合併光應力與直接調變之被動光網路上行光源可靠度與劣化分析

(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

合併光應力與直接調變之被動光網路上行光源可靠度與劣化分析

研究成果報告(精簡版)

計畫類別：個別型

計畫編號： NSC 100-2221-E-011-088-

執行期間： 100 年 08 月 01 日至 101 年 07 月 31 日執行單位：國立臺灣科技大學電子工程系

計畫主持人：劉政光共同主持人：徐世祥

計畫參與人員：碩士班研究生-兼任助理人員：洪昱全碩士班研究生-兼任助理人員：時國昇碩士班研究生-兼任助理人員：陳柏安碩士班研究生-兼任助理人員：林柏宏碩士班研究生-兼任助理人員：林晁磊碩士班研究生-兼任助理人員：陳昱安碩士班研究生-兼任助理人員：邱騰輝

報告附件：出席國際會議研究心得報告及發表論文

公開資訊：本計畫可公開查詢

中華民國 101 年 08 月 20 日

(2)

中文摘要：在數位匯流的發展中，廣播、通訊與網路三體合流，驅使電路交換為封包交換甚至為像框交換，為提供更完善更安全的服務，如語音/數據/影像傳輸、網際網路影音、視訊會議、

雲端服務等，數位匯流又引發有線與無線匯流。著眼下世代資通網，WDM-PON 頗有發展潛力，然而，其 ONU 光源之可靠度資訊不足，影響到市場認同度，也間接影響相關產品價格與可靠度設計。我們著重於 PON ONU 中光纖相關元組件之可靠度試驗，以注入上鎖 FP-LD 雷射為研究重心，進行 FP-LD 與 VCSEL 之可靠度試驗、特性量測分析、失效或劣化分析等，俾利數位匯流與有線與無線匯流之發展。

中文關鍵詞：被動光學網路、可靠度、雷射二極體、直接調變、光應力、

失效分析

英文摘要： During the development of digital convergence, the merging of broadcasting, communication, and

networking services have aroused us to switch

switching technique from circuit switching to packet switching or even frame switching. Moreover, the fixed-mobile convergence can provide better services with security, such as triple play, internet video, video conference and cloud service. As for next generation communication, WDM-PON has potential applications. However, its marketing is still a big issue, due to being lack of reliability information about its ONU components. Problems remain also in price of devices and their reliability designs.

Aiming at reliability tests of components in PON ONUs, Concentrations will be made on the injection- locked FP-LD. In this project, we focus on

reliability test of FP-LD and VCSEL lasers, including component characterization, and failure/degradation analysis of direct-modulation lasers.

英文關鍵詞： Passive optical network, reliability, laser diodes,

direct modulation, optical stress, failure analysis

(3)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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合併光應力與直接調變之被動光網路上行光源可靠度與劣化分析

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計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫計畫編號：NSC －100－2221－E－011－088 執行期間：100 年 8 月 1 日至 101 年 7 月 31 日

計畫主持人：劉政光教授共同主持人：徐世祥教授

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

■出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：國立台灣科技大學電子系

中華民國 101 年 8 月 7 日

(4)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

合併光應力與直接調變之被動光網路上行光源可靠度與劣化分析

Reliability and Failure Analyses of Combined Optical-Stress and

Direct-Modulation on Up-streaming Lasers in PONs

計畫編號：NSC 100-2221-E-011-088 執行期限：100 年 8 月 1 日至 101 年 7 月 31 日

主持人：劉政光教授國立台灣科技大學電子系共同主持人：徐世祥教授國立台灣科技大學電子系

一、中文摘要:

在數位匯流的發展中，廣播、通訊與網路三體合流，驅使電路交換為封包交換甚至為像框交換，為提供更完善更安全的服務，如語音/數據/影像傳輸、網際網路影音、

視訊會議、雲端服務等，數位匯流又引發有線與無線匯流。著眼下世代資通網，

WDM-PON 頗有發展潛力，然而，其 ONU 光源之可靠度資訊不足，影響到市場認同度，也間接影響相關產品價格與可靠度設計。我們著重於 PON ONU 中光纖相關元組件之可靠度試驗，以注入上鎖 FP-LD 雷射為研究重心，進行 FP-LD 與 VCSEL 之可靠度試驗、特性量測分析、失效或劣化分析等，俾利數位匯流與有線與無線匯流之發展。

關鍵詞：被動光學網路、可靠度、雷射二極體、直接調變、光應力、失效分析

Abstract:

During the development of digital convergence, the merging of broadcasting, communication, and networking services have aroused us to switch switching technique from circuit switching to packet switching or even frame switching. Moreover, the fixed-mobile convergence can provide better services with security, such as triple play, internet video, video conference and cloud service. As for next generation communication, WDM-PON has potential applications. However, its marketing is still a big issue, due to being lack of reliability information about its ONU components.

Problems remain also in price of devices and their reliability designs. Aiming at reliability tests of components in PON ONUs, Concentrations will be made on the injection-locked FP-LD. In this project, we focus on reliability test of FP-LD and VCSEL lasers, including component characterization, and failure/degradation analysis of direct-modulation lasers.

Keywords: Passive optical network,

reliability, laser diodes, direct modulation, optical stress, failure analysis

二、緣由與目的

在數位匯流(Digital Convergence)的發展趨勢中，廣播、通訊與網路三體合流驅使電路交換為封包交換甚至為像框交換，

此一發展中影音傳播為一要角，由VoIP IP-TV進展到網際網路影音，如Internet Video，Internet TV，VOD等進而到線上影音與即時影像，如視訊電話、互動網路遊戲、視訊會議，此外各項服務的需求更是蓬勃發展，如語音、數據、視頻(三網合一)、

多媒體服務、雲端服務等，均為產業界、

研究界與學術界努力的目標。另一方面，

為完成廣播、通訊與網路之完美結合，為提供更完善更安全的服務，數位匯流又引發了有線與無線匯流（Fixed and Mobile convergence），小區域可經由無線技術來服務，如femto cell或pico cell，而基地台與基地台或與局端之交流最好靠有線技術。

有線傳輸時由於頻寬需求，光纖傳輸是被

看好的，而被動光纖網路（Passive Optical

(5)

Network-PON）更是大家所熱衷的。

PON具有許多優點，譬如：節省元件資源、

設備維護管理成本低廉，大家普遍以PON 為光纖通訊的最佳選擇。PON已有數種，

如APON、EPON (Ethernet PON)、GPON (Gigabit PON)、WDM-PON 等；目前PON 的實體層中，10G EPON與EPON 已有整合趨勢，若著眼下世代通訊需求，WDM-PON 將是頗有前途的。本計劃研究標的為 PON，而以WDM-PON 為主要考量。實體層的發展已有不少技術，在WDM-PON架構中，除了使用可調濾波器與其他被動光學組件外，在OLT (Optical Line Terminal) 端我們可以使用下行用可調波長雷射 SG-DBR、TL、或DFB 傳送器與突發(Burst) 受訊器。在ONU (Optical Network Unit) 端，除了需要受訊器外，我們可以採用上行用FP-LD雷射或RSOA發訊器，但在長時間使用下，又在價格考量下，其市場普及性頗受其可靠度影響，而FP-LD雷射之可靠度資訊缺乏，探討其可靠度資訊是本研究的主要目的。此外，半導體雷射若缺乏關愛的眼神，其壽命遠不如一般電子元組件，ONU端元組件之價格與可靠度影響光纖到家的發展。高技術水準產品，可能因可靠度不佳或缺乏可靠度資訊而導致市場低認同度，妨礙其普及化，我們除重視技術層次之開發外，也應研究其應用面，譬如價格、效能與品質的平衡點與可靠度考量。有鑑於此，本計劃將著重於PON ONT 直調雷射之可靠度試驗，而以FP-LD與 VCSEL為重心進行探討。

三、研究方法與進行步驟

上行雷射光源可靠度計畫一方面進行元件可靠度測試條件設計研究，一方面進行其光電特性偵測，考慮在外加電應力與環境應力下，進行量測與分析。以系裡光纖網路實驗室及通訊實驗室設備為基礎，

利用近幾年已購置之許多貴重儀器、模組及元件，如 BERT、Eye-Diagram Tester、

PON Burst-Mode Tester 等量測系統，以及環境測試系統等試驗裝備來進行可靠度試驗。實驗探討上行雷射光源以 VCSEL 與波長上鎖 FP-LD 上行雷射為主要標的，設計相關可靠度試驗，進行實體試驗。並且，

進行特性量測，包括眼形圖 Eye 量測等；

然後，將分析試驗與量測結果，提供實際應用參考或進ㄧ步研製 ONU 光源偵測與監控系統，使 PON 系統提供更完善更安全的服務。

在實驗架構設計方面，WDM-PON 架構中之 CO (Central Office)端我們可以使用下行用可調波長雷射 SG-DBR、TL、DFB 或本實驗室所自製之可調摻鉺光纖雷射 (T-EDFL)；在 ONU 端，除了需要受訊器外，我們可以採用上行用突發 RSOA 或注入式波長上鎖 FP 雷射二極體。計劃著重探討直調上行雷射光源，含 IL-FP-LD，探討直調光源單波長與多波長架構、雙/單線雙向傳輸技術、偏壓與溫度效應、光波之串擾效應、訊號控制技術等。在試驗環境/外界應力影響方面，考慮到半導體光源本身易受溫度、溼度、震動等影響其波長、功率、偏振等，進行環境對上行光源之可靠度分析，含失效、劣化分析。可靠度試驗的進行，首先探討 PON 系統中元組件與模組一般特性，選擇試驗對象；然後，針對各個試驗對象，分別設計其可靠度試驗的試驗方法，採取加速試驗方式，考量溫度試驗、選擇性燒入試驗、直流電應力、注入光光應力等；接著，設計應力強度、加應力時間、數據曲線需求等試驗條件，探討應量測與分析的元組件參數類別、量測系統架構、與量測時距。可靠度試驗元件的評估參數有平均光功率、突發光功率、

關閉時光功率、接收靈敏度、光信號眼圖、

光譜特性等。然而，目前因為光纖相關元組件普及性與價格考量，我們將不強調試驗樣品之抽樣。

計畫擬研究之對象，如光纖接頭與 FP-LD 與 VCSEL 目前尚無可靠度標準，上行雷射光源可靠度計畫主要工作項目有（i）

實施傳輸特性量測：以現有數據測試系統進行傳輸特性量測，含 Eye、光功率、光譜特性量測與相關參數分析。（ii）完成光纖跳接線與接頭之可靠度試驗，探討惡劣環境試驗條件、量測與分析試驗結果。（iii）

執行 FP-LD 之可靠度試驗，探討其燒入 (Burn-in)試驗條件、量測與分析試驗結果。

(iv)執行 VCSEL 之可靠度試驗，探討其燒

入(Burn-in)試驗條件、量測與分析試驗結

果。

(6)

四、研究結果與討論

依上述研究方法與進行步驟，上行雷射光源可靠度計畫除執行相關研究與外，

分別探討三種組件之可靠度試驗，包括跳接線與光纖接頭的可靠度試驗、直調 FP-LD 雷射的可靠度試驗、以及直調 VCSEL 雷射的可靠度試驗，以下分別摘述其可靠度試驗結果與討論：

(一)光纖接頭與跳接線可靠度試驗

廣泛光纖使用易使光纖組件長期曝露於戶外，增加光纖跳接線與接頭曝露於惡劣環境之機會，如溫度劇變、沉浸水中、

塩霧喷灑、高濕環境等。有鑑於光纖到家組件可能曝露於惡劣環境中，首先，我們參酌台灣氣候資料來設計外加試驗應力大小，收集酸雨資訊，再運用加速試驗方式，

設計出試驗溫度與振動環境，我們所模擬之惡劣環境試驗條件如下: (a). 酸雨 , pH 3.9；(b).溫度, 60℃； (c).轉速, 100 rpm。

圖 1. 酸雨之 pH 值統計 (1998–2008).

在試驗時間方面，我們把試驗樣品沉浸試驗箱中 27 天，中途於試驗前、試驗 10 天後、試驗 17 天後、試驗 24 天後、與試驗 27 天後取出進行劣化特性量測。劣化特性量測包含顯微鏡觀察、1550-nm 波長插入損量測、與其他分析。

為提供功能評估試驗，我們選擇含 FC 接頭(connectors)之跳接線(patch cord)，由於試驗空間限制，我們選擇三國所製造之淤三種跳接線分別標示為 P, Q,與 R。針對每一產廠商，我們選擇 20 組 patch cord connector 組合來試驗，經過週期性曝露於惡劣試驗環境後，進行插入損量測與接頭尖端形狀觀察。於試驗 10 天後插入損明顯上升如圖 2 所示，尤其是產品 R。圖中顯示，產品 R 之插入損在試驗前小於 0.3 dB，

優於產品 P 與產品 Q。但是，試驗 10 天後，

產品 R 之插入損變壞，27 天後插入損增加超過 1dB，而產品 P 與產品 Q 功能則較穩定。

圖 2. 光纖跳接線與接頭於酸雨、溫度、振動試驗後之量測插入損與試驗時間關係圖.

圖 2 顯示於試驗 27 天後產品 R 插入損很差，我們進行進一步分析，經由放大鏡觀察得知鏽蝕污染相當嚴重如圖 3 與圖 4 所示。圖 3 顯示試驗前與試驗後之接頭尖端狀況，大部份跳接線接頭尖端均呈現骯髒，此乃因污水與化學成份污染所致，而此接頭尖端狀況可導致插入損改變。

圖 3. 光纖跳接線接頭於酸雨、溫度、振動試驗 27 天後之尖端典型照相相片

試驗 27 天後的典型接頭與接頭尖端狀況如圖 4 所示，其鏽蝕狀況明顯可見，尤其是 R 型試驗品。

圖 4: 光纖跳接線接頭於酸雨、溫度、振動試驗 27 天之典型接頭圖

產品 R 試驗 27 天後發生嚴重鏽蝕，為

探討比較其鏽蝕細節，我們進行進一步化

學成份分析，經由高解析度 X 光化學分析

電子能譜儀分析 (High-resolution X-ray

photoelectron spectroscopy, XPS), (Electron

(7)

spectroscopy for chemical analysis, ESCA)，分析得知產品 R 的含鋅量偏低，

產品 R 的含鋅量只有產品 Q 的 0.43 倍，而產品 P 的含鋅量則為產品 Q 的 0.68 倍，如圖 5 所示。由於表面之氧化鋅具有防腐蝕功能，產品 P 與產品 Q 較能忍受耐酸雨之侵蝕，試驗結果值得跳接線戶外使用參考，並可供光纖通訊產品可靠度改善應用。

圖 5: 光纖跳接線接頭於酸雨、溫度、振動試驗 27 天後之表面化學成份分析圖.

(二)FP-LD 可靠度試驗

我們採取加速試驗方式，考量試驗溫度與電偏壓應力、選擇注入光應力來設計燒入(Burn-in)試驗方法，包括設計應力強度、加應力時間、數據曲線需求等試驗條件；同時，探討應量測與分析的元組件參數類別、量測系統架構、與量測時距，並針對 FP-LD 使用於 1.25Gb/s 數位通訊下進行眼圖、光功率、光譜特性量測與相關參數分析。

因 FP-LD 之可靠度資訊目前尚無一定標準，尤其是外加光應力之資訊。以雷射光通訊之雷射功率常為 0dBm 來估計，為決定試驗光應力之大小，我們選擇了 0dBm、4dBm、8dBm 光應力進行試驗，量

測 Slope efficiency、與眼圖量測等，並進行 ER 與 Q 值分析。結果如圖 6 與圖 7 所示，

累積試驗一段時間後，分別於 20℃與 30

℃ ，固定雷射波長之下量測雷射 Slope efficiency 變化量，圖中可觀察到 0dBm、

8dBm 雷射 Slope efficiency 有遞減趨勢。

累積試驗時間(hr)

0 5 10 15 20 25 30

Slope efficiency變化量(mW/mA)

-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04

試驗B

試驗D 試驗C

圖 6 FP-LD 溫度 20℃之 Slope efficiency 之變化量

0 5 10 15 20 25 30

Slope efficiency變化量(mW/mA)

-0.06 -0.04 -0.02 0.00 0.02 0.04

試驗B 試驗C 試驗D

圖 7 FP-LD 溫度 20℃之 Slope efficiency 之變化量

接下來直接調變 1.25Gbps，2

³¹

-1 虛擬隨機序列 NRZ 訊號，觀察數位通訊訊信號傳輸變化，結果如圖 8 與圖 9 所示 ER 與 Q 值之變化，圖中可觀察到 8dBm 光應力下雷射特性約略在 9 小時候 ER 與 Q 略呈遞減趨勢，而 0dBm 與 4dBm 在累積試驗時間約在 10 小時有趨於雷射穩定趨勢，量測結果顯示雷射在 4dBm 光應力、操作電流 20mA、與溫度 25℃下燒入試驗以 10 小時試驗較為恰當。

0 5 10 15 20 25 30

ER

3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

圖 8 FP-LD 雷射 ER 值在不同應力試驗結果

0 5 10 15 20 25 30

Q

6 8 10 12

圖 9 FP-LD 雷射 Q 值在不同應力試驗結果

(8)

另外，選擇 4 dBm (1550 nm)的光應力，進行燒入試驗，本次實驗之三顆 FP 雷射，燒入試驗每累積三小時則實施一次特性量測，包括發光強度量測、光譜量測、

與眼圖量測等，並進行 ER 與 Q 值分析。

依照量測的狀況不同，我們將三顆 FP 雷射命名如表一所示。

燒入試驗一定時間後，首先我們比較三顆 FP 雷射 L-I 特性量測結果，分析 L-I 曲線之 slope efficiency ，將其變化量對 burning 時間作圖，如圖 10 所示，圖中為 20 ℃時 FP 雷射之特性，圖中顯示在此光應力下燒入試驗時間內 slope efficiency 變化不大，而有漸趨穩定之趨勢，但對訊號傳輸之影響則待進一步分析。

表一三顆 FP 雷射做分類狀況表

FP T 只進行固定 FP 雷射溫度 (25 ℃)之量測

FP W 只進行固定 FP 雷射波長 (1550 nm)之量測

FP T&W

同一顆 FP 雷射進行固定溫度量測也進行固定波長量測

其次，為進一步分析訊號傳輸之影響，我們分別對三顆 FP 雷射載入 1.25Gbps，Vpp 為 0.6 V 的數位訊號。我們於燒入試驗一定時間後，實施光譜量測、

與眼形圖量測等，並進行 ER 與 Q 值分析。

量測所得之典型眼形圖如圖 11 所示。

圖 10 20 ℃ 時 FP 雷射 L-I 曲線 slope efficiency 變化量與累積試驗時間關係

FP W burning 0 hour

FP T&W burning 0 hour

FP W burning 39 hours

FP T&W burning 39 hours

圖 11 定波長 1550 nm 時 FP 雷射(FP W 以及 FP T&W)量測之眼圖比較

我們再分析量測所得之典型眼圖(圖 11)，所得的 ER 與 Q 值對累積燒入時間作圖，結果如圖 12 所示。圖 12 顯示雷射 FP T 之量測 ER 與 Q 值，為固定 FP 雷射的溫度為 25℃下之量測結果，圖中顯示在此光應力下，燒入試驗時間內之 ER 值變化不大，而 Q 值於燒入試驗時間超過 10 小時後有漸趨穩定之趨勢。

圖 12 FP 雷射定溫 25 ℃時 FP T 之 ER 與 Q 值隨累積試驗時間變化圖

我們也可觀察固定 FP 雷射定波長於 1550 nm 之量測結果，另一顆雷射 FP W 之 ER 與 Q 值隨累積燒入時間變化結果如圖 13 所示，圖中顯示之結果與圖 12 相似。

圖 13 FP 雷射定波長 1550 nm 時 FP W 之 ER 與 Q 值隨累積 burning 時間變化圖

圖 12 與圖 13 所示為不同顆雷射同一

Accumulate burning time (hours)

0 10 20 30 40

雷射L-I曲線Slope efficiency變化量(mW/mA)

-0.008 -0.006 -0.004 -0.002 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008

FP T FP T&W FP W

(9)

應力下實驗而不同條件下量測結果，分別在定溫或定波長下量測。另一方面，我們由同一光應力下所得燒入試驗結果以同一顆雷射進行不同條件量測，雷射 FP T&W 量測結果如圖 14 與圖 15 所示。圖 14 顯示在此光應力下，雷射 FP T&W 之量測 ER 與 Q 值均有趨向穩定之趨勢，而以固定 FP 雷射溫度之量測結果最為明顯，ER 值變化不大，而 Q 值於燒入試驗時間超過 10 小時後有漸趨穩定之趨勢。圖 15 顯示以固定 FP 雷射波長 1550nm 之量測結果，ER 值與 Q 值亦有漸趨穩定之趨勢。

圖 14.定溫 25 ℃時雷射 FP T&W 之量測 ER 與 Q 值隨累積試驗時間變化圖

圖 15. 為定波長 1550 nm 時雷射 FP T&W 量測之 ER 與 Q 值隨累積試驗時間變化圖

接著比較各 FP 之 ER 與 Q 值量測結果，首先是 FP T 與 FP T&W 在定溫狀態下的眼形圖、及 ER、Q 值比較圖。如圖 16 所示。圖中顯示在此光應力下，燒入試驗時間內 ER 與 Q 值有漸趨穩定之趨勢。

再來是 FP W 與 FP T&W 在定波長狀態下的眼形圖、及 ER、Q 值比較圖。如圖 17 所示。圖中顯示在此光應力下，燒入試驗時間內 ER 與 Q 值亦有漸趨穩定之趨勢。

為進一步分析訊號傳輸之影響，我們

分別對三顆 FP 雷射載入 650 Mbps，Vpp 為 0.6 V 的數位訊號。量測所得之典型眼形圖如圖 18 所示。而 ER 與 Q 值對累積燒入時間作圖，結果如圖 19 與圖 20 所示。圖 19 顯示雷射 FP T 之量測 ER 與 Q 值，為固定 FP 雷射的溫度為 25℃下之量測結果，

圖中顯示在此光應力下，燒入試驗時間內之 ER 值變化不大，而 Q 值於燒入試驗時間超過 10 小時後有漸趨穩定之趨勢。

FP T burning 0 hour FP T&W burning 0 hour

FP T burning 39 hours FP T&W burning 39 hours

圖 16. 為定溫 25 ℃時 FP 雷射(FP T 以及 FP T&W)量測之眼形圖、ER 與 Q 值分別隨累積試驗時間變化圖

我們也可觀察固定 FP 雷射定波長於

1550 nm 之量測結果，另一顆雷射 FP W 之

ER 與 Q 值隨累積燒入時間變化結果如圖

(10)

20 所示，圖中顯示之結果與圖 19 相似。

FP W burning 0 hour

FP T&W burning 0 hour

FP W burning 39 hours

FP T&W burning 39 hours

圖 17. 為定波長 1550 nm 時 FP 雷射(FP W 以及 FP T&W)量測之眼形圖、ER 與 Q 值分別值隨累積試驗時間變化圖

FP W burning 0 hour FP T&W burning 0 hour

FP W burning 39 hours FP T&W burning 39 hours

圖 18. 為定波長 1550 nm 時 FP 雷射(FP W 以及 FP T&W)量測之眼圖比較

圖 19. 為定溫 25 ℃時 FP 雷射(FP T)量測之 ER 與 Q 值隨累積試驗時間變化圖

圖 20. 為定波長 1550 nm 時 FP 雷射(FP W) 量測之 ER 與 Q 值隨累積試驗時間變化圖

另一方面，我們由同一光應力下所得燒入試驗結果以不同條件量測，雷射 FP T&W 量測結果如圖 21 與圖 22 所示。圖 21 顯示在此光應力下，雷射 FP T&W 之量測 ER 與 Q 值均有趨向穩定之趨勢，而以固定 FP 雷射溫度之量測結果最為明顯，ER 值變化不大，而 Q 值於燒入試驗時間超過 10 小時後有漸趨穩定之趨勢。圖 22 顯示以固定 FP 雷射波長量測之 ER 值與 Q 值於燒入試驗時間超過 10 小時後均有漸趨穩定之趨勢。

圖 21. 定溫 25 ℃時 FP 雷射(FP T&W)量測之 ER 與 Q 值隨累積試驗時間變化圖

圖 22. 定波長 1550 nm 時 FP 雷射(FP T&W) 量測之 ER 與 Q 值隨累積試驗時間變化圖

接著，比較各 FP 之 ER 與 Q 值量測結

(11)

果，首先是 FP T 與 FP T&W 在定溫狀態下的 ER 及 Q 值比較圖。如圖 23 所示。圖中顯示在此光應力下，於燒入試驗時間超過 10 小時後 ER 與 Q 值有漸趨穩定之趨勢。

FP W 與 FP T&W 在定波長狀態下的眼形圖、及 ER、Q 值比較圖，如圖 24 所示。圖中顯示在此光應力下，燒入試驗時間內 ER 與 Q 值於燒入試驗時間超過 10 小時後亦有漸趨穩定之趨勢。

圖 23. 定溫 25 ℃時 FP 雷射(FP T 以及 FP T&W)量測之 ER 與 Q 值分別值隨累積試驗時間變化圖

圖 24. 定波長 1550 nm 時 FP 雷射(FP W 以及 FP T&W)量測之 ER 與 Q 值分別隨累積 burning 時間變化圖

(三)VCSEL 可靠度試驗

VCSEL 雷射為另一種常用於光發射模組的雷射二極體，我們先採用外加光應力

的方式來進行累積試驗。我們決定所使用的外加光應力大小為 8dBm（1550nm），

改變累積試驗時的溫度，分別為定溫 25℃

與 35 ℃各 4 顆作試驗，以及高溫與低溫四顆作試驗接著改變量測時的溫度，以及在量測時加入光極化控制器（ Polarization controller, PC ）觀察對雷射的 slope efficiency、眼圖、明滅比與 Q 值等光通訊參數是否會造成影響。

當累積試驗一段時間，VCSEL 雷射發產生災難性故障（Catastrophic failure）

後，量測失效雷射之 V-I 曲線，並且利用掃描式電子顯微鏡（Scanning Electrical Microscope, SEM）來觀察 VCSEL 雷射內部構造的變化，探討使雷射發生故障現象的可能原因。

首先探討累積試驗在光應力 8dBm、25

℃與 35℃情形下，雷射 slope 的趨勢結果如圖 25 與圖 26 所示可看出總共八顆雷射約略在 30 小時會有災難性故障情形。

累積預燒試驗(hr)

0 10 20 30 40

雷射L-ISlope(mW/mA)

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14

VCSEL A VCSEL B VCSEL C VCSEL D

圖 25 累積試驗在 25℃雷射 Slope

累積預燒試驗(hr)

0 10 20 30 40

雷射L-I Slope(mW/mA)

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14

VCSEL E VCSEL F VCSEL G VCSEL H

圖 26 累積試驗在 35℃雷射 Slope 之變化

繼續分析訊號傳輸之影響，在光應力

8dBm、25℃與 35℃試驗條件下，雷射直接

調變 1.25Gbps，Vpp 為 0.7 V 的數位訊號量

測 ER 與 Q 值結果，如圖 27 與圖 28 分別

是累積試驗在光應力 8dBm、25℃之 ER 與

Q 值，可觀察到四顆雷射累積試驗一段時

間，每顆雷射變化趨勢有相似情形，約略 5

小時後有漸漸趨於穩定趨勢。

(12)

預燒試驗時間(hr)

0 5 10 15 20 25 30 35

ER(dB)

5 6 7 8 9 10

圖 27 累積試驗在 25℃之 ER 值

0 5 10 15 20 25 30 35

Q

6 8 10 12 14 16

VCSEL A VCSEL B VCSEL C

VCSEL D

圖 28 累積試驗在 25℃之 Q 值

累積試驗在 35℃、光應力 8dBm 情形

下，直接調變 1.25Gbps，Vpp 為 0.7 V 的數位訊號量測 ER 與 Q 值結果，如圖 29 與圖 20 所示，圖中顯示 ER 與 Q 值之變化，觀察到累積試驗 3 小時後會有趨於雷射穩定狀態，當累積試驗至 12 小時後雷射會漸漸衰減現象，由於累積試驗在偏高溫情形下易導致雷射老化。

0 5 10 15 20 25 30 35

ER(dB)

6 7 8 9 10 11 12 13

圖 29 累積試驗在 35℃之 ER 值

0 5 10 15 20 25 30 35

Q

8 10 12 14 16 18

圖 30 累積試驗在 35℃之 Q 值

接著，在量測系統中加入了極化控制

器，觀察偏振對於累積試驗後之影響。此時累積試驗 25℃光應力 8dBm 情形下，ER 與 Q 值變化結果如圖 31 與圖 32 所示，可觀察到變化趨勢與未加極化控制器變化情形類似。繼續觀察當累積試驗在 35℃光應力 8dBm 情形下 ER 與 Q 值變化結果，如圖 33 與圖 34 所示，類似於未加極化控制

器變化趨勢，因此可了解到極化控制對數位通訊參數的變化影響不大。

0 5 10 15 20 25 30 35

ER(dB)

6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0

圖 31 累積試驗在 25℃加入極化控制器之 ER 值

0 5 10 15 20 25 30 35

Q

6 8 10 12 14 16 18

圖 32 累積試驗在 25℃加入極化控制器之 Q 值

0 5 10 15 20 25 30 35

ER(dB)

6 7 8 9 10 11

圖 33 累積試驗在 35℃加入極化控制器之

ER 值

0 5 10 15 20 25 30 35

Q

6 8 10 12 14 16 18

圖 34 累積試驗在 35℃加入極化控制器之 Q 值

當累積試驗在 45℃、55℃，光應力 8dBm 情形下，雷射 Slope 之變化曲線結果如圖 35 所示，可看出累積試驗在極短時間內產生災難性故障，因此可判斷不適合在此溫度下作燒入試驗。

累積試驗時間(HR)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

雷射L-I Slope(mW/mA)

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14

VCSEL I VCSEL J VCSEL K VCSEL L

圖 35 高溫與低溫之 Slope 變化量

針對累積試驗後產生失效現象之雷

(13)

射，進一步量測失效雷射特性，V-I 曲線結果如圖 36 所示，圖中包含了累積試驗在 25

℃與 35℃下產生失效現象之雷射，可觀察到累積試驗在偏高溫之下，失效現象愈嚴重輸出光功率偏低。

VCSEL D VCSEL H VCSEL I

Current(mA)

0 2 4 6 8 10 12

Voltage(V)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

VCSEL E

圖 36 失效雷射之 V-I 曲線

最後，使用 SEM 將以發生故障之雷射作進一步觀察雷射內部損壞情形，結果如圖 37 所示，可發現在長時間操作之下雷射內部包覆著高溫，導致雷射內部因熱點產生熔融狀態，雖然已產生故障狀態，但是上未完全燒毀，還有發 LED 光特性，如果在經過一段時間的操作之下將會導致完全斷裂，甚至沒有 LED 光特性。

圖 37 VCSEL 之發光區圖

(六) 計畫成果自評

上行雷射光源可靠度計畫兩年來完成之主要工作項目有（i）實施傳輸特性量測，

以現有數據測試系統進行傳輸特性量測。

（ii）探討光纖跳接線與接頭之可靠度試驗之條件，執行光纖跳接線與接頭之可靠度試驗，並量測與分析光纖跳接線與接頭可靠度試驗結果。(iii)探討 FP-LD 與 VCSEL 之可靠度試驗條件，並且探討測試環境與測試電應力設計。（iv）執行 FP-LD 之可靠度試驗，量測與分析 FP-LD 可靠度試驗結果，含 Eye、光功率、光譜特性量測與相關參數分析。（v）執行 VCSEL 之可靠度試驗，量測與分析 VCSEL 可靠度試驗結果。

上行雷射光源可靠度計畫之執行因尚無完全相似之可靠試驗資訊，加上元件、

設備、與試驗環境安全顧慮，實驗較費時

間與費人力，計畫執行第二年已獲一些可靠度與元件失效資料，彙整執行兩年來所產出成果及績效有:

(1)已刊出光通訊傳輸雷射技術以及可靠度相關研發成果之國際期刊論文 4 篇及國際研討會論文 3 篇，其中第二年已刊出光通訊相關之國際期刊論文及國際研討會論文各 1 篇:

(i) Z. -R. Lin, C. -K. Liu, G. Keiser, C.-L. Tseng , and C.-M. Chiu, “ Tunable C- and L-band erbium-doped fiber ring lasers for performance testing of wavelength-division multiplexing access network with injection-locked Fabry-Perot laser diodes,”

Optical Engineering, vol. 49, no. 10, pp.

105006-1~105006-7, Oct. 2010.

(ii) C. -L. Tseng, C. -K. Liu, Z. -R. Lin, C. -M. Chiu, and K. -C. Lai, “Stable tunable single-longitudinal-mode semiconductor optical amplifier erbium-doped fiber ring lasers for 10 Gbps transmission over 50 km single-mode fiber,” Optica Applicata, vol. 40, no. 4, pp. 927-933, Dec., 2010.

(iii) J.-J. Jou, C.-K. Liu, and F.-S. Lai, “Gamma-ray irradiation effect on dynamic gain of erbium-doped fiber amplifiers,” Optica Applicata, vol. 40, no. 4, pp.

921-926, Dec., 2010.

(iv) Z.-R. Lin, G. Keiser, C.-K. Liu, K. -C. Lai, Y.-J.

Jhang, and M.-J. Huang, “Effects of acid rain on optical fiber patch cord connectors”, OECC 2010, July. 5~9, Sapporo, Japan, 2010.

(v) G. Keiser, Z. -R. Lin, and C. -K. Liu, “Acid rain corrosion effects on outdoor optical patch cord connectors”, The 12th International Conference on Quality in Research (QiR 2011), July. 4~7, Bali, Indonesia, 2011.

(vi) S. H. Hsu and S. –C. Tseng, “SOI modal dispersion for on-chip mode-division multiplexing,” CLEO, p.

JW4A.8, San Jose, California, USA, 2012.

(vii) Z. -R. Lin, C. -K. Liu, and G. Keiser, “Tunable dual-wavelength erbium-doped fiber ring laser covering both C-band and L-band for high-speed communications,” Optik- Int. J. Light Electron Opt., vol. 123, pp. 4-48, 2012.

(2)培養研究人才方面，培養熟悉光纖網路博士生 1 人畢業、碩士生 8 人畢業(含畢業論文與光纖網路與可靠度直接相關博士生 1 人與碩士生 3 人)，其中第二年培養碩士生 7 人畢業。

(3)上行雷射裝置可靠度資訊，對於光纖到家產業發展有貢獻，有助於網路管理之設計。可廉價化的網路產品與可靠度資訊，

有助於相關光纖系統的早日實用與普及。

(4)相關技術可協助業界降低研發時程與成本，帶動國內通訊產業與光電產業發展。

(5) 使參與之工作人員熟練 PON 與

(14)

WDM-PONs 系統的設計與規劃，培養光纖通訊系統元組件與模組開發人才，提升參與之工作人員之量測技術，增進數據整理和分析能力。也提升參與之工作人員之可靠度常識，進而培養可靠度設計能力。

五、參考文獻

[1] H. Shinohara, “FTTH experiences in Japan [Invited],”

J. Optical Networking, vol. 6, pp. 616-623, June 2007 [2] H. Kurokawa, R. Hazama, Y. Kimura, S. Ikuno, and S.

Mitachi, “An analyses of return loss in water immersion tests for PC connectors,” IEEE Lasers and Electro-Optics Society, LEOS, vol. 1, pp. 437-438, Nov. 2004.

[3] A. Parviainen, J. Perala, L. Frisk, and S. Kuusiluoma,

“Connector reliability testing using salt spray,”

Microelectronics and Packaging Conference, EMPC European, pp. 1-8, June 2009.

[4] U.S. Environmental Protection Agency. http://

www.epa.gov/ne/index.htm

[5] Japan Meteorological Agency. http://www.jma.go.jp/

jma/indexe.html

[6] Taiwan Central Weather Bureau. http://www.

cwb.gov.tw/eng/index.htm

[7] D. T. Clark, The Investigation of Polymer Surfaces by Means of ESCA, John Wiley & Sons, New York, 1978, pp. 309-353.

[8] Z.-R. Lin, C. -K. Liu, G. Keiser, S.-L. Lee, K.-C. Lai, H.-C. Chang, C.-L. Tseng, and J.-J. Jou, “A low-cost passive optical network for television broadcasting and high-speed bidirectional communications in intelligent buildings,” Journal of the Chinese Institute of Engineers, vol. 33, no. 5, pp. 707-716, 2010.

[9] Z. -R. Lin, C. -K. Liu, Y.-J. Jhang, and G. Keiser

“Tunable directly modulated fiber ring laser using a reflective semiconductor optical amplifier for WDM access networks,” Optics Express, vol. 18, no. 17, pp.

17610-17619, Aug 2010.

[10] C.-L. Tseng, C.-K Liu, J.-J. Jou, W.-Y. Lin, C.-W.

Sun, S.-C. Lin, S.-L. Lee, and G. Keiser,

"Bidirectional Transmission Using Tunable Fiber Lasers and Injection-Locked Fabry-Perot Laser Diodes for WDM Access Networks," Photonics Technology Letters, IEEE, vol. 20, pp. 794-796, 2008.

[11] M. Fukuda, "Optical semiconductor device reliability," Microelectronics Reliability, vol. 42, pp.679-683, 2002.

[12] T. Wipiejewski, Y. A. Akulova, G. A. Fish, P. C. Koh, C. Schow, P. Kozodoy, A. Dahl, M. Larson, M. Mack, T. Strand, C. Coldren, E. Hegbiom, S. Penniman, T.

Liljeberg, and L. A. Coldren,"Performance and reliability of widely tunable laser diodes," Electronic Components and Technology Conference, 2003.

Proceedings. 53rd, 2003, pp. 789-795.

[13] C. Ciminelli, M. N. Armenise, and V. M. N. Passaro,

"Reliability test procedures for tunable lasers,"

Integrated Optical Devices: Fabrication and Testing.

Edited by Righini, Giancarlo C., Proceedings of the SPIE, vol. 4944, pp. 83-96, 2003.

[14] D. P. Wilt, "Semiconductor laser reliability," in Laser-Induced Damage in Optical Materials: 1997, Boulder, CO, USA, 1998, pp. 536-539.

[15] J.-H. Han and S.-W. Park, "Effect of temperature and injection current on characteristics of TO-can packaged Fabry-Perot laser diode," Current Applied Physics, vol. 7, pp. 6-9, 2007.

[16] T. Higashi, T. Yamamoto, S. Ogita, and M. Kobayashi,

"Experimental analysis of temperature dependence of oscillation wavelength in quantum-well FP semiconductor lasers," IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 34, pp. 1680-1689, 1998.

[17] T. Kim, S. Kim, M. H. Kwak, S. B. Kang, K. Y. Kang, S. B. Kim, "Fixed-current operation of a VCSEL transmitter over a temperature range from -20℃ to 80

℃ using an elevated-oxide-layer structure," Journal of Lightwave Technology, vol. 29, no. 24, Dec. 15, 2011.

[18] M. Boutillier, O. Gauthier-Lafaye, S. Bonnefont, F.

Lozes-Dupuy, F. Vermersch, M. Krakowski, O. Gilard,

"Strong electron irradiation hardness of 852 nm Al-free laser diodes," Microelectronics Reliability, vol.

46, pp. 1715-1719, 2006.

[19] W. S. Ring, P. Thambinayagem, W. Hobson, H.

Meehan, P. Silbermann, M. Liang, "Reliability concerns and packaging issues of non-hermetic VCSEL and LED based transceivers for the enterprise market," 2004 Electronic Components and Technology Conference, vol. 1, pp. 186-191, June, 2004.

(15)

國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告

日期：101 年 8 月 7 日

一、參加會議經過

全程參加 CLEO2012 國際會議並發表 1 篇論文。

二、與會心得

在 CLEO2012 國際會議中，有許多非常進步的成果，此報告以本人最近研究的光纖感測與矽光子學做與會心得的陳述。

(1) 光纖感測

光纖光學特性受壓力結構變化產生之應力-應變影響，非常適用於船艦、飛機結構強度、橋樑與公共建設的應力-應變監測。同時光纖本身也兼具可撓式與低價位的優勢，所以最近這數十年來，

興起了許多以光纖為主的感測器，來提供面對未來安全與健康的監測，同時也可藉由電機、電子、

資訊、通訊、自動化等相關產業技術的導入，結合建構安全、健康、便利與舒適的生活環境，來提供建築物與居家安全及多功能環境監測的感測元件。一般光纖感測器以光纖布拉格光柵來達到檢測的目的。在 CM4B Session 中的邀請演講，He 以 Naro-Strain 等級的解析度，來作對地球科學 (Geo-Science)的光纖靜態(Static)應變感測，以下為其研究步驟：

如圖 1 所示，1535 與 1555nm 兩個主要光纖光柵各有其參考光纖光柵，為與溫度與環境參數無關，

此參考光柵鄰近主要光柵，以確定最終的感測系統性能。測量原理即是以主要與參考光纖光柵的波長差來感測與觀察地殼形變所誘導的波長差異，根據波長差異的偏差，應變解析度為 2.6 nε。

He 等在實驗室進行了有施加與無施加應變的光纖光柵實驗。起初，兩個光纖光柵在放鬆和沒有壓力下，以確定傳感系統性能，圖 2(a)為測量超過 24 小時的波長差異。之後根據一 Piezo 平台來緩慢施加壓變，運用波長不同的偏差來作為應變感測器，如圖 2(b)所示。

計畫編號

NSC 100 - 2221 - E - 011 - 088

計畫名稱合併光應力與直接調變之被動光網路上行光源可靠度與劣化分析出國人員

姓名 ^徐世祥

服務機構

及職稱國立台灣科技大學電子工程系副教授會議時間 101 年 5 月 6 日至 101

年 5 月 11 日會議地點美國聖荷西會議名稱 CLEO 2012 Laser Science to Photonic Applications 發表論文

題目

S. H. Hsu and S.-C. Tseng, "SOI modal dispersion for on-chip mode-division

multiplexing", CLEO, p. JW4A.8, San Jose, California, USA, 2012

(16)

圖 1: 分波多功高解析度之光纖布拉格光柵感測器

圖 2 (a) 無施加應變光纖光柵實驗之波長差異 (b) 波長差異與外加應變的關係

(2) 矽光子學

在 Plenary Presentations 上，Dr. Yurii A. Vlasov (IBM)強調 Silicon Nano- photonics 不僅促使電路與光路積成化，同使體積也將會縮小至繞射極限。在元件、模組與系統整合上，超低消耗能量的光內部連結將會使未來大型數據中心與 Exaflops 超級電腦及早問世。Silicon Photonics 在整個會議中亦屬於重點的研究項目，總共有 3 個 Session 討論，前半部分著重在 Silicon Photonics 在傳統 LiNbO

3

調制器(CM3A.1)、CMOS 電路(CM3A.4)與 CMOS 共容的材料 Silicon Nitride 的積成 (CM3A.5)。後半部分則著重在 Silicon 波導色散(CM4A.2)與其組成元件特性及優化的探討。以下將以現今應用非常廣的 Plasmonics 在 Silicon Photonics 上的應用分析：

CTh1A.8: "Compact Hybrid Plasmonic TE-pass Polarizer on SOI" by X. Sun, M. Z. Alam, S. J. Wagner, J. S. Aitchison and M. Mojahedi

一般 Plasmonics 只有 TM 極化效應存在，X. Sun 研究群在此篇文章中，以 Chromium 金屬搭配著

Silicon Nanowire，來產生 TE 與 TM 雙極化現象，如圖 3 所示。由變化 Chromium 與 Silicon Nanowire

光波導中間 SiO

2

的厚度，使得 TM 極化光損耗 (1.67 dB/μm)遠大於 TE (0.136 dB/μm)。如此 TE 與

TM 極化可藉此分開。圖 4 為實驗量測結果，由 1530 nm 至 1580 nm 波長可看出，TE 與 TM 極化

可有 15 dB 左右的分離度。

(17)

圖 3: Silicon Nanowire 在 Plasmonic 區、輸入(出)端與 TE/TM 極化之光波導模的計算

圖4: 在15μm長的TE極化控制器的TE/TM極化模之光頻譜圖三、考察參觀活動(無是項活動者略)

無

四、建議

此次心得著重在兩方面，總結如下:

(1) 由於光纖對於細微變化的靈敏度比傳統的電子感測器高出許多，光纖感測同時具有不受電磁干擾、體積小、寬頻、信號易於傳輸等優點，因此可利用光纖來感測環境中的應力、溫度、壓力、

電流、氣體等的變化。特別是在安全監測上的應用。矽的低價位材料與製程技術以及其高品質效能的波導結構，將有助於矽光電產品的商業競爭與應用。

(2) 單晶矽在光纖波段的高穿透性以及其與極化有關的低光損耗，可用來形成高效能的絕緣層上覆矽光波導之元件與次系統。

其中較具挑戰性的是次微米矽線波導的製作，由於學校製程設備的欠缺，與工業界或國家實驗室合作，當是成功與否的關鍵。

五、攜回資料名稱及內容

CLEO2012 國際會議文章發表光碟各一片。

(18)

(19)

SOI Modal Dispersion for On-Chip Mode-Division Multiplexing

Shih-Hsiang Hsu and Sheng-Chieh Tseng

Department of Electronic Engineering, National Taiwan University of Science and Technology No. 43, Sec. 4, Keelung Rd., Taipei, Taiwan

[email protected]

Abstract: Recently the mode division multiplexing is emerging to improve transmission capacity and spectral efficiency. An interferometry was then utilized to demonstrate the intermodal group delay and intramodal dispersion on silicon-on-insulator waveguides for high-speed applications.

OCIS codes: (260.2030) Dispersion; (230.7370) Waveguides 1. Introduction

The increasing transmission demand has been evolved to further multiply the fiber capacity using the spatial diversity with multiple spatial modes beyond that offered by standard single mode fibers [1]. Therefore, the mode- division multiplexing (MDM) represents an additional approach for increasing the capacity of a single silicon-on- insulator (SOI) optical link [2]. In the latest decade, the market of fiber optical communication expands rapidly in carrying the contentment of signal transmission such as data, voice, and video. Among the optical impairments for high-speed capacity in MDM, the intermodal and intramodal dispersion (chromatic dispersion; CD) are two main performance degradation issues caused by the pulse spreading. This spreading arises from the finite spectral emission width of an optical source and the different frequency components within an optical signal travel in different speeds. Therefore, the signal distortion from dispersion increases with the spectral width of the light source.

Due to the advantages of silicon material on low cost, transparency in telecommunication wavelengths, complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) compatible processing, and the high index contrast for a small footprint, the SOI platform is becoming the potential material to construct and process photonic integrated circuits on the massive electronics fabrication infrastructure. Integrating photonics functions on a silicon platform will be a low cost solution if integrated optoelectronics circuits are feasible. Since the mode-selective add-drop unit for on- chip MDM was successfully demonstrated, the modal dispersion study will be crucial for future high-speed spatial MDM applications.

2. Design and Simulation

The finite element method (FEM) carried by RSoft can employ a full-vector implementation and be utilized as a mode solver to calculate any number of transverse or cavity modes of an arbitrary waveguide structure on a non- uniform mesh. To match to a high numerical aperture fiber for simple and decent interface coupling [3], a 5-m thick SOI waveguide was taken here to characterize the mode status.

In Fig. 1, there is a borderline for the single and multi modes in the 5-m thick SOI waveguide. For a simple intermodal dispersion, a waveguide mode with the width of 5 m and slab height of 2.5 m was chosen to demonstrate one fundamental mode (m=0) and one horizontal multimode (m=1) instead of 2-m slab height.

In optical telecommunications the dispersion parameter D utilized for the characterization of the intramodal dis- persion properties and the intermodal group delay _g per unit length can be described in the following:

waveguide eff

material

n c

n

D c 













 



 







 

 ₂

2 2 2

2

2 1

1

 



 

 (1)



 

d k dn c n d

c d n

d

d eff eff

eff

g   0

 







 (2)

where n and neff are the effective indices for the material and waveguide, respectively; c (3x10⁸ m/s) is the light velocity,  is the wavelength,  is the propagation constant,  is the angular frequency, and k0 is wavevector.

After considering the transverse electric (TE) polarized light and silicon material dispersion, the group effective indices for two modes (m=0 and m=1) and intramodal dispersion (m=0) in 5-m thick SOI waveguides were simulated and demonstrated in Fig. 2.

In Fig. 2, the intermodal group delay between m=0 and m=1 for 5-m thick SOI waveguides can be calculated as ₁ ₀  3.6161053.610643

c L

g

g 

 (3)

(20)

where L is the length of the SOI waveguide and



 d

dn d

dn_eff₁ _eff₀

 at the 1552-nm operating wavelength.

If the SOI waveguide length was assumed as 64 mm, the intermodal group delay was calculated as 1.16 ps. The intramodal dispersion could also be derived from Eq. (1) and marked as -889 ps/(nm.km) at 1552-nm wavelength as shown in Fig. 2.

3.595 3.600 3.605 3.610 3.615 3.620 3.625

1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580 1590 1600 Wavelength (nm)

n_TE_Group

-1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200

Intramodal Dispersion (ps/nm.km)

n_TE_Group (m=0) n_TE_Group (m=1) D_TE (m=0)

(1552, -889) (1552, 3.616105)

(1552, 3.610634)

Fig. 1 The single and multi-mode region for a 5-m thick SOI Fig. 2 The calculated TE polarized group effective index for m=0, 1 and waveguide. intramodal dispersion for m=0 modes in 5-m thick SOI waveguides.

3. Processing and Experiments

The optical low-coherence interferometry (OLCI) including a fiber-optic Mach-Zehnder interferometer and a continuous-wave broadband source was utilized for characterization. The optical path difference between the two arms of the interferometer was changing by translating a motor driven stage, as shown in Fig. 3. Therefore, a variable-delay interferometer could be illustrated a spatially-localized interference fringe pattern or interferogram.

Our group delay and dispersion parameters were characterized using two outputs from the interferometry, one for temporal broadening interferogram and the other for optical spectrum analyzer (OSA) [4], shown in Fig. 3.

The optical intensity from interferometry outputs, shown in Fig. 4, was utilized to derive the group effective indices between different waveguide modes. Since the length, L, of SOI waveguide was 64 mm, the experimental data of intermodal group delay for the different effective index between m=0 and m=1 is 1.59 ps (=0.000477/c).

The other output from the OLCI setup was connected to OSA for the intramodal dispersion characterization, shown in Fig. 5, and derived as -905 ps/(nm.km) [4], which is the same as the data in reference 5.

In summary, we successfully experimentally demonstrated the modal dispersion of 5-m thick SOI waveguide as 1.59-ps for the intermodal group delay of 64-mm length and -905 ps/(nm.km) for intramodal dispersion. The small discrepancy between the experiments and theoretical calculation mainly come from the resolution of the motor stage characterization.

Fig. 3 Modal dispersion characterization (Inset: Fig. 4 The temporal interferogram separation Fig. 5 Interference spectrum from optical TE/TM polarization input selection). between m=0 and m=1 modes spectrum analyzer

4. References

[1] A. Al. Amin, A. Li, X. Chen, and W. Shieh, “Spatial mode division multiplexing for overcoming capacity barrier of optical fibers”, The Opto-Electronics And Communications Conference, p. 7B1_2 (2005).

[2] S. Bagheri and W. M. J. Green, "Silicon-on-insulator mode-selective add-drop unit for on-chip mode-division multiplexing", Group IV Photonics Conference, p. 166 (2009).

[3] S.-H. Hsu, “A 5-m-thick SOI waveguide with low birefringence and low roughness and optical interconnection using high numerical aperture Fiber”, IEEE Photonics Technology Letters, 20, pp. 1003-1005 (2008).

[4] P. Merritt, R. P. Tatam, and D. A. Jackson, “Interferometric chromatic dispersion measurements on short lengths of monomode optical fiber,” Journal of Lightwave Technology, 7(4), pp. 703-716 (1989).

[5] H. K. Tsang et al., “Optical dispersion, tow-photon absorption and self-phase modulation in m wavelength”, Applied Physics Letters, 80, pp. 416-418 (2002).

(21)

國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告

日期：101 年 8 月 7 日

一、參加會議經過

全程參加 CLEO2012 國際會議並發表 1 篇論文。

二、與會心得

在 CLEO2012 國際會議中，有許多非常進步的成果，此報告以本人最近研究的光纖感測與矽光子學做與會心得的陳述。

(1) 光纖感測

光纖光學特性受壓力結構變化產生之應力-應變影響，非常適用於船艦、飛機結構強度、橋樑與公共建設的應力-應變監測。同時光纖本身也兼具可撓式與低價位的優勢，所以最近這數十年來，

興起了許多以光纖為主的感測器，來提供面對未來安全與健康的監測，同時也可藉由電機、電子、

資訊、通訊、自動化等相關產業技術的導入，結合建構安全、健康、便利與舒適的生活環境，來提供建築物與居家安全及多功能環境監測的感測元件。一般光纖感測器以光纖布拉格光柵來達到檢測的目的。在 CM4B Session 中的邀請演講，He 以 Naro-Strain 等級的解析度，來作對地球科學 (Geo-Science)的光纖靜態(Static)應變感測，以下為其研究步驟：

如圖 1 所示，1535 與 1555nm 兩個主要光纖光柵各有其參考光纖光柵，為與溫度與環境參數無關，

此參考光柵鄰近主要光柵，以確定最終的感測系統性能。測量原理即是以主要與參考光纖光柵的波長差來感測與觀察地殼形變所誘導的波長差異，根據波長差異的偏差，應變解析度為 2.6 nε。

He 等在實驗室進行了有施加與無施加應變的光纖光柵實驗。起初，兩個光纖光柵在放鬆和沒有壓力下，以確定傳感系統性能，圖 2(a)為測量超過 24 小時的波長差異。之後根據一 Piezo 平台來緩慢施加壓變，運用波長不同的偏差來作為應變感測器，如圖 2(b)所示。

計畫編號

NSC 100 - 2221 - E - 011 - 088

計畫名稱合併光應力與直接調變之被動光網路上行光源可靠度與劣化分析出國人員

姓名 ^徐世祥

服務機構

及職稱國立台灣科技大學電子工程系副教授會議時間 101 年 5 月 6 日至 101

年 5 月 11 日會議地點 ^{美國聖荷西} 會議名稱 CLEO 2012 Laser Science to Photonic Applications 發表論文

題目

S. H. Hsu and S.-C. Tseng, "SOI modal dispersion for on-chip mode-division

multiplexing", CLEO, p. JW4A.8, San Jose, California, USA, 2012

(22)

圖 1: 分波多功高解析度之光纖布拉格光柵感測器

圖 2 (a) 無施加應變光纖光柵實驗之波長差異 (b) 波長差異與外加應變的關係

(2) 矽光子學

在 Plenary Presentations 上，Dr. Yurii A. Vlasov (IBM)強調 Silicon Nano- photonics 不僅促使電路與光路積成化，同使體積也將會縮小至繞射極限。在元件、模組與系統整合上，超低消耗能量的光內部連結將會使未來大型數據中心與 Exaflops 超級電腦及早問世。Silicon Photonics 在整個會議中亦屬於重點的研究項目，總共有 3 個 Session 討論，前半部分著重在 Silicon Photonics 在傳統 LiNbO

₃

調制器(CM3A.1)、CMOS 電路(CM3A.4)與 CMOS 共容的材料 Silicon Nitride 的積成 (CM3A.5)。後半部分則著重在 Silicon 波導色散(CM4A.2)與其組成元件特性及優化的探討。以下將以現今應用非常廣的 Plasmonics 在 Silicon Photonics 上的應用分析：

CTh1A.8: "Compact Hybrid Plasmonic TE-pass Polarizer on SOI" by X. Sun, M. Z. Alam, S. J. Wagner, J. S. Aitchison and M. Mojahedi

一般 Plasmonics 只有 TM 極化效應存在，X. Sun 研究群在此篇文章中，以 Chromium 金屬搭配著

Silicon Nanowire，來產生 TE 與 TM 雙極化現象，如圖 3 所示。由變化 Chromium 與 Silicon Nanowire

光波導中間 SiO

2

合併光應力與直接調變之被動光網路上行光源可靠度與劣化分析

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告