子計畫二

三 三

三、 、 、 、子計畫二 子計畫二 子計畫二： 子計畫二 ： ： ：

（

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（一 一 一 一） ） ）研究方法 ） 研究方法 研究方法 研究方法： ： ： ：

本子計畫之執行可分為模擬與實驗兩部份。在模擬方面，著重於分析比較可調式半導 體雷射、半導體光放大器、光放大器、與波長上鎖FP-LD的動態響應，考慮速率方程式等 開發雷射等效電路模型。在實驗方面，建立WDM-PON測試平台，研製光纖雷射與波長上

鎖FP-LD上行發訊之應用。

本子計畫之WDM-PON調變訊號、測試平台均與其他子計畫共用，可調式半導體雷射 與反射式半導體光放大器，採用商品來實驗。在上行發訊方面，以波長上鎖FP-LD為主，

探討不同注入方式的最佳技術與傳輸特性，設計單通道、多通道、多功能傳輸架構，進行 實驗分析為主。

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（ （二 二 二 二） ） ）研究成果 ） 研究成果 研究成果 研究成果： ： ： ：

1. 光纖通訊系統等效電路模型之建立光纖通訊系統等效電路模型之建立光纖通訊系統等效電路模型之建立光纖通訊系統等效電路模型之建立

為進行經濟、具動態與暫態分析能力、又方便使用者自行設計的光電與電子系統整合 分析，我們選擇 Spice 軟體來進行模擬，模擬分析必須先建立各組件的等效電路模型，此

次之研究著重於模擬分析可調式半導體雷射、半導體光放大器、以及包含被放大自發放射 (ASE)的光纖光放大器等。

考慮速率方程式等相關理論，我們開發SOA與 LD的統一等效電路模型。圖2-1(a)與 (b)分別為TW-SOA 與FP-SOA示意圖，其等效電路模型(SOA與 LD統一模型)如圖2。

(a)

(b)

圖2-1. (a) TW-SOA and (b) FP-SOA 示意圖.

利用SOA與LD統一等效電路模型，我們進行模擬分析，部份分析結果如圖2-3-圖2-7 所示。圖2-3為TW-SOA增益與輸入功率關係圖，圖2-4為FP-SOA增益與輸入功率關係 圖，其中圖2-4 (a)為無ASE，圖2-4 (b)為含ASE知分析結果，圖中符號表示已發表文獻中 之結果，我們模擬分析之結果均與參考文獻之結果相吻合。

圖 2-2 等效電路模型(SOA 與 LD 統一模型).

圖2-3 TW-SOA 增益與輸入功率關係圖.

(a)

(b)

圖2-4 FP-SOA 增益與輸入功率關係圖 (a)無 ASE (b)含 ASE

圖2-5(a)為LD的L-I曲線，圖2-5(b)為臨限電流與Reflectivity of Facets關係，圖2-6 為LD頻率響應(a圖)以及峰值頻率對偏壓電流圖(b圖)，圖2-7為LD暫態響應(a圖)以及 Turn-on delay time與Relaxation frequency對偏壓電流圖(b圖)，圖中顯示我們模擬分析之結 果相當正確。

(a)

_Simulation O Reference

__ Simulation O Reference Simulation O Reference

(b)

圖2-5. LD L-I 曲線(a) 以及臨限電流與 reflectivity of facets 關係圖

(a)

(b)

圖2-6.. LD 頻率響應(a)以及峰值頻率對偏壓電流圖(b)

(a)

(b)

圖2-7. LD 暫態響應(a)以及 Turn-on delay time 與 Relaxation frequency 對偏壓電流圖 (b)

2. 光放大器等效電路模型模擬分析光放大器等效電路模型模擬分析光放大器等效電路模型模擬分析光放大器等效電路模型模擬分析

pump power (mW)

EDF length = 12m input signal power = 50 µµµµW numerical

(∆∆∆∆L = 1cm)

our model (EDF : 3 segments)

our madel (EDF : 5 segments)

p u m p p o w e r (m W )

EDF length = 12m input signal pow er = 50µµµWµ m odulation index = 10%

input pum p pow er = 40m W

circuit m odel (w ithout A SE)

EDF length = 12m input signal power = 50µµµWµ modulation index = 10%

input pump power = 40mW

our model

0 1 2 3 4 5

VDD

圖2-14a. 單端輸入 Regulated Cascode 差動輸出轉阻放大器圖

圖2-14b. 單端輸入 Regulated Cascode 差動輸出轉阻放大器佈局圖

圖2-15a. 單端輸入差動輸出轉阻放大器轉阻增益圖

圖2-15b. 單端輸入差動輸出轉阻放大器1.25Gbps PRBS 眼圖

4. 光接收端時脈回復積體電路製作光接收端時脈回復積體電路製作光接收端時脈回復積體電路製作 光接收端時脈回復積體電路製作

接收光信號因傳輸長距離而使數位信號品質劣化，雖經過上節所述之信號放大後，數 位信號品質尚須修復。我們採用鎖相迴路電路來設計時脈的回復，並利用萃取出來的時脈 與D型正反器所接出的Decision Making 電路，重新取樣輸入訊號，藉以回復資料。具有 高頻操作與易於積體電路化之優點，同時可藉由相頻偵測器之自我修正達成時脈與資料自 行校準。電路如圖2-16所示，電路佈局結果如圖2-17所示，部份分析結果如圖2-18所示。

圖2-16. PLL-based CDR.

圖2-17. Microphotograph of CDR

圖2-18. Recovered Clock from the CDR.

時脈回復積體電路採用TSMC0.18µm 1P6M CMOS製程技術，可產生2.418GHz的穩定 時脈，在偏移中心載波頻率1MHz處所量測到的相位雜訊為-115.34dBc/Hz，在1.8/3.3伏特的 電壓下Power Dissipation為75.5mW，晶片面積約1.29x0.81mm²。其中充電泵（Charge Pump）

產生充電或放電電流，可經由適當轉換產生控制電壓，用來控制壓控振盪器(VCO)的振盪 頻率。壓控振盪器振盪中心頻率2.5GHz，採用汲極開路架構的nMOS當Buffer。由於連接於 nMOS drain端的電感感值較大，採用外接式的SMD電感來連接drain端，所以除了Buffer用 的電感外，其餘元件皆使用TSMC所提供的RF元件。另有偵測電路、前置放大器、Tappered

buffer等，而在輸出端，我們使用共汲極的電路架構，以減輕負載效應。另外，我們也試製

雙頻式時脈/數據回復電路，雙頻式時脈/數據回復佈局圖如圖2-19所示。

圖2-19. 雙頻式時脈/數據回復佈局圖

此外，由於Si-Ge製程有利於高速元件之應用，其光電特性有待探討，我們也針對Si-Ge 製程進行光電相關積體電路設計，Si-Ge發光/光接收積體電路典型佈局如圖2-20所示，特 性分析典型結果如圖2-21所示，為Si-Ge發光積體電路發光光譜圖。

圖2-20. Si-Ge 發光/光接收積體電路佈局圖

圖2-21. Si-Ge發光晶片發光光譜圖

Bias Current 250mA

wave length (nm)

850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250

light power (nW)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

5. 可調波長雷射特性與波長轉換研究可調波長雷射特性與波長轉換研究可調波長雷射特性與波長轉換研究可調波長雷射特性與波長轉換研究

隨著頻寬需求的增加，使用分波多工技術來解決頻寬需求的問題，而分波多工網路 會有很高的阻塞率，為解決上述問題的關鍵技術就是利用波長變換。我們利用電吸收調 變器(Electroabsorption modulator, EAM)交叉吸收調變(Cross-absorption modulation XAM) 效應，來實現波長轉換的光信號處理。使用可調式半導體雷射與電光調變器進行實驗量 測，如圖22全光波長轉換架構圖所示，高速調變信號來自主動或被動鎖模光纖雷射。可 調式半導體雷射當作穩定連續的探針光源，波長為1555.03nm，雷射輸出功率為4.75dBm。

圖2-22 全光波長轉換架構圖

圖2-23顯示20.4GHz鎖模後的光譜圖，由圖中可以看出旁模被抑制下去，信雜比約

為32dB，兩旁對稱較高的為二次諧波頻率，旁模比為10dB。

圖2-23 鎖模後光譜圖

圖2-24(a)(b)(c)分別顯示未鎖模、主動鎖模與被動鎖模後之外部10GHz電光調變眼

形圖。圖2-24(a)顯示未鎖模前調變後眼形圖，糢糊不清，無法傳輸。圖2-24(b)顯示主動

鎖模且調變後之眼形圖，圖中顯示熄滅比可達12dB，jitter為38ps，傳輸情況良好。圖 2-24(c)顯示被動鎖模後熄滅比達11.28dB，且Jitter改善為16.40ps，訊雜比也有10.34dB。

圖2-25(a)(b)分別顯示經過主動鎖模後波長轉換之眼形圖，主動鎖模EAM逆向偏壓在

1.0V，熄滅比可達4.37dB，Jitter為71.78ps。被動鎖模EAM逆向偏壓在1.1V，熄滅比可 達6.07dB，Jitter為40.82ps，訊雜比為5.0dB。

圖2-24(a) 未鎖模前電光調變

圖2-24(b) 主動鎖模後電光調變

圖2-24(c) 被動鎖模後電光調變

圖2-25(a) 主動鎖模後波長轉換眼形圖

圖2-25(b) 被動鎖模後波長轉換眼形圖

圖2-26為波長轉換後的光譜圖，圖2-26顯示探針光源與信號光源相差50dB，

量測到的10G RF信號是來至探針光源而不是信號光源。我們利用主動鎖模光纖雷射

技術成功的應用於10Gbit/s非歸零資料傳輸新波長轉換技術，熄滅比為4.37dB。另 一方面，也成功的將光纖雷射做10Gbit/s電光調變傳輸，熄滅比可達12dB，主動鎖 模光纖雷射輸出功率變動為0.1dB以下。在被動鎖模方面，加入一段DCF光纖補償，

電光調變熄滅比可達11.28dB，波長轉換熄滅比可提升至6.07dB。

圖2-26 波長轉換後的光譜圖

6. 上行發訊雷射光源之研究上行發訊雷射光源之研究上行發訊雷射光源之研究上行發訊雷射光源之研究

上行發訊雷射光源研究方面，我們進行兩種發射機構之研製，一種機構採用反射式半 導體光放大器(Reflective Semiconductor Amplifier)(RSOA)來設計，另一種機構則採用注入式 上鎖Injection-Loked Fabry-Perot Laser Diode (IL-FP-LD)雷射光源來設計。針對前者，我們

應用FP Etalon之技術，可以同時改善上行發訊到OLT與下載到ONU訊號品質，詳細技術

已刊載於Optics Express期刊。

另一種機構則探討ONU端上行的注入式雷射發訊光源，IL-FP-LD之上鎖技術方面，

需要把光調變以加入上行信號，我們對其特性進行實驗量測分析，發現溫度升高，模態往 長波長移動。我們分析了溫度變化之影響，在27℃~37℃間，波長漂移量約為0.064 nm/℃，

在17℃~27℃間，波長漂移量約為-0.053 nm/℃。溫度在27度，FP-LD操作電流20mA時，

我們獲得FP-LD模態分佈如圖2-27所示。在32度時，FP模態分佈如圖2-28所示。

圖2-27. FP-LD 模態光譜圖

圖2-28 溫度 32 度時之 FP 模態

而注入上鎖之實驗中，使用TL來注入，注入波長為1546.63nm，功率為-1.17dBm，我 們獲得注入後之光譜圖，溫度在28度時，典型結果如圖2-29所示。

圖2-29 溫度 28 度時注入之光譜圖

注入光源深影響上鎖 IL-FP-LD 雷射的操作，我們首先研究新型的注入光源，利用我 們實驗室現有設備與技術研製光纖雷射光源，不但要適合發射下行信號，還要能進行注入

上鎖IL-FP-LD雷射，具備良好的上行信號之發射功能。

我們自行研製的光纖雷射架構有數種，採用了數種光纖如摻鉺光纖，我們研製C波帶 與L波帶，可利用線型或環型架構，圖2-30顯示一環型架構，採用摻鉺光纖，為一波長可 調動型，是為可調摻鉺光纖雷射(TEDFL)，圖2-31顯示其波長可調之特性。

圖2-30 WDM 接取網路中使用 T-EDFL 的新傳輸架構圖

圖2-31 T-EDFL 光譜圖

利用圖2-30之可調摻鉺光纖雷射TEDFL，我們探討注入上鎖IL-FP-LD特性，典型的 FP雷射注入前後光譜圖如圖2-32，圖中顯示使用T-EDFL的新型注入雷射效果極優。

圖2-32 FP 雷射注入前後光譜圖.

注入上鎖IL-FP-LD之注入功率影響SMSR，典型結果如圖2-33所示，圖中顯示不同 波長所需的注入功率相異。

圖2-33 注入功率較與 SMSR 關係圖 7. 可調雷射光源在可調雷射光源在可調雷射光源在可調雷射光源在 WDM 接取網路中之應用接取網路中之應用接取網路中之應用 接取網路中之應用

利用自製的可調光纖雷射光源，我們探討了數種雙向傳輸架構研究，研究其在WDM接 取網路中如何得到優良的雙向傳輸性能。其中一種傳輸架構已顯示於圖30中，圖中顯示一 雙向傳輸架構，利用圖2-30的架構我們進行了雙向傳輸實驗，典型量測結果如圖2-34及2-35

利用自製的可調光纖雷射光源，我們探討了數種雙向傳輸架構研究，研究其在WDM接 取網路中如何得到優良的雙向傳輸性能。其中一種傳輸架構已顯示於圖30中，圖中顯示一 雙向傳輸架構，利用圖2-30的架構我們進行了雙向傳輸實驗，典型量測結果如圖2-34及2-35