 光纖波導傳播特性分析，（4）摻鉻光纖放大 器之製程與應用，包括摻鉻光纖放大器設 計，製程，與特性量測(放大倍率、串音、 色散、訊號/雜訊化)，及摻鉻光纖放大器在 低密度分波多工系統應用（5）低成本幫浦 雷射模組之構裝與應用。本計畫擬同時以學 術及技術觀點來研討這些問題，發展本計畫 超頻寬摻鉻光纖製程與特性之研究，很明顯 可提昇國內光通訊關鍵元件與模組之自製 率及在國際上之能見度。 二、緣由及目的 本整合型計畫旨在研發創新超頻寬光 通 訊 摻 鉻 光 纖 （ Chromium-doped fiber, CDF），使摻鉻光纖放大器（Cr-doped fiber amplifier, CDFA）使用光纖波段範圍由 1300 至 1600nm，其頻寬高達 300 nm。跟現有摻 鉺光纖放大器（EDFA）增益波段使用範圍， C-band 1530-1560 nm (30 nm) 及 L-band 1570-1610 nm (40 nm)，共 70 nm 頻寬比較， CDFA 比 EDFA 頻寬多 4.3 倍。這新一代超頻 寬光通訊摻鉻放大器在國內外尚未有之技術 與產品，除具有300 nm 超頻寬外，其他功能 期能研發跟摻鉺光纖一樣應用於光纖通訊系 統 。 尤 其 最 近 低 密 度 分 波 多 工(Coarse wavelength division multiplexing, CWDM)模 組/系統快速崛起，藉由波段約 20 nm 低頻寬 的條件下，使用低成本雷射光源與被動元 件，可使 CWDM 廣泛應用低成本 Gigabit Ethernet，都會區接區，及 CATV 等短距離 光通訊系統。所以本計畫前瞻超寬頻摻鉻光 纖放大器相關元件與模組的開發，將使低成 本 CWDM 系統仍然能維持足夠之通訊頻道 數目。 中山大學光電所研發團隊，長期從事晶 體光纖（Crystal fiber, 晶纖）之研發，目前由 晶體光纖上游成長、後段製程、鍍膜到完成 晶纖雷射已建立一套完整研發能力，所生長 晶纖品質比圓柱狀原始材料還好。最近利用 雷射加熱技術以石榴石（YAG）晶體為母材， 摻雜氧化鉻（Cr2O3）可成長0.5 至 1.5 mm 直 徑之摻鉻石榴石（Cr4+:YAG）晶纖，及將晶 纖 拉 成 直 徑 30 至 100 µm 之 摻 鉻 光 纖 （CDF），這些摻鉻光纖可應用在超頻寬光纖 放大器及超頻寬放大自發輻射光源，相關成 果 已 發 表 於 重 要 研 討 會 （CLEO ） 及 期 刊 （Optics Letters）。 為了使摻鉺光纖具有較高摻鉺離子於核 心 內 以 提 高 摻 鉺 光 纖 增 益 介 質 （gain medium）之放大能力，商用摻鉺光纖核心直 徑設計由3 至 6µm，比一般單模矽光纖核心 直徑9 µm 小。惟中山大學光電所晶纖設備困 難將摻鉻晶纖核心抽絲到3 至 6 µm 及外殼均 勻控制於125 µm 範圍，這光纖規格係摻鉻光 纖（CDF）達到最佳化放大能力之一及易於 跟一般單模光纖接續所必備條件。同時中山 大學晶纖設備所成長晶纖直徑最大為 1.5 mm，因此抽絲困難達到較長距離之光纖。為 了達到具有商品化摻鉻光纖核心5 µm，外殼 125 µm 之規格，本計畫需透過校外之合作來 完成，例如與高雄華榮電線電纜公司合作。 光纖放大器模組除摻鉻光纖外，980 nm 幫浦雷射光源也為關鍵性元件，且幫浦雷射 模組為整個光纖放大器模組價格最重要的考 慮因素之一。雖然國外幫浦雷射模組產品成 熟容易購買，但這些雷射模組以盒子型基座 與馬鞍引線式構裝，其構裝成本高與良率
低，因此利用圓柱型 TO 雷射加上致冷器架 構，來達成低成本與高良率幫浦雷射模組構 裝，可提昇國內光通訊關鍵元件與模組之自 製率。 因此，本整合型計畫需透過高雄華榮電 線電纜抽絲機協助將外購JDS Uniphase 摻鉻 晶纖抽絲具有5 µm 核心與 125 µm 外殼之規 格化摻鉻光纖，同時中山大學光電所長期在 晶體光纖研發能力已證明摻鉻晶纖擁有1300 至1600 nm 超聘寬，及本所在雷射元件與模 組構裝技術經驗，研發創新超頻寬光通訊摻 鉻光纖製程與特性之研究。這前瞻性摻鉻光 纖在國內外尚未有之技術與產品，除具有300 nm 超頻寬外，其他功能期能研發跟摻鉺光纖 一樣應用於光纖通訊系統。因此本整合計畫 研發成果相當有潛力可在未來光通訊產業技 術發展中，導致新型光纖通訊技術與產品， 並大幅提昇國內光通訊關鍵性元件與模組之 競爭力與在國際上之能見度。
三、研究方法與成果
本計畫第一年（93年度）進度擬完成光纖 具有5 µm核心與125 µm外殼規格化之摻鉻晶 棒抽絲製程，摻鉻光纖傳輸損耗與放大自發輻 射功率量測，四價/三價鉻離子比例分佈量 測，摻鉻光纖波導傳播模態分析，摻鉻光纖放 大器設計與模擬，及低成本幫浦雷射模組設 計。 圖一為子計畫一完成預型體摻鉻晶棒與 石英棒，摻鉻晶棒直徑5 mm而石英棒直徑33 mm，這預型體即將裝上抽絲塔進行抽絲。 圖二為子計畫二纖 心 組 成 比 例 與單 晶 YAG一樣，而內纖衣則是二氧化矽由外往內 逐漸變低的趨勢，間接的說明了纖心保持為單 晶結構。 圖三為子計畫三量測了Cr4+螢光和折射 率在纖心和內纖衣的分佈情形，結果如圖二所 示，纖心有較強的螢光，但纖心則很微弱。而 折射率為纖心1.82、內纖衣1.64和外纖衣1.47 的分佈，可以形成波導效果。 圖四為子計畫三孔隙光纖截面的切割示 意圖，由於對稱特性，在實際運算時我們只需 計算第一象限的切割結構，如圖四陰影所示。 圖五為子計畫三 11x HE 模態之有效折射係 數對波長響應圖，實線部份為Kunimasa Saitoh 等人於2002年發表於IEEE Journal of Quantum Electronics的計算結果，使用的方法為有限元 素法，點狀標誌為我們使用邊界元素法所得的 結果，由圖五可以明顯發現，兩種方法所得的 結果相當吻合。。 圖六為子計畫四光傳播一公分之後場型 分佈，如圖所示，只有在纖心尺寸小於 10μ m 時才不至於因多模態波導關係光分散出晶 纖外圍使光之激發與放大倍率變小，所以欲 求高效率之光放大作用需將此種晶纖尺寸縮 至 10μm 以內。四、討論與結論
本計畫係一個三年的計畫整個計畫執 行包括水平整合與垂直整合。第一年各子 計畫偏重於水平整合，第二年各子計畫將 逐漸有部分垂直整合，以期在第三年計畫 期滿完成超頻寬光通訊摻鉻光纖製程與特 性之研究。4 圖二：雙纖衣晶纖截面之成份組成比例 圖三：雙纖衣之Cr4+螢光與折射率分佈 圖四 孔隙光纖截面的切割示意圖 圖五 11x HE 模態之有效折射係數對波長響應 圖，實線部份為Kunimasa Saitoh 等人 利用有限元素法所計算的結果，點狀標 誌為我們利用邊界元素法所得的結果。 圖六 光之場型經由單模光纖模態輸入傳 輸一公分後(由左至右纖心尺寸為 5､ 10､20μm)
