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(2/3)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC94-2215-E-110-011- 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 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 16 日
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 93-2215-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。 本計畫利用抽絲塔所研製摻鉻光纖， 初步結果發現摻鉻光纖包括 Cr3+與 Cr4+， 且自放性放大（ASE）展現 1.2 至 1.55µm 寬頻，有機會可應用於新型摻鉻光纖放大 器。圖一說明所研製摻鉻光纖預型體，其 外徑62.5 mm，而摻鉻為 5 mm 直徑。圖 2 說明長度6.1 cm 摻鉻光纖 ASE 頻譜，中心 波長約 11.15 µm。圖 3 說明長度 8.3cm 摻 鉻光纖 ASE 頻譜，中心波長約 1.32 µm。 由圖 2 與圖 3 說明長度較長摻鉻光纖，其 中心波長變較長，主要原因係摻鉻光纖內 Cr3+（摻鉻光纖主要離子）被摻鉻光纖吸 收，而重新釋放 Cr4+。這些結果已在 5 月 初投稿至 APL，而初步利用抽絲塔研製摻 鉻光纖已發表在今年三月美國加州OFC。四、討論與結論
本計畫係一個三年的計畫，第二年 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。Fig. 1. An optical photo of a fabricated Cr4+-doped YAG preform.
Fig. 2. The ASE fluorscence spectrum of the Cr-doped fibers through a 6.1-cm length.
