臺灣博碩士論文加值系統

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。

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

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