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(2/3)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC94-2215-E-110-007- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 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 95 年 5 月 18 日
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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（2/3）
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 94-2215-E-110-007 執行期間：94 年 8 月 1 日至 95 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 力與在國際上之能見度。 本整合計畫係一個三年期計畫，摻鉻 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。本整合計畫旨在研製創新超頻寬摻鉻 光纖，以進行300 nm 超頻寬摻鉻光纖放大 器在低成本低密度分波多工光通訊系統之 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
本計畫第二年（94 年度）進度擬完成光 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。 圖一(a)為子計畫一研製摻鉻光纖預型 體，外徑為62.5mm，摻鉻直徑為5mm。 圖一(b)為抽絲搭所研製摻鉻光纖，核心小 於10µm，自放性放大(ASE)量測，頻譜 1.2-1.55µm，頻寬超過300µm，中心波長 1.32µm，顯示具有Cr4+。已達成預定摻鉻 光纖核心5-10µm目標，這成果已發表於 2006年3月OFC研討會，並已投稿至APL。 子計畫二第二年已詳細分析鉻離子 Cr3+與Cr4+螢光強度分佈，圖二(a)為Cr3+ 離子螢光強度分佈，圖呈現650至950頻 寬，中心波長為700nm。圖二(b)為Cr4+離 子螢光強度分佈，圖呈現1150至1550nm 頻寬，中心波長為1220nm。在光摻鉻光纖 放大器最小雜訊係數計算結果接近3dB， 此摻鉺光纖放大器4-5dB更低，這顯示 Cr4+:Yag自發輻射和吸收頻譜之重疊比摻 鉺光纖小。 圖三(a)為子計畫三利用時域有限差分 法模擬與設計孔隙光纖三角形晶格光子晶 體之光子能帶結構，而圖三(b)為光子能隙 圖，實線為有限元素法，圖形標誌為時域 有限差分結果，由圖可知兩者結果相當吻 合。本子計畫三之第二年已完整模擬與分 析孔隙光纖各項特性，並進一步設計具備 所需特性之孔隙光纖。圖四(a)為子計畫四電致光吸收調變器 高速頻譜圖，由實驗與模擬，研製30GHz 調變器具3dB頻寬。圖四(b)電致光吸收調 變器經過50公里單模光纖，由數據可獲得 頻擾參數與色散參數。第二年子計畫四以 初步探討摻鉻光纖放大器在系統上之量 測。
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。1
圖一: (a) 摻鉻光纖預型體。
圖一: (b) 摻鉻光纖經過 8.3 公分之自放性放大圖。
圖二: (a) 內纖衣不同位置之 Cr
3+6
圖二: (b) 內纖衣不同位置之 Cr
4+離子螢光強度分佈。
圖三: (a) 三角形晶格光子晶體之光子能帶結構。
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