高速寬頻高密度分波多工系統模組之研製及應用---總計畫：高速寬頻高密度分波多工系統模組之研製及應用(III)Fabrication and Application of High-Speed Broadband Modules in Dense Wavelength Division Multiplexing System (III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

總計畫：高速寬頻高密度分波多工系統模組之研製及應用

(3/3)

計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC92-2215-E-110-002- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學光電工程研究所 計畫主持人： 鄭木海 共同主持人： 黃升龍，陳茂雄，吳宗霖 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 8 月 27 日

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行政院國家科學委員會專題研究計劃期末報告

高速寬頻高密度分波多工系統模組之研製與應用總計畫（3/3）

Fabrication and Application of High-Speed Broadband Modules in Dense

Wavelength Division Multiplexing System

計劃類別：†個別型計劃;整合型計劃 計劃編號：NSC 92-2215-E-110-012 執行期間：92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日

主持人：鄭木海 中山大學 光電所 教授

一、中文摘要

波長多工(DWDM)技術為寬頻光 纖通信必然趨勢，由於 DWDM 系統架構 係採用多個波長來提高通訊容量，這些多 工波長必須盡量落在光纖最低傳輸及光纖 放大器增益的波段範圍，在現有光纖放大 器增益波段範圍內， C-band 為 30 nm （ 1530-1560 nm ）及 L-band 為 40 nm （1570-1610 nm），共 70 nm 頻寬，在未來 更高傳輸容量的需求下，可能仍然無法滿 足需求。所以最佳解決 DWDM 高傳輸容 量的通訊.要求係增加光放大器的放大頻 寬，使更多的光訊號通道均能在光纖中做 長距離傳輸。因此本整合計畫擬提出 300 nm 超寬頻 摻鉻光 纖 放大器 （Chromium Doped Fiber Amplifier, CDFA）的研發，其 頻寬在 1300-1600 nm 波段範圍內比現有摻 鉺光纖放大器（EDFA）多 4.3 倍。並配合 最新生產中之光纖其 OH-_{離子在 1.4 µ} m 波 段之吸收幾乎被消除，及 980 nm 幫浦雷射 光源與高速 10 Gb/s 半導體雷射模組構裝 的研發，來研討高速寬頻高密度分波多工 模組的研製與應用。本計畫研討擬同時以 學術及技術觀點進行，發展本計畫高速寬 頻高密度分波多工系統之模組與應用，很 明顯可提升國內光通訊關鍵性元件的自製 率。 本整合計畫係一個三年的計畫，300 nm 超寬頻光纖放大器，增益平坦化濾波 器，980 nm 幫浦雷射及高速 10Gb/s 雷射 模組之低銲後位移之降低銲後位移研製為 本整合計畫關鍵性技術的研究。第一年計 畫是摻鉻光纖研製，寬頻耦合器最佳設計 與研製，幫浦雷射及高速雷射模組蝶構裝 設計，雷射銲接技術構裝雷射模組銲後位 移之控制與模擬，及高速寬頻高密度分波 多工系統之模擬。第二年計畫係摻鉻光纖 放大器，摻鉻光纖放大器增益平坦化濾波 器最佳設計與研製，及 980 nm 幫浦雷射模 組之研製及量測。第三年計畫為光纖放大 器定值增益控制研製，具高增益，高輸出 功率，寬平坦化，低雜訊摻鉻光纖放大器 之研製與量測，2.5Gb/s 與 10Gb/s 高速雷 射模組之研製與量測，及高速寬頻雷射模 組在高密度分波多工系統之調變與感測應 用。 本整合計畫主要關鍵技術的研究方式共七 項：(1)摻鉻光纖與摻鉻光纖放大器之研製， (2)寬頻耦合器之研製，低損失摻鉻光纖之接 續與封裝，(3) 摻鉻光纖放大器增益平坦化 濾波器與定值增益控制之研製，（4）雷射銲 接技術構裝雷射模組銲後位移之控制與模 擬，(5) 980 nm 幫浦雷射光源模組構裝與幫 浦雷射加裝光纖光柵模組之研製,（6）2.5

Gb/s 與 10Gb/s 高速雷射模組構裝之研製， 及（7）高速寬頻模組之量測及其在高密度 分波多通訊與感測系統之模擬及應用。 關鍵詞：摻鉻光纖放大器，增益平坦化，幫 浦高與速雷射模組，高密度分波多工 二、緣由及目的 光纖通信領域不斷迅速蓬勃發展潮流 中，快速高容量的傳輸需求日益殷切，其中 多波長與多波道傳輸功能之高密度分波多工 （ Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM）技術，既可提升傳輸容量，且不需 另埋設新光纖，節省埋架費用及工時等多項 優勢下，使 DWDM 技術成為光纖通信領域 中最能滿足解決兼具電信通訊（Telecom）， 資料通訊（Datacom）及影像通訊（Videocom） 之新資訊傳輸時代的超高容量需求。 由於 DWDM 系統係採用多個波長來提 高通訊容量，而這些波長必須盡量落在光纖 最低傳輸損失區域，以及現有光纖放大器增 益的波段範圍內，例如在波段 1530-1610 nm 附近。如此必造成每個波長的波道間距變 窄，相對光波道的密度提高，所以稱這種波 長 多 工 的 通 訊 架 構 為 高 密 度 波 長 多 工 (DWDM)通訊系統。因此在 DWDM 系統中 光纖放大器為最重要的一環，在現有摻鉺光 纖放大器增益波段範圍內， C-band 為 30 nm （ 1530-1560 nm ） 及 L-band 為 40nm （1570-1610 nm），共 70 nm 頻寬，在未來更 高傳輸容量的需求下，可能仍然無法滿足需 求。最佳解決 DWDM 高傳輸容量的通訊要 求係增加光放大器的放大頻寬，使更多的光 訊號通道均能在光均能在光纖中做長距離傳 輸。因此研發比現有摻鉺光纖放大器 C-band 與 L-band 更寬頻光纖放大器為本研究的動 機，本計畫擬提出 300 nm 超寬頻摻鉻光纖放 大 器 （ Chromium Doped Fiber Amplifier, CDFA）的研發，其頻寬在 1300-1600 nm 波 段範圍並配合最近生產中之光纖其 OH 離子 在 1.4 m 波段吸收幾乎被清除。 CDFA 跟 EDFA 放大功能同樣，光纖 放大器的增益值與波長有關，CDFA 在 1300 至 1600nm 波長範圍必須具備增益平 坦化（Gain-Flatness）功能，使光纖放大器 的增益值必須與波長無關，因此 CDFA 所 要克服第一問題為每一個傳輸波長增益值 常數。由於光纖放大器長時間使用與外加 訊號等因素的影響，會造成光放大器頻譜 改變，使原本以平坦的增益頻譜發生改 變，因此 增益定 值控 制（Constant Gain Control）也是光纖放大器要克服之問題。 除外摻鉻光纖對熱效應較敏感，CDF 與標 準光纖接續所造成損失，及 CDFA 之相關 寬頻耦合器研製也是研發的重點。 光纖放大器模組除摻鉻光纖外，980 nm 幫浦雷射光源也為關鍵性元件，且幫浦雷射 光源模組為整個光纖放大器模組價格最重要 的考慮因素之一。雖然幫浦雷射模組產品成 熟容易購買，但國內廠商在 980 nm 幫浦雷射 模組產品之研發尚無具體的結果，因此研製 980 nm 幫浦雷射模組可提升國內光通訊關鍵 性的技術。 目前以 DFB 半導體雷射光源的 2.5Gb/s 光纖傳輸模組為 DWDM 最成熟的光發射 器，如果有四個波長多工架構，則光纖通訊 網路就有 10 Gb/s 的通訊容量。以 10Gb/s 容 量為基礎的光纖通系統，有逐漸成為 DWDM 的標準，目前歐美日通訊大廠已開始製定 10Gb/s 的規範，因此採用單一波長 10Gb/s 傳輸模組的光源架構可能是最佳的選擇之 一，如此就不必採用四個通信波長及 2.5 Gb/s 傳輸模組的配合。但因高頻電路研製不易， 目前以 10 Gb/s 為單一波長模組的產品的廠 商不多，不如 2.5 Gb/s 傳輸模組成熟產品容 易購買。因此研發 10 Gb/s 的雷射模組具有 提升國內光通訊關鍵性的技術。 研發之超寬頻摻鉻光纖放大器、摻鉻光 纖放大器增益平坦與定值增益控制，980 nm 幫浦雷射模組、10 Gb/s 高速雷射模組，必須 透過量測來驗證，因此這些高速寬頻元件與 模組之量測及其在高密度分波多工通訊感測 系統應用相當重要。

三、研究方法與成果

本整合計畫第三年（92 年度）進度為 光纖放大器定值增益控制研製，具高增 益，高輸出功率，寬平坦化，低雜訊摻鉻 光 纖 放 大 器 之 研 製 與 量 測 ， 2.5Gb/s 與 10Gb/s 高速雷射模組之研製與量測，及高 速寬頻雷射模組在高密度分波多工系統之 調變與感測應用。 執行子計畫一，其三年（90 年-93 年） 成果已發表一篇期刊論文1_{，投稿二篇期刊} 論文2-3_{，及發表國外研討會論文七篇}4-10_， 圖一為光增益和泵激功率對不同輸入訊號 光 功 率 之 關 係 ， 在 輸 入 訊 號 光 功 率 為 -20dBm 時，0.83W 泵激下，可產生 10dB 的增益。圖二說明在固定泵激功率為 1W 時，輸入訊號為 1.47µm，可得到 16dB 的 增益，將所量得的增益和 ASE 頻譜比較， 可得到放大器之頻寬為 270 nm。 執行子計畫二，其三年（90 年-93 年） 成果，已發表二篇期刊論文 11-12_，投稿一 篇期刊論文 13_{，及發表國外研討會論文一} 篇 14_{。圖三為雷射模組耦光功率在銲接} 前，銲接後及補償後之 8 顆雷射之雷射構 裝，圖中明顯看出銲接後耦光功率之降低 可藉銲後補償來修正。圖四雷射模組耦光 效率在銲後及補償後之 8 顆雷射模組之構 裝，圖中說明經過雷射補償後之雷射模 組，其耦光效率大幅提升從 78％到 97％。 執行子計畫三，其三年（90 年-93 年） 成果已發表三篇期刊論文 15-17_{，圖五為比} 較長週期光纖光柵頻譜與目標頻譜，在 1350-1560 nm 範圍，其增益平坦化誤差為 ±0.4dB。而圖六為長週期光纖光柵設計頻 譜和目標摻鉺光纖放大器頻譜比較，其增 益平坦化誤差範圍小於±280dB。 執行子計畫四，其三年（90 年至 93 年）成果將投稿一篇期刊論文，圖七為 6 顆頻譜由 1285 至 1610 nm 之 SLD 二極 體，經由寬頻之混光及分光器所輸出之光 譜，圖中說明在 1285 至 1610 nm 頻譜，其 頻寬達到 380 至 410 nm，適合應用於高密 度超寬頻光源之光纖通訊系統。圖八為寬 頻光源輸出光譜穩定之測試圖，其頻譜穩 定性達每小時±0.03dB。

四、討論與結論

本計畫係一個三年的計畫整個計畫執 行包括水平整合與垂直整合。第一年各子 計畫偏重於水平整合，第二年各子計畫將 逐漸有部分垂直整合，第三年各計畫計畫 初步完成預期高速寬頻高密度分波多工系 統模組之研製與應用，惟進一步系統動態 測試尚待努力。

五、參考文獻

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Tzong-Lin Wu and Hung-Jiun Ou,"Rigorous Analysis of Polarization

圖一、增益和泵激功率對不同輸入訊號光功率之關係圖 圖二、不同輸入訊號光波長之增益和 ASE 頻譜圖比較 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 2 4 6 8 10 12

輸入訊號光功率

-13 dBm -16 dBm -20 dBm -10 dBm -6 dBm

泵激功率 (W)

增益

(dB)

12000 1300 1400 1500 1600 4 8 12 16 20 16 18 20 22 24 26 28 30

增益

ASE 頻譜

波長 (nm)

增益

(dB)

ASE

頻譜密度

(a.

u

.)

輸入訊號光功率 = -30 dBm

圖三、雷射模組耦光功率在銲接前，銲接後及補償後之 8 顆雷射之雷射構裝 圖四、雷射模組耦光效率在銲後及補償後之 8 顆雷射模組之構裝 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Module number Couplin g powe r ( ° w) Before welding After welding After compensation 40 60 80 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Module number

C

o

u

p

lin

g

efficien

cy

(%

)

fe

After welding After compensation

1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 λ( nm) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Tc o re (d B

) LPG spectrumtarget spectrum

圖五、長週期光纖光柵設計頻譜和目標頻譜比較圖 圖六、非均勻折射率變化之長週期光纖光柵設計 頻譜和目標摻鉺光纖放大器頻譜比較圖 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560 1565 λ(nm) -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Tc o re (d B ) LPG Spectrum Target Spectrum

圖七、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 圖八、寬頻光源之輸出光譜穩定性測試圖