行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
總計畫:高速寬頻高密度分波多工系統模組之研製及應用
(2/3)
計畫類別: 整合型計畫 計畫編號: NSC91-2215-E-110-015-執行期間: 91 年 08 月 01 日至 92 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: 精簡報告 處理方式: 本計畫可公開查詢中
華
民
國 92 年 5 月 23 日
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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
□ 成 果 報
告 þ期中
進度
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(2/3)Fabrication and Application of High-Speed Broadband Modules in Dense Wavelength Division Multiplexing System
計畫類別:□ 個別型計畫
þ整合型計畫
計畫編號:
NSC 91-2215-E-110-015
執行期間:
91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日
計畫主持人:鄭木海 中山大學 光電所 教授
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交):þ精簡報告 □完整
報告
本成果報告包括以下應繳交之附件:
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
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處理方式:除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究
計畫、列管計畫及下列情形者外,得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權,þ一年□二年後可公開
查詢
執行單位:國立中山大學光電工程研究所
附件一中 華 民 國 92
年
5
月
23
日
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行政院國家科學委員會專題研究計劃期中報告
高速寬頻高密度分波多工系統模組之研製與應用總計畫(2/3)
Fabrication and Application of High-Speed Broadband Modules in Dense Wavelength Division Multiplexing System
計劃類別:o個別型計劃þ整合型計劃 計劃編號:NSC 91-2215-E-110-015 執行期間:91 年 8 月 1 日至 92 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 1.4µ 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 1.4µm 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。
6 三、研究方法與成果 本計畫第二年(91年度)進度擬完成摻鉻 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980nm幫浦雷射模組之 研製與量測。 圖一為子計畫一Cr-YAG晶體光纖輸出功 率跟幫浦功率關係圖,在800 mW幫浦功率 大,晶體光纖有100µm輸出功率,圖中說明 Cr:YAG核心直徑為100µm,而晶體光纖輸出頻 可由1150至1650 nm相當寬頻。 圖二為子計畫二蝶式雷射模組銲後位移 之控制,Type I馬鞍與光纖套管間距公差為0, 而TypeII為5 mm。TypeII設計其整體雷射模組 構裝銲前與銲後耦光效率無明顯下降,因此 TypeII設計可提高雷射模組構裝之良率。 圖三為子計畫三寬頻耦合器之研製,其頻 寬在1300至1600 nm變化僅10%,本寬頻耦合 器主要參數控制為火焰溫度、火焰婦速及光纖 拉速。圖三(a)係二根光纖耦合情形,三(b) 為模擬結果,而三(c)為插入損失量測與模 擬結果,其插入損失為0.5 dB。 圖四維子計畫四光譜分析量測圖,由光譜 分析儀之量測結果顯示,本實驗室所提出之高 功率寬頻帶光源其總功率輸出可達120mW,光 譜範圍1527-1561 nm中,其功率密度均大於0 dBm/nm,單位波長最大功率達6.9 dBm。 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,以期在第三年計畫 期滿完成高速寬頻高密度分波多工系統模 組之研製與應用。
圖一、Over 100-µW of ASE power was generated by a pyrex-clad Cr:YAG crystal fiber with a pump power of 800 mW. The insets show the spectrum and cross-section of the fiber.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 -1 0 1 2 3 4 5 6 Type I Type II 圖二、光功率與銲接次數關係圖 0 20 40 60 80 100 120 140 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Pump power (mW) ASE power ( µ W) -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 1150 1250 1350 1450 1550 1650 Wavelength (nm) S p ectr al d en sit y ( a. u .) 100-µm core O p ti ca l p o w er ( ì W ) Welding sequence 80nm 及1300至 1600nm之光源 980nm 1300至 1600nm
P
1P
2圖三(a)The schematic of the wideband WDM coupler. The pumping source of 980nm and the broadband signal from 1300nm to 1600nm are coupled to a output port with low insertion loss.
8 0dBm 0dBm 1527nm 1561nm ∆λ=34nm d/r=1.98之波長響應 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 wavelength(um) splitting ratio(%) P1 P2
圖三(b)The simulated normalized coupling ration at port1 and port2 for the wavelength from 1300nm to 1800nm.The cross-section aspect ratio is d/r =1.98.
d/r=1.94之波長響應 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.3 1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 wavelength(um)
Splitting ratio(% ) Simulate Fabricate
圖三(c)Simulated and measured coupling ratio at port1. The agreement between them is very good. It is found that The insertion loss for signal is lower than 0.5dB.