行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
子計畫四：高速寬頻高密度分波多工系統模組之量測、模擬
及應用(3/3)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC92-2215-E-110-007- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學電機工程學系(所) 計畫主持人： 陳茂雄 共同主持人： 林鴻銘 報告類型： 完整報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 9 月 6 日
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行政院國家科學委員會專題研究計劃成果報告
高速寬頻高密度分波多工系統模組之研製與應用
―子計劃四：高速寬
頻高密度分波多工系統模組之量測模擬及應用
(3/3)
計劃編號 : NSC92-2215-E-110-007
執行期限 :92 年 08 月 01 日至 93 年 7 月 31 日
主持人 : 陳茂雄 中山大學電機工程研究所
一、中文摘要 高速寬頻高密度分波多工系統模組之量 測模擬及應用之第三年計劃，研製出八通道 輸出之超寬頻高輝度雷射光源。每一通道輸 出操作頻帶均達 1250~1650nm，最大輸出光 功率達 10mW ，功率密度達-30dBm/nm。並 具有高頻譜穩定性達+/-0.03(dB/小時)及高功 率穩定性達 0.004dB/8 小時。此研究成果非常 適合在 1250~1650nm 寬波帶之分波多工器及 其他寬頻光纖通訊被動元件之特性參數測使 用。 關鍵字:寬頻光源、高功率 AbstractThis sub-project has achieved the design of ultra-broadband high-power light source system. The line width of the light source has 400nm while operating power output reach 10mW significantly. Its power density is about -30dBm/nm for each channel output. The high spectrum stability reaches +/-0.03(dB/hr) and the high power stability achieve about 0.004dB/8hrs. These results of are very useful for the parameter measurements of ultra-broadband wavelength division multiplexer or other broadband fiber-optics passive components.
Keywords: Broadband, DWDM, Super
luminance, light source. 一、緣由與目的 近幾年，低密度分波多工(Coarse wavelength division multiplexing, CWDM) 通信技術在有 線電視(catv)、光被動網路(Passive optical Network, PON)等之應用，使超寬頻光通訊系 之研製正快速大幅度發展，以提升低成本高 通信容量之需求，傳送更多的光信號波道， 增進系統建設之即時性與彈性。而寬頻光纖 通訊系統之建置，所須之系統元件之頻道間 隔離度之要求極嚴苛，因此寬頻測試光源可 提供光纖被動元件高隔離度測試之需求，並 可應用於多波道高密度光源之設計。本計畫 將進行 1250~1650nm 高功率寬頻光源之研 製， 以供其他子計劃在寬波帶被動元件開 發，所須之測試光源。
二、實驗步驟 本實驗室提出一種新型之光頻譜混光及光功 率 分 光 之 技 術 ， 進 行 一 種 頻 寬 達 1250~1650nm 之超寬頻光源之設計。 此技術將各種波帶之高輝度寬頻光源之個別 頻譜進行混光，使形成一連續性光譜。並提 出研製半導體雷射之穩定電路，本計畫同時 針對光源部份穩定性控制電路研究製造，減 少 光 源 對 系 統 造 成 的 強 度 雜 訊 （ Intensity Noise），進而增進系統的穩定性；對於光通 訊及光感測系統皆能增加系統的穩定性及動 態範圍。 首先進行恆定電流及半導體雷射內部光 偵測器之恆定功率兩種雷射驅動模式之設 計，另外使用外部光偵測器，取代雷射二極 體本身內建的光偵測器，做回授處理的恆定 功率雷射驅動。在電路架構使用穩定的溫度 控制電路及驅動電流控制電路，配合使用 8051 程式控制之微處理器，形成一個可靠的 回授補償電路，藉以達到穩定的光功率輸出 能力。另外，對雷射二極體而言，溫度是一 個重要操作參數，我們將機殼設定為主要的
2 散熱途徑，利用電路控制溫度致冷器，將熱 盡可能傳導到大面積的機殼底部。在環境溫 度變化下，將雷射溫度穩定的控制在 25℃， 減少了溫度係數對雷射的影響，也增加了整 體光功率輸出的穩定性。本研究所設計的雷 射驅動電路，在溫度、驅動電流及輸出光功 率具有監控及回授功能，而使用三種不同的 雷射驅動方式，來做穩定度的比較。 為達此寬頻光源之光譜，本計畫利用低 水分子吸收之光纖耦合器，完成寬頻光譜混 光及分光器之設計。同時設計一溫度控制 器，降低此混光及分光器之溫度效應，以控 制寬頻光源之光譜穩定性。 在半導體雷射的控制上，溫度和驅動電 流的控制是相當重要的，溫度的漂移會造成 雷射輸出功率的不穩定，進而影響了系統的 穩定性。本文提出之驅動電路中，溫度控制 係使用Wavelength IC WTC3243 溫度控制IC 作為雷射及外部光偵測器溫度的控制IC。致 冷器加熱及冷卻電流，必須依照致冷器的規 格有所限訂，以免過大電流導致致冷器損 壞 。 RA 及 RB 為 控 制 WTC3243 之 PIN11 及 PIN12（OUTA & OUTB）的輸出電流的限流 電阻，PIN11連接到致冷器的負極，當環境溫 度高於設定溫度時，將給予溫度致冷器電 流，藉以對溫度作降溫的工作；PIN12連接到 致冷器的正極，當環境溫度低於設定溫度 時，將給予溫度致冷器電流，藉以對溫度作 升溫的工作。設計致冷器時，其加熱、冷卻 電流必須限定其最大值，以保護致冷器。 在半導體雷射之驅動電路中，驅動電流 控制電路係使用Wavelength IC-WLD3343 雷 射控制IC作為不同雷射驅動模式的控制IC。 WLD3343是一個通用型的模擬混合電路，主 要用於超穩型的驅動雷射二極體。WLD3343 可以提供精確的雷射二極體驅動電流（恆定 電流模式），或者確保穩定的光偵測器電流 （恆定功率模式），在不同的驅動模式下皆可 讓雷射穩定的操作；並且可以與任何類型雷 射二極體兼容的操作模式。在電壓5伏特到12 伏特的偏壓下，WLD3343可以提供雷射二極 體驅動電流，最高可達2安培的電流。 本實驗室研製之半導體雷射驅動電路， 將進行三種不同驅動方式之研製，且環境溫 度在20℃~30℃變化下完成雷射功率穩定性 比較實驗。驅動電路為本實驗室設計之半導 體雷射溫度及電流控制電路，電路上零件皆 使用精密度高之零件。在溫度方面，為了避 免外界環境溫度變化影響了穩定性，電路設 計 上 使 用 溫 度 控 制 IC （ Wavelength , WTC3243）將控制溫度穩於雷射的操作溫度 25℃（控制理論敘述如前章節）。在溫度控制 方面，利用微處理器（Micro-processor）作溫 度的監控及回授補償控制，使溫度可以穩定 維持在雷射的操作溫度。 在雷射驅動控制電路設計上，使用雷射 驅動電流控制IC（Wavelength , W-LD3343）。 雷射的驅動方式有許多種，一般常見的有兩 種：恆定電流、恆定功率；恆定電流即為給 予雷射一固定的驅動電流，讓雷射維持在一 固定驅動電流的光功率輸出；而恆定功率為 利用雷射本身內部的光偵測器去監控輸出光 功率，根據光偵測器轉換光量成電壓值去做 追蹤，再適當的去調整驅動電流藉以維持輸 出的光功率為一固定值。在各式的半導體雷 射中，大多都裝置有內建的光偵測器，藉以 監控雷射輸出的光功率。但是如果該內建的 光偵測器監控到的電流值與雷射的輸出功率 成一個非線性的關係時，則當在設計一個系 統時即無法將雷射使用在恆定功率，無法使 雷射在一個穩定輸出的情形下工作，而使雷 射輸出功率的不穩進而造成系統的不穩，影 響了整個系統功能的穩定性。因此本文中另 外使用了更穩定的光偵測器，取代雷射本身 內部的光偵測器來做恆定功率的驅動電路， 稱之為外部光偵測器之恆定功率驅動模式。 三、結果討論 實驗結果如圖 1 所示，為 6 顆頻帶分別為 1285nm、1350nm、1400nm、1480nm、 1550nm、1610nm 之 SLD 二極體，經由寬頻 光譜混光及分光器後所輸出之光譜。結果顯 示此寬頻光譜之光功率密度為-30dBm/nm 時，其頻譜從 1241nm 到 1651nm，頻寬達 410nm。當光功率密度為-22dBm/nm 時，其頻 譜從 1252nm 到 1632nm，頻寬仍達 380nm。 此高功率密度之超寬頻光源用於光纖通訊之
3 低波長密度之通訊系統 CWDM (1270~ 1610nm)元件之參數量測，可配合光譜分析 儀，作全波帶(1250~ 1630nm) 之一次量測。 若一般規格之光譜分析儀靈敏度達 -90dBm/nm，則此光源將可使被動元件之光隔 離度參數(Isolation)之量測達 60dB。目前市面 上尚無此規格之光源可供 CWDM 通訊元件 之全波帶光特性量測。若用可調式雷射則須 用 4 台不同波帶之設備才能含蓋此全波帶， 則其測試成本極為昂貴，非常不適合台灣光 通訊產業之量產線使用。 此高熱效應穩定之寬頻光譜混光及分光 器同時具有混光後再分光之功能。本研究成 果最多可同時有 8 通道同時輸出，且仍具有 相同之光功率密度為-30dBm/nm 及頻譜從 1241nm 到 1651nm，頻寬達 410nm。如圖 2 所示，其頻譜穩定性(Spectrum stability)達每 8 小時+/-0.03dB 及每 24 小時+/-0.05dB 之高頻 譜穩定性，其實驗數據亦具高重複性，使此 光源具有高可靠度。此一多波道輸出、高功 率密度、超寬頻、及高頻譜穩定之優點。對 光通訊被動元件產業之量能提升及成本降 低，有非常著注之貢獻。 四、總結 本計畫完成之寬頻光譜之光功率密度為 -30dBm/nm時，其頻譜從1241nm到1651nm， 頻寬達410nm。本研究成果最多可同時有8通 道同時輸出，且仍具有相同之光功率密度為 -30dBm/nm及頻譜從1241nm到1651nm，頻寬 達410nm。其頻譜穩定性達每8小時+/-0.03dB 及每24小時+/-0.05dB之高頻譜穩定性及高重 複性，使此光源具有高可靠度。此一多波道 輸出、高功率密度、超寬頻、及高頻譜穩定 之優點。對光通訊被動元件產業之量能提升 及成本降低，有非常著之貢獻。 參考文獻
[1].Data sheets of Highwave Optical Technologies, France, 1999.
[2].H. Ono et al., ”1.58 µm band Er3+ doped
fiber amplifier pump in the 0.98 and 1.48 µm
bands,” Electron. Lett., vol. 33, pp. 876-877, 1997. 圖 1.6 顆 頻 帶 分 別 為 1285nm 、 1350nm 、 1400nm、1480nm、1550nm、1610nm之SLD 二極體，經由寬頻光譜混光及分光器後所輸 出之光譜 60 min-40 min -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 1250 1288 1326 1364 1402 1440 1478 1516 1554 1592 1630 Wavelength (nm) Po w er ( dB m ) -0.06 -0.03 0 0.03 0.06 60 min-20 min -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 1250 1288 1326 1364 1402 1440 1478 1516 1554 1592 1630 Wavelength (nm) Po w er ( dB m ) -0.06 -0.03 0 0.03 0.06 60 min-0 min -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 1250 1288 1326 1364 1402 1440 1478 1516 1554 1592 1630 Wavelength (nm) Po w er ( dB m ) -0.06 -0.03 0 0.03 0.06 圖2. 寬頻光源之輸出光譜穩定性測試圖
