平坦化光波長間隔器及塞取濾波器分波多工系統模組之研製

全文

(1)國立中山大學光電工程研究所博士論文. 指導教授：鄭木海博士共同指導：葉伯琦博士. 平坦化光波長間隔器及塞取濾波器分波多工系統模組之研製 Fabrication of Flat-Top Interleaver and Add/Drop Filter Modules in Dense Wavelength Division Multiplexing System. 研究生：謝昭行撰. 中華民國九十二年一月二十一日.

(2) 國立中山大學光電工程研究所謝昭行. 君所撰之論文. 平坦化光波長間隔器及塞取濾波器分波多工系統模組之研製係完成博士學位資格之一部份，業經下列委員口試及審查通過，特此證明：. 所長：中. 華. 民. 國. 九. 十. 二年. 一. 月.

(3) Fabrication of Flat-Top Interleaver and Add/Drop Filter Modules in Dense Wavelength Division Multiplexing System by Chao - Shing Hsieh A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy of Science Institute of Electro-optical Engineering National Sun Yat- sen University Jan 2003.

(4) 誌謝本論文得以順利完成，除感謝共同指導教授葉伯琦教授在理論上的指導，更感謝指導教授鄭木海教授多年來悉心的指導與諄諄教誨，使我在待人處事與治學研究方面均受益良多，於此，謹獻上最由衷的敬意與謝忱。由衷感謝口試委員祁甡教授、劉容生所長、蘇炎坤教授、李清庭教授、賴暎杰教授、黃升龍教授及陳永光教授等對本論文所提供的寶貴建議與內容指正，使本文更加完整。在論文研究期間，感謝光灼華老師、吳宗霖老師的指導更感謝同事郭文基、毛議偉、洪榮忠、王瑞波、溫志慶在樣品上的製作以及理論上的熱心指導與寶貴建議，同時也謝謝趙重光先生的鼓勵，使得本文能順利完成。此外，感謝構裝實驗室博士班的學弟葉斯銘、李兆偉，在論文寫作期間的幫助與照顧，亦感謝機械所陳進明對本文所提供的寶貴意見。最後，感謝母親、弟妹、愛妻及家人多年來給予我的支持與關懷，並包容我的一切，由於你們不辭辛勞的付出，我才能順利地完成學業，在此，謹致上最高的謝意。要感謝的人實在太多，無法一一答謝，謹將本文獻予所有關心我的人。. i.

(5) 摘要本文主要在探討高密度分波多工系統模組中，光纖耦合器、塞取多工器及光波長間隔器之研製與特性。在耦合器部分，光纖耦合器最佳製造參數為火焰掃速要慢、氣體流量要大及光纖拉伸長度要長，而光纖耦合器元件之參數在於控制所拉錐角要小於 200，使光纖耦合器之額外損失(excess loss)小於 0.13 dB。在塞取多工器部分，在溫度循環測試下，如錫銲製程不理想，則其濾波器錐角變化可高達 0.050，對應插入損失為 0.3 dB。在光波長間隔器部分，我們發現 2 個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀比一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀之架構有較佳性能。以 50 GHz 間距為例，兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀之光波長間隔器之性能為；隔離度高達 35 dB，0.5 dB 帶通寬度大於 43.8 GHz (88%間距)， 25 dB 截止寬度大於 40 GHz (80%間距)。因此以兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀為架構之光波長間隔器所得 0.5 dB 帶通寬度及 25 dB 截止寬度之性能跟其他目前所有相關干涉儀技術來比較，所研製光波長間隔器頻寬具有較寬特性，這表示研發光波長間隔器有相當高水準。. ii.

(6) ABSTRACT In this dissertation, we study the fabrication and performance of fiber coupler, add/drop filter module, and flat-top interleaver for use in dense wavelength division multiplexing (DWDM) systems. In the low loss fused biconical taper coupler (FBTC), an optimum approach for fabrication of FBTC is a lower filament speed, a higher gas flow rate, and a longer pulling length. By applying this optimum approach that the FBTCs with low loss of 0.13 dB and small taper angle of 20o have been fabricated successfully. In the add/drop filter module, the module-insertion loss difference (0.3 dB) and angular tilt misalignment (0.05o) are found after undergoing 42 temperature cycles for the imperfect soldering process. We present our experimental results of a flat-top 50 GHz optical interleaver using two Gires-Tournois Etalons (GTEs) as phase dispersive mirrors in a Michelson interferometer. The spectral characteristics of the interleaver in a 50 GHz channel spacing application exhibit a 0.5 dB passband larger than 43.8 GHz (88% of the spacing), a 25 dB stopband greater than 40 GHz (80% of the spacing), and a channel isolation higher than 35 dB. The result shows that the interleaver interferometer with novel GTE technique can simultaneously produce a 0.5 dB passband and a 25 dB stopband wider than other interferometer techniques.. iii.

(7) 目錄誌謝 --------------------------------------------------------------------i 中文摘要 --------------------------------------------------------------ii 英文摘要 -------------------------------------------------------------iii 目錄 --------------------------------------------------------------------iv 圖表索引 -------------------------------------------------------------vii. 第一章. 高速寬頻光纖通信. 1-1 前言 ------------------------------------------------------------1 1-2 多工技術的原理 -------------------------------------------3 1-3 高密度分波多工系統的優勢 ----------------------------5 1-4 高密度分波多工元件種類 -------------------------------8 參考文獻 ----------------------------------------------------------9 第二章. 光纖耦合器之研製. 2-1 耦合器之製造 ---------------------------------------------10 2-2 熔融拉錐式耦合器結構 ---------------------------------11 2-3 耦合器特性之分析 ---------------------------------------14 2-4 結論 ---------------------------------------------------------15 參考文獻 --------------------------------------------------------15 iv.

(8) 第三章. 光波長塞取多工器之研製. 3-1 塞取多工器之製造 ---------------------------------------17 3-2 高密度波長多工分波器 ---------------------------------19 3-3 塞取多工器封裝之分析 ----------------------------------20 3-4 結論 ---------------------------------------------------------22 參考文獻 --------------------------------------------------------22 第四章. 光波長間隔器之研製、原理及模擬. 4-1 光波長間隔器之簡介 -----------------------------------24 4-2 波長間隔器之製造 --------------------------------------26 4.3 光波長間隔器之原理 -----------------------------------27 4.3-1 GIRES – TOURNOIS 干涉儀 -----------------28 4.3-2 光波長間隔器之種類 ----------------------------30 4.4 光波長間隔器之模擬 -------------------------------------32 4.4-1 一個 GIRES–TOURNOIS 干涉儀的光波長間隔器 -------------------------------------------------32 4.4-2 二個 GIRES–TOURNOIS 干涉儀的光波長間隔器 -------------------------------------------------38 4.5 光波長間隔器色散之模擬 -------------------------------44 4.5-1 一個 GIRES – TOURNOIS Etalon 50GHz 通 v.

(9) 道間距光波長間隔器色散之模擬 -------------45 4.5-2 二個 GIRES – TOURNOIS Etalon 50 GHz 通道間距光波長間隔器色散之模擬 -----------------47 4.6 討論與結論 ------------------------------------------------49 參考文獻 --------------------------------------------------------50 第五章. 光波長間隔器之實驗與量測. 5.1 使用一個 GIRES - TOURNOIS 干涉儀 -------------52 5.2 使用二個 GIRES - TOURNOIS 干涉儀 -------------57 5.3 二個 GIRES – TOURNOIS Etalon 色散值 ----------62 5.4 結論 ---------------------------------------------------------63 參考文獻 --------------------------------------------------------63 第六章. 結論 -----------------------------------------------------65. 作者簡介 -------------------------------------------------------------Ⅰ 發表論文 -------------------------------------------------------------Ⅱ. vi.

(10) 圖表索引第一章高速寬頻光纖通訊圖 1-1 : 增加頻寬圖 -------------------------------------------------2 圖 1-2 : 高密度分波多工系統圖 ----------------------------------3 圖 1-3 : 長距離與都會區傳輸速率圖 ----------------------------7 圖 1-4 : 高密度分波多工元件圖 ----------------------------------8. 第二章光纖耦合器之研製圖 2-1 : 耦合器製作光纖配置圖 ---------------------------------11 圖 2-2 : 耦合器結構圖 ---------------------------------------------11 圖 2-3 : 熱縮套管與熱熔膠封裝圖 -----------------------------12 圖 2-4 : 鋼管封裝圖 -----------------------------------------------12 圖 2-5 : 耦合器製作流程圖----------------------------------------13 圖 2-6 : 額外損失與耦合長度對錐角關係圖-------------------14 圖 2-7 : 額外損失與製造參數對錐角關係圖-------------------15. 第三章塞取多工器之研製圖 3-1 : 塞取多工器結構圖 --------------------------------------17 圖 3-2 : 塞取多工器成品圖 --------------------------------------18 圖 3-3 : 四通道高密度波長分波多工器 -----------------------19 圖 3-4 : 高密度分波多工器製作流程圖 -----------------------20 vii.

(11) 圖 3-5 : 損失跟時間關係圖 --------------------------------------21 圖 3-6 : 角度變化對時間關係圖 --------------------------------22. 第四章光波長間隔器之應用與製造圖 4.1-1 : 波長間隔器功能圖 ------------------------------------25 圖 4.1-2 : 波長間隔器串接圖 ------------------------------------25 圖 4-2 : 波長間隔器結構圖 --------------------------------------26 圖 4.3-1 : 反射率與相位對相位移之關係圖 ------------------30 圖 4.3-2 : 使用一個 Gires-Tournois 架構圖 -------------------31 圖 4.3-3 : 使用二個 Gires-Tournois 架構圖 -------------------31 圖 4.4-1 : Michelson 與 Gires-Tournois 對強度關係圖 ------34 圖 4.4-2 : 波長與反射率對穿透關係圖 ------------------------35 圖 4.4-3 : 波長與反射率對穿透關係圖 ------------------------37 圖 4.4-4 : 波長與反射率對穿透關係圖 ------------------------41 圖 4.4-5 : 波長與不同光波長間隔器對穿透關係圖 ---------42 圖 4.4-6 : 波長與不同光波長間隔器對穿透關係圖 ---------43 圖 4.4-7 : 波長與不同光波長間隔器對穿透關係圖 ---------44 圖 4.5-1 : 一個 GTE 50 GHz 光波長間隔器 20 GHz 通帶色散 --------------------------------------------------------------------------46 圖 4.5-2 : 一個 GTE 50 GHz 光波長間隔器 40 GHz 通帶色散 viii.

(12) --------------------------------------------------------------------------46 圖 4.5-3 : 一個 GTE 50 GHz 光波長間隔器 50 GHz 通帶色散 --------------------------------------------------------------------------47 圖 4.5-4 : 二個 GTE 50 GHz 光波長間隔器 20 GHz 通帶色散 --------------------------------------------------------------------------48 圖 4.5-5 : 二個 GTE 50 GHz 光波長間隔器 40 GHz 通帶色散 --------------------------------------------------------------------------48 圖 4.5-6 : 二個 GTE 50 GHz 光波長間隔器 50 GHz 通帶色散 --------------------------------------------------------------------------49. 第五章光波長間隔器之實驗與量測圖 5.1-1 : 使用一個 Gires-Tournois 之架構圖 -----------------53 圖 5.1-2 : 一個 Gires-Tournois 之量測結果 --------------------55 圖 5.1-3 : 一個 Gires-Tournois 之量測結果 --------------------56 圖 5.2-1 : 二個 Gires-Tournois 之架構圖 -----------------------58 圖 5.2-2 : 二個 Gires-Tournois 之量測結果----------------------60 圖 5.2-3 : 二個 Gires-Tournois 之量測結果 --------------------61 圖 5.3 : 二個 GTE 50 GHz 光波長間隔器色散 ---------------62. ix.

(13) 第一章. 高速寬頻光纖通信. 1- 1 前言人類早期的通信以使用窄頻的銅絞線與微波來傳送電報或電話為主，但自 1970 年低傳輸損耗的光纖問市後，光纖通訊的技術便開始迅速發展，而這些技術除廣泛應用於國防軍事用途上外，也逐漸普及於日常生活；尤其隨著資訊爆炸時代的來臨，聲音、資料及影像的整合性服務成為一種趨勢，光纖因具備有低損失、高頻寬、壽命長、不受電磁干擾與優異耐候性等特點，便當然成為了通訊系統上的首選。當傳輸的內容增加與使用人數大幅成長時，為求有好的通訊品質，人們對具有高容量傳輸能力的通訊網路系統的需求便日漸殷切，也因此吸引了眾多的通訊系統公司積極投入高傳輸容量系統的研發。要能使系統的傳輸容量增加，首先便需放棄選用銅絞線做為傳輸介質，而改採用光纖，但若欲在已佈放好的光纖系統中再增加傳輸容量，則便需應用多工技術。通信網路於 1980 年進入了「數位通信時代」後，不論是在信號上的傳輸、交換或是用戶終端的設備皆已採用數位通信技術，亦即藉由資訊數位化的技術將使得包含語音、影像及數據等各式資料能相互整合，並在網路中傳輸。因此，過去以類比通訊為主的網路建構模式，. 1.

(14) 已不再足以因應現今數位通信時代的需求了。 1995 年網際網路(Internet)的出現，改變了人類的生活方式，電子商務亦使消費習慣以及企業的商業模式產生變化，衝擊了整個通信工業的發展方向。全球電信自由化更使得通信網路市場更加多元且充滿競爭性。為了因應未來網際網路服務市場需求的發展，通訊網路系統及設備技術至少要能滿足(1)可靠度高(2)頻寬容量大(3)雙向性(4)高速的基本需求如圖 1-1[1]。但以目前的通訊網路系統及設備技術來看，如要能適用未來，甚至於現在的網路服務需求仍嫌不足。因此以高密度分波多工(DWDM，Dense Wavelength-Division Multiplexing)為主的全光纖網路是必然的發展趨勢如圖 1-2[2]。. T h e R a c e to In c re a s e B a n d w id th In c re a s e D a ta R a te (T D M ) 4 0 G b /s. In c re a s e N u m b e r o f C h a n n e ls (W D M ). 2 0 G b /s 1 0 G b /s 5 G b /s. F ile ID : N :\lw d \lw d o c \m k tg \ne o p h y te \c n s 1. 2 .5 G b /s 4 D e c re a s e C h a n n e l S p a c in g. 8. 16. 40. 80 . . .. In c re a s e U s a b le W a v e le n g th B a n d. 250. 200. 150. 100. 50. 0. 1997. 2. 0. 1998. 1999. 2000. 2001. 2002. 0 / 1 0 0 / 5 0 / 25 GHz. 1 4 80 nm. 1 5 25 nm. 1 5 65 nm. 1 6 50 nm. P ag e 1 1. A sia L W T ra in in g F eb 2 6 , 2 0 0 1. 圖 1-1 增加頻寬圖[1] 2.

(15) 圖 1-2 高密度分波多工系統圖[2]. 1-2 多工技術的種類與原理在光纖網路系統中常用的多工技術有分時多工( Time Division Multiplexing，TDM )及分波多工( Wavelength Division Multiplexing， WDM )。分時多工的原理是將每一個時間區間劃分成若干個時槽 (Time Slot)，而後將低速率的數位脈波訊號依續穿插排列，而將其多工成高速率的數位脈波列。分時多工的傳輸標準為同步數位階層/同步光纖網路 ( Synchronous Digital Hierarchy ， SDH / Synchronous Optical Network，SONET)，其基本的傳輸速率為 51.84Mbps，稱為 OC-1 系統，在如 Nortel 等廠商的努力下，成熟的商業化系統其傳輸速率已可達 10Gbps，此為基本傳輸速率的 192 倍(OC-192)，但目前最新推出的產品其傳輸速率甚至更高達 40Gbps(OC-768)。 3.

(16) 而分波多工的原理則是將不同來源的訊號，利用不同波長的光源進行調變，而後將不同波長的光源訊號經過多工器耦合至一條光纖中。在 1995 年時，便已經有系統廠商提出兩個以上波長的波長多工架構，由於波長為 1550 nm 的光源於光纖傳輸中有最小的傳輸損失 (<0.3 dB/km)，因此欲進行長距離( Long Haul )的傳輸，理想調變光源之波長應選擇於 1550 nm 左右。而若欲在合適的波長範圍中增加可使用的光源數量以提高傳輸容量，則每個光源波長的間距勢必須變窄，當波長間距小於 2 nm 之分波多工通訊架構，便稱為高密度波長多工系統(DWDM )。為了使負責傳輸信號的光源波長得以統一，國際通訊組織 ITU( International Telecommunication Union )特別在 1525 nm 至 1565 nm 的波長範圍內，例如以 0.8 nm(頻寬為 100 GHz)做為每一頻道間的波長間距，而規範出 50 個固定頻道。光纖傳輸系統開始運用於分波多工(WDM)技術，已可見於 1990 年初期，國際上也開始對分波多工網路進行實驗研究。這些網路實驗研究均運用以「波長路由(Wavelength Route)」為基礎的通信設備，如光交換連結器(OXC，Optical Cross Connect)、光塞取多工器(OADM， Optical Add & Drop Multiplex)等。而另一種不以「波長路由」為基礎的通信設備，亦即在「時域上」採用高速的光開關實行光訊號交換的技術，例如，將光訊號從傳輸路徑上分下一小部份，轉換成電訊號，. 4.

(17) 並在電訊號上加入識別訊號，進而控制光開關的動作等等處理光訊號的方式的光分歧器就是在「時域上」實行光交換的技術。但是以電子訊號處理的速度，往往會比以全光訊號處理方式慢得許多。高速傳輸模組的造價相當昂貴，且即使是 OC-768 系統也未必能滿足高容量的需求，由於分時多工的技術已逐步面臨瓶頸，欲再向上提升的困難度頗大，若僅朝向開發傳輸模組發展，似乎並非是最理想的策略，因此，便有廠商著手利用將分時多工與分波多工兩項技術相結合以獲取所需的傳輸容量。以建構一 40 Gbps 的通訊系統為例，如果以 4 波長的分波通訊架構並配合 OC-192 的傳輸系統，則整個光纖通訊網路就可擁有與 OC-768 系統相同的通訊容量，如此便可不必冒險採用較不成熟的高速傳輸模組；另若再就經濟成本加以考量，則很明顯的分時多工技術將漸被取代，而分時多工與分波多工技術同時使用的通訊架構將會成為技術發展的主流。因此運用波長為基礎的光交換技術，如採用光交換連結器(OXC)與光塞取多工器(OADM)，來提高交換處理能力的分波多工技術，近年來因為技術進步使得新舊系統銜接所使用的關鍵元件，例如波長間隔器(Interleaver)已商品化這些組合被視為建立全光網路最為可行的方式。. 1-3 高密度分波多工系統的優勢在同一條光纖中，若能同時傳送多個不同調變波長的光信號，則. 5.

(18) 可使網路的容量瞬間擴大數倍，頻寬不足的問題於短期內即可獲得有效的改善，而除了具有增進傳輸效果的優點外，採用高密度分波多工系統之硬體設備與光纖佈建上的費用與相同容量的傳統光纖網路系統相比亦較為低廉。以 OC-48 傳輸系統配合 16 波長的多工技術以獲得 40 Gbps 的頻寬為例，非多工的傳統光纖網路系統除非是採用如 OC-768 這樣較不成熟的高速傳輸系統，否則就必須以較成熟的低階傳輸系統配合佈建多條的光纖，姑且不論傳輸設備的成本，單就光纖佈建所耗費的時間與土地取得成本來看，高密度分波多工系統就顯得經濟許多，更何況高密度分波多工系統僅需一組光放大器而傳統系統每佈放一條光纖至少皆需一組，在放大器部分的耗費上亦相對節省。正由於高密度分波多工系統具有如此的優點，聯合國世界電信論壇會議副主席 John Roth 才會在去年論壇開幕演說時，大膽提出網路頻寬將以每 9 個月增加 1 倍的速度擴充，但成本卻相對降低一半的『光纖摩爾定律』。目前高密度分波多工技術除廣泛用於長距離通訊網路系統外，自去年起，都會區(Metropolitan)與企業內部網路的佈建亦已漸被採用如圖 1-3[3]，依此趨勢發展，『光纖摩爾定律』的實現似乎並非是遙不可及的夢。. 6.

(19) 圖 1-3 長距離與都會區傳輸速率圖[3]. 一個完整的光纖高密度分波多工系統包含有光收發器 (Transceiver)、耦合器(Coupler) 、分波多工/解多工器(Multiplexer / Demultiplexer)、光纖放大器(Optical Fiber Amplifier)、光波長塞取器 (Optical Add-Drop Multiplexer)、光波長間隔器(Interleaver) 、色散補償(Dispersion Compensation)裝置、光開關(Optical Switch)、波長路由器(Wavelength Router)及其他光通訊元件、處理電路等，這些元件的組合是高速寬頻光纖通信所必備的如圖 1-4。本論文主旨在理論與實驗探討高速寬頻光纖通訊系統所需元件中三種關鍵性光纖被動元件之特性與研製，這三種被動元件分別為光纖耦合器、光波長塞取器及光波長間隔器。. 7.

(20) 圖 1-4 高密度分波多工元件圖. 1-4高密度分波多工元件種類高密度波長多工高速寬頻光纖通信所使用的被動元件種類繁多，從薄膜濾波器(Thin Film Filter)、光纖跳接線(Patch Cord) 、衰減器(Attenuator) 、耦合器(Coupler) 、準直器(Collimator) 、隔離器 (Isolator) 、循環器 (Circulator) 、光纖布拉格光柵 (Fiber Bragg Grating) 、塞取多工器(Add Drop Module) 、間隔器(Interleaver) 、色散補償器(Dispersion Compensator)等的不同組合可構成功能不一樣的高速寬頻光纖通信系統。個人因在產業界工作已超過 20 年，大部分從事光纖被動元件有關的工作如石英玻璃預型體、光纖抽絲、跳接線、光纜、耦合器、波長多工分波器、衰減器、準直器、塞取多工器、間隔器等的研發與製造，因此將詳細描述耦合器、塞取多工器、間隔器等元件之製造以供未來使用該元件之參考，其中所討論的波長間隔器其 0.5 dB 通帶無 8.

(21) 論是一個 GIRES – TOURNOIS Etalon (85%間距)或兩個 GIRES – TOURNOIS Etalon (88%間距) 比現有其它方法所做成的波長間隔器如 hybrid coupler and delay line on planar lightwave circuits (70%間距) [3,4] ，hybrid filter and array waveguides (60%間距) [5] 與 birefringent crystals (77%間距) [6] 都來的大，表示我們所研製光波長間隔器之頻寬具有較寬的特性。參考文獻： [1] Agilent Technology Asia Lightwave Training data sheet Feb 26.2001 [2] Lightwave special reports “Optical-Fiber design evolve”, Feb 1998 [3] A. Zeng, X.G. Ye, J. Chon, and F. Liang, “25GHz interleavers with ultra-low chromatic dispersion,” OFC 2002, ThC4. [4] M. Oguma, K. Jinguji, T. Kitoh, T. Shibata, and A. Himeno, “Flat-passband interleaver filter with 200GHz channel spacing based on planar lightwave circuit-type lattice structure,” Electron. Lett. Vol 36, pp. 1299-1300,2000. [5] M. Oguma, T. Kitoh, K. Jinguji, T. Shibata, A. Himeno, and Y. Hibino, “Passband-width broading design for WDM filter with lattice-form interleaver filter and arrayed-waveguide gratings,” IEEE Photo. Tech. Letts., vol 14, pp. 328-330, 2002. [6] S. Cao, C. Lin, C. Yang, E. Ning, J. Zhao, and G. Barbarossa, “Birefringent Gires-Tournois interferometer(BGTI) for DWDM interleaving,” OFC 2002, ThC3.. 9.

(22) 第二章光纖耦合器之研製 2-1 耦合器之製造先將兩光纖於適當位置剝除塑膠保護層，適當位置條件為燒結拉伸後，裸光纖以不跑出基板為原則。將裸光纖以揮發性溶濟擦乾淨，然後放入真空吸附夾具中，併在一起。剝除，清潔，放置，為作業員人為的主要成敗，因燒結後面的動作大都為自動控制，人為變數很少。圖 2-1 為光纖耦合器製作之配置圖讓光打入主光纖，並偵測輸出端兩光纖的能量變化，於燒結區加熱拉伸光纖，電腦依所要耦合的條件由偵測到的能量作參數來控制停火點。符合規格則進行封裝與測試的後續動作，不合格則進行研究或重新燒結，該不合格的耦合器幾無回收價值且回收成本不符經濟效益。封裝前或封裝後都會做光學特性量測，一方面確定是否合格可封裝，另一方面要確定封裝後是否合格，以免造成投資浪費。越是後面的程序封裝越顯的重要，因越後面封裝的失敗會造成前面越大量程序投資的浪費。. 10.

(23) LD 光源. LD 光源. 1310nm. 1550nm. 主要光纖分波多工器. PD1. 接續 SMF-28. 偏振態控制器 PMPC-2550. PD2. 熔融區. 圖 2-1 耦合器製作光纖配置圖. 2-2 熔融拉錐式耦合器結構熔融拉錐式（Fused Biconical Taper；FBT）耦合器整體結構，如圖 2-2 所示。. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 圖 2-2 耦合器結構圖. 1. 光纖. 2. 熱融膠. 3. 熱固膠. 4. 光纖燒結區. 5. 熱縮套管. 6. 鋼管. 7. 石英基板. 8. 矽膠. 11. 8.

(24) 首先將熱縮套管套入燒結後的耦合器，均勻加熱使熱縮套管內的熱融膠均勻保護在石英基板上的燒結區，如圖 2-3。. 圖 2-3 熱縮套管與熱熔膠封裝圖將鋼管放入超音波洗淨機內放入清水清洗，然後將鋼管烘乾放入防潮箱內保存。用微量天秤將環氧樹指 A 部分與 B 部分以 10:1 的比例充分混合均勻。將封完熱縮套管的耦合器，套入鋼管中，再緩緩加入混合均勻後的矽膠，如圖 2-4。. 膠帶充填矽膠. 圖 2-4 鋼管封裝圖 12.

(25) 耦合器整體製作流程如圖 2-5 所示耦合器製造程序. 將兩光纖燒結區包層剝除與清潔投資浪費將兩光纖架上機台夾具,打光偵測. 熔燒與拉伸,由電腦偵測光能量,控制停止火點. 光學特性不合格:作廢並重新熔燒,若太多不合格:則分析熔燒問題. 光學特性合格. 上基板點膠固定. 基板封裝,做冷熱衝擊環測. 半成品I.L基本測試. 合格. 不合格:作廢,太多則分析問題原因. 鋼管封裝至成品作環測成品嚴格檢驗光學特性C.R. I.L. E.L. 不合格報廢 ,太多則分析封裝問題. 合格出貨. 圖 2-5 耦合器製作流程圖 13.

(26) 2-3耦合器特性之分析圖 2-6 說明光纖耦合器額外損失與耦合長度對錐角的關係 [1-4]，錐角定義為耦合器錐式之斜率[5-6]，錐角斜率大則額外損失越大，一般耦合錐角均為 200 以下，其額外損失為 0.1 dB。同時耦合器與錐角長度一般為 3~5 mm，錐角長度越長，則額外損失越小，但會增加耦合器封裝困難。. 圖 2-6 額外損失與耦合長度對錐角關係圖[1] 圖 2-7 說明額外損失與製造參數對錐角關係圖[1]，圖中額外損失為 0.24 與 0.34 dB 之耦合器係跟額外損失 0.13 dB 耦合器做比較，由圖可知要得到額外損失較小之耦合器，其製造參數必須（1）火焰移動速度要小（2）氣體流量要大（3）光纖拉伸長度要長。對其他製. 14.

(27) 造參數，例如火焰掃速、拉動速度則對額外損失無影響。. 圖 2-7 額外損失與製造參數對錐角關係圖[1]. 2-4. 結論光纖耦合器係成熟之光纖被動元件產品，但文獻上較少從元件的. 參數對製造參數[7-16]相關性來探討其技術，本研究所提及耦合器元件參數(錐形角度)及製造參數（火焰、氣體流量、拉開長度）之量化數據具有提高耦合器製造良率之技術價值。. 參考文獻： [1] C.S. Hsieh, T.L. Wu, and W.H. Cheng, "An Optimum Approach for Fabrication of Low Loss Fused Fiber," Materials Chemistry and Physics, 69, 199 (2001). [2] G. Georgiou, A.C. Bouconvalas, IEE. Proc. 132 (1985) 297. [3] J.D. Love, W.M. Henry, Electron, Lett. 22 (1986) 912. [4] R.P. Kenny, T.A. Birks, K.P. Oakley, Electron, Lett, 27 (1991) 1654. 15.

(28) [5] C.S. Hsieh, W.H. Cheng, in Technical Digest, CLEO’99, 1999, p.158 [6] W.H. Cheng, Y.D. Yang, S.C. Wang, S. Chi, M.T. Sheen, J.H. Kuang. IEEE Trans, Comp. Hybrids Manufact. Technol. B 20 (1997) 396. [7] D.T. Cassidy, D.C. Johnson, K.O. Hill, Appl.Opt. 24 (1985) 945. [8] K.S. Chiang, Appl, Opt, 25 (1986) 348. [9] W.K.Burns, M.Abebe, Appl. Opt, 26 (1987) 4190. [10] J.L. Zhang, Z.M, Mao, Z.Q. Lin, Appl. Opt. 28 (1989) 2026. [11] T.A. Birks, Y.W. Li, J.Lightwave Technol, 10 (1992) 432. [12] S, Lochmann, J.M. Labs, A.S. Sharma. Electron. Lett. 29 (1993) 1785. [13] X. Daxhelet, S. Lacroix, F. Gonthier, Opt. Quantum Electron. 29 (1997) 139. [14] S. Lacroix, F. Gronthier, J. Bures. Appl. Opt. 33 (1994) 8361. [15] A.W. Snyder, J.D. Love, Optical wave guide theory, Chapman & Hall, London, 1995. Chapters 19.28, and 29. [16] A.W. Snyder, IEEE Trans. Microwaves Theory Tech. 19 (1971) 402. 16.

(29) 第三章塞取多工器之研製 3-1 塞取多工器之製造塞取多工器製造技術主要是建立在薄膜濾波鏡片及微光學金屬封裝且可達到高品質的需求。塞取多工器結構圖，如圖 3-1，其成品圖如圖 3-2。. Common λ1 λ2 Dual Fiber. GRIN LENS. Filter. GRIN LENS. Single Fiber. Solding Tube Reflect λ2. 圖 3-1 塞取多工器結構圖塞取多工器各組件之功能為： (1) Dual Fiber Capillary Tube：提供兩個直徑為 0.125 mm 的小孔，分別安裝有一根光纖，可使多波長光訊號能夠由其中一孔載入，而由另一孔反射回無法穿透的波長，以達到分波多工的功能。其材料主要為矽化硼(SiB)。 (2)Single Fiber Capillary Tube：只提供一孔供光訊號下網路，材料亦為矽化硼(SiB)。 (3) GRIN Lens(Gradient-index Lenses)、玻璃套管(Glass Tube)與 Gold Plating Tube：GRIN Lens、玻璃套管與 Double Holes Capillary Tube(或 Single Holes Capillary Tube)組合形成準直器(Collimator)，其中玻璃套 17. Pass λ1.

(30) 管與 GRIN Lens 間以 353ND 膠固定，最後再固定於 Gold Plating Tube 上。光準直器的主要作用在於使光纖射出的雷射光成為平行光，並且為了防止反射光返射回光纖內，故將玻璃套管和 GRIN Lens 透鏡研磨成 8°的斜角，並且在其端面鍍上一層抗反射膜。其中 GRIN Lens 的材料為二氧化矽(SiO2)，而玻璃套管(Glass Tube)為矽化硼(SiB)，Gold Plating Tube 則為不銹鋼(SUS303)。 (4) 濾波鏡片(Filter)：以 353ND 膠固定於 GRIN Lens 上，是整個 OADM 的核心所在，雷射光經由濾波鏡片後，將不同波長的光分離成兩部分，符合薄膜濾波鏡片波長訊號經由右邊 Grin Lens 穿透，而其餘波長訊號則由左邊 Grin Lens 反射。 (5) Soldering Tube：在完成左右 Grin Lens 的兩準直器對準後，並進一步將兩準直器以低溫銲錫固定於不銹鋼材質之 Soldering Tube 內。 Solde. Glass Tube Dual Fiber Tip GRIN LENS. Common λ1、λ2 …. λn. Filte. Single Fiber. Pass λ1. Reflect λ2、λ3…... 353ND. Metal tube. UV Solder tube. Solde. 圖 3-2 塞取多工器成品圖. 18.

(31) 3-2 高密度波長多工分波器塞取多工器（ADM）能夠被串接成多頻道的高密度波長多工分波器模組（DWDM），圖 3-3 是一個 4 通道的高密度波長多工分波器架構圖，首先光訊號從第一個塞取多工器進入後，第一個訊號從第一個塞取多工器取出，其餘的訊號反射進入第二個塞取多工器依此濾出光訊號。 Common λ1、λ2、λ3、λ4 Pass λ1. ADD/DROP MULTIPLEXER Reflect λ2、λ3、λ4. Pass λ2. ADD/DROP MULTIPLEXER Reflect λ3、λ4. Pass λ3. Reflect λ4. ADD/DROP MULTIPLEXER. 圖 3-3 四通道高密度波長分波多工器. 19.

(32) 高密度分波多工器製作流程如圖 3-4 所示，高密度分波多工器流程包含 filter testing, filter assembly, reflect port alignment, pass port alignment, thermal aging, Add/Drop testing, module assembly, final testing 幾個部分，圖為高密度分波多工器的主要流程。. D W D M P r o c e s s F lo w c h a r t F ilte r T e s tin g. P ig ta il A s s e m b lin g. F ilte r A s s e m b lin g. P ig ta il P o lis h in g A R C o a t in g. R e fle c t P o r t A lig n m e n t. P a s s p o rt A lig n m e n t T h e rm a l A g in g. A d d /D ro p T e s tin g. M e ta l T u b e P a c k a g in g. O A D M S h ip p in g. M o d u le A s s e m b lin g. F in a l T e s tin g. D W D M S h ip p in g. 圖 3-4 高密度分波多工器製作流程圖. 3-3塞取多工器封裝之分析圖 3-5 說明塞取多工器封裝後。經過溫度循環測試所量測損失跟 20.

(33) 時間關係圖[1]，如銲錫過程為非理想情況，則模組損失可高達 0.3 dB。相對濾波器角度變化[2-5]，在非理想銲後封裝情況，其角度有 0.050 變化，如圖 3-6 所示[1]。濾波角度變化將影響模組之損失，因此圖 3-5 與圖 3-6 係對應關係，圖中損失呈週期性變化乃因 42 個週期 336 小時-40℃~75℃的高低溫循環試驗造成銲錫位置變化所引起。. 圖 3-5 損失跟時間關係圖. 21.

(34) 圖 3-6 角度變化對時間關係圖 3-4 結論塞取多工器係成熟光纖被動元件產品[6]，惟在產品封裝部分較少有文獻及資料報導，本研究所獲得銲錫製成對元件可靠度測試影響之結果，可改善塞取多工器之製造良率，並提昇產品競爭力。. 參考文獻： [1] C.S. Hsieh, J.M. Chen, J.M. Hsu, M.T. Sheen, J.K. Kuang, and W.H. Cheng, "Effect of Temperature Cycling on Angular Alignment in Add/Drop Filter Module Packaging", J. Electronic Materials, 32, (2003). [2] R.W. Gilsdorf, and J.C. Palais,”Singlemode fiber coupling efficiency with graded-index rod lenses,” Appl. Opt.33, 3440 (1994). [3] S.Yuan, and N.A. Riza,”General formula for coupling-loss characterization of singlemode fiber collimators by use of gradient-index 22.

(35) rod lenses,” Appl. Opt. 38, 3214 (1999). [4] W.H Cheng, M.T. Sheen, G.L. Wang, S.C. Wang, and J.H. Kuang, “Fiber Alignment Shift Formation Mechanisms of Fiber-Solder-Ferrule Joints in Laser Module Packaging, “J.Lightwave Technol., 19, 1177 (2001). [5] A. Yariv, “Optical Electronics in Modern Communications,” New York, Oxford, ch. 2 (1997). [6] G.P. Agrawal, “Fiber-o Wiley & Sons, ch. ptic communication systems,” New York, John 7 (1997).. 23.

(36) 第四章光波長間隔器之應用與製造 4-1光波長間隔器之簡介隨著網際網路的普及給於服務提供者許多新的機會，而對系統整合與元件製造商如何提供高頻系統將是一種挑戰。因此高速與多通道的高密度分波多工系統能滿足這些頻寬需求。薄膜波長濾波器最常被提出討論的便是受限於本身的頻寬，只能用在 100 GHz 以上的頻道間距與 16 個頻道以下的產品。就頻道間距(GHz)而言，薄膜波長濾波器為 200 GHz，若一昧要將其做成 100 GHz 或 50 GHz 的產品，將導致困難性增加、良率降低，成本也會增加許多。不過，配合去年開始商品化的波長間隔器技術，便可將頻道間距縮小，並加倍頻道的數目，波長間隔器扮演的角色相對重要。如此頻道間距可提高一倍，從而可使較便宜的光學鍍膜式高密度波長多工/解多工器也可用於 50 GHz 的頻道間距，如圖 4-1-1。一顆通道間距為 50 GHz 的波長間隔器串接兩顆通道間距為 100 GHz 的波長間隔器可得到通道間距為 200 GHz 的輸出波長，如圖 4-1-2 以此種方式波長間隔器可與現有的高密度分波多工系統連結而立即擴充於更窄通道間距的應用上，這種功能非常吸引對於長距離通信需寬頻系統設計者，因為結合現有的薄膜波長濾波器或陣列式波導光柵以產生兩倍或四倍通道數之新的寬頻系統將會降低花費與設計. 24.

(37) 週期。. 圖 4-1-1 波長間隔器功能圖. 圖 4-1-2 波長間隔器串接圖以圖 4-1-2 作為 32 通道的高密度分波多工系統則每一輸出將有八個通道，最初系統可能只用到八通道的一條輸出，而當頻寬需要再增加時此時可在未曾使用的輸出阜上加入光發射器與濾波器這種通. 25.

(38) 信系統設計常見於都會區網路上，另一種常見方式為在節點上塞入或截取所需的波長。. 4-2 波長間隔器之製造近幾年來利用適當選擇光纖干涉儀兩臂的長度差，可以達到窄頻、平坦及陡峻的波形要求之波長間隔器為目前最熱門的 DWDM 被動元件之一，其結構如圖 4-2[1]。. R=1. Gires - Tournois d. Etalon. R1<1. Beam Splitter Input beam. L1 d L2. Output port 2. R2<1 R=1 Gires – Tournois Output port 1 圖 4-2 波長間隔器結構圖. 26. Etalon.

(39) 光波長間隔器製造步驟如下： (1). Input Beam:光訊號輸入端為一含光纖連接器之準直器方便與輸入端連接。. (2). Beam Splitter:50:50 分光器以便將入射光分為兩路。. (3). Gires-Tournois Etalon:前端反射率小於一後端反射率等於一，共振腔長依所需週期而定。. (4). Output Port 1:輸出端連結一準直器以便將偶數通道訊號輸出。. (5). Output Port 2:輸出端連結一循環器以便將奇數通道訊號輸出。. (6). 將各元件置於石英基板上調整 Gires-Tournois Etalon 到分光器的距離以便得到所需的干涉圖形，然後以環氧樹脂黏結固定。. 4.3 光波長間隔器之原理我們將從理論公式著手，進行光波長間隔器之理論分析及模擬其結果。我們首先討論 GIRES - TOURNOIS 干涉儀的理論，知道其對相位的影響，再進而運用到光波長間隔器。最後利用一個 GIRES TOURNOIS 干涉儀或兩個 GIRES - TOURNOIS 干涉儀進行模擬、分析與討論。. 27.

(40) 4.3-1. GIRES – TOURNOIS 干涉儀. 首先解釋圖 4-2 中，GIRES – TOURNOIS 干涉儀的架構[2,3]。它是由非對稱的 Fabry – Perot 干涉儀改良而來的，Fabry – Perot 干涉儀是由兩塊單獨的鏡子所組成，而 GIRES – TOURNOIS 干涉儀是將前面的鏡子使用部分反射的鏡子，而後面使用趨近於 100％反射的鏡子，前面的鏡子是利用部分反射的介電值鍍膜來達到 R<1。這樣的結構就叫做 GIRES – TOUROIS 干涉儀。這樣的干涉儀它可以達到 100％的反射，原因來自於後面的鏡子，光波無法通過第二面鏡子，所以光在第二面鏡子就會全反射回來，而且這樣子利用兩面鏡子的裝置，它的衰減並不大。實際上，我們可將反射係數表示成[4] r = exp(−iΦ ) =. − R + e −2iφ 1 − Re −2iφ. (4.3-1). 式中 r 是反射係數、R 是反射率，還有 φ 我們可以定義為 φ=. 2π. λ. (4.3-2). nl. 式中 l 為兩塊鏡子間的距離、 n 為折射率，由這兩個參數我們可以決定φ ，而 Φ 是反射的相位移且可以表示成 1+ R Φ = 2 tan −1 ( tan φ ) 1− R. (4.3-3). 由(4.1-3)式我們可以瞭解，反射的相位移是跟隨著反射率 R 還有相位. 28.

(41) φ 改變而改變。. 現在當我們假設前面的鏡子其反射率使用 R＝0、0.2、0.5、0.8、 0.9 等不同的反射率，可經由上面的所推導的公式帶入，我們可得如圖 4.3-1 的結果，藍色線為 R＝0、黃色線為 R=0.2、紅色線為 R＝0.5、綠色為 R＝0.8、黑色線為 R＝0.9，我們可以由圖 4.3-1 很容易的發現，當我們的反射率越來越大的情況下，其反射的相位移變化越明顯，在靠近 φ = mπ 、m 為整數的地方其相位移的變化最為劇烈，也因此我們可以利用 GIRES – TOUNROIS 干涉儀的這種特性來運用到我們光波長間隔器。經過適當的設計，我們可以利用 GIRES – TOURNOIS 干涉儀調整相位，來達到光波長間隔器的各種特性的改良。以下我們將光波長間隔器分為兩類，一為使用一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀，二為使用兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀，進而探討一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀跟兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀對光波長間隔器特性的影響。. 29.

(42) 2π. Φ. R=0 R=0.2 R=0.5 R=0.8 R=0.9. π. 0 (m+1)π. mπ. (m+2)π. φ. 圖 4.3-1 反射率與相位對相位移之關係圖. 4.3-2 光波長間隔器之種類光波長間隔器的種類有許多種，例如薄膜式的光波長間隔器[4] 或是環形共振腔式[5,6]的光波長間隔器，且薄膜式的最常被提出討論，但是薄膜式的往往受限於本身頻寬的問題，只能用在 100 GHz 以上的頻道間距與 16 個頻道以下的產品，也因此我們在這裡提出一種架構，以 Michelson 干涉儀為架構，再利用 4.3-1 節中我們所提到的 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的架構及其對相位的影響，運用在光波長間隔器。接下來我們將討論光波長間隔器的架構及原理，我們可分成使用一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀及使用兩個 GIRES – 30.

(43) TOURNOIS 干涉儀兩種架構如圖 4.3-2 及圖 4.3-3，以下我們將詳細的討論。. 圖 4.3-2 使用一個 Gires-Tournois 架構圖. R=1. Gires – Tournois Etalon. d R1<1. Beam Splitter Input beam. L1 d L2. Output port 2. R2<1 R=1 Output port 1. Gires – Tournois Etalon. 圖 4.3-3 使用二個 Gires-Tournois 架構圖 31.

(44) 4.4 光波長間隔器之模擬本節將討論以一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀與兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀為架構的光波長間隔器，詳細探討其理論分析與模擬結果。. 4.4-1 一個 GIRES–TOURNOIS 干涉儀的光波長間隔器如圖 4.3-2 所示，其基本的架構是以 Michelson 干涉儀為主，將右邊的鏡子改為 GIRES – TOURNOIS 干涉儀，利用 Michelson 干涉儀兩臂長的差和 GIRES – TOURNOIS 干涉儀改變相位移的功能，來達到光波長間隔器窄頻、平坦化的功效。在傳統的 Michelson 干涉儀，它輸出端的強度是一種弦式的輸出且跟頻率有關，它的強度我們可以表示為 I=. 1  2π  v 2∆L   1 + cos   2  c . (4.4-1). 式中 ∆L 為兩臂距離的差值，ν 為光的頻率，而 ∆L 前面加一個 2 是因為光去跟回走了兩次的關係。而在(4.4-1)式中，我們值得注意的是光強度是跟光頻率有關的弦式函數，且它的週期我們可以表示為週期 =. c 2∆L. 若現在我們考慮鏡子具有不同的色散特性則我們可以將光強度表示成 32.

(45) I=. 1  2π  1 + cos  ν 2∆L + (φ2 − φ1 )    2  c . (4.4-2). 式中 φ1 及 φ2 代表的是經過面反射所造成的相位移。由(4.4-2)式可知，我們最少需要一個具有色散的鏡子，達到光強度的函數不同於之前的弦式函數。其相位是週期的變化，光在某些頻譜範圍它有較強的色散，在另一些頻譜的範圍呈現較弱的色散，這些條件都是為了確保可以達到較大的平坦化。而在 Michelson 的架構加上 GIRES – TOURNOIS 干涉儀設計之光波長間隔器就可以滿足平坦化的條件。相位移變化的週期是跟兩個鏡子間的距離有關，以現在一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀加上普通鏡子所組成的光波長間隔器，相位移的差 φ2 − φ1 可以表示成[4] 1 + R  2π  tan  ν d    c  1 − R. φ2 − φ1 = 2 tan −1 . (4.4-3). 而這個 d 就是指在 GIRES – TOURNOIS 干涉儀內空氣間的距離，且相位移變化是從零到 2 ，而且是跟頻率有關週期函數，可表示成週期=. c 2d. GIRE – TOUROIS 干涉儀間的距離 d 跟路徑差 ∆L 之間的取捨是有關連的，一般而言， ∆L 是選擇 GIRE – TOUROIS 干涉儀間的距離的一 d 2. 半即。現在我們根據上述的式子，討論高密度分波多工系統所規範的頻道間距 100 GHz，選用適當的 GIRES – TOURNOIS 干涉儀間的距 33.

(46) 離 d＝1.5 mm，圖 4.4-1 為使用傳統 Michelson 干涉儀所設計的光波長間隔器與我們現在所使用一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的光波長間隔器，圖中紅色的線即為使用傳統 Michelson 干涉儀所設計的光波長間隔器，而圖中黑色的線為使用一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的光波長間隔器，在圖中可以很明顯的看到，使用一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的光波長間隔器其頻道頂端較為平坦，而使用傳統 Michelson 干涉儀所設計的光波長間隔器，它就沒有那麼的平坦，這也就是為什麼我們會選用加上一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀為架構的光波長間隔器的原因。 Gires-Tournois Michelson. 圖 4.4-1. Michelson 與 Gires-Tournois 對強度關係圖 34.

(47) 接下來我們再討論當我們所選用的 R 不同的時候，其對光波長間隔器各個不同特性的差別。圖 4.4-2 為選用 R=0.15、0.2、0.3、0.4 四個不同反射率所得出的圖，圖中各個顏色代表不同的反射率，藍色代表反射率為 R＝0.4、綠色代表反射率為 R＝0.3、紅色代表反射率為 R ＝0.2、黑色代表反射率為 R＝0.15，我們在圖中可以發現當我們的 R 越來越大的時候，我們頻道頂端的漣波也跟著變大且越來越顯著，變的不平坦，但其頻道頂端較為寬，我們再看看它頻道的腰寬，我們也可以很容易的發現隨著我們的 R 加大，它的頻道腰寬也跟著變寬。 R=0.2 R=0.3 R=0.15 R=0.4. 圖 4.4-2 波長與反射率對穿透關係圖我們現在來看看實際的數值，在圖 4.4-2 中我可以觀察出在 0.5. 35.

(48) dB 帶通的地方，其特性表現最好的是 R＝0.4 時，其帶通寬度為 0.738 nm。其次是 R＝0.3 時，帶通寬度為 0.717 nm、R=0.2 時，帶通寬度為 0.679 nm，以及 R=0.15 時，帶通寬度為 0.655 nm，也就是說當我們所選用的 R 越大的時候，它的帶通寬度也就越大。我們再來討論漣波的地方，這個地方的特性又跟帶通的地方不同了，我們在帶通的地方可以發現，當我們的 R 越大的時候，我們可以得到一個大寬的帶通，但是我們將視線移到漣波的地方，結果卻是大大的不同，在漣波的地方，當我們所選用的 R 越小它的漣波也就跟著變小，在我們所模擬的參數中，最好的是 R＝0.15，幾乎看不到漣波，其次是 R＝ 0.2 的時候，其漣波的強度為 0.0083 dB，再來是 R=0.3 的時候，漣波的強度為 0.052 dB，最差的是 R=0.4 的時候，其漣波強度到達 0.13 dB，非常的顯著，跟帶通的結果恰巧相反。接著我們再看看另一張圖，在圖 4.4-3 中，我們先來看看 25 dB 截止帶的寬度，由圖 4.4-3 我們可看出，當 R=0.4 和 R=0.3 時，因隔離度很差所以其寬度很窄，而 R=0.2 時，其寬度為 0.536 nm，最後才是當 R=0.15 時，其寬度為 0.456 nm，也就是說，R 須適當的選擇以得到較寬的截止寬度。再來我們將目光轉到隔離度的關係，當 R＝ 0.4 的時候，其隔離度只有 15.21 dB，而 R=0.3 時，隔離度有 19.26 dB、 R=0.2 時，隔離度有 27.02 dB，當我們的 R 為 0.15 時，它有較高的隔. 36.

(49) 離度，它的隔離度高達有 36.36 dB，也就是說當我所選用的 R 越來越小時，其隔離度就越高。尤以上不同的 R 對應到四個不同特性我們可知，當我們所選用的 R 越大時，它所對應的 0.5 dB 帶通的地方跟 25 dB 截止帶的地方有較好的性質，所得到的值也較高，但相對的另外兩個特性不同於這兩個特性，對於隔離度跟漣波強度，R 越大反而所得到的值卻變差了，換句話說，當我們的 R 越小時，它所對應到的隔離度跟漣波強度有較好的特性，所得到的效果較佳，但相對的對 0.5 dB 帶通跟 25 dB 截止寬度也就沒那麼好了，關於 R 大小這方面的取捨就在於系統設計者自己取決了。. R=0.4 R=0.3 R=0.2 R=0.15. 圖 4.4-3 波長與反射率對穿透關係圖 37.

(50) 4.4-2 二個 GIRES–TOURNOIS 干涉儀的光波長間隔器我們在前面一節已經看到加入一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀對整個光波長間隔器的影響，知道加入一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀可以使整個光波長間隔器的特性變好，現在我們將整個架構改成如圖 4.3-3 的架構，多加入一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀，使得我們現在光波長間隔器的架構是由 Michelson 干涉儀為主軸，然後將兩臂的鏡面換成 GIRES – TOURNOIS 干涉儀，右邊一個上面一個，成為如圖 4.3-3 的架構，以下我們將討論兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀對光波長間隔器的影響。我們在前面一節知道，若現在我們的鏡子具有不同的色散特性，則我們可以將光強度表示成 I=. 1  2π  1 + cos  ν 2∆L + (φ2 − φ1 )    2  c . (4.2-2). 式中 φ1 及 φ2 代表的是經過面反射所造成的相位移，∆L 為兩臂距離的差值，ν 為光的頻率，而 ∆L 前面加一個 2 是因為光去跟回走了兩次的關係。而我們現在使用兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀，亦屬於此種情況，所以我們的強度也可以表示成這種形式。接著我們再來看相位移的變化，前面一節提到，相位移變化的週期是跟 GIRES – TOURNOIS 干涉儀兩個鏡子間的距離有關，以我們現在一個 GIRES –. 38.

(51) TOURNOIS 干涉儀加上普通鏡子所組成的光波長間隔器，相位移的差 φ2 − φ1 可以表示成[4] 1 + R  2π  tan  ν d    c  1 − R. φ2 − φ1 = 2 tan −1 . (4.2-3). 而這個 d 就是指在 GIRE – TOUROIS 干涉儀內空氣間的距離，且相位移變化是從零到 2π，而且是跟頻率有關週期函數，可表示成週期=. c 2d. 而現在由於我們是由兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀所組成的光波長間隔器，所以影響相位移的項應該有兩項，因此在(4.2-3)式我們應修正為 1 + R2.  1 + R1  tan φ  − 2 tan −1  tan φ  1 − R2   1 − R1. φ2 − φ1 = 2 tan −1 . (4.2-4). 其中 R1 為如圖 4.3-3 中，上方 GIRES – TOURNOIS 干涉儀面鏡的反射率， R2 為如圖 4.3-3 中，右方 GIRES – TOURNOIS 干涉儀面鏡的反射率。接下來我們來帶入實際的數值來討論它的結果，我們討論高密度分波多工系統所規範的頻道間距為 50 GHz，帶入 R1 = 0.505 而 R2 選用不同的反射率來得到不同的相位差值，藉由不同的相位差值 φ2 − φ1 來探討光波長間隔器的特性表現，現在我們討論 R2 =0.055、0.105、 0.205、0.305、0.405、0.505、0.605 七個不同的反射率來看看其特性. 39.

(52) 的表現，如圖 4.4-4 即帶入這七個不同的反射率而得到不同的特性曲線，圖中紅色的線代表 R2 =0.055、綠色的線代表 R2 =0.105，藍色的線代表 R2 ＝0.205，紫紅色的線代表 R2 ＝0.305，黑色的線代表 R2 ＝ 0.405，黃色的線代表 R2 ＝0.505，而青藍色的線代表 R2 ＝0.605。我們由圖中可以明顯的發現，當我的 R1、 R2 差值越大的話（即 R2 選用較小的），它的特性表現的較好，由圖中紅色的線即可看出，接下來當我們所選用的 R2 逐漸變大，其特性也隨之慢慢變差，由圖 4.4-4 可以明顯發現，它的帶通寬度越來越小了，當我們所選用的 R2 等於 R1 的時候，我們可以發現它的特性跟 Michelson 干涉儀一樣，也就是說我們加了兩個完全一樣的 GIRES – TOURNOIS 干涉儀，它的效果跟沒有加是一樣的，若我們再將 R2 加的比 R1 還大的情況下，反而得到相反的效果，光波長間隔器的各項特性在這種情況下反而比沒有加 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的情況下還糟。現在我們來看看上面模擬出來的結果，其最好的情況下它在光波長間隔器各項特性的表現。現在選用 R1 =0.505、 R2 =0.055，在跟前面一個章節，使用一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀跟沒有使用 GIRES – TOURNOIS 干涉儀（即 Michelson 干涉儀）的特性作比較。我們先來看看圖 4.4-5，紅色線表示的是兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀、黑色線代表的是一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀，而藍色線表示的是. 40.

(53) 沒有使用 GIRES – TOURNOIS 干涉儀，即一般的 Michelson 干涉儀，我們可以在圖 4.4-5 看出使用兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀明顯比其他兩個好，在隔離度的表現方面，兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的有 36 dB，比一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的 26 dB 足足多了 10 dB，且在 25 dB 的帶通方面，兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀有 0.33 nm，而一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀有 0.27 nm，兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀在 25 dB 截止頻寬的表現也比一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的光波長間隔器來的寬。兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的光波長間隔器在隔離度及 25 dB 截止寬度方面的特性都明顯優於一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀個光波長間隔器。 R=0.605 R=0.505 R=0.405 R=0.305 R=0.205 R=0.105. R=0.055. 圖 4.4-4 波長與反射率對穿透關係圖 41.

(54) Michelson. 一個 Gires- Tournois 兩個 Gires- Tournois. 圖 4.4-5 波長與不同光波長間隔器對穿透關係圖接下來我們再看看另一圖 4.4-6，紅色線代表的是兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀，黑色線代表的是一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀，而藍色的現代表的是 Michelson 干涉儀的光波長間隔器，我們可以由這張圖得知，0.5 dB 帶通寬度兩個 GIRES– TOURNOIS 干涉儀的有 0.37 nm，而一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的只有 0.34 nm， Michelson 干涉儀的特性表現最差，它的 0.5 dB 帶通寬度只有 0.18 nm，明顯比其它的兩個還要差，也由此張圖可以明顯看出，兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的光波長間隔器它在 0.5 dB 帶通寬度的表現是優於其他兩種架構的。. 42.

(55) 一個 Gires- Tournois Michelson 兩個 Gires- Tournois. 圖 4.4-6 波長與不同光波長間隔器對穿透關係圖再來我們來看一下這三種架構它在漣波的特性表現，圖 4.4-7 即是這三種架構的漣波特性表現，它各個顏色所代表的意義跟前幾張圖一樣，紅色的現代表的是兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的光波長間隔器，黑色線代表的是一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀，而藍色的線代表的是 Michelson 干涉儀的光波長間隔器。我們來看看這張圖，圖中可以明顯的看到紅色的線它的漣波強度是最小的，其次是黑色的再來才是藍色的，也就是說兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀為架構的光波長間隔器它所產生的漣波是最小的，再來是一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的，兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的漣波強度. 43.

(56) 為 0.001 dB，一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的漣波強度為 0.01 dB，兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的特性比起一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的好。. 兩個 Gires- Tournois. 一個 Gires- Tournois Michelson. 圖 4.4-7 波長與不同光波長間隔器對穿透關係圖. 4.5 光波長間隔器色散之模擬當傳輸速率大於 10 GHz 以上即須考慮色散問題，本節將模擬一個 GIRES – TOURNOIS Etalon 與二個 GIRES – TOURNOIS Etalon 波長間隔器所造成的色散。若鏡子具有不同的色散特性，則群延遲[8]可以表示成. 44.

(57) τ (ω ) = T (. 1 − R1. 1 − R2. +. 2π 2π 1 + R1 − 2 R1 cos( ν d ) 1 + R2 − 2 R2 cos( ν d ) c c. ). (4.5-1). τ :群延遲 T :週期 R1 :第一個 GIRES – TOURNOIS Etalon 前端反射率 R2 :第二個 GIRES – TOURNOIS Etalon 前端反射率 d :在 GIRES – TOURNOIS Etalon 內空氣間的距離 c :光在真空中速度. ν :光頻率. 色散值[8]可以表示成 D (λ ) =. dτ [ps/nm] dλ. (4.5-2). dτ :群延遲微分 d λ :波長微分. 4.5-1 一個 GIRES – TOURNOIS Etalon 50 GHz 通道間距光波長間隔器色散之模擬在 (4.5-1) 式中以 R1 = 1 及 R2 = 0.2 即一個 GIRES – TOURNOIS Etalon 的波長間隔器，以 d = 3 mm 週期為 50 GHz 以(4.5-2)式來模擬 20 GHz 通帶如圖 4.5-1、40 GHz 通帶如圖 4.5-2，50 GHz 通帶如圖 4.5-3 的色散值。 45.

(58) 圖 4.5-1 一個 GTE 50 GHz 光波長間隔器 20 GHz 通帶色散. 圖 4.5-2 一個 GTE 50 GHz 光波長間隔器 40 GHz 通帶色散 46.

(59) 圖 4.5-3 一個 GTE 50 GHz 光波長間隔器 50 GHz 通帶色散. 4.5-2 二個 GIRES – TOURNOIS Etalon 50 GHz 通道間距光波長間隔器色散之模擬在 (4.5-1) 式中以 R1 = 0.505 及 R2 = 0.055 即二個 GIRES – TOURNOIS Etalon 的波長間隔器，以 d = 3 mm 週期為 50 GHz 來模擬 20 GHz 通帶如圖 4.5-4、40 GHz 通帶如圖 4.5-5、50 GHz 通帶如圖 4.5-6 的色散值。. 47.

(60) 圖 4.5-4 二個 GTE 50 GHz 光波長間隔器 20 GHz 通帶色散. 圖 4.5-5 二個 GTE 50 GHz 光波長間隔器 40 GHz 通帶色散 48.

(61) 圖 4.5-6 二個 GTE 50 GHz 光波長間隔器 50 GHz 通帶色散. 4.6 討論與結論在 4.4-1 與 4.4-2 如我們所討論的，一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的光波長間隔器跟兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀的光波長間隔器它們兩個的各項特性都優於傳統的 Michelson 干涉儀為架構的光波長間隔器，而且兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀為架構的光波長間隔器又優於一個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀為架構的光波長間隔器。使用兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀為架構的光波長間隔器為目前特性最好的光波長間隔器，它的各項特性都是最好的，它的隔離. 49.

(62) 度可以高達 36 dB，漣波強度可以小於 0.001 dB，0.5 dB 的帶通寬度可以寬到 0.37 nm，25 dB 的截止頻寬可以達 0.33 nm，以上種種的各項特性結果表示，以兩個 GIRES – TOURNOIS 干涉儀為架構的光波長間隔器是目前為止設計最好的光波長間隔器。但因色散鏡面所產生的相位移引起的色散值確不容忽視，如 4-5 節所模擬的結果在 20 GHz 通帶一個 GIRES-TOURNOIS Etalon 之色散值範圍為-46~51[ps/nm] 、二個 GIRES-TOURNOIS Etalon 之色散值範圍為-70~76[ps/nm] ，在 40 GHz 通帶一個 GIRES-TOURNOIS Etalon 之色散值範圍為-277~293[ps/nm] 、二個 GIRES-TOURNOIS Etalon 之色散值範圍為 -528~627[ps/nm] ，在 50GHz 通帶一個 GIRES-TOURNOIS Etalon 之色散值範圍為-312~312[ps/nm] 、二個 GIRES-TOURNOIS Etalon 之色散值範圍為-1778~1777[ps/nm] ，因此無論使用一個或二個 GIRES -TOURNOIS Etalon 所做成的光波長間隔器需要考慮色散補償的問題。. 參考文獻： [1] C.H. Hsieh, R. Wang, Z.Wen, I. McMichael, P. Yeh, C.W. Lee, and W.H. Cheng, "Flat Top Interleavers Using Two Gires-Tournois Etalons as Phase Dispersive Mirrors in a Michelson Interferometer," IEEE Photo. Technol. Letts., 15, Feb. (2003) [2] B. B. Dingel and M. Izutsu “Multifunction optical filter with a Michelson – Gires - Touronis interferometer for wavelength - division multiplexed network system applications” Opt. Lett., Vol. 23, pp. 50.

(63) 1099-1101, Jul. 1998. [3] A. Zeng, X.G. Ye, J. Chon, and F. Liang, “25 GHz interleavers with ultra-low chromatic dispersion,” OFC 2002, ThC4. [4] Pochi Yeh, Optical Waves in Layered Media. New York: John Wiley & Sons, 1988. [5] C. Huang, Y. Li, J. Chen, E. Sidick, J. Chon, K.G. Sullivan and J. Bautista, “Low-Loss Flat-Top 50-GHz DWDM and Add/Drop Modules Using All-Fiber Fourier Filters,” NFOEC Conference, Denver, Colorado, Aug. 2000. [6] J. C. Chon, B. Jian, and J. R. Bautista “High Capacity and High Speed DWDM and NWDM Optical Devices for Telecom and Data Applications,” Photonics West Conference, San Jose, California, Jan. 2001. [7] E-Tek Dynamics, 2001 Data Sheet, San Jose, California, 2001. [8] C. K. Madsen, G. Lenz, A. J. Bruce, M. A. Capuzzo, L. T. Gomez, T. N. Nielsen, and I. Brener “Multistage dispersion compensator using ring resonators” Optics Lett., Vol 24,pp. 1555-1557, Nov. 1999.. 51.

(64) 第五章光波長間隔器之實驗與量測我們在上個章節談到使用一個 GIRES - TOURNOIS 干涉儀加 Michelson 干涉儀為架構的光波長間隔器及使用兩個 GIRES TOURNOIS 干涉儀加 Michelson 干涉儀為架構的光波長間隔器的一些理論分析及模擬結果，現在我們將對這兩個架構作些實驗分析及比較理論與實驗結果。. 5.1 使用一個 GIRES - TOURNOIS 干涉儀現在我們實驗的架構是如圖 5.1-1 所示[1]，是以一個 Michelson 干涉儀為主架構，然後在它的右側換置成 GIRES - TOURNOIS 干涉儀，圖中左側為我們光輸入的地方，然夠經過一個 50/50 的分光器，將光的能量平均的分成兩道光，一道光朝原方向繼續前進，而另一道光經由鏡面的反射朝上前進。朝原方向前的那道光，會經過我們刻意更換的 GIRES - TOURNOIS 干涉儀而在其中造成相位變化[2,3]，最後經過分光器再分為兩道光，一道往輸出 1 的地方輸出，而另一道光往輸出 2 的地方輸出。原先經過分光器朝上的那道光會經過鏡面的反射而反射回來在經過分光器分為兩路，一路朝輸出 1 輸出，另一路朝輸出 2 輸出。朝原方向的光跟經過面鏡而向上反射的光，最後都會在分光器那再做一次的結合。. 52.

(65) 圖 5.1-1 使用一個 Gires-Tournois 之架構圖. 我們現在再更進一步的說明各個部分的作用，在圖 5.1-1 左端的 Input Beam，它主要是光訊號輸入端，且為一含光纖連接器之準直器，它是用來方便與輸入端連接。在圖 5.1-1 中央的 Beam Splitter，它主要的功用是當作分光器，且平均的將光功率分成兩路，50:50 分光器以便於將入射光分為兩路。在圖 5.1-1 右端的 Gires-Tournois Etalon，就是我們在前面所討論的 Gires-Tournois 干涉儀，它一共有兩個鏡面，前端的鏡面反射率小於一，而後端的鏡面反射率等於一，中間共振腔長（即兩鏡面的距離 d）是依照所需要的週期而定，我們在這使用 d = 1.5 mm。在圖 5.1-1 下方 Output Port 1 為一輸出端，輸出. 53.

(66) 端連結一準直器，用以方便將偶數通道的訊號輸出。在圖 5.1-1 左方 Output Port 2 亦為一輸出端，輸出端連結一循環器，以方便於將奇數通道訊號輸出。最後將各元件置於石英基板上調整，然後選擇 Gires-Tournois Etalon 到分光器的距離，觀察所得的干涉圖以便得到所需的干涉圖形，然後以環氧樹脂黏結固定，這樣即完成整個實驗架構的架設。我們在第四章談論到，使用不同的反射率 R 會得到不同的結果，也由第四章的理論分析及模擬，我們選用反射率 R＝0.2，會選用這個反射率是因為基於光波長間隔器四個特性之間的取捨，我們由第四章理論分析及模擬發現，若我們選用的 R 太大，會造成太差的隔離度，而選用太小的 R 又會造成 0.5 dB 帶通跟 25 dB 截止寬度太小，於是我們現在選用反射率 R＝0.2 作為折衷的考量，至於共振腔長（即兩鏡面的距離 d）我們則選用 d = 1.5 mm。完成上述的架構及參數的選用，我們現在即可以量測在高密度分波多工系統規範下的 100 GHz 頻道間距，而 d = 1.5 mm 的條件是由週期＝. C 2d. 這條式子所計算出來的，C 為光速我們帶入 C=3×108 m / sec、d = 1.5 mm，經過計算我們及可以得到週期為 100 GHz。接著我們就來看一下量測出來的結果。. 54.

(67) 0. Transmission Loss (dB). -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 1544.99. 1545.99. 1546.99. 1547.99. 1548.99. 1549.99. Wavelength (nm). 圖 5.1-2 一個 Gires-Tournois 之量測結果. 上圖 5.1-2 即是我們的量測結果，使用頻道 C 範圍的可調式雷射當作我們的輸入光源，接著我們量測由兩個輸出端疊加出來的輸出頻譜，我們可由圖 5.1-2 這張圖量測出我們的頻道輸出 1 跟我們頻道輸出 2 兩個頻道的隔離度，由圖上可以得知，我們所得到的隔離度可達到 25 dB 以上。接著我們在看下一張圖，圖 5.1-3 是從輸出端 2 引出來的輸出頻譜，我們在圖中可以量出 0.5 dB 的帶通寬度跟 25 dB 的截止寬度，我們的 0.5 dB 帶通寬度可達 0.678 nm，而截止寬度可以達到 0.531 nm。. 55.

(68) 0 -5. Output port (dB). -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 1542.735. 1543.735. 1544.735. 1545.735. Wavelength (nm). 1546.735. 1547.735. 圖 5.1-3 一個 Gires-Tournois 之量測結果接著我們來跟第四章模擬出來的數據作個比較，在第四章中我們模擬以 Michelson 干涉儀為主架構，再加上一個 GIRES TOURNOIS 干涉儀的光波長間隔器，在 0.5 dB 帶通寬度可以達到 0.679 nm，跟我的實驗值可以說是十分符合的，接著我們來看 25 dB 截止寬度的地方，我們在第四章模擬出來的寬度為 0.536 nm，而我們的實驗值為 0.531 nm，實驗跟理論模擬相當吻合，再來我們接著討論隔離度，第四章模擬出來的隔離度為 27.02 dB，跟我們的實驗數據相當接近。也就是說我們的實驗跟我們所討論的理論分析是相互吻合的。. 56.

(69) 5.2 使用二個 GIRES - TOURNOIS 干涉儀現在我們實驗的架構是以圖 5.1-2 為其架構，是以一個 Michelson 干涉儀為主架構，然後在它的右側換置成 GIRES - TOURNOIS 干涉儀，然後跟使用一個 GIRES - TOURNOIS 干涉儀為架構的光波長間隔器不同的地方，就是在 Michelson 干涉儀上方的鏡子也置換成 GIRES - TOURNOIS 干涉儀，影響光波長間隔器的相位移變化的因數又多了一個。在圖中左側為光輸入的地方，然夠經過一個 50/50 的分光器，將光的能量平均的分成兩道光，一道光朝原方向繼續前進，而另一道光經由鏡面的反射朝上前進。朝原方向前的那道光，會經過刻意更換的 GIRES - TOURNOIS 干涉儀而在其中造成相位變化，最後經過分光器在分為兩道光，一道往輸出 1 的地方輸出，而另一道光往輸出 2 的地方輸出。而原先經過分光器朝上的那道光也會經過刻意更換的 GIRES - TOURNOIS 干涉儀而在其中造成相位變化，然後在經過分光器分為兩路，一路朝輸出 1 輸出，另一路朝輸出 2 輸出。朝原方向的光跟經過面鏡而向上反射的光，最後都會在分光器那再做一次的結合。. 57.

(70) R=1. Gires – Tournois Etalon. d R1<1. Beam Splitter Input beam. L1 d L2. Output port 2. R2<1 R=1 Output port 1. Gires – Tournois Etalon. 圖 5.2-1 二個 Gires-Tournois 之架構圖然後再來說明各個元件細部的功用，基本上跟圖 5.1-1 的功能大致相同，在圖 5.2-1 左端的 Input Beam，它主要功用是光訊號的輸入端，且為一含光纖連接器之準直器，它是用來方便與輸入端連接。在圖 5.2-1 中央的 Beam Splitter，它主要的功用是當作分光器，且平均的將光功率分成兩路，50:50 分光器以便於將入射光分為兩路。在圖 5.2-1 右端的 Gires-Tournois Etalon ，就是我們在前面所討論的 Gires-Tournois 干涉儀，它一共有兩個鏡面，前端的鏡面反射率小於一，而後端的鏡面反射率等於一，中間共振腔長（即兩鏡面的距離 d）是依照所需要的週期而定，我們在這使用 d = 3 mm，而圖 5.2-1 上方的 Gires-Tournois Etalon，跟右端所討論的 Gires-Tournois 干涉儀一樣，它一共有兩個鏡面，前端的鏡面反射率小於一，而後端的鏡面反 58.

(71) 射率等於一，中間共振腔長（即兩鏡面的距離 d）是依照所需要的週期而定，我們在這裡同樣使用 d = 3 mm。在圖 5.2-1 下方 Output Port 1 為一輸出端，輸出端連結一準直器，用以方便將偶數通道的訊號輸出。在圖 5.2-1 左方 Output Port 2 亦為一輸出端，輸出端連結一循環器，以方便於將奇數通道訊號輸出。最後將各元件置於石英基板上調整，然後選擇 Gires-Tournois Etalon 到分光器的距離，觀察所得的干涉圖以便得到所需的干涉圖形，然後再以環氧樹脂黏結加以固定，這樣即完成整個實驗裝置的架設。我們在第四章談論到，使用不同的反射率 R 會得到不同的結果，也由第四章的理論分析及模擬，我們最後選用反射率 R＝0.055 這個反射率當作 Michelson 干涉儀上方 Gires-Tournois Etalon 鏡面之反射率，而選用 R=0.505 這個反射率當作 Michelson 干涉儀右方 Gires-Tournois Etalon 鏡面之反射率，會選用這兩個反射率是因為基於光波長間隔器四個特性之間的取捨。至於兩個 Gires-Tournois Etalon 共振腔長（即兩鏡面的距離 d）我們則都選用相同的腔長 d = 3 mm。完成上述的架構及參數的選用，我們現在即可以量測在高密度分波多工系統規範下的 50GHz 頻道間距，而 d = 3 mm 的條件是由週期＝. C 2d. 這條式子所計算出來的，C 為光速我們帶入 C=3×108 m / sec、d = 3. 59.

(72) mm，經過計算我們及可以得到週期為 50 GHz。接著我們就來看一下量測出來的結果。圖 5.2-2 即是我們的量測結果，同樣是使用頻道 C 範圍的可調式雷射當作我們的輸入光源，接著我們量測由兩個輸出端疊加出來的輸出頻譜，我們可由圖 5.2-2 這張圖量測出我們的頻道輸出 1 跟我們頻道輸出 2 兩個頻道的隔離度，由圖上可以得知，我們所得到的隔離度可達到約 30 dB 以上。接著我們在看下一張圖，圖 5.2-3 是從輸出端 2 引出來的輸出頻譜，我們在圖中可以量出 0.5 dB 的帶通寬度跟 25 dB 的截止寬度，我們的 0.5 dB 帶通寬度可達 0.35 nm，而截止寬度可以達到 0.32 nm。. Transmission Loss (dB). 5.00 -5.00. -15.00 -25.00 -35.00 -45.00 1551.520. 1552.520. 1553.520. Wavelength (nm). 圖 5.2-2 二個 Gires-Tournois 之量測結果 60.

(73) Transmission Loss (dB). 5.00 -5.00 0.35 nm -15.00 0.32 nm -25.00 -35.00 -45.00 1551.520. 1552.520. 1553.520. Wavelength (nm). 圖 5.2-3 二個 Gires-Tournois 之量測結果我們看完了實驗的數據之後，接著我們來跟第四章模擬出來的數據作個比較，在第四章中我們模擬以 Michelson 干涉儀為主架構，再加上兩個 GIRES - TOURNOIS 干涉儀的光波長間隔器，在 0.5 dB 帶通寬度可以達到 0.37 nm，跟我的實驗值 0.5 dB 帶通寬度為 0.35 dB 可以說是十分符合的，接著我們來看 25 dB 截止寬度的地方，我們在第四章模擬出來的寬度為 0.33 nm，而我們的實驗值為 0.32 nm，實驗跟理論模擬相當吻合，再來我們接著討論隔離度，第四章模擬出來的隔離度為 36 dB，跟我們的實驗數據相當接近。也就是說我們的實驗跟我們所討論的理論分析是相互吻合的。. 61.

(74) 5.3 二個 GIRES – TOURNOIS Etalon 色散值二個 GIRES – TOURNOIS Etalon 50 GHz 波長間隔器的色散量測值如圖 5.3。在 20 GHz 通帶範圍內色散模擬值為-70~76[ps/nm]實測值 -65~74 [ps/nm] ，40 GHz 通帶範圍內色散模擬值為-528~627[ps/nm] 實測值為 -500~650 [ps/nm] ， 50GHz 通帶範圍內色散模擬值為 -1778~1770 [ps/nm]實測值為-1180~1200 [ps/nm]，此誤差乃因受限於測試設備對資料分析的解析度與平滑效應所引起。. 圖 5.3 二個 GTE 50 GHz 光波長間隔器色散. 62.

(75) 5.4 結論如前兩節我們所討論的，使用 Michelson 干涉儀加上一個 GIRE – TOUROIS 干涉儀為架構的光波長間隔器跟加上兩個 GIRE – TOUROIS 干涉儀的光波長間隔器它們兩個的各項特性都優於其他傳統 Michelson 干涉儀為架構的光波長間隔器[4,5]，而且兩個 GIRE – TOUROIS 干涉儀為架構的光波長間隔器又優於一個 GIRE – TOUROIS 干涉儀為架構的光波長間隔器。我們可以由上兩節清楚的看到，使用兩個 GIRE – TOUROIS 干涉儀為架構的光波長間隔器它的隔離度可以高達 35 dB，而其 0.5 dB 的帶通寬度可以寬到 0.35 nm， 25 dB 的截止頻寬可以達 0.32 nm。以上種種的本實驗各項特性量測結果跟其他技術所量測結果比較，例如，平面光波導[6,7]，濾波器與陣列波導[8]及雙折射晶體[9]，以兩個 GIRE – TOUROIS 干涉儀為架構的光波長間隔器是目前為止設計最好的光波長間隔器，且色散實測值與模擬值十分接近可作為色散補償之參考。. 參考文獻： [1] C.H. Hsieh, R. Wang, Z.Wen, I. McMichael, P. Yeh, C.W. Lee, and W.H. Cheng, "Flat Top Interleavers Using Two Gires-Tournois Etalons as Phase Dispersive Mirrors in a Michelson Interferometer," IEEE Photon. Technol. Lett., 15, Feb. (2003). [2] A. Zeng, X.G. Ye, J. Chon, and F. Liang, “25 GHz interleavers with ultra-low chromatic dispersion,” OFC 2002, ThC4. 63.

(76) [3] Pochi Yeh, Optical Waves in Layered Media. New York: John Wiley & Sons, 1988. [4] S.V. Kartalopoulos, Introduction to DWDM Technology: Data in a Rainbow. New York: IEEE Press, 2000, ch. 1. [5] C. Lin and S. Cao, “New approaches to interleaver, dispersion management, and DWDM technology” Lightwave, pp. 194-203, Mar. 2001, [6] C. Lin and S. Cao, “New approaches to interleaver, dispersion management, and DWDM technology” Lightwave, pp. 194-203, Mar. 2001, [7] B. B. Dingel and Tadashi “Properties of a Novel Noncascaded Type, Easy-to-Design, Ripple-Free Optical Bandpass Filter” J. Lightwave Technol., Vol. 17, pp.1461-1464, Aug. 1999. [8] B. B. Dingel and M. Izutsu “Optical wave-front transformer using the multiple-reflection interference effect inside a resonator” Opt. Lett., Vol. 22, pp. 1449-1451, Oct .1997. [9] S. Cao, C. Lin, C. Yang, E. Ning, J. Zhao, and G. Barbarossa, “Birefringent Gires-Tournois interferometer(BGTI) for DWDM interleaving,” OFC 2002, ThC3.. 64.