波長穩定且精確之光積體化雷射光源之研製---電信科技合作案(II)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

波長穩定且精確之光積體化雷射光源之研製(II)

Design and Fabr ication of Photonic Integr ated Laser Sour ce with Stabilized and Accur ate Wavelength(II)

計畫類別：個別型計畫

計畫編號：NSC89-2215-E-011-002

執行期間：88 年 08 月 01 日至 89 年 07 月 31 日 計畫主持人：李三良博士

執行單位：台灣科技大學電子工程研究所

中華民國 89 年 10 月 29 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

計畫編號：NSC-89-2215-E-011-002

執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日 主持人：李三良博士

執行單位：台灣科技大學電子工程研究所

一、計畫摘要：

本計劃主要內容是設計及製作波 長精確且穩定的光積體化雷射，以供 高密度分波多工網路應用。此型光積 體化雷射包含一高性能單頻雷射及一 個波長控制元件。為符合高密度分波 多工網路對波長精密度和穩定度及其 他性能上的要求，我們研究設計新型 單波長雷射，這些新型雷射皆具有簡 易的波長微調機制，以供波長控制。

在波長控制元件方面，採用半導體雷 射放大器作為波長的檢測器，此元件 的優點為反應速率快，且可與雷射積 體化。我們以理論分析、製作、及量 測半導體雷射放大器在波長控制上的 效能，並得到最佳化的設計。最後將 高性能雷射與波長控制用的半導體雷 射放大器積體化製成波長穩定且精確 的高品質雷射。

二、成果：

在預期完成工作項目中，新型雷 射已完成設計並製作完成，DBR 雷射 與 SOA 積體化製程也已完成，並且對 其特性進行量測。茲將完成的部份分 述如下：

(1)差動式波長穩定法：

由於雷射接面電壓隨驅動電流的 變化，恰似一 V 型曲線，假使波長固 定，若改為方波型式的驅動電流，可 使其產生大於及小於透明電流兩種電 流狀態(如圖 1)。適當選擇調整直流偏 流點後，可使低電流所對應之接面電

別對應的電壓將不一樣。透過電路設 計，我們可分別取樣出此兩組電壓訊 號，並以差動放大器比較而得的差值 電 壓 ， 作 為回 授 控 制 光 源 波 長 的 信 號，進而達成波長監控的目的。

induced voltage

current

light to be stabilized

red shift blue shift

圖 1 差動式的波長控制法

(2)雷射放大器的波長控制量測系統：

透過這些基本的原理分析，可以藉由 簡單的儀器設置(如圖 2)進行初步的觀 測。

Diode Laser Tunable Laser

(with internal modulation)

Current Source

Temperature Control

Amp. &

BPF AC-DC Oscillo-

scope

Function

generator

-0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06

1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

-0.2 -0.1 0 0.1 0.2

square w ave λ=1550.1nm

V o lt a g e (V ) V o lta g e (V )

Time(s)

(a) λ=1550.1nm (穩定波長)

-0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06

1.5 2 2.5 3

-0.2 -0.1 0 0.1 0.2

square w ave λ=1550.95 nm

Voltage(V)

V o lta g e (V )

Time(s)

(b)λ=1550.09nm (往短波長偏移 0. 1nm)

-0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06

1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6

-0.2 -0.1 0 0.1 0.2

square w ave λ=1550.11 nm

Vo lt a g e (V) Vo lt a g e (V)

Ti me(s)

(c) λ=1550.11nm(往長波長偏移 0.01nm) 圖 3 差動訊號與波長偏移之比較

-1000 -500 0 500 1000

1549.9 1549.95 1550 1550.05 1550.1 1550.15 1550.2 1550.25

Differential Voltage(V)

Wavelength(nm )

(a) 穩定波長為 1550.116nm

-1000 -500 0 500 1000

1550.7 1550.75 1550.8 1550.85 1550.9 1550.95 1551 1551.05

D if fe re n ti a l V o lt a a g e (V )

Wavel ength(nm )

(b) 穩定波長為 1550.918nm

-1000 -500 0 500 1000

1551.5 1551.55 1551.6 1551.65 1551.7 1551.75 1551.8 1551.85

D if fe re n ti a l V o lt aa ge (V )

Wavelength(nm)

(c) 穩定波長為 1551.721nm 圖 4 差值電壓與波長相對關係圖

(3)設計及製作波長穩電控制電路：

Current Source

Function Generator

Diode Laser

Amp.

& BPF Demod.

Circuit

Sampled

& Hold

stabilized (with modulated)

Control Signal

Temperature Controller

Diff.

Amp.

圖 5 波長穩定系統方塊

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3

ac signal driving I signal

Voltage (V)

Time (s)

圖 6 方波驅動電流對應之接面電壓交流訊號

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1

1550.22nm 1550.20nm 1550.18nm

Voltage (V)

Time (s)

圖 7 整流之接面電壓振幅

圖 8 為不同波長之差動電壓輸出 訊號。若以 1550.2nm 為目標穩定波 長，當波長往長偏移時，差動放大器 輸出為正電壓；反之則為負電壓。將 圖 9 中，波長偏移量與差動輸出電壓 的關係繪製成曲線。

-12 -8 -4 0 4 8 12

-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3

Voltage (V)

Time (s)

1550.24nm 1550.22nm 1550.20nm 1550.18nm 1550.16nm

圖 8 不同波長之差動輸出電壓

(4)單波長且波長可微調之半導體雷射 之研製：

(a) 波長調動間隔 0.8nm 之新型雷射：

波長調動間隔為 0.8nm 的新型雷 射是結合 DBR 及 SGDBR 的反射率頻 譜特性。其中 SGDBR 鏡面其反射率尖 峰的間隔(P)為 0.8nm，而 DBR 鏡面只 有一個反射率尖峰。我們可以藉由加 電流至 DBR 鏡面使其布拉格波長可以 調動。

1536.5 1537 1537.5 1538 1538.5 1539 1539.5

0 5 10 15 20 25 30

23 Ia=50 mA

Wavelength (nm)

Tuning Current (mA)

圖 9 雷射的調動波長與電流的關係

(b) 單波長且波長可微調之半導體雷射：

我們藉由藉由固定取樣週期改變 SGDBR 的工作週期。如此在布拉格波 長可以達到一個很大的反射率尖峰且 其頻寬小於 DBR，其他的反射率尖峰 則被抑制。由於 modal gain margin 及 loss margin 的差距，使得旁模抑制比會 很大。

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20

1530 1535 1540 1545 1550 1555 1560

31-Ia=30 mA

Intensity (dBm)

(c) 多波長雷射陣列：

若我們一開始使兩邊鏡面的布拉格 波長不相同，使兩個反射率頻譜對齊在 mode-1 處。如此當我們加電流至增益區 時，當雷射達到臨界條件時，每個雷射 即輸出不同波長而不需調動電流。我們 設計在用 MOCVD 磊晶雷射材料時，在 原先波導層上成長 InP(etchingstop)，再 成長 6nm 的 1.3Q。在製作光柵之前，將 一邊鏡面(P 小)的 6nm 之 1.3Q 蝕刻掉。

使兩邊鏡面的布拉格波長不相同，其間 格約 0.8nm。

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

1530 1535 1540 1545 1550 1555

MWLAs: spacing - 0.8 nm, I=90 mA, T=25

C

Power (dBm)

Wavelength (nm)

圖 11 雷射陣列的輸出波頻譜

(5)積體化元件之特性量測：

積體化光源包含兩個部份，前端 為 DBR 雷射，後端為與雷射增益區相 同結構的雷射放大器，兩者積體化在 一起。我們將積體化光源切開，分別 量測雷射與放大器的特性，最後再探 討光積體化光源的波長偵測。

(a) DBR 雷射：

我們分別設計 DBR 雷射的波長間 隔為 0.8 及 0.4nm。圖 12 顯示波長間 隔 0.4nm 的 DBR ， 其 SMSR 大 於 25dB。

1514 1515 1516 1517 1518 1519 1520 1521

I

=100mA

Wavelength (nm)

(b) 半導體雷射放大器：

20 25 30 35 40 45 50 55

1520 1530 1540 1550 1560 1570

Data 1

20

C 25

C 30

C

Transparency Current (mA)

Wavelength (nm)

圖 13 半導體雷射放大器之透明電流與波長之 關係曲線

半 導 體 雷 射 放 大 器 的 長 度 為 500µm。由於此半導體雷射放大器的臨 界電流約 45mA，所以當光源波長在 1520~1530nm 時，所偵測到的透明電 流已接近臨界電流。所以由圖 17 可得 知，其曲線趨勢接近飽和。波長對透 明電流斜率在不同溫度(20°C、25°C 及 30

°

(c) 電極隔離：

由於供波長控制用的半導體雷射 放大器對外部訊號的干擾較敏感，必 須採用離子佈植技術進行電極隔離，

經離子佈植後電極間之電阻值由原先 幾十 K 增加至 M 歐姆等級。

-0.0001 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0007

0 2 10

4 10

6 10

8 10

1 10

-10 -5 0 5 10

implant grating-mod. spacing=50 µm

Current(A) Ohm

Current(A) Ω

Voltage(V)

圖 14 電極之間的 V-I 關係

(d) 光積體化光源量測：

之前我們已分別量測 DBR 雷射與半導 體雷射放大器，其特性符合我們之前 的設定的需求。現在我們開始量測光 積體化光源(如圖 19)。由於此積體化元 件共有 4 個電極，電極之間的間隔很 小，所以很難同時使用多個探針作量

測。我們針對 DBR 雷射的主動區以及 雷射放大器兩電極加電流進行量測，

首先我們以 1KHz 調制訊號對主動區 電流進行調制，產生之單波長光進入 雷射放大器內，利用半導體雷射放大 器之接面電壓會隨注入之電流不同產 生變化，當接面電壓最小時此時所對 應之電流即是 DBR 雷射所發出波長之 透明電流。但是由於半導體雷射放大 器一端與 DBR 雷射機體化在一起，另 一端為自然斷裂面，此兩個端面將造 成光訊號反射回雷射部份，這將會影 響雷射模態穩定，進而影響其波長穩 定，造成量測所得之結果與我們預期 不同。此外因為晶片在量測時無法與 量測基座緊密接合，造成晶片溫度的 累積，並對訊號產生干擾。為解決上 述問題我們將對半導體雷射放大器之 劈裂端面作抗反射塗層蒸鍍，以降低 端面之反射。在解決不易同時使用多 個探針量測方面，我們將對元件進行 多電極封裝。

DBR Laser amplifier

圖 15 光積體化雷射

三、本計劃之貢獻：

(1) 本計劃研究雷射的波長穩 定 度 和 精確度。其成果有利於雷射在光纖 網路的實體化。

(2) 本計劃所發展的雷射性能優越，且 與波長控制積體化在一起，可增加 可靠度與成本。

(3) 本計劃發展數項高等雷射 的 製 造 技術，可作為發展其他雷射和光電 元件製作的基礎。

(4) 本計劃所提出的雷射與波 長 控 制 元件積體化設計，及新型雷射的設 計皆屬創新的研究，其成果已發表 數篇論文。目前繼續整理成果，將

陸續發表論文。

四、參與工作人員可獲得之訓練：

(1) 獲得製作半導體雷射及相 關 光 電 元件之訓練。

(2) 習得半導體雷射及雷射放 大 器 的 原理及設計。

(3) 習得半導體雷射及雷射放 大 器 的 量測技術。

(4) 獲得相關光積體電路的理 論、 設 計、製作和量測之訓練。

五、發表之論文：

1.C.-T. Pien, S.-L. Lee, Y.-Y. Hsu, C.-H.

Chiang, C.-Y. Wang, and T.-T. Shih,

“Wavelength detection using semiconductor laser diode for applications in optical networks,”

Optics and Photonics Taiwan’99, paper FR-I3-

2.S.-L. Lee, C-T. Pien, and Y.-Y. Hsu,

“Wavelength monitoring in DWDM networks using low cost semiconductor laser diode/amplifiers, ”

Conference on Optical Fiber Communications 2000

3.S.-L. Lee, C-T. Pien, and Y.-Y. Hsu,

“Wavelength monitoring with low cost laser diodes for DWDM applications,”

Electron. Lett. vol.36, no.6, pp.545-546,

4.S.-L. Lee, C-T. Pien, and Y.-Y. Hsu,

“Operation principles of wavelength sensing using transparent properties of semiconductor optical diodes,”

submitted to J. of lightwave Tech.

5. I. -F. Jang, S. -L. Lee, C.-Y. Wang, T.

-T. Shih, Y. -H. Jan “Novel Techniques for Realizing SGDBR DWDM Source With Coarse Tuning,”

17th International Semiconductor Laser Conference,

6.I. -F Jang, S. -L Lee, C.-Y Wang, L. - W Laih “Effects of the Sampling Duty Cycle on Side Mode Suppression Ration of SGDBR Laser Arrays,” submitted to