5-1. 量測系統架構...52 5-2. 量測結果...53
第六章 結論...58
參考文獻...59
圖目錄
圖 3-3 單環構造圖...23
圖 3-4 FSR 為 50GHz 傳輸特性...23
圖 3-5 FSR=50、40 及 33.3，K0=K1=0.5，α=0...24
圖 3-6 當 K0=K1=0.15 之傳輸特性圖...25
圖 4-4 HCl：H2O=3：1，對 InAlAs、InGaAlAs 蝕刻速率....44
圖 4-5 不同醋酸濃度比，所對 InAlAs的蝕刻速率變化....44
圖 4-6 (a) InAlAs 蝕刻表面 (b)InGaAlAs 蝕刻表面....45
圖 4-7 彎曲波導側面深蝕刻圖...46
圖 4-8 彎曲波導側面深蝕刻剖面圖...46
圖 4-9 PIX 6400 高分子之固化曲線...47
圖 4-10 PIX 6400 高分子材料之平坦度量測...48
圖 4-11 單環濾波器之俯視圖...50
圖 4-12 雙環濾波器之俯視圖...50
圖 4-13 MMI 耦合器之俯視圖...51
圖 4-14 S-bend 波導之俯視圖...51
第五章 量測與結果 圖 5-1 量測系統架構圖...52
圖 5-2 脊狀波導的插入損耗...53
圖 5-3 不同彎曲角度下的損耗...54
圖 5-4 不同彎曲半徑下的損耗...54
圖 5-5 彎曲半徑為 100
µ
m，Offset 與 No Offset 之損耗比 較...55圖 5-6 彎曲半徑為 50
µ
m，Offset 與 No Offset 之損耗比 較...55圖 5-7 不同半徑對(
α
scattering+ α
bend)取最佳曲線值...56圖 5-8 彎曲波導損耗值...57
表目錄
第二章 原理
表 2-1 2×2 MMI 之非均勻輸出功率...15
第三章 元件設計與模擬
表 3-1 MD3QWSC 磊晶組成的明細表...22 表 3-2 單環與雙環共振腔的 FSR 總整理...28 表 3-3 MMI 規格總整理...31 表 3-4 不同彎曲半徑的 2
µ
m 寬之波導其連接處最佳的錯開位移值...34 第六章 討論
表 6-1 S-bend 彎曲損耗總整理...52
第一章 簡介
到信號塞取之目的。(四)陣列波導光柵(Arrayed waveguidegrating,AWG)：利用波導長度不同時光行經其中所遭受相位不同之特 性，使各波束在輸出端會合後產生相位建設或破壞性干涉。以及(五) 環型濾波器。而本篇論文是針對環型共振濾波器加以探討，其特點為 不需要反射的端面或光柵，便可達到光的迴授共振效應，且製程不太 複雜，故容易與其他元件整合在一單晶片上，故非常適合做為積體整 合電路之被動波導元件。
1-3 元件的應用
以環型濾波器在頻域解多工器上的應用，若多個不同頻道同時載 入環型濾波器內，將可被分成奇數頻道與偶數頻道，此為之 Inter- leaver，所以，可利用多組適當的濾波器相互連結，依序作 Inter- leaver 的結果，便可將各個頻道一一的分解出來，達到 DWDM 之應用，
如圖 1-1，假設有八個以上輸入信號頻道，其各個頻道之間距為 25GHz，分別使用三次不同的 FSR(Free Spectral Range)之濾波器將 其濾波，可以將八個 FSR 為 100GHz 的信號分開後，再連結至 AWG，
由於 AWG 對於頻道的要求頻率間距至少需要 100GHz 以上，才不至於 使各個頻道間作相互的干涉影響進而造成嚴重的串音(crosstalk)現 象，所以結合環型濾波器與 AWG 便可以有效地作光信號的傳送。
圖 1-1 DWDM 解多工器
1-4 論文架構
本論文共分成五個章節，第一章為簡介，第二章為介紹環型濾波 器、多模干涉耦合器及Ｓ型波導之原理與分析，第三章將說明元件的 模擬與設計，第四章為元件的製程步驟與結果，第五章為量測與結 果，第六章為討論。
第二章 原理
2-1. 環型濾波器簡介
環型共振濾波器之原理結構，如同Ｆabry-perot 共振腔體，但 它不需要反射的端面，便可達到自我回授的目的，若取環形共振器的 圓周長為 L，衰減常數為α，則當光波行經環形耦合器，並且在其中 繞行一圈後回到原耦合點時，將有 e-α L量的衰減以及產生相的轉換 (Phase Shift)為Ψ=βL，其中相的轉換又與環的圓周長 L 及波長λ 有關。利用此原理，我們可將某些特定波長之訊號由擷取端輸出，因 而達到能夠篩選某特定波段之功能。其輸入與輸出則是透過一個耦合 器來做功率的分配，當光從一個入射的傳輸波導經過耦合器時，能夠 將部份的光能量傳遞到環形共振器中，使光不斷地在共振腔內作來回 共振，所以利用適當的耦合器能將環型共振腔與四個輸入及輸出埠作 有效地連結，如圖 2-1 中所示，在此情況下輸入埠有λ1、λ2、λ3 三 個頻道輸入，環型共振器達共振的波長為λ2，所以在接取埠(drop port)為λ2輸出，若在加入埠(Add port) 輸入一可達共振的波長為 λA，經共振後得以在產生埠(Throughput port)輸出包括有λ1、λ3、
λA， 進而可達到 Add/Drop 的功能。
圖 2-1 頻道擷取濾波器示意圖
環型共振濾波器選擇單一頻道的週期，即所謂 Free Spectral Range（FSR），決定於光在共振腔內行進一週的光程，光程愈短則 FSR 間距愈寬。而輸入與輸出耦合的部分，一般採用兩種方式，一是利用 方向性耦合器做任意比例的輸出，但若要在較短的耦合距離內便有較 大的分光率，則必需將兩條波導的距離靠得很近才可達到，故本論文 是採用另一種具有特定的信號分/合比功能的多模干涉(Multimode Interference, MMI)耦合器。而為了達到更大的 FSR，可利用 MMI 將 多個環串聯或並聯在一塊，便可達到更高的 Q 值或是類似方波濾波器 的功能[1]。而由於波導的彎曲會導致光的損耗，所以環型波導需要 有很強的橫向光場侷限，才能得到低的損耗和高的 Q 值。
Ring Resonant at wavelengthλ2、λA
Input Port
2-1-1. 單環濾波器之分析
1 1
2 2 2 2
圖 2-3 單環共振腔傳輸特性
0 0
其 FSR 以數學式表示為：
1 2
FSR = ⋅ N FSR = M FSR ⋅
(2-16) 亦可寫成1 2
1 2
FSR FSR
FSR M N
FSR FSR
= − = ⋅
−
(2-17) 由於兩個峰值的疊加，使得輸出的波形變得較寬，且或是利用在 電極板上外加電流使主動微調兩個峰值，使其輸出的波形似方波型 式，進而達到類似方波濾波器(Box-like filter)之功能。而在實際 的資訊傳輸上，為避免一個訊號波的某些資料被截掉，所以往往希望 輸出的波形是類似方形波，如此便可完整的載送訊號。接下來是分析光在雙環共振腔內的傳輸特性，圖 2-5 為其分析示 意圖[4,5]
圖 2-5 雙環共振腔結構分析圖
推導的方法原理如同單環共振腔，在直接埠與接取埠的電場形式表示
Ring Ring Ring Ring
Ring Ring Ring Ring
Ring Ring Ring Ring
t
(Self-imaging principle)，若單模的光場入射到 MMI 中，在 MMI 內 形成多個模態後產生相互干涉的結果，使得經過特定的距離下得到有
Ring Ring Ring Ring
Ring Ring Ring Ring
t
圖 2-6 MMI 所形成多個模態數
Cross output
圖 2-8 若在 Z=0 處，入射一場量
Ψ ( ,0) y
至寬度為 W 的 MMI，可表上述為一般激發型的 2×2 MMI 耦合器輸出功率型式是對稱均勻的，其 入射光場的位置是任意的；若非均勻功率輸出由[7,8]可知，2×2 MMI 共有四種特殊的功率輸出型式
{100：0,85：15,72：28,50：50}
不同的輸出功率比與輸入光場的位置及耦合長度如表 2-1。
表 2-1 2×2 MMI 之非均勻輸出功率 耦合長度
L＝3Lπ/N
入射位置 x＝iW/N
輸出功率比 cross：bar
N＝3 i＝1,2 100：0
N＝4 i＝1,3 85：15
N＝5 i＝1,...,4 72：28
N＝6 i＝2,4 50：50
2-3. 彎曲波導
光在彎曲波導內傳輸，其光場有如受到離心力般而向外緣傾靠 [9]，如圖 2-9(a)，若等效為直角座標系來看圖 2-9(b)，其折射率的 變化為向外邊漸漸傾斜變大，當彎曲半徑愈小時，場形會愈向外緣傾 靠趨勢，如圖 2-10，曲線 1 為脊型波導，曲線 2~4 依序為彎曲半近 漸小，對應其折射率的變化與模態場型分佈，使得有部分的光場能量 會露出，甚至會造成嚴重的光放射損耗，由於彎曲所造成的光場散逸 與折射率變化有關，所以增加光波導與波導外邊的折射率差距，可有 效地降低彎曲損耗，故在實際的元件製程上，往往須將彎曲波導的外 緣作深蝕刻[10]，以加強橫向的光場侷限，使模態儘量集中在波導 內，以達最低的損耗。
(a) (b)
圖 2-9 (a)圓柱座標下的彎曲波導幾何形狀 (b)等效為直角座標系統之折射率分布
圖 2-10 折射率的變化與模態場型分佈---曲線 1 為脊型波導，曲線 2~4 依序為彎曲半近漸小
由理論推算[11]，若波導的衰減係數αbend，在不同彎曲半徑所造 成的彎曲傳輸損耗ηbend可表示為：
exp( / 2 )
bend bend
R
η = − α θ π
(2-19) 其中θ為彎曲角度、R 為彎曲的半徑，以單位為 dB 型式表示為：
10log (
10)
bend bend
L = − η
(2-20) 圖 2-11 為模擬不同半徑對彎曲角度為 900、1800、2700及 3600之彎曲 損耗。0 100 200 300 400 500
Bending Radius(µm)
90° (Optimum Offset)[8,9]，如圖 2-12，使其在接合處兩個模態場形的 重疊積分(Overlap integrating)能夠最大，以期達到最低的接合傳 輸損耗。
圖 2-12 脊形與彎曲波導的接合處錯位(offset)
第三章 元件設計與模擬
MD3QWC Potential Diagrame1--hh1=1.55um
圖 3-1 MD3QWC 量子井位能與波函數圖
圖 3-2 MD3QWC 之光激螢光(PL)光譜圖
8000 10000 12000 14000 16000 18000 0.000
0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030
0.035 15250
Intensity(a.u.)
Wavelength(
µm)
表 3-1 MD3QWC 磊晶組成的明細表
磊晶層配置 組成 doping 厚度(? )
Substrate InP S
(2sec)+10 In0.528Ga0.2447Al0.2277As Si:2E18 200
In0.699Al0.301As Si:2E18 26
Balanced strain grading steps for
conduction band In0.421Ga0.195Al0.384As Si:2E18 3 Lower cladding In0.523Al0.477As Si:2E18 1000
In0.421Ga0.195Al0.384As Si:2E18 43 Balanced strain grading steps
for conduction band In0.699Al0.301As Si:2E18 26 Lower SCH layer In0.528Ga0.2447Al0.2277As Si:1E18 400
In0.699Al0.301As Si:1E18 26
Balanced strain grading steps
for conduction band In0.421Ga0.195Al0.384As Si:1E18 43 N-layer
Hole stopping barrier In0.523Al0.477As Si:1E18 90 Modulation doping In0.432Ga0.381Al0.187As Si:1E18 36.9 Wave-function adjustment In0.699Al0.301As 16
Spacer In0.528Ga0.2447Al0.2277As 10 QW padding In0.683Ga0.317As 12 QW core In0.532Ga0.468As 20.2 QW padding In0.683Ga0.317As 12
Spacer In0.528Ga0.2447Al0.2277As 10 Wave-function adjustment In0.699Al0.301As 16 QW×3
Modulation doping In0.528Ga0.2447Al0.2277As Si:1E18 36.9 n-side depletion layer In0.528Ga0.2447Al0.2277As Si:1E18 45 i-region SCH/etch-stop In0.528Ga0.2447Al0.2277As 800 i-upper cladding layer In0.523Al0.477As 1000 p-upper cladding layer 1 In0.523Al0.477As Be:1E18 1000 p-upper cladding layer 2 In0.523Al0.477As Be:2E18 1000 p-upper cladding layer 3 In0.523Al0.477As Be:3E18 15000
p-contact grading step In0.528Ga0.2447Al0.2277As Be:5E18 300 P-layer
p-contact layer In0.532Ga0.468As Be:8E18 600
total thickness 22152
3-2-1. 單環濾波器之模擬計算
以 BPM 模擬波導為 2
µ
m 寬的有效折射率 neff，結果為 3.1976，再 利用式子(2-15)可知共振腔的總長度與 FSR 之間的關係，圖 3-3 為單 環濾波器構造圖，圖 3-4 是利用理論計算所得的傳輸特性圖，FSR 為 50GHz，可知在某些特定的波長可達共振而經由接取端輸出。圖 3-3 單環構造圖
圖 3-4 FSR 為 50GHz 傳輸特性圖
Drop port
Throughput port
K0
K1
Input port Throughput port
Drop port
在我們環型濾波器設計的規格上，FSR 共有 50、40、33.3GHz，
1.5500 1.5502 1.5504 1.5506 1.5508 1.5510
0.0
圖 3-5 FSR=50、40 及 33.3，K0=K1=0.5，α=0
圖 3-6 當 K0=K1=0.15 之傳輸特性圖
3-2-2. 雙環濾波器之模擬計算
在雙環共振腔的部分，使用三個 MMI 耦合器將兩個環作串聯，圖 3-7 為其構造圖，
圖 3-7 串聯雙環構造圖
P
inK
0K
1K
2P
out利用兩個相同大小的環作串聯，以 FSR=50GHz 為例，圖 3-8 為所 對應的傳輸特性圖，分別改變三個 MMI 的耦光比例，探討其頻譜的變 化，包括有三種情況，第一種情況為 K0=K1=K2=0.5 時，由於耦合至 共振腔體的量較多，使得頻譜分裂為兩個峰值；第二種情況為
K0=K2=0.15、K1=0.5 時，因耦合至共振腔的量較小時，得到較大的 Q 值；第三種情況為 K0=K2=0.5、K1=0.15 時，此為較適合通訊上之應 用。
我們也利用大小不同的環作串聯分別有 100GHz 及 200GHz，如圖 3-9 是 FSR 為 40GHz 與 50GHz 做串聯結果得 FSR=200GHz，圖 3-10 為 FSR=100GHz 的傳輸特性圖，不同的虛線如同上述對應到不同的 MMI 耦光比，而在兩共振峰值間出現一些不想要的共振峰值，在實際的元 件應用上是要多加一層濾波器將其濾除掉。
圖 3-8 FSR=50GHz 的傳輸特性圖
圖 3-9 FSR=200GHz 的傳輸特性圖
圖 3-10 FSR=100GHz 對不同耦光比之傳輸特性圖
表 3-2 是我們設計出一系列的單環與雙環共振腔的 FSR，及其共
表 3-2 是我們設計出一系列的單環與雙環共振腔的 FSR，及其共