高速光通信系統及元件之研究---子計畫四：光纖網路高速交換與轉換之光電元件與技術(I)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

子計畫四:光纖網路高速交換與轉換之光電元件與技術 (1/3)

計畫類別： 整合型計畫

計畫編號： NSC91-2213-E-011-074-

執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 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： 李三良

計畫參與人員： 楊淳良、林彥瑞、簡清雲、蔣珮泠、郭盛輝

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 92 年 5 月 23 日

一、計畫摘要：

光纖網路已成為建構寬頻資訊網路的主要媒介，高速的路由交換與轉換技 術已成為發展光纖網路的關鍵技術。本計畫擬以三年的時間研究發展這些關鍵 技術及所需元件。

目前高速交換與轉換技術依對應功能和控制訊號的形式可分成光電轉換式 和全光式兩類。研究重點包括上述交換技術所需的閘式半導體光放大器陣列、

高速可調式雷射、可調式波長轉換技術、以及相關控制用高速電路。為降低成 本及增加元件的可靠度，希望能發展將所有光學元件和電路元件組合的最佳積 體化技術。

在高速可調式雷射方面，必須重新設計雷射結構，以簡化目前過度複雜的 波長調動機制。在閘式光放大器陣列方面，將著重改善其交換速度與線性範圍，

並設計製作新型增益嵌制光放大器。而在波長轉換器方面，採用輔助光方式增 加放大器的增益與輸出飽和功率，以提升轉換效率，並將輔助光與光放大器積 體化。在控制用高速電路的設計上，必須著重提高切換速度、穩定度、及克服 高頻阻抗匹配問題。

研究內容包括新的元件架構，新的學理分析，以及新的製造技術。首先將探 討各種可行的架構，發展簡易精確的分析方法，並研發新的製程技術以實現高性 能之光積體化高速交換與轉換器。

Ａbstract:

Current optical fiber networks use WDM technologies, including multiplexing, add-drop, and optical crossconnect (OXC), to provide the needed bandwidth and flexible services for the rapidly increasing internet and multimedia services. For next-generation optical networks, fast optical switching technologies, including optical packet switching and optical burst switching, and wavelength conversion will be the essential and enabling technologies to cope with the IP-centric services and the exponentially increasing bandwidth demand. This three-year project will investigate the related critical components and enabling techniques for fast optical switching and wavelength conversion.

High-speed switching can be classified into photonic and all-optical types in terms of the signal format of both the data and control planes. In this project, we focus on the technologies that can provide nanosecond switching speed. The most feasible solution for photonic switching is the combination of fast tunable laser with a wavelength router. For all-optical version, a combination of tunable wavelength converter with wavelength router or using the semiconductor optical amplifier (SOA) gate arrays can provide the required switching speed. Thus, we will focus on the key components, including SOA gate arrays, fast tunable lasers, tunable wavelength converters, and related high-speed control circuit. We will also develop the advanced techniques for integrating the key components with other functional devices and the

For fast tunable lasers, we have to design a new laser structure to simplify the control procedures of wavelength tuning; For SOA gate arrays, we will focus on improving the switching speed and the linear range of input power, and design new type of gain-clamped SOAs. For wavelength conversion, we will adopt the approach of our prior research that uses an assisted beam to increase the unsaturated gain and the output saturation power of a SOA to improve the conversion coefficient. We will design a new laterally injected structure and further integrate the assisted beam with the SOA. Finally, in designing the high-speed control circuits, we will try to obtain sub-ns switching rate and good stability simultaneously.

In this project, we will start from investigating the physics of various nove l components and develop new technique for performance analysis. New fabrication

technology for photonic integration and OEIC will be developed to realize the high-speed optical switching modules.

二、成果：

(一) 高速可調式雷射搭配路由器型：

(1)新型高速高可調波長範圍雷射陣列之設計與製作

一般的 DBR 雷射最大可調波長範圍約為 17nm，我們以之前成功製作 DWDM 與 CWDM SGDBR雷射陣列為基礎，重新設計製作具有高速高可調波長範圍之 SGDBR 雷射，搭配路由器以實現應用於 WDM 系統中的高速光交換與轉換器。

新型高速高可調波長範圍雷射陣列之架構如圖一所示。藉由分析增益區材料 的臨限增益對電流密度的關係，重新設計增益區 長度為 300m，以達到最低的低 臨限電流。為了縮小整個雷射陣列的尺寸，兩鏡面區的長度縮短為 150m，並將 兩鏡面區置放在雷射單一邊以便與其他元件單石積體化。縮短增益區與兩鏡面區 的長度，有助於降低 載子復合時間，進而提升切換速度，使元件更適用於高速光 纖網路。由於大幅縮短兩鏡面區的長度，鏡面區反射率大幅下降，在鏡面區的另 一端需做高反射鍍膜處理，以提升雷射的輸出功率。此外設計鏡面區的反射率低 於自然斷切面的反射率，使雷射大部分由鏡面區輸出，不受高反射鍍膜處理的影 響，其鏡面區反射率模擬結果如圖二所示。

新 型高 速高 可 調 波長 範 圍 雷 射 陣 列的 增 益 區 材 料 採 用 六 個 壓 縮 應 變 (compressive strained)量子井，材料的增益尖峰約在 1540nm 附近。在波導層上再 成長一層 17nm 的 1.3Q 材料，利用選擇性溼蝕刻法，將其中一個鏡面薄的 1.3Q 材料去除，造成兩鏡面的折射率差，使得雷射發光於其不同反射率尖峰的位置而 不需額外的調動電流。製作光柵之前，只將雷射 1、2 及 4 其後端鏡面區的位移 層利用選擇性濕蝕刻去除，使雷射 3 發光在布拉格波長(1550nm)處，雷射 1、2 發光在短波長方向的第一個模態處，雷射 4 發光在長波長方向的第一個模態處。

如此可以四顆可調式雷射陣列增加波長可調範圍。

MQW Active Layer

Waveguide InP substrate HR-coating

P-InP

L A S E R E L E C T R O D E

P H A S E E L E C T R O D E

G R A T I N G 1 E L E C T R O D E

AR-coating

G R A T I N G 2 E L E C T R O D E

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

1.5 1.52 1.54 1.56 1.58 1.6

R e f l e c t i v i t y

Wavelength ( m)

圖一：高速高可調波長範圍雷射之示意圖 圖二：鏡面區反射率的模擬結果 目前我們已經初步完成高速高可調波長範圍雷射陣列的製作，圖三為其俯視 圖，由左而右分別為增益區、相位區和兩鏡面區，光柵的蝕刻深度約為 65nm。

初步量測結果，以脈衝電流量測平均臨界電流約為 36mA，最大輸出光功率為 0.6mW。圖四則為雷射低於臨界電流時的頻譜。可以發現將兩取樣光柵置於同一 側仍可達成多個反射光峰的反射光譜，將可用 之控制可調式雷射發光的波長。新 型雷射結構的侷限因子較小且大幅降低增益區長度，使得增益區所能提供的增益 有限，增益區端的自然斷切面須做高反射鍍膜處理，目前正與中華電信研究所密 切合作中。雷射陣列經高反射鍍膜處理後，將會大幅降低雷射的臨界增益，預計 將大幅提升整體的輸出效能。

-78 -77 -76 -75 -74 -73 -72 -71 -70

1.5 10^-6 1.52 10^-6 1.54 10^-6 1.56 10^-6 1.58 10^-6 1.6 10^-6 A r r a y A 6 2 5 - 2

I n t e n s i t y ( d B )

Wavelength

圖三：高速高可調波長範圍之雷射陣列 圖四：雷射 2 低於臨界電流之反射

(2) 高速可調波長雷射

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

1539.0 1540.0 1541.0 1542.0 1543.0

Optical Spectrum

Optical Power (dBm)

Wavelength (nm)

1

2

3

4

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

-40 -20 0 20 40 60

Fast Tunable Laser

1

2

3

4

Output voltage (V)

Time (ns)

圖五：高速可調式 DBR 雷射波長調動之輸出光頻譜與波長切換時序訊 號

使用自行設計製作的 DBR 雷射，配合高速電流驅動的電路設計，我們已可控 制高速可調式雷射實際應用在光通訊系統中。如圖五為可調式雷射在高速電流切 換下，調動四個不同的波長通道，從光頻圖中，可輕易看到調動波長穩定輸出在 預設的位置。當高速波長調動訊號經過四組不同波長通道的濾波器，再經過光接 收器，在不同時間的順序，不同的濾波器輸出埠，觀察到高速波長切換，即高速 波長調動的光訊號經過光路由器的輸出結果（如圖六所示）。由高速的波長切換 時序上觀察得知，我們所製作的高速可調式雷射在短短的 100ns 中，已可快速且 穩定切換地四個不同的輸出波長，波長切換時間約 10ns(主要受限於驅動電路)，

提供光交換網路中，必要的高速波長切換光源。

Fast Wavelength Tunable Laser Source

Wavelength Router (Arrayed Waveguide Grating)

t t

t t t

圖六：高速波長可調式雷射經由光路由器，高速進行訊息交換與傳遞

(3) 研發量子井混和技術以改變材料結構

為提升可調式雷射的調變範圍和輸出功率。在多通道數的 WDM 系統中增益 頻譜經常不足，我們藉由量子井混和效應(Quantum Well Intermixing, QWI) 技術 控制局部離子濃度分布，進而在同一晶片上任意改變增益頻譜。目前可透過兩種 方 式 來 達 成 量 子 井 混 和 效 應， 分 別 為 晶 格 缺 位 擴 散(Impurity-Free Vacancy Diffusion, IFVD)與 雜 質 輔 助 內 部 擴 散(Impurity-Induced inter-Diffusion, IID)兩 種。IFVD 技術是利用高溫讓晶格產生缺位，進而改變離子濃度分布，但此技術 之能隙調變幅度有限。而 IID 技術是利用外界植入之雜質來促進量子井混和效 應，可應用於所有Ⅲ-Ⅴ族之半導體材質中。相較於其他技術，此方式有較大能 隙調變幅度。本計畫使用了離子佈植的方式來改變增益頻譜曲線，並額外成長一 層 InP 層，作為離子佈植的緩衝層，此步驟完成後須將此 InP 層藉由濕式蝕刻移 除，以減少散射所導致的光損耗。我們以材料增益尖峰在 1545nm 的磊晶片，以 RTA 溫度為 670℃，實際做了 60sec 與 120sec 兩種條件的擴散時間，可發現不同 的擴散程度，產生不同程度的的量子井混合效應。圖七為 PL 量測圖，其中之百 分比代表植入離子之劑量，全劑量為 5X10¹⁴ ion/cm²。

由量測值觀之，改變劑量確可改變增益頻譜位置，若搭配新型取樣光柵技術，

可製作高速高可調波長範圍雷射陣列，以徹底解決增益頻譜寬度不足的問題。 量 子井內部擴散效應也非常適合應用於光積體化技術，以降低成本及增加元件的可 靠度，進而實現高性能之光積體化高速交換與轉換器。

0 1 2 3 4 5

1400 1450 1500 1550 1600

670C-60sec

0 25%

50%

75%

100%

Wavelength(nm)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

1400 1450 1500 1550 1600

670C-120sec

0 25%

50%

75%

100%

Wavelength(nm)

圖七：RTA 溫度為 670℃時，擴散 60sec 與 120sec 之 PL 量測圖 (二) 波長轉換型：

使用半導體光放大器來產生四波混合的波長轉換技術，本計畫採用額外打入 一輔助光進入 SOA 技術來提升 SOA 的飽和功率，進而可提升 FWM 的轉換效 率。我們也證明此技術所用的輔 助光打入的方向和泵浦訊號和探測訊號反向會得 到較好的結果，並提出將輔助光側向打入的架構，使 SOA 每一部份均能受到輔 助光的作用，進而大幅提昇 FWM 的轉換效率。因泵浦訊號和探測訊號都必須為 高功率的單波長雷射，本計畫擬以分佈反饋式布拉格雷射( DFB ) 形式實現， 以利積 體化。本年度的計畫重點除研發半導體光放大器外，須研製高功率 DFB 雷射。

半導體光放大器的材料結構正以商用軟體設計中。

DFB 雷射大部份利用光柵結構的週期性變化，產生折射率耦合。但由於整個 結構的對稱性，使得此雷射會在布拉格波長兩邊各有一個共振模態。為了解 決此 問題，本計畫提出一種新的 DFB 雷射設計方式，藉由改變雷射縱向的折射率來 破壞雷射的模態對稱性，使得雷射在端面為 AR/AR 鍍膜下，可簡單且精確發光 在布拉格波長的長波長或短波長模態。此新型 DFB 架構包括兩不同有效折射率 的區域(有效折射率差由相位層造成)，兩區域的布拉格波長不同，而且對應不同 的禁止帶位置，兩個禁止帶在一定波長範圍內有所交集。由於兩區域長度不等 長，整體雷射由較長區域的光柵主導，而較短區域的光柵將對禁止帶兩側的對稱 模態產生微擾效應，而破壞其對稱性，因此只有一個模態會發光。已完成模擬並 確認此法可使雷射有單波長輸出。

我們實際地製作新型 DFB 脊狀雷射，此新型 DFB 雷射的製作方式與一般標 準 DFB 雷射大致相同。在 DFB 雷射第一次基礎結構磊晶時，在光柵層上方額外 成長一層位移層，兩層之間用磷化銦做為濕蝕刻終止層。我們只要適當設計位移 層所造成的布拉格波長改變量及兩區域的長度比，在光柵曝光之前，利用選擇性 濕蝕刻將將其中一個區域的位移層去除，使得兩區域的布拉格波長不同，最後使 得雷射精確發光在長波長或短波長模態。雷射磊晶結構具有 33nm 的位移層，利 用選擇性溼蝕刻法，可 使得兩區域的布拉格波長不同，使得雷射有精確的發光波 長。圖八為控溫 20℃下，分別量測其輸出光功率與波長。由圖中可發現，雷射 有相當不錯的輸出特性，臨界電流為 19mA，當操作電流為 100mA 時，有大於 20mW 的輸出光功率，不需非對稱鍍膜處理就有單波長輸出，SMSR 也遠大於 30dB，整體的良率也相當不錯，大幅增加元件的可靠度。

-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

1559 1560 1561 1562 1563 1564 1565 1566 1567 300-03 Spectrum

Intensity (dBm)

Wavelength (nm) noSL=2:1AR/AR

L=300um T=20^oC I=80mA

g~1561.67nm SMSR=40.5dB

0 5 10 15 20

-20 0 20 40 60 80 100

300-03 L I curve 5C

20C 40C

Output power (mW)

Injection current (mA) SL:noSL=2:1 AR/AR L=300um T=20^oC Ith=19mA S.E.=0.22 To=32

圖八：新型 DFB 雷射控溫 20℃下，分別量測其輸出光功率與波長

(三) 陣列半導體雷射放大器型：

此部分本年度重點為設計陣列放大器所需的多模干涉(MMI)分光器。本計畫 所設計的多模干涉分光器，是以光波導模態為主體來設計，先分析出光學波導模 態的特性，以其為基底以延展出光場分佈。選擇 InGaAsP/InP 波導為基本波導層，

以解決單石積體化時的架構匹配問題。輸入與輸出波導寬度設計為 2m，多模干 涉區之寬度為 24m，使用光束傳播法(BPM)將分光器的尺寸最小化，並探討波 長與製程誤差對分光器的影響，模擬結果如圖七所示。平均插入損耗為 6.387dB，

分光不均勻度為 0.649dB。其對波長變化不敏感並可容許較大的製程誤差，適合 應用於製作技術較為複雜的單石積體化高速交換與轉換器。

1x4 多模干涉(MMI)分光器已完成設計與製作(如圖九所示)，目前正在量測 中。其輸入與輸出波導寬度皆為 2m，多模干涉區之寬度與長度分別為 24m 與 350m。量測分光器必須做精密的輸入輸出光波的耦合，而結合微透鏡光纖與兩 個精密電控五軸調整基座的量測平台仍在架設中，實際的平均插入損耗尚未量 得。輸出功率與波長量測的結果將與理論分析作比較，若必要仍將修正元件架構 以獲得較佳的結果。

圖九：1x4 多模干涉分光器之側視與俯視圖 三、計畫成果自評：

長範圍雷射陣列，已完成設計且製作，初步結果證實具有原始設計之性能。利用 QWI 技術改變增益頻譜曲線，已完成初步模擬與實驗，兩者趨勢一致，目前正 在實際製作雷射進一步驗證中。穩定且高旁模抑制比之光源已完成設計製作，實 驗結果證實具有原始設計之性能，目前正在申請專利。1x4 多模干涉分光器，已 完成理論分析與製作，目前正在量測中。由各項初步的成果得知，本計畫原始規 劃內容應屬可行。研究成果已投稿數篇研討會論文，並申請專利，待量得更完整 的實驗結果後，將可發表期刊論文。

四、發表或投稿中的論文或專利：

1. P.-M. Gong, J.-T. Hsieh, S.-L. Lee, and J. Wu, “Improved Wavelength Conversio n Based on Four-Wave Mixing in Light-Holding SOA’s,”

submitted to J. Quantum Electron.

2. Ching-Yun Chien, Ron Xian,Pei-Lin Chiang, S a n-Liang Lee, C.-C.

Lin,and Wen-Jeng Ho, ” A fast wavelength-tunable transmitter for optical switching applications,” Proceeding I of OPT2002, p268-270, 2002 3. Jyh-Tsu ng Hs ie h, J ing s ho wn Wu, and Sa n-Liang Lee, “Dynamic Performance Analysis of Four-Wave Mixing Wavelength Conversion in Light-Holding SOA’s,” submitted to CLEO/PR2003

4. Chun-Liang Yang, Ching-Yun Chien, San-Liang Lee, and Jingshown Wu,

“Novel monitoring technique for DWDM tunable lasers using an isolator and a polarizer,” submitted to CLEO/PR2003

5. Dar-Zu Hsu, Pei-Miin Gong, Yu-Min Lin, Steven S. W. Lee, San-Liang Lee, and Maria C. Yuang, “High-efficiency and wideband SOA-based wavelength converters by using four-wave-mixing with orthogonal pumps and an assisted beam,” submitted to ECOC2003

6. 李三良、張英發，一種單波長反饋式布拉格雷射的架構與製作方法，

中華民國與美國專利（申請中）