自由空間波長多工器之設計與製作

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龔立偉(Li-Wei Kung) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

自由空間波長多工器之設計與製作
(Design and Fabrication Free-Space based WDM System.)

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摘要(中)

光通訊為了提升單一光纖的通道流量，將會在固定範圍的頻寬（Band Width）內，分割出更多的頻道數目（Channel）。要於單一光纖中混合或分離多項訊號，就必須利用分波多工器（WDM）。
本論文所進行的技術研發，是採用以光柵為主的自由空間架構來達成波長分工的功能（Free-Space Grating-based structure）。其中先以光學軟體ZEMAX、ASAP等，設計兩種系統的架構：單透鏡單光柵式與稜鏡光柵式，工作效率分別為-7dB與-5.5dB，單一頻道寬度約為0.28nm與0.2241nm。之後我們選擇稜鏡光柵式之架構，利用半導體製程技術，在與晶面夾角為15°的方解石切片上，製作出週期8 µm、傾斜角度為15°、繞射效率為70％的傾斜式光柵（Blazed Grating）。最後以波長為1520～1620nm（C+L Band）的測試光源，進行整體的光學特性量測，系統的效率為-9dB，單一通道頻寬約為2.241nm，以非球面透鏡進行光纖耦合效率為-1.15dB，並以CCD觀察光柵繞射品質，最後檢討問題所在，確定未來發展方向。

關鍵字(中)

★ 波長多工器
★ 自由空間光柵
★ 光纖通訊

關鍵字(英)

★ blazed grating
★ opticcal fiber communication
★ free space based WDM

論文目次

目錄
論文摘要………………………………………………………………..Ⅰ
目錄……………………………………………………………………..Ⅱ
圖表索引………………………………………………………………..Ⅴ
第一章緒論……………………………………………….…….………1
1.0 前言………………………………………………………..1
1.1 光纖通訊分波多工………………………………………..2
第二章相關原理介紹…………………………………………………..6
2.1 光柵介紹…………………………………………………..6
2.2 二階式光柵………………………………………………..9
2.3 分光能力…………………………………………………12
2.4 傾斜式光柵………………………………………………13
2.5 光源與光纖的耦合………………………………………16
2.5.1 繞射極限……………………………………………….16
2.5.2 光源耦合…………………...…………………………..18
2.5.2.1 反射損耗……………………………………………..19
2.5.2.2 面積不匹配損耗……………………………………..19
2.5.2.3 封裝比例損耗………………………………………..19
2.5.2.4 數值孔徑損耗………………………………………..20
第三章系統設計與模擬………………………………………………22
3.1 設計概念…………………………………………………22
3.2 單透鏡-單光柵式架構…………………………………..27
3.3 稜鏡-光柵式架構………………………………………..35
第四章關鍵元件之製作與量測………………………………………42
4.0 製作概論…………………………………………………42
4.1 灰階技術在光阻上製作反射式傾斜光柵………………44
4.2 灰階技術在SiNx薄膜製作穿透式傾斜光柵…………..51
4.3 濕式蝕刻在Si基板上製作傾斜式光柵………………...55
4.4 濕式蝕刻在方解石上製作傾斜式光柵…………………61
4.5 製作結論…………………………………………………65
第五章特性量測………………………………………………………67
5.0 前言………………………………………………………67
5.1 所採用之設計……………………………………………70
5.2 量測系統之架設…………………………………………73
5.3 量測結果…………………………………………………76
5.4 結果分析與討論…………………………………………78
5.4.1 輸出光纖耦合部分…………………………………….79
5.4.2 物鏡擴束部分………………………………………….81
5.4.3 繞射光柵分光部分…………………………………….82
第六章結論與展望……………………………………………………85
參考文獻………………………………………………………………..88
圖表索引
圖 2.1 穿透式光柵……………………………………………………...6
圖 2.2 反射式光柵……………………………………………………...6
圖 2.3 振幅式光柵……………………………………………………...7
圖 2.4 相位式光柵……………………………………………………...7
圖 2.5 孔徑繞射示意圖………………………………………………...9
圖 2.6 光柵空氣介面圖……………………………………………….10
圖 2.7 光柵空氣介面圖………………………………...……………..11
圖 2.8 光柵繞射示意………………………………………………….12
圖 2.9 傾斜式光柵…………………………………………………….13
圖 2.10 Littrow Type…………………………………………………..14
圖 2.11 高斯分佈圖…………………………………………………...17
圖 2.12 光纖耦合損耗………………………………………………...18
圖 3.1 光纖數值孔徑示意圖………………………………………….24
圖 3.2 成像面上各通道之光纖中心的間隔………………………….26
圖 3.3 單透-鏡單光柵式架構…………………………………………27
圖 3.4 利用ZEMAX設計之單透鏡-單光柵架構…………………….28
圖 3.5 立體光纖陣列………………………………………………….28
圖 3.6 系統元件相關規格…………………………………………….29
圖 3.7 聚焦放大圖…………………………………………………….30
圖 3.8 Ray-Fan Diagram……………………………………………..30
圖 3.9 焦點位置圖…………………………………………………….30
圖 3.10 慧星像差……………………………………………………...31
圖 3.11 像散像差……………………………………………………...32
圖 3.12 自由空間光柵波長多工器的簡圖…………………………...33
圖 3.13 四十個通道之100G自由空間光柵波長多工器的輸出特性曲線 ………………………………………………………………………33
圖 3.14 波長1558.17nm通道的頻譜分析……………...……………34
圖 3.15 WDM By Prism-Grating…………………………………….36
圖 3.16………………………………………………………………….37
圖 3.17………………………………………………………………….37
圖 3.18………………………………………………………………….39
圖 3.19 聚焦光點相對位置…………………………………………...39
圖 3.20 聚焦圖形……………………………………………………...40
圖 3.21 Channel Pass Band…………………………………………..41
圖 3.22 Efficiency depend on Polarization…………………………...41
圖 4.1 以傳統製程製作繞射光柵…………………………………….44
圖 4.2 灰階製程示意圖……………………………………………….45
圖 4.3 Calibration Plate HEBS5……………………………………...46
圖 4.4 OD/膜厚曲線圖………………………………………………48
圖 4.5 灰階光罩……………………………………………………….48
圖 4.6…………………………………………………………………...49
圖 4.7 光強分佈圖…………………………………………………….49
圖 4.8…………………………………………………………………...50
圖 4.9 光阻上的傾斜式光柵………………………………………….53
圖 4.10………………………………………………………………….53
圖 4.11………………………………………………………………….54
圖 4.12 V-Groove 結構……………………………………………...55
圖 4.13 KOH濕式蝕刻製作傾斜式光柵……………………………58
圖 4.14 蝕刻過度……………………………………………………...59
圖 4.15 蝕刻不足……………………………………………………...59
圖 4.16 繞射效率模擬值……………………………………………...59
圖 4.17 繞射效率量測值……………………………………………...59
圖 4.18 方解石示意圖………………………………………………...61
圖 4.19 切割方向……………………………………………………...62
圖 4.20 顯微鏡照片…………………………………………………...63
圖 4.21 電子顯微鏡照片……………………………………………...63
圖 4.22 繞射效率分佈圖……………………………………………...64
圖 4.23 ……………………………………………………………….64
圖 4.24 WDM by Stack-Structure……………………………………66
圖 5.1 系統架構圖…………………………………………………….71
圖 5.2 三稜鏡………………………………………………………….71
圖 5.3 Channel Spacing………………………………………………71
圖 5.4 Channel Passband……………………………………………..71
圖 5.5 光束寬度與距離曲線圖……………………………………….73
圖 5.6 量測系統示意圖……………………………………………….75
圖 5.7 架設光柵的平台……………………………………………….75
圖 5.8 架設透鏡的平台……………………………………………….75
圖 5.9 利用CCD所觀測的光學品質………………………………...75
圖 5.10 架設輸出光纖的平台………………………………………...75
圖 5.11 Channel Pass band…………………………………………...76
圖 5.12 1550nm Channel Pass Band…………………………………77
圖 5.13 ASE頻譜分佈………………………………………………77
圖 5.14 ……………………………………………………………… 78
圖 5.15 刀口法………………………………………………………...79
圖 5.16 光纖耦合實驗………………………………………………...79
圖 5.17 ……………………………………………………………….81
圖 5.18 入射光………………………………………………………...82
圖 5.19 繞射光………………………………………………………...82

參考文獻

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2. Marc Madou, Fundamentals of MICROFABRICATION, CRC, NEW York (1997)
3. M.C. Hutley, DIFFRACTION GRATING, AP, London (1982)
4. Norbert Grote, Herbert Venghaus, Fiber Optic Communication Device, Springer, Berlin(2000)
5. E.D. Walsby, R. Cheung, R.I. Blaikie, D.R.S. Cumming, “Fabrication of multilevel silicon diffractive lenses for terahertz frequencies,” SPIE Conference, Vol. 3879 Diffraction and Holographic Optics, pp 0277-786x(1999)
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14. J. C. Palais, FIBER COMMUNICATIONS, 東華書局(1990)

指導教授

張正陽(Jenq-Yang Chang)

審核日期

2003-7-13

推文