以超薄薄膜濾波器和光纖在矽工作台上建構雙向光收發模組

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(1)♁ 國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 以超薄薄膜濾波器和光纖在矽工作台上建構雙向光收發模組 Bidirectional Transceiver Modules on the Silicon Bench using Ultra-thin Thin-film Filter and Optical Fibers. 研究生：楊家欽撰指導教授：朱安國博士. 中華民國九十四年六月.

(2) 誌謝. 在這研究所兩年的期間，首先要感謝指導教授朱安國博士，在這兩年的期間給我的指導以及鞭策，讓我學習到許多東西，不只是在專業知識上的指導，還教導了在面對問題時所需態度以及思考模式，尤其是老師的名言：「難道你一次只能做一件事嗎？」這句名言將讓我受用一生。感謝淵哥、縫治、位哥、馬哥、欲董、倫哥、豪爺等學長的教導。還要特別感謝對我最照顧的淵哥以及欲董，當我遇到問題時給予我的指導，讓我可以順利的解決問題。同時也感謝這兩年來同甘共苦的好夥伴爽峰、周董、鬱卒凱，大家彼此勉勵以及切磋。還有辛苦的學弟們茂賢、怡廷、夢璁、嘉均，有你們幫忙實驗室的雜事，讓我可以專心的作實驗，謝謝你們這一年的辛苦。最後要感謝的是我的父母、家人以及朋友們，因為有你們的支持，讓我在這兩年期間可以順利完成學業。期許自己在未來可以繼續不斷的努力和進步，不會辜負老師以及家人的期望。.

(3) 摘要. 本論文的目的是利用光纖與Ultra-thin TFF(Thin-film Filter)為基礎，並且利用 V 槽 (V-groove) 以及 U 槽 (U-groove) 將其積體化整合 (Hybrid Integration)至矽工作台(Silicon Bench)上。輸入光源我們將採取1.31 µm及1.55 µm兩種通訊用的光源，1.31 µm入射光源將穿透TFF 傳輸至另一光纖輸出端，而1.55 µm入射光源將被TFF反射至另一多模光纖，再由光檢器接收。本論文中我們將製作兩種不同的光收發模組，第一種雙向光收發模組是以單模光纖為傳輸通道，1.31 µm入射光源經單模光纖穿透TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端，量得的插入損耗為5.66 dB，而1.55 µm 入射光源被TFF反射至另一多模光纖，量得的插入損耗為0.46 dB。第二種雙向光收發模組則改用光纖透鏡作為傳輸通道，1.31 µm 入射光源經光纖透鏡穿透TFF傳輸至另一光纖透鏡輸出端時，量得之插入損耗為0.98 dB，而1.55 µm入射光源被TFF反射至另一多模光纖，量得的插入損耗為0.31 dB。.

(4) Abstract. The primary target of this paper is to fabricate bidirectional transceiver modules based on single mode fiber (SMF) and ultra-thin thin-film filter (TFF). Two major components, namely, SMF and ultra-thin TFF are hybrid integrated on the silicon bench using V-groove and U-groove techniques. A 1.31 µm wavelength light was launched into the input SMF of the module. After passing through the filter, the light was received by the output SMF of the module. On the other hand, a 1.55µm wavelength light input to the SMF is reflected by the filter and collected by the output multimode fiber (MMF). Transceiver modules using two different fiber structures were fabricated. The first kind of the module uses standard SMF for 1.31 µm light transmission. The insertion loss of the module for the 1.31 µm wavelength light was 5.66 dB. In the second kind of the module lens fibers were used to replace the standard SMF. The insertion loss for the 1.31 µm wavelength light was reduced to 0.98 dB. A reduction of 4.6 dB was achieved. For both modules, the insertion loss for the 1.55 µm wavelength light reflected from the filter was around 0.5 dB..

(5) 目錄第一章導論. 1. 第二章結構特性與模擬分析. 5. 2-1 雙向光收發模組之基本結構. 5. 2-2 以單模光纖為傳輸通道之理論模擬. 10. 2-3 以埋藏式光波導(一)為傳輸通道之理論模擬. 12. 2-4 以埋藏式光波導(二)為傳輸通道之理論模擬. 17. 2-5 以埋藏式光波導(三)為傳輸通道之理論模擬. 21. 2-6 模擬結果與討論. 25. 第三章量測分析. 26. 3-1 結構(一)之量測分析. 26. 3-2 結構(二)之量測分析. 29. 3-3 結構(三)之量測分析. 32. 3-4 結構(四)之量測分析. 35. 3-5 量測分析與討論. 38. 第四章元件之製作. 39. 4-1 矽工作台製作流程. 39. 4-2 超薄薄膜濾波器與光纖封裝. 46. 4-3 製程分析與討論. 49.

(6) 第五章雙向光收發模組之量測與分析. 51. 5-1 雙向光收發模組(一)之光學特性量測. 51. 5-2 雙向光收發模組(二)之光學特性量測. 55. 5-3 量測結果與分析. 58. 第六章實驗結果與討論. 59.

(7) 圖目錄第二章結構特性與模擬分析圖 2-1-1. 傳統雙向光收發模組之基本結構圖. 6. 圖 2-1-2. 模組之基本結構圖. 7. 圖 2-1-3. 光譜分析量測系統架設圖. 8. 圖 2-1-4. 量測光頻譜圖. 8. 圖 2-1-5. 光纖透鏡的照片. 9. 圖 2-2-1. 單模光纖模擬之基本光場圖. 10. 圖 2-2-2. 模擬結構示意圖. 11. 圖 2-2-3. 損耗與光纖輸出端橫向位移之關係圖. 11. 圖 2-3-1. 光波導(一)之基本結構圖. 12. 圖 2-3-2. 光波導(一)模擬之基本光場圖. 13. 圖 2-3-3. 光波導(一)模擬結構示意圖. 14. 圖 2-3-4. 損耗與光波導(一)輸出端橫向位移之關係圖. 14. 圖 2-3-5. 以 Tapered waveguide 為輸出端模擬結構(一). 15. 圖 2-3-6. Tapered waveguide width 與 coupling loss 關係圖(一) 16 圖 2-4-1. 光波導(二)之基本結構圖. 17. 圖 2-4-2. 光波導(二)模擬之基本光場圖. 18. 圖 2-4-4. 損耗與光波導(二)輸出端橫向位移之關係圖. 19.

(8) 圖 2-4-6. Tapered waveguide width 與 coupling loss 關係圖(二) 20 圖 2-5-1. 光波導(三)之基本結構圖. 21. 圖 2-5-2. 光波導(三)模擬之基本光場圖. 22. 圖 2-5-4. 損耗與光波導(三)輸出端橫向位移之關係圖. 23. 圖 2-5-6. Tapered waveguide width 與 coupling loss 關係圖(三) 24 第三章量測分析圖 3-1-1. 量測結構(一)示意圖. 27. 圖 3-1-2. 量測結構(一)俯視圖. 27. 圖 3-2-1. 量測測試示意圖(一). 29. 圖 3-2-2. 距離與損耗之關係圖(一). 29. 圖 3-2-3. 量測結構(二)示意圖. 30. 圖 3-2-4. 量測結構(二)俯視圖. 30. 圖 3-3-1. 量測測試示意圖(二). 32. 圖 3-3-2. 距離與損耗之關係圖(二). 32. 圖 3-3-3. 量測結構(三)示意圖. 33. 圖 3-3-4. 量測結構(三)俯視圖. 34. 圖 3-4-1. 量測測試示意圖(二). 35. 圖 3-4-2. 距離與損耗之關係圖(二). 35. 圖 3-4-3. 量測結構(四)示意圖. 36.

(9) 圖 3-4-4. 量測結構(四)俯視圖. 37. 第四章元件之製作圖 4-1-1. Silicon bench 詳細製作流程圖. 39. 圖 4-1-2. 成長二氧化矽系統架設圖. 40. 圖 4-1-3. 成長參數圖. 41. 圖 4-1-4. U 槽. 43. 圖 4-2-1. Silicon bench(一). 46. 圖 4-2-2. Silicon bench(二). 46. 圖 4-2-3. 固定 TFF 圖. 47. 圖 4-2-4. 機械施力固定光纖點膠前圖. 48. 圖 4-2-5. 機械施力點膠固定光纖圖. 48. 圖 4-3-1. 緩衝槽. 49. 圖 4-3-2. 膠流到光纖前端圖. 50. 圖 4-3-3. 膠沒流到光纖前端圖. 50. 第五章雙向光收發模組之量測與分析圖 5-1-1. 雙向光收發模組(一)示意圖. 51. 圖 5-1-2. 雙向光收發模組(一)俯視圖(一). 52. 圖 5-1-3. 雙向光收發模組(一)俯視圖(二). 52. 圖 5-1-4. 量測系統架設圖. 53.

(10) 圖 5-2-1. 雙向光收發模組(二)示意圖. 55. 圖 5-2-2. 雙向光收發模組(二)俯視圖(一). 56. 圖 5-2-3. 雙向光收發模組(二)俯視圖(二). 56.

(11) 表目錄. 第二章結構特性與模擬分析表 2-3-1. 光波導(一)各層結構參數. 12. 表 2-4-1. 光波導(二)各層結構參數. 17. 表 2-5-1. 光波導(三)各層結構參數. 21. 第三章量測分析表 3-1-1. 量測結構(一)之量測數據. 28. 表 3-2-1. 量測結構(二)之量測數據. 31. 表 3-3-1. 量測結構(三)之量測數據. 34. 表 3-4-1. 量測結構(四)之量測數據. 37. 第四章元件之製作表 4-1-1. EDP 蝕刻液配方. 42. 第五章量測分析表 5-1-1. 元件(一)量測之插入損耗表(一). 54. 表 5-1-2. 元件(一)量測之插入損耗表(二). 54. 表 5-2-1. 元件(一)量測之插入損耗表(一). 57. 表 5-2-2. 元件(一)量測之插入損耗表(二). 57.

(12) 第一章導論. 隨著網際網路應用的快速普及化，加上多媒體產業的蓬勃發展，對於影像、聲音等資訊的傳輸需求大幅成長，刺激了網路頻寬建設需求的快速成長。通訊網路傳輸技術的發展，由初期以銅線(Copper)傳輸基礎，但自從 1970 年代光纖出現後，因為光纖較銅線具有傳輸距離長、傳輸速率快、傳訊品性高，以及低噪音等特性，使得光纖開始被廣泛應用，而在 80 年代中期以後，更不斷地改進光源、光纖及發明不同的光配件，使得短短數十年間，光通訊技術已經由無到有，發展成為遍及全球的光纖通訊網。 70 年代的光纖通信系統主要是用多模光纖(Multimode Fiber, MMF)，應用光纖的短波長(850 nm)波段。80 年代以後逐漸改用長波長(1310 nm)，光纖逐漸採用單模光纖(Single-mode Fiber, SMF)，到 90 年代初，通信容量擴大了 50 倍，達到 2.5 Gb. s。進入 90 年代以後，. 傳輸波長又從 1310 nm 轉向更長的 1550 nm 波長，並且開始使用光纖放大器、多波分工(WDM)技術等新技術。通信容量和中繼距離繼續成倍增長，廣泛地應用於市內電話中繼和長途通信幹線，成為通信線路的骨幹。而用戶端光纖化將是未來光通訊的目標，目標的達成則必須仰賴光通訊技術能開發出更高傳輸速率、更大頻寬以及更低價格的. 1.

(13) 光通訊元組件產品。元件的整合功能及大量製造將成為元件廠的未來發展走向。相較於單一元件所形成的單一功能而言，將多種功能整合於一模組既可達到快速大量生產且同時降低元件所佔的空間，當光纖通訊朝向用戶端發展時，低價、能大量生產、體積小及多通道數(Channel count)的光通訊元件或系統將是必然的發展趨勢。隨著光纖到戶(Fiber To The Home, FTTH) [1]構想的提出，與 DSL 以及 Cable 相比，光纖到戶可以提供更優越的傳輸性能，這更是電信業者能夠進入電視市場最大的希望之所在，就如大家一直談論的 triple Play(同時傳輸語音、數據與多媒體視訊)服務。而光纖到戶的計畫，也帶動對於雙向光收發模組(Bidirectional Transceiver Modules)的需求。本論文所製作的雙向光收發模組就是以不同型式的光纖與超薄薄膜濾波器(Ultra-thin thin-film filter) [2]為基礎，並且利用 V 槽 (V-groove)以及 U 槽(U-groove)將其積體化整合(Hybrid integration)至矽工作台(Silicon bench)上，此結構非常適合於多重輸出/輸入的系統 (Multi-input/output system)。我們先將大小 300 µm × 500 µm 厚約 50 µm 的薄膜濾波器放置 U 槽[3]，再將不同型式的光纖置入 V 槽，利用被動對準的方式，取. 2.

(14) 代傳統昂貴耗時的主動對準方式 [4-8]。輸入光源我們將採取 1.31 µm 及 1.55 µm 兩種通訊用的光源，1.31 µm 入射光源將穿透 TFF 傳輸至另一光纖輸出端，而 1.55 µm 入射光源將被 TFF 反射至另一多模光纖，再由光檢器接收。在本論文中，第二章將介紹我們所設計的雙向光收發模組的基本結構，並且利用 Beam Propagation Method (BPM) CAD 這套軟體模擬計算通訊用的光源 1.31 µm，經由單模光纖(SMF)穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端的插入損耗(Insertion loss)。我們又設計三種不同波導尺寸，以埋藏式光波導(Buried waveguide)取代單模光纖，模擬當入射光源為 1.31 µm，經由波導穿透 TFF 傳輸至另一波導輸出端時所產生的損耗。第三章中我們將建立一光學系統進行量測測試，而這些量測所得數據將作為我們設計製作 silicon bench 所需之數據。第四章為詳細的元件製作流程，包含 thermal oxide 的成長，黃光微影及濕蝕刻的技術等。而元件製作完成之後，經封裝後便可進行光學特性的量測。第五章將介紹我們所製作的兩種不同光收發模組之量測與分析。第一種雙向光收發模組是以單模光纖為傳輸通道，1.31 µm 入射光源經單模光纖穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端，而 1.55µm 入. 3.

(15) 射光源被 TFF 反射至另一多模光纖，第二種雙向光收發模組則改用光纖透鏡作為傳輸通道，1.31 µm 入射光源經光纖透鏡穿透 TFF 傳輸至另一光纖透鏡輸出端，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖。最後第六章為本實驗結果與討論。. 4.

(16) 第二章結構特性與模擬分析. 本章節將探討我們所設計的雙向光收發模組之結構與理論模擬分析。第一節將介紹此雙向光收發模組的基本結構以及所使用超薄薄膜濾波器的特性和不同型式的光纖。第二節將利用 BPM-CAD 這套軟體模擬通訊用的光源 1.31 µm，經由單模光纖穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端的插入損耗。在第三節、第四節和第五節中我們分別設計三種不同波導尺寸，以埋藏式光波導取代單模光纖，模擬當入射光源為 1.31 µm，經由波導穿透 TFF 傳輸至另一波導輸出端時所產生的損耗。. 2-1. 雙向光收發模組之基本結構圖2-1-1為傳統的雙向光收發器模組結構圖，它使用兩種旁通薄膜濾波器(Edge TFF)，分別為高通(High pass)及低通薄膜濾波器(Low pass TFF)，當1.31 µm雷射發出光源穿透low pass TFF傳輸至另一單模光纖輸出端時，因為low pass TFF厚約550 µm，光在傳輸過程中會有擴散的現象發生，以致於與單模光纖的耦合效率不佳，所以必須在 1.31 µm雷射前面加一個非球面鏡(Aspheric lens)，來增加1.31 µm穿透 low pass TFF與單模光纖的耦合效率。. 5.

(17) 1.55 µm入射光源經由單模光纖被low pass TFF反射至光檢器 (Photon Detector, PD)，但因low pass TFF的尺寸大小約為2 mm到 3 mm，所以光檢器沒辦法靠的很近，必須在光檢器前面再加一個high pass TFF來過濾其他的雜訊，以提高訊雜比(Signal Noise Ratio, S/N)。. 550 µm. Aspheric lens 1310 nm. TFF. 1310 nm. SMF. 1310 nm LD 1550 nm TFF. 1550 nm. 300 µm. PD. 圖 2-1-1、傳統雙向光收發模組之基本結構圖。. 而傳統的雙向光收發器模組若要用於多重輸出/輸入的系統時，往往會照成成本太高，所以我們提出一個新式的雙向光收發器模組，我們是以光纖與超薄薄膜濾波器為基礎，並且利用V槽以及U槽將其積體化整合至矽工作台上。我們將大小300 µm × 500 µm厚約50 µm的TFF放置U槽，並將不同型式的光纖置入V槽，利用被動對準的方式，取代傳統昂貴耗時的主動對準方式，此結構非常適合於多重輸出/輸入的系統。輸入光源我們將採取1.31 µm及1.55 µm兩種通訊用的光源，1.31 µm入射光源將. 6.

(18) 穿透TFF傳輸至另一光纖輸出端，而1.55 µm入射光源將被TFF反射至另一多模光纖，再由光檢器接收。. U-groove V-groove TFF 1310 nm. SMF. 1310 nm SMF. 1550 nm. 1550 nm. MMF. 圖 2-1-2、模組之基本結構圖。. 介紹完此模組的基本結構後，接著針對我們使用的超薄薄膜濾波器作光頻譜分析，我們將 chip size 為 300 µm × 300 µm，厚約 53 µm 與單模光纖夾角 45 度，然後以鎢光源經單模光纖穿透 TFF，再經由單模光纖接收光至光譜分析儀(Optical Spectrum Analyzer, OSA) 。圖 2-1-3 為光頻譜量測系統的架設。圖 2-1-4 為量測到的頻譜。. 7.

(19) SMF White light source. SMF Optical Spectrum Analyzer. TFF. 圖 2-1-3、光譜分析量測系統架設圖。. 0. L oss (dB ). -10. -20. -30. -40. -50 1200. 1250. 1300. 1350. 1400. 1450. 1500. 1550. 1600. Wavelength(nm). 圖 2-1-4、量測光頻譜圖，量測範圍為波長 1200 nm ~ 1600 nm。. 8.

(20) 由圖 2-1-4 量測光頻譜圖我們可以清楚看到當入射波長為 1.31 µm 將穿透 TFF，而當入射波長為 1.55 µm 將會被反射，我們將利用此 TFF 的特性來製作此雙向光收發模組。此模組中除了使用到單模光纖以及多模光纖外，我們也將利用光纖透鏡取代單模光纖，並且比較兩種不同光纖所製作的模組特性。圖 2-1-5 為光纖透鏡的照片。. 圖 2-1-5、光纖透鏡的照片。. 9.

(21) 2-2. 以單模光纖為傳輸通道之理論模擬我們利用 Beam Propagation Method (BPM) CAD 這套軟體模擬在 Free space 下，當 TFF 厚度為 50 µm，且單模光纖與 TFF 夾角為 45 度，當入射光源 1.31 µm 經由單模光纖穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端所產生的插入損耗。圖 2-2-1 為模擬單模光纖的基本光場圖。. Spot size : 7.6 µm × 7.6 µm 圖 2-2-1、單模光纖模擬之基本光場圖。. 10.

(22) 1310 nm. SMF. 1310 nm. SMF. TFF. 圖 2-2-2、模擬結構示意圖。. 由於單模光纖與 TFF 夾角為 45 度，所以當入射光源 1.31 µm 經由單模光纖穿透 TFF 會導致光場有一個橫向位移(Lateral shift)，當單模光纖輸出端在位移約 14 µm 有一個最佳值，插入損耗為 4.12 dB。因為光纖輸出端與輸入端距離約 200 µm，由於距離較大所以當入射光源 1.31 µm 經單模光纖穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端時，光場發散較大，以致於會有較大的損耗。圖 2-2-3 為模擬損耗與光纖橫向位移的關係圖。 0. In sertion loss (d B ). -5. -10. -15. -20. -25 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. 14. 16. 18. 20. Fiber lateral shift (µm). 圖 2-2-3、損耗與光纖輸出端橫向位移之關係圖。 11.

(23) 2-3. 以埋藏式光波導(一)為傳輸通道之理論模擬我們將設計三種不同波導尺寸，以埋藏式光波導取代單模光纖，模擬當入射光源為 1.31 µm，經由波導穿透 TFF 傳輸至另一波導輸出端時所產生的損耗。光波導 ( 一 ) 結構如圖 2-3-1 所示，其 core. Thickness. dimensions 為 5 µm × 5 µm，表 2-3-1 為波導各層結構的參數。. UV glue top cladding Core SiO2 SiON bottom cladding. Thermal Oxide Si substrate Index. 圖 2-3-1、光波導(一)之基本結構圖。. 表 2-3-1、光波導(一)各層結構參數 Layer. Index. Thickness(µm). Top cladding. 1.460. 13. Core. 1.518. 5. Bottom cladding(SiON). 1.498. 5. Thermal oxide. 1.447. 6. 12.

(24) 圖 2-3-2 為埋藏式光波導(一)模擬基本光場圖，經模擬驗證我們所設計的光波導(一)為單模傳播 [9,10]，我們並且利用相關函數法計算其侷限係數(Confinement factor) Γ 為 96.4 %，其光波導(一)與單模光纖的耦合損耗為 1.58 dB，Spot size = 4.5 µm × 4.4 µm。. Spot size : 4.5 µm × 4.4 µm Confinement factor = 96.4 % Coupling loss to SMF = 1.58 dB 圖 2-3-2、光波導(一)模擬之基本光場圖。. 13.

(25) 我們以埋藏式光波導(一)為傳輸通道，模擬當 TFF 厚度 50 µm，且埋藏式光波導與 TFF 夾角為 45 度，當入射光源 1.31 µm 經由波導穿透 TFF 傳輸至另一波導輸出端所產生的損耗。圖 2-3-3 為模擬的結構式意圖。. Waveguide. Waveguide. 1310 nm. 1310 nm TFF. 圖 2-3-3、光波導(一)模擬結構示意圖。. C oupling loss (dB ). -6. -6.5. -7. -7.5. -8 0. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1. Waveguide lateral shift (µm). 圖 2-3-4、損耗與光波導(一)輸出端橫向位移之關係圖。. 14.

(26) 由於波導與 TFF 夾角為 45 度，所以當入射光源 1.31 µm 經由波導穿透 TFF 會導致光場有一個橫向位移，當波導輸出端在位移約 0.4 µm 有一個最佳值，coupling loss 為 6.55 dB，其損耗會這麼大是因為波導輸入端與輸出端距離約 90 µm，由於距離較大，光場發散較大，以致於會有較大的損耗。為了降低 coupling loss，我們在橫向位移約 0.4 µm 處將波導輸出端改為 tapered waveguide 增加其收光效率，進而降低其損耗。圖 2-3-5 為模擬結構示意圖， X 為 tapered waveguide width(µm)，tapered waveguide 後端寬度為 5 µm，且 waveguide 深度還是為 5 µm。圖 2-3-6 為 tapered waveguide width 與 coupling loss 之關係圖。. Tapered waveguide. Waveguide. 1310 nm. X 5 µm. 1310 nm TFF. 圖 2-3-5、以 Tapered waveguide 為輸出端模擬結構(一)。. 15.

(27) 0. C oupling loss (dB ). -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. Tapered waveguide width (µm). 圖 2-3-6、Tapered waveguide width 與 coupling loss 關係圖(一)。. 當 tapered waveguide width 為 11 µm 有一個最佳值，coupling loss 為 4.69 dB，但損耗還是太大，這是因為我們設計光波導(一)的 core dimensions 為 5 µm × 5 µm，模擬光場 spot size 為 4.5 µm × 4.4 µm，其 spot size 太小當光傳輸約 90 µm 距離後光場發散很大，以致於後面的波導輸出端收光效率不佳。. 16.

(28) 2-4. 以埋藏式光波導(二)為傳輸通道之理論模擬為了改善以埋藏式光波導(一)為傳輸通道的 excess loss，我們接著設計埋藏式光波導(二)，其結構如圖 2-4-1 所示，core dimensions 為 7 µm × 7 µm，表 2-4-1 為波導各層結構的參數。其中，在 lateral. Thickness. 方向是屬於對稱型結構，而 transverse 方向則屬於非對稱型結構。. UV glue top cladding Core SiO2 SiON bottom cladding. Thermal Oxide Si substrate Index. 圖 2-4-1、光波導(二)之基本結構圖。. 表 2-4-1、光波導(二)各層結構參數 Layer. Index. Thickness(µm). Top cladding. 1.460. 13. Core. 1.5118. 7. Bottom cladding(SiON). 1.498. 5. Thermal oxide. 1.447. 6. 17.

(29) 圖 2-4-2 為光波導(二)模擬基本光場圖，利用相關函數法計算其侷限係數 Γ 為 94.85 %，spot size = 6.2 µm × 6.1 µm，其波導與單模光纖的耦合損耗為 0.34 dB。. Spot size : 6.2 µm × 6.1 µm Confinement factor = 94.85 % Coupling loss to SMF = 0.34 dB 圖 2-4-2、光波導(二)模擬之基本光場圖。. 接著我們以埋藏式光波導(二)為傳輸通道，一樣模擬當 TFF 厚度為 50 µm，且埋藏式光波導與 TFF 夾角為 45 度，當入射光源 1.31 µm 經由波導穿透 TFF 傳輸至另一波導輸出端的損耗。. 18.

(30) -4. C oupling loss (dB ). -4.2. -4.4. -4.6. -4.8. -5 0. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1. 1.2. Waveguide lateral shift (µm). 圖 2-4-3、損耗與光波導(二)輸出端橫向位移之關係圖。. 由於波導與 TFF 夾角為 45 度，所以當入射光源 1.31 µm 經由波導穿透 TFF 會導致光場有一個橫向位移，當波導輸出端在位移約 0.2 µm 有一個最佳值，coupling loss 為 4.12 dB。接著為了降低 coupling loss，我們在位移約 0.2 µm 處將波導輸出端改為 tapered waveguide 增加其收光效率，進而降低其損耗。tapered waveguide 後端寬度為 7 µm，waveguide 深度還是為 7 µm。圖 2-4-4 為 tapered waveguide width 與 coupling loss 之關係圖。. 19.

(31) 0. C oupling loss (dB ). -1 -2 -3 -4 -5 -6 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. Tapered waveguide width (µm). 圖 2-4-4、Tapered waveguide width 與 coupling loss 關係圖(二)。. 當 Tapered waveguide width 為 10 µm 有一個最佳值，coupling loss 為 3.09 dB，但損耗還是太大，這是因為我們設計光波導(二)模擬光場 spot size 為 6.2 µm × 6.1 µm，其 spot size 還是太小，所以當光傳輸約 90 µm 距離後光場發散很大，以致於後面的波導輸出端收到較少的光。. 20.

(32) 2-5. 以埋藏式光波導(三)為傳輸通道之理論模擬以埋藏式光波導(二)為傳輸通道其損耗還是太大，我們又設計光波導(三) ，其結構如圖 2-5-1 所示，表 2-5-1 為波導各層結構的參數，其 Core dimensions 為 10 µm × 10 µm，其在 lateral 方向是屬於對稱型結構，而 transverse 方向則屬於非對稱型結構。. Thickness. UV glue top cladding Core SiO2 SiON bottom cladding. Thermal Oxide Si substrate Index. 圖 2-5-1、光波導(三)之基本結構圖。. 表 2-5-1、光波導(三)各層結構參數 Layer. Index. Thickness(µm). Top cladding. 1.460. 13. Core. 1.5031. 10. Bottom cladding(SiON). 1.498. 10. Thermal oxide. 1.447. 6. 21.

(33) 圖 2-5-2 為光波導(三)模擬光場圖，利用相關函數法計算其侷限係數 Γ 為 93.8 %，Spot size = 9.2 µm × 9 µm，其波導與單模光纖的耦合損耗為 0.17 dB。. Spot size : 9.2 µm × 9 µm Confinement factor = 93.8 % Coupling loss to SMF = 0.17 dB 圖 2-5-2、光波導(三)模擬之基本光場圖。. 22.

(34) 接著我們一樣以埋藏式光波導(三)為傳輸通道，模擬當 TFF 厚度為 50 µm，且埋藏式光波導與 TFF 夾角為 45 度，當入射光源 1.31 µm 經由波導穿透 TFF 傳輸至另一波導輸出端的損耗。. C oupling loss (dB ). 0. -0.5. -1. -1.5. -2 0. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1. Waveguide lateral shift (µm). 圖 2-5-3、損耗與光波導(三)輸出端橫向位移之關係圖。. 由於波導與 TFF 夾角為 45 度，所以當入射光源 1.31 µm 經由波導穿透 TFF 會導致光場有一個橫向位移，當波導輸出端在位移約 0.6 µm 有一個最佳值，coupling loss 為 1.04 dB。為了降低 coupling loss，我們在位移約 0.6 µm 處將波導輸出端改為 tapered waveguide 增加其收光效率，進而降低其損耗。tapered waveguide 後端寬度為 10 µm，waveguide 深度還是為 10 µm。圖 2-5-4 為 tapered waveguide width 與 coupling loss 之關係圖。 23.

(35) C oupling loss (dB ). 0. -0.5. -1. -1.5 10. 11. 12. 13. 14. 15. Tapered waveguide width (µm). 圖 2-5-4、Tapered waveguide width 與 coupling loss 關係圖(三)。. 由圖 2-5-4 我們可以看出，我們將波導輸出端改為 tapered waveguide 去收光，但我們發現其收光效率沒比未改前更好，這是因為當我們將波導的 core dimensions 變為 10 µm × 10 µm，其 spot size 較大所以當光傳輸 90 µm，光場發散較小所以當我們不用 tapered waveguide，而用普通的波導去收光就可以達到最佳值。. 24.

(36) 2-6. 模擬結果與討論我們設計了三種不同尺寸的埋藏式光波導，並且利用 BPM CAD 這套軟體模擬以這三種不同尺寸大小的光波導為 1.31 µm 的傳輸通道，當入射光源 1.31 µm 經由波導穿透厚約 50 µm 的 TFF 傳輸至另一波導輸出端的損耗。我們可以發現以光波導(一)或光波導(二)為傳輸通道時，1.31 µm 經由波導穿透厚約 50 µm 的 TFF 傳輸至另一波導輸出端的特性都不佳，其主要的原因還是來至於波導輸入端與波導輸出端的距離太大，以致於當 1.31 µm 經由波導穿透傳輸至另一波導輸出端時，過程中光場發散較大，所以才會有較大的損耗。但我們可以發現當光波導 core dimensions 為 10 µm × 10 µm 時，其特性就比前兩者有較佳的值， coupling loss 為 1.04 dB。. 25.

(37) 第三章量測分析. 本章節我們將進行一連串的量測分析，而這些量測所得數據將作為我們設計製作 silicon bench 所需之數據。第一節我們以輸入端與輸出端皆為單模光纖做量測分析，而第二節我們把輸入端與輸出端改為光纖透鏡，第三節我們將輸入端改為光纖透鏡而輸出端為單模光纖，第四節則將輸入端改為單模光纖而輸出端改為光纖透鏡。. 3-1. 結構(一)之量測分析我們將大小 300 µm × 300 µm 厚約 53 µm 的 TFF 與單模光纖夾角 45 度，1.31 µm 入射光源將穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端，而 1.55 µm 入射光源將被 TFF 反射至另一多模光纖，再由光檢器接收。圖 3-1-1 為其量測結構(一)示意圖，圖 3-1-2 為量測(一)的照片。. 26.

(38) 1550 nm 1310 nm. SMF. SMF. 1310 nm. MMF. TFF. 1550 nm. 圖 3-1-1、量測結構(一)示意圖。. 圖 3-1-1、量測結構(一)俯視圖。. 27.

(39) 當 1.31 µm 入射光源經單模光纖穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端時，其插入損耗為 5.99 dB，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖，其插入損耗為 0.4 dB，多模光纖所受到的 Crosstalk 為 42 dB。我們可以發現入射光源 1.31 µm 的損耗會這麼大，其大部分的損耗還是因為單模光纖輸入端與單模光纖輸出端距離太大，距離大約為 200 µm，光場發散太大，當 1.31 µm 入射光源經單模光纖穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端時，光場發散較大，以致於會有較大的損耗。也有一部分來至於 TFF，因為在研磨的過程中，也會造成 TFF 表面的不平整或損傷，以致於當 1.31 µm 穿透 TFF 會有散射的現象發生。. 表 3-1-1、量測結構(一)之量測數據 λ (入射波長). 1310 nm 1550 nm. Insertion loss. 5.99 dB. Crosstalk. 0.4 dB. 42 dB. 28.

(40) 3-2. 結構(二)之量測分析由於以單模光纖為輸入端和輸出端，當 1.31 µm 入射光源經單模光纖穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端時，其特性不佳，插入損耗為 5.99 dB，為了降低其插入損耗，我們將輸入端與輸出端改為光纖透鏡，在做量測分析前，我們先測試 1.31 µm 經由光纖透鏡與光纖透鏡的耦合效率。圖 3-2-1 為量測測試示意圖，圖 3-2-2 為其距離與損耗的關係圖。. 1310 nm. 1310 nm. Lens fiber. Lens fiber. 圖 3-2-1、量測測試示意圖(一)。. Insertion loss (dB ). 0. -0.5. -1. -1.5 600. 650. 700. 750. 800. 850. 900. Distances (µm). 圖 3-2-2、距離與損耗之關係圖(一)。 29. 950. 1000.

(41) 當光纖透鏡與光纖透鏡距離約為 800 µm 時有一個最佳值，插入損耗為 0.45 dB。接著我們將大小 300 µm × 300 µm 厚約 53 µm 的 TFF 與光纖透鏡夾角 45 度，1.31 µm 入射光源經光纖透鏡穿透 TFF 傳輸至另一光纖透鏡輸出端，而 1.55 µm 入射光源將被 TFF 反射至另一多模光纖，再由光檢器接收。圖 3-2-3 為其量測結構(二)示意圖，圖 3-2-4 為量測(二)的照片。. 1550 nm 1310 nm. Lens fiber. Lens fiber MMF. 1550 nm. 圖 3-2-3、量測結構(二)示意圖。. 圖 3-2-4、量測結構(二)俯視圖。 30. 1310 nm.

(42) 當 1.31 µm 入射光源經光纖透鏡穿透 TFF 傳輸至另一光纖透鏡輸出端時，其插入損耗為 0.66 dB，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖，其插入損耗為 0.25 dB，多模光纖所受到的 Crosstalk 為 35.79 dB。我們可以清楚看到當以光纖透鏡為 1.31 µm 入射光源輸出輸入端時，比以單模光纖為 1.31 µm 入射光源輸出輸入端特性更佳，其插入損耗從 5.99 dB 降為 0.66 dB，1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖，其插入損耗亦從 0.4 dB 降為 0.25 dB。. 表 3-2-1、量測結構(二)之量測數據 λ (入射波長). 1310 nm 1550 nm. Insertion loss. 0.66 dB. Crosstalk. 0.25 dB. 35.79 dB. 31.

(43) 3-3. 結構(三)之量測分析為了降低其成本，我們將 1.31 µm 輸出端改為單模光纖，而輸入端一樣是光纖透鏡，在做量測分析前，我們先測試 1.31 µm 經由光纖透鏡與單模光纖的耦合效率，圖 3-3-1 為量測測試示意圖。. 1310 nm. 1310 nm. SMF. Lens fiber. 圖 3-3-1、量測測試示意圖(二)。. -4. Insertion loss (dB ). -5 -6 -7 -8 -9 -10 200. 300. 400. 500. 600. Distances (µm). 圖 3-3-2、距離與損耗之關係圖(二)。. 32. 700.

(44) 由圖 3-3-2 我們可以看出其耦合效率並非很好，當光纖透鏡與單模光纖距離約為 530 µm 時有一個最佳值，插入損耗為 5.02 dB。做完測試之後，我們還是一樣將大小 300 µm × 300 µm 厚約 53 µm 的 TFF 與光纖透鏡夾角 45 度，1.31 µm 入射光源經由光纖透鏡穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端，而 1.55 µm 入射光源將被 TFF 反射至另一多模光纖，再由光檢器接收。圖 3-3-3 為其量測結構(三) 示意圖，圖 3-3-4 為量測結構(三)的照片。. 1550 nm 1310 nm. Lens fiber. SMF MMF TFF. 1550 nm. 圖 3-3-3、量測結構(三)示意圖。. 33. 1310 nm.

(45) 圖 3-3-4、量測結構(三)俯視圖。. 當 1.31 µm 入射光源經光纖透鏡穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端時，其插入損耗為 4.98 dB，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖，其插入損耗為 0.43 dB，多模光纖所受到的 Crosstalk 為 31.92 dB。. λ (入射波長). 1310 nm 1550 nm. Insertion loss. 4.98 dB. Crosstalk. 0.43 dB. 31.92 dB. 表 3-3-1、量測結構(三)之量測數據。. 34.

(46) 3-4. 結構(四)之量測分析由於將 1.31 µm 輸入端改為單模光纖，但其耦合效率不佳，所以我們將輸出端改為光纖透鏡，而輸入端為單模光纖，在做量測分析前，我們先測試 1.31 µm 經由單模光纖與光纖透鏡的耦合效率，圖 3-4-1 為量測測試示意圖。. 1310 nm. SMF. 1310 nm. Lens fiber. 圖 3-4-1、量測測試示意圖(三)。. -4. Insertion loss (dB ). -5 -6 -7 -8 -9 -10 200. 300. 400. 500. Distances (µm). 600. 圖 3-4-2、距離與損耗之關係圖(三)。 35. 700.

(47) 由圖 3-4-2 我們可以看出其耦合效率並非很好，當光纖透鏡與單模光纖距離約為 550 µm 時有一個最佳值，插入損耗為 4.98 dB。測試完之後，我們將大小 300 µm × 300 µm 厚約 53 µm 的 TFF 與單模光纖夾角 45 度，1.31 µm 入射光源經由單模光纖穿透 TFF 傳輸至另一光纖透鏡輸出端，而 1.55 µm 入射光源將被 TFF 反射至另一多模光纖，再由光檢器接收。圖 3-4-3 為其量測結構(四)示意圖，圖 3-4-4 為量測結構(四)的照片。. 1550 nm 1310 nm. SMF TFF. Lens fiber MMF 1550 nm. 圖 3-4-3、量測結構(四)示意圖。. 36. 1310 nm.

(48) 圖 3-4-4、量測結構(四)上視圖。. 當 1.31 µm 入射光源經單模光纖穿透 TFF 傳輸至另一光纖透鏡輸出端時，其插入損耗為 5.25 dB，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖，其插入損耗為 0.28 dB，多模光纖所受到的 Crosstalk 為 42.19 dB。. λ (入射波長). 1310 nm 1550 nm. Insertion loss. 5.25 dB. Crosstalk. 0.28 dB. 42.19 dB. 表 3-4-1、量測結構(四)之量測數據。. 37.

(49) 3-5. 量測分析與討論經過這四種量測結構的測試，我們發現當以光纖透鏡為 1.31 µm 入射光源輸出輸入端時，其特性最佳。當 1.31 µm 入射光源經光纖透鏡穿透 TFF 傳輸至另一光纖透鏡輸出端時，其插入損耗為 0.66 dB，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖，其插入損耗為 0.25 dB。我們將依據這些量測數據設計兩種 silicon bench 的光罩，第一種是以單模光纖為傳輸通道的雙向光收發模組，而第二種是以為光纖透鏡傳輸通道的雙向光收發模組，我們將比較這兩種雙向光收發模組的特性。. 38.

(50) 第四章元件之製作. 在這一個章節中，我們將詳細說明此元件的製作過程。第一節將介紹 silicon bench 的詳細製作流程。第二節將說明如何把超薄薄膜濾波器固定於我們切割出來的 U 槽以及將光纖固定於 V 槽 [11,12]。第三節將討論我們封裝上遇到的困難以及如何解決。. 4-1. 矽工作台製作流程在這一節中我們將詳細介紹此 silicon bench 的製作流程其中包含 V 槽的製作以及 U 槽切割，圖 4-1-1 為 silicon bench 的製作流程圖。. 試片清洗. SiO2 濕蝕刻. 成長 Thermal oxide. V-groove 濕蝕刻. 黃光微影術. U-groove 切割製作. (被動對準定位) 圖 4-1-1. Silicon bench 詳細製作流程圖。. 39.

(51) 決定了各結構參數及製程條件之後，我們便可以開始製作元件。其製作步驟如下：. ◎ 試片清洗 1. 將 4 吋 Silicon wafer 依序泡入丙酮及異丙醇溶液，置於超音波震盪機裡，以強度九振 10 分鐘，去除晶片表面的微塵粒子。 2. 將 Wafer 泡入去離子水中，置於超音波震盪機裡，並以強度九清洗 10 分鐘，以去除晶片表面殘留的有機溶液。 3. 在以去離子水沖洗晶片約 1 分半鐘，用氮氣吹乾後置於攝氏 120℃ 的烤箱中烘烤 30 分鐘，以去除殘留在晶片表面的水氣。. ◎ 成長 Thermal oxide 4. 將清洗乾淨的矽晶片放入石英爐管，將爐管內的溫度加熱至 900℃，在通入氧氣與矽晶片表面反應成長一層約 1000Å 的 Thermal oxide，成長時間為 7 小時，系統架設如圖 4-1-2。成長參數如圖 4-1-3 所示。 Si wafer Gas. Drt O2. 圖 4-1-2、成長二氧化矽系統架設圖。. 40.

(52) °C 900. 400 25 25. 30. 120. 490. 120. 30. min. 圖 4-1-3、成長參數圖。. ◎ 黃光微影術(Photo-lighthography) 5. 將已經成長 Thermal oxide 切成 4.5 cm × 3.5 cm，然後清洗乾淨，利用光阻塗鋪機分兩段轉速在長有 Thermal oxide 的晶片上塗鋪光阻 AZ-4210，條件如下：第一階段：慢轉速 500 rpm，時間 10 秒。第二階段：快轉速 5500 rpm，時間 40 秒。 6. 將塗鋪光阻的晶片置於 Hot plate 軟烤，溫度為 100℃，時間為 90 秒，軟烤是要去除光阻內溶劑以增加光阻與晶片表面的附著力。 7. 將已進行光阻軟烤後的晶片，利用光罩對準機 I-line(波長 365nm) 曝光，曝光時間為 15 秒。. 41.

(53) 8. 用加水稀釋濃度 20 %的 AZ-400K 顯影液進行顯影，顯影時間約為 32 秒。 9. 再將顯影完的晶片放置 Hot plate 進行光阻硬烤，溫度設定為 120℃，時間為 120 秒。. ◎ SiO2 濕蝕刻(Wet etching) 10. 接著利用 BOE(NH4F：H2O = 70 g：135 c.c. then add HF 12 c.c.)蝕刻液作 SiO2 的濕蝕刻，蝕刻時間約四分鐘。 11. 以去離子水沖洗試片約 1 分半鍾，再用氮氣吹乾。 12. 將晶片放置丙酮中約 30 分鐘，再以異丙醇及去離子水去沖洗試片上殘餘的光阻。. ◎ 矽的 V 槽濕蝕刻(Wet etching) 13. 將晶片置入 EDP 溶液進行濕蝕刻，蝕刻速率約為 0.5 µm/min。表 4-1-1 為 EDP 溶液配方表。. PC(C6H6O2). 45 g. H2O. 120 c.c.. EDA(NH2CH2CH2NH2). 255 c.c.. 表 4-1-1、EDP 蝕刻液配方。 42.

(54) ◎ U 槽(U-groove)製作 14. 我們使用的是 Disco DAD-320 鑽石刀切割機切割出放置 TFF 的 U 槽，進刀速率為 0.5 mm/sec，切割寬度約為 60 µm，切割深度約為 300 µm。圖 4-1-4 為利用切割機切割出放置 TFF 的 U 槽。. V槽. U槽. 圖 4-1-4、U 槽。. 整個 Silicon bench 製作過程示意圖如下： 1. 試片清洗以及成長二氧化矽. Thermal Oxide Si substrate. 43.

(55) 2. 光阻塗鋪. PR Thermal Oxide Si substrate. 3. 曝光顯影. PR Thermal Oxide Si substrate. 4. 二氧化矽濕蝕刻. PR Thermal Oxide Si substrate. 44.

(56) 5. 光阻移除. Thermal Oxide Si substrate. 6. V-groove 濕蝕刻. Thermal Oxide Si substrate. 45.

(57) 4-2. 超薄薄膜濾波器與光纖封裝我們依據之前量測測試所的數據去設計製作兩種 silicon bench，圖 4-2-1 為用來製作以單模光纖為傳輸通道的雙向光收發模組之 silicon bench，而圖 4-2-2 為用來製作以光纖透鏡為傳輸通道的雙向光收發模組之 silicon bench。. V槽 U槽. 圖 4-2-1、Silicon bench(一)。. V槽. U槽. 圖 4-2-2、Silicon bench(二)。 46.

(58) 完成 silicon bench 的製作後，我們將大小 300 µm × 500 µm 厚約 50 µm 的 TFF [13]放置 U 槽，接著我們使用微量的 OG-125 UV 膠，讓膠流進 U 槽，再用型號 Ultracure 100 Plus 的 UV 點光源曝光機照射，照射功率為 34W，照射時間為 3 分鐘，將 TFF 固定住。圖 4-2-3 為我們將 TFF 放置於 U 槽並且上 UV 膠固定時的照片。. TFF V槽 U槽. 圖 4-2-3、固定 TFF 圖。. 上膠固定 TFF 後，接著我們將單模光纖置於 V 槽，然後在光纖上方放置 Pyrex-7740 玻璃並且利用機械施力的方式向下壓，接著我們用微量的 OG-125 UV 膠點在玻璃後方，利用毛細孔現象使膠同時流進 V 槽和玻璃與 sample 間的隙縫，再用型號 Ultracure 100 Plus 的 UV 點光源曝光機照射，照射時間為 3 分鐘，將光纖固定住。. 47.

(59) Pyrex-7740玻璃. Fiber. 圖 4-2-4、機械施力固定光纖點膠前圖。. Pyrex-7740玻璃. Fiber UV膠. 圖 4-2-5、機械施力點膠固定光纖圖。. 48.

(60) 4-3. 製程分析與討論前面兩節為介紹以光纖與超薄薄膜濾波器為基礎，並且利用 V 槽以及 U 槽將其積體化整合至 silicon Bench 上，在製程中我們成功利用被動對準的方式取代傳統昂貴耗時的主動對準方式。在整個製程整合上，我們所遇到的問題是在封裝(Package)這部份，我們不希望在點膠固定光纖過程中，膠順著光纖流到前端，使得 TFF 與光纖的頭端充滿 UV 膠，導致模組特性不佳，所以我們設計一個緩衝槽，讓膠流進我們所設計的緩衝槽，這樣可以有足夠時間讓我們用曝光機曝光將膠固化以固定住光纖。圖 4-3-1 為我們設計緩衝槽的照片。. 緩衝槽. 圖 4-3-1、緩衝槽。. 49.

(61) 雖然我們設計一個緩衝槽，但在我們點膠過程中，膠會很快的順著光纖穿過緩衝槽，使得光纖的前端充滿 UV 膠，如圖 4-3-2 所示。為了解決這個問題，我們在緩衝槽後面利用切割機切割出一條 U 槽當作緩衝槽，如圖 4-3-3 所示，我們可以清楚的看見膠沒跑到光纖前端。未來我們將重新設計新的光罩，將緩衝槽的寬度拉大，以解決這個問題。. 膠流到前端. 圖 4-3-2、膠流到光纖前端圖。. 膠沒流到前端. 緩衝U槽. 圖 4-3-3、膠沒流到光纖前端圖。 50.

(62) 第五章雙向光收發模組之量測與分析. 本章節我們將介紹我們所製作的兩種雙向光收發器模組之量測與分析。首先在第一節裡談到的是以單模光纖為傳輸通道的雙向光收發模組之光學特性量測。第二節則是討論以光纖透鏡為傳輸通道的雙向光收發模組之光學特性量測。最後第三節是整個量測過程的結論與分析。. 5-1. 雙向光收發模組(一)之光學特性量測我們已經利用 V 槽以及 U 槽將光纖與超薄薄膜濾波器積體化整合至 silicon Bench 上。我們將大小 300 µm × 500 µm 厚約 50 µm 的 TFF 放置 U 槽，並將單模光纖置入 V 槽，再利用 UV 膠將其固定，以被動對準的方式，取代傳統主動對準的方式。圖 5-1-1 為第一種雙向光收發模組的示意圖。 1550 nm 1310 nm. SMF. SMF. 1310 nm. MMF. TFF. 1550 nm. 圖 5-1-1、雙向光收發模組(一)示意圖。 51.

(63) 圖 5-1-2 為以單模光纖為傳輸通道的雙向光收發模組之俯視圖(一)，圖 5-1-3 一樣為以單模光纖為傳輸通道的雙向光收發模組之俯視圖(二) 。. TFF. SMF. MMF. SMF. 圖 5-1-2、雙向光收發模組(一)俯視圖(一)。. TFF. SMF. SMF MMF. 圖 5-1-3、雙向光收發模組(一)俯視圖(二)。. 52.

(64) 為了量測此雙向光收發模組的插入損耗，我們架設了一套光學量測系統，圖 5-1-4 為我們所架設的光學量測系統，輸入光源我們將採取 1.31 µm 及 1.55 µm 兩種通訊用的光源，1.31 µm 入射光源將經由單模光纖穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端，而 1.55 µm 入射光源將被 TFF 反射至另一多模光纖，再由光檢器接收。我們將不經元件的光訊號強度與經過元件的光訊號強度做比較，就可以得知經過元件的光訊號衰減值。. 1550 nm LD 1310 nm. Modules. 1310 nm LD. 1310 nm 1550 nm. 1550 nm. Back reflection meter. Back reflection meter. 圖 5-1-4、量測系統架設圖。. 53.

(65) 我們做了兩組以單模光纖為傳輸通道的雙向光收發模組，第一組模組經過量測結果，當 1.31 µm 入射光源經單模光纖穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端時，量得之插入損耗為 5.66 dB，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖，量得之插入損耗為 0.46 dB，多模光纖所受到的 Crosstalk 為 33.41 dB。第二組模組經過量測結果，當 1.31 µm 入射光源經單模光纖穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端時，量得之插入損耗為 5.89 dB，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖，量得之插入損耗為 0.47 dB，多模光纖所受到的 Crosstalk 為 34.32 dB。. 表 5-1-1、元件(一)量測之插入損耗表(一) λ (入射波長). 1310 nm 1550 nm. Insertion loss. 5.66 dB. Crosstalk. 0.46 dB. 33.41 dB. 表 5-1-2、元件(一)量測之插入損耗表(二) λ (入射波長). 1310 nm 1550 nm. Insertion loss. 5.89 dB. Crosstalk. 0.47 dB. 34.32 dB. 54.

(66) 5-2. 雙向光收發模組(二)之光學特性量測由於以單模光纖為輸入端和輸出端，當 1.31 µm 入射光源經單模光纖穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端時，其特性不佳，我們將輸入端與輸出端改為光纖透鏡。我們一樣將大小 300 µm × 500 µm 厚約 50 µm 的 TFF 放置 U 槽，並將光纖透鏡置入 V 槽，利用被動對準的方式，取代傳統主動對準的方式。1.31µm 入射光源經光纖透鏡穿透 TFF 傳輸至另一光纖透鏡輸出端，而 1.55µm 入射光源將被 TFF 反射至另一多模光纖，再由光檢器接收。圖 5-2-1 為第二種雙向光收發模組的示意圖。. 1550 nm 1310 nm. Lens fiber. Lens fiber MMF. 1550 nm. 圖 5-2-1、雙向光收發模組(二)示意圖。. 55. 1310 nm.

(67) TFF. Lens fiber. MMF. Lens fiber. 圖 5-2-2、雙向光收發模組(二)俯視圖(一)。. TFF. Lens fiber. Lens fiber MMF. 圖 5-2-3、雙向光收發模組(二)俯視圖(二)。. 56.

(68) 我們一樣做了兩組以光纖透鏡為傳輸通道的雙向光收發模組，第一組模組經過量測結果，當 1.31 µm 入射光源經光纖透鏡穿透 TFF 傳輸至另一光纖透鏡輸出端時，量得之插入損耗為 1.06 dB，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖，量得之插入損耗為 0.27 dB，多模光纖所受到的 Crosstalk 為 38.75 dB。第二組模組經過量測結果，當 1.31µm 入射光源經光纖透鏡穿透 TFF 傳輸至另一光纖透鏡輸出端時，量得之插入損耗為 0.98dB，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖，量得之插入損耗為 0.31 dB，多模光纖所受到的 Crosstalk 為 37.65 dB。. 表 5-2-1、元件(二)量測之插入損耗表(一) λ (入射波長). 1310 nm 1550 nm. Insertion loss. 1.06 dB. Crosstalk. 0.27 dB. 38.75 dB. 表 5-2-2、元件(二)量測之插入損耗表(二) λ (入射波長). 1310 nm 1550 nm. Insertion loss. 0.98 dB. Crosstalk. 0.31 dB. 37.65 dB. 57.

(69) 5-3. 量測結果與分析我們製作了兩種不同的光收發模組，第一種雙向光收發模組是以單模光纖為傳輸通道，1.31 µm 入射光源經單模光纖穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端時，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖。第二種雙向光收發模組則改用光纖透鏡作為傳輸通道，1.31 µm 入射光源經光纖透鏡穿透 TFF 傳輸至另一光纖透鏡輸出端時，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖。我們兩種雙向光收發模組各製作了兩個，由量測結果發現，我們可以發現每種的雙向光收發模組都有良好的再現性。這兩種不同傳輸通道的雙向光收發模組，我們發現當以光纖透鏡為 1.31 µm 入射光源輸出輸入端時，其特性最佳，第一組當 1.31 µm 入射光源經光纖透鏡穿透 TFF 傳輸至另一光纖透鏡輸出端時，量得之插入損耗為 1.06 dB，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖，量得之插入損耗為 0.27 dB。第二組當 1.31 µm 入射光源經光纖透鏡穿透 TFF 傳輸至另一光纖透鏡輸出端時，量得之插入損耗為 0.98 dB，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖，量得之插入損耗為 0.31 dB。. 58.

(70) 第六章實驗結果與討論. 我們已經成功利用 V 槽以及 U 槽將不同型式的光纖與超薄薄膜濾波器積體化整合至 silicon bench 上，製作出兩種不同傳輸通道的雙向光收發模組。我們將大小 300 µm × 500 µm 厚約 50 µm 的 TFF 放置 U 槽，並將不同型式的光纖置入 V 槽，利用被動對準的方式，取代傳統昂貴耗時的主動對準方式，此結構非常適合於多重輸出/輸入的系統。模擬部分，我們設計了三種不同尺寸大小的波導，並且以 BPM CAD 去模擬波導結構的基本光場以及與單模光纖的耦合效率，而且也模擬了以這三種不同尺寸大小的光波導為 1.31 µm 的傳輸通道，當入射光源 1.31 µm 經由波導穿透厚約 50 µm 的 TFF 傳輸至另一波導輸出端的損耗。第一種雙向光收發模組是以單模光纖為傳輸通道，1.31 µm 入射光源經單模光纖穿透 TFF 傳輸至另一單模光纖輸出端時，量得之插入損耗為 5.66 dB，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖，量得之插入損耗為 0.53 dB。第二種雙向光收發模組是以光纖透鏡為傳輸通道，1.31 µm 入射光源經光纖透鏡穿透 TFF 傳輸至另一光纖透鏡輸出端時，量得之插. 59.

(71) 入損耗為 0.98 dB，而 1.55 µm 入射光源被 TFF 反射至另一多模光纖，量得之插入損耗為 0.31 dB。. 60.

(72) 參考文獻 1. Hiroaki Okano, Akihiro Hiruta, Haruyasu Komano, “Hybrid Integrated Optical WDM Transceiver Module for FTTH Systems”, U.D.C. 621.372.88.029.72.049.776 2. Rémy Parmentier and Michel Lequime, ”Substrate-strain-induced tunability of dense wavelength-division multiplexing thin-film filters”, OPTICS LETTERS, Vol. 28, No. 9, May 1, 2003 3. Kazuki Kudo, Kunio Koyabu, Fumikazu Ohira, Mitsushi Matsunaga and Yasuyuki Inoue, ”A thin-filter insertion machine for optical WDM transceiver modules”, Precision Engineering 23, pp. 34–38, 1999. 4. R. Moosburger, R. Hauffe, U. Siebel, ”Passive Alignment of Single-Mode Fibers to Integrated Polymer Waveguide Structures Utilizing a Single Mask Process”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 11, No. 7, Juy 1999. 5. Randall B. Wilson and Robert A. Boudreau, ”Single-mode laser/fiber coupling yields using silicon v-groove passive alignment”, AMP Journal of Technology, Vol.4, pp. 41-48, 1995. 6. Carola Strandman and Ylva B¨acklund, ”Bulk Silicon Holding Structures for Mounting of Optical Fibers in V-Grooves”, JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 6, NO. 1, MARCH 1997. 7. M. H. Choi, H. J. Koh, E. S. Yoon, K. C. Shin and K. C. Song, ”Self-Aligning Silicon Groove Technology Platform for the Low Cost Optical Module”, 1999 Electronic Components and Technology Conference.

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