行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
子計畫一：摻鉻光纖製程之研究(1/3)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC93-2215-E-110-011- 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 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
摻鉻光纖製程之研究（子計畫一）（1/3）
The Study of Fabrication for Chromium-Doped Fibers
計畫類別：□ 個別型計畫
;整合型計畫
計畫編號：
NSC 93-2215-E-110-011
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 20 日
附件一
1
行政院國家科學委員會專題研究計劃期中報告
摻鉻光纖製程之研究（子計畫一）（1/3）
The Study of Fabrication for Chromium-Doped Fibers
計劃類別：個別型計劃;整合型計劃 計劃編號：NSC 93-2215-E-110-011 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
摻鉺光纖放大器已廣泛應用於光纖通 訊系統，以增加傳輸距離，分波多工頻寬， 光纖用戶迴路，光纖有線電視，及提高接收 端訊號品質等用途，惟現有摻鉺光纖增益光 纖 波 段 使 用 範 圍 限 制 於C-band 1530-1560 nm 及L-band 1570-1610 nm，僅70 nm頻寬。 雖然摻鐠光纖放大器（Praseodymium-doped fiber amplifier, PDFA）可在1310 nm波段放大 傳輸，由於Pr3+較大nonradiative decay rate， 及PDFA較低量子效率與幫浦效率，使得 1310 nm摻鐠光纖放大器仍然停留在研發階 段，其功能特性未達商業化用途。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，但現 有摻鉺光纖增益波段使用範圍限制於1530 至1610 nm，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。所以研 發配合新一代無氫氧離子吸收光纖之新型 光纖放大器以充分利用300 nm低損失光纖 寬頻、相當具有創新學術、技術及產業價 值。因此本計畫提出300 nm超頻寬摻鉻光纖 放大器之研發，這創新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。 中山大學光電所研究團對雖自製摻鉻 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，僅能將晶纖拉成直徑 30 至 100 µm 之摻鉻光纖（CDF），本所抽絲研製 困難達到具有產品化規格之摻鉻光纖。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，進行利用具有 產品化規格之摻鉻光纖來研發超頻寬摻鉻 光纖放大器。 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 光源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，但這些雷射模組構裝係 以馬鞍與光纖線式構裝為架構，其構裝組件 多，因此構裝良率低與成本高。利用本所在 雷射銲接技術構裝雷射元件與模組經驗，本 計畫以圓柱型 TO 雷射加上致冷器架構，其 構裝組件少，製程容易，良率高，因此可達 成低成本幫浦雷射模組構裝。 本子計畫一目的在研製摻鉻晶棒抽絲 之製程及低成本幫浦雷射模組之構裝，以 進行300 nm超頻寬摻鉻光纖放大器在低密 度分波多工光纖通訊系統之應用及其他低 成本光通訊系統之應用。本子計畫一係三 年期的計畫，計畫目的為摻鉻光纖製程之 研究。摻鉻晶棒抽絲製程，及低成本幫雷 射模組構裝與應用為本子計畫一關鍵性的2 研究。第一年計畫為光纖具有5 µm 核心與125 µm外殼規格化之摻鉻晶 棒 抽 絲 製 程 ， 摻 鉻 晶 棒 折 射 率 量 測，及低成本幫浦雷射模組設計。 第二年計畫為光纖具有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，及 低成本幫浦雷射模組構裝。第三年 計畫係最佳化摻鉻光纖抽絲製程， 及低成本幫雷射模組應用於摻鉻光 纖放大器。
二、緣由及目的
本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3 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，本計畫透過高雄華榮電線 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 鉻晶棒折射率量測，及低成本幫浦雷 射模組設計。 摻鉻光纖預型體製程如下： 1. 將直徑 33 mm，長 25 ~ 30 cm 之 石英實心棒( SiO2 rod )的一端加 工成尖錐型。 2. 於另一端之中心鑽一直徑約 5 ~ 6 mm，深 15 ~ 20 cm 之孔洞，並將 其洞壁作拋光處理，如圖一所示。 3. 將長 5 cm ，直徑 5 mm 之摻鉻晶 棒( Cr：YAG )，塞入石英棒孔洞 內。 4. 再以直徑 5 ~ 6 mm 之石英條 ( SiO2 rod )，補塞於摻鉻晶棒之 後，一端抵住晶棒，另一端與外面 之石英棒端面其平，如圖二所示； 圖三為完成品照片。 5. 再將預型體平頭之ㄧ端，以長 50 cm，同預型體直徑之石英實心棒 接上，以利抽絲時夾具夾持固定 用，如圖四所示；圖五為完成實品 照片。 6. 將完成之預型體摻鉻晶棒直徑 5 mm 與石英棒直徑 33 mm 體裝上 抽絲塔進行抽絲。 本計畫低成本幫浦雷射模組設 計係以圓柱型TO 雷射加上致冷器架 構，其構裝組件少，製程容易，良率 高，因此可達成低成本幫浦雷射模組 構裝。四、討論與結論
本計畫係一個三年計畫，第一年 執行至目前的進度達到預期成果。本 計畫擬達到具有商品化摻鉻光纖核心 5 µm 核心與外殼 125 µm 之規格，需 透 過 高 雄 華 榮 電 線 電 纜 抽 絲 機 之 協 助，因此研發工作需配合廠商時程。 整體而言，執行本計畫之研發成果相 當有潛力，在下世代光通訊產業技術 發展中，導致產生新型光通訊技術與 產品，並提昇國內光通訊關鍵性元件 與模組在國際上之競爭力。4
