應用TO46基座在高速率面射型雷射封裝之理論分析與製作技術

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

應用 TO46 基座在高速率面射型雷射封裝之理論分析與製作

技術

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 100-2221-E-151-032- 執 行 期 間 ： 100 年 08 月 01 日至 101 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學電子工程系 計 畫 主 持 人 ： 施天從 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 10 月 30 日

中 文 摘 要 ： 本計畫在於利用具有罐型封裝型式(TO-CAN)的材料與製程將 高速雷射晶片封裝成一個具有低製作成本優勢的 25Gb/s 直調 式發光次模組，並達到諸如 20GFC、100GBASE、OTN4 等電 腦、區域、電信網路的需求。首先本研究發展出一種高頻直 探式的量測方式以驗證雷射晶片的高頻特性，並利用 ADS 電 路模擬軟體去逼近出相對的等效電路模型，其次依據此雷射 晶片的等效電路模型加上罐型封裝型式的發光次模組的結 構，以 HFSS 電磁模擬軟體加以優化封裝結構以達成可操作於 25Gb/s 的目的，其中影響發光次模組高頻特性的打線、封裝 間隙等電氣寄生效應都進行全面性的模擬。最後根據優化後 的設計結果，配合傳統罐型封裝與發光次模組的材料、製 程，製作出 25Gb/s 直調式發光次模組。進行實測後，證實本 模組具有 18.7GHz 的操作頻寬，而且也量測到清晰的 25Gb/s 傳輸眼圖。因為本模組大量運用現有的材料、製程與設備， 所以具有製作成本極低的優勢、且具有大量量產的可行性， 十分適合應用於下一世代的單通道 25Gb/s 或四通道型的 100Gb/s 的光纖網路中。 中文關鍵詞： 100G 乙太網路、罐型封裝、同軸式雷射封裝、發光次模組 英 文 摘 要 ： A cost-effective 25 Gbit/s directly modulated

transmitter optical sub-assembly (TOSA) employing transistor outline (TO)-CAN materials and processes is demonstrated. A high speed distributed feedback laser diode (DFB LD) chip used in the TOSA is characterized by a directly high frequency probing measurement and an equivalent circuit model according to the measurement result. Using a TOSA package with TO-CAN structure and applying the deduced equivalent circuit model of the DFB LD chip in the simulation, a modified TOSA is proposed. The parasitic effect of bonding-wire and the gap induced in die bonding process is studied comprehensively to achieve an optimum configuration. Based on the simulated result, the proposed TOSA is fabricated through a

conventional TO-CAN and TOSA fabrication process. The measured results show that the TOSA exhibits a 3-dB bandwidth of 18.7 GHz and a clearly opening eye diagram of 25 Gbit/s. This developed TOSA is potential for use in the next generation fiber

network of 25 Gbit/s or 100 Gbit/s due to advantages of cost-effective design and mass production

capability.

英文關鍵詞： 100 Gigabits Ethernet, 100GbE-LR4, OTU4, TO-CAN, coaxial laser package, TOSA

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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

□期中進度報告

應用 TO46 基座在高速率面射型雷射封裝之理論分析與製作技術

計畫類別：█個別型計畫

□整合型計畫

計畫編號：NSC100－2221－E－151－032

執行期間：100 年 8 月 1 日至 101 年 7 月 31 日

執行機構及系所：國立高雄應用科技大學電子工程系

計畫主持人：施天從

共同主持人：無

計畫參與人員：曾培豪、朱訓賢、李聖聰

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：█精簡報告

□完整報告

本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：

□赴國外出差或研習心得報告

□赴大陸地區出差或研習心得報告

█出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式：

除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，□一年□二年後可公開查詢

中

華

民

國 101 年 10 月 31 日

2 中英文摘要及關鍵詞

本計畫在於利用具有罐型封裝型式(TO-CAN)的材料與製程將高速雷射晶片封

裝成一個具有低製作成本優勢的 25Gb/s 直調式發光次模組，並達到諸如 20GFC、

100GBASE、OTN4 等電腦、區域、電信網路的需求。首先本研究發展出一種高頻直

探式的量測方式以驗證雷射晶片的高頻特性，並利用 ADS 電路模擬軟體去逼近出

相對的等效電路模型，其次依據此雷射晶片的等效電路模型加上罐型封裝型式的

發光次模組的結構，以 HFSS 電磁模擬軟體加以優化封裝結構以達成可操作於

25Gb/s 的目的，其中影響發光次模組高頻特性的打線、封裝間隙等電氣寄生效應

都進行全面性的模擬。最後根據優化後的設計結果，配合傳統罐型封裝與發光次

模組的材料、製程，製作出 25Gb/s 直調式發光次模組。進行實測後，證實本模組

具有 18.7GHz 的操作頻寬，而且也量測到清晰的 25Gb/s 傳輸眼圖。因為本模組大

量運用現有的材料、製程與設備，所以具有製作成本極低的優勢、且具有大量量

產的可行性，十分適合應用於下一世代的單通道 25Gb/s 或四通道型的 100Gb/s 的

光纖網路中。

A cost-effective 25 Gbit/s directly modulated transmitter optical sub-assembly (TOSA) employing transistor outline (TO)-CAN materials and processes is demonstrated. A high speed distributed feedback laser diode (DFB LD) chip used in the TOSA is characterized by a directly high frequency probing measurement and an equivalent circuit model according to the measurement result. Using a TOSA package with TO-CAN structure and applying the deduced equivalent circuit model of the DFB LD chip in the simulation, a modified TOSA is proposed. The parasitic effect of bonding-wire and the gap induced in die bonding process is studied comprehensively to achieve an optimum configuration. Based on the simulated result, the proposed TOSA is fabricated through a conventional TO-CAN and TOSA fabrication process. The measured results show that the TOSA exhibits a 3-dB bandwidth of 18.7 GHz and a clearly opening eye diagram of 25 Gbit/s. This developed TOSA is potential for use in the next generation fiber network of 25 Gbit/s or 100 Gbit/s due to advantages of cost-effective design and mass production capability.

關鍵詞：100G 乙太網路、

罐型封裝、

同軸式雷射封裝、

發光次模組

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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 7 月 10 日

一、參加會議經過

NOC2012 是歐洲針對網路與光通信等研究領域進行研究發表交流的一個已經連續

舉行 17 年的國際性會議，之前在英國、葡萄牙、澳洲、瑞典、德國等地均有舉行，

本次在西班牙距離巴塞隆納約五十分鐘火車車程的濱地中海小城 Vilanova i la

Geltru 進行。主辦單位是西班牙的 Universitat Politecnica de Catalunya(UPC)，

UPC 在 Vilanova i la Geltru 有 一 分 校 。 大 會 共 同 主 席 是 UPC 大 學 的 Xavi

Masip-Bruin，德國 Technical University of Braunschweig 的 Admela Jukan，及

英國 Climate Associates Limited 公司的 David Faulkner。

本人於 6 月 19 日早上自桃園機場搭乘華航班機(CI903)至香港，轉德國漢莎航空

班機(LH739)到德國法蘭克福機場，最後搭乘 LH1138 班機轉往西班牙巴塞隆納。經

過約 22 個小時的搭、轉機，抵達時已經是當地半夜，從機場到會場所在地 Vilanova

i la Geltru 之間已無大眾交通工具可供搭乘，只好搭乘計程車前往當地旅館住宿，

計程車車行約 30 分鐘，但需要近 90 歐元車資，相關地點位置如下頁地圖所示。

隔日早上即前往會場報到、參加研討會，會議在當地的 NEAPOLIS building 進行(照

片 如 下 頁 所 示 ) 。 NEAPOLIS building 是 Vilanova 議 會 為 推 動 建 設 全 市 為 一

個”

Connected City”

或“

IP City”

的概念而在 2001 年建築的一棟大樓，該概念在建設

全市的寬頻通訊架構以使市民可享有未來網路所需的足夠頻寬，而該大樓則用於資

訊社群與技術的研發與創新，目前進駐有 Advanced Network Architectures Lab.

(CRAAX)， the Technological Centre of Vilanova 等隸屬於 UPC 大學的機構，與

當地電視台等。

計畫編號

NSC 100-2221-E-151 -032

計畫名稱

應用 TO46 基座在高速率面射型雷射封裝之理論分析與製作技術

出國人員

姓名

施天從

服務機構

及職稱

國立高雄應用科技大學教授

會議時間

101 年 6 月 20 日至

101 年 6 月 22 日

會議地點

Vilanova i la Geltru, Spain

會議名稱

17th European Conference on Network and Optical Communications

(NOC 2012)

發表論文

題目

Electrical Characterization of a 25 Gbit/s VCSEL Module with

TO-46 Form Factor Packaging

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本會議屬於中型規模，第一天有兩場 Keynote speech、第二與第三天共有四場

invited talk、其他有 50 篇投稿論文發表，總共約一百多人參加。會議結束後，因

個人私務於西班牙多做停留，後搭乘德國漢莎航空 LH1127 班機由西班牙巴塞隆納往

德國法蘭克福機場，轉 LH738 班機至香港，最後搭乘國泰 CX406 班機返回桃園機場。

二、與會心得

第一場 Keynote speech 是由歐洲議會的官員 Andrew Houghton 演講，演講題目

是”

Evolutio of Optical Networking: Proggress in EU Research Projects”

。歐

盟主席 Jose Manuel Barroso 於 2010 年提出 EUROPE 2020 計畫，擬於 10 年內發展

歐盟為一個新永續的社會市場經濟體(a new sustainable social market economy)，

可參考 http://ec.europa.eu/europe2020/index_en.htm。目前 Europe 2020 計畫積

極展開，其中建置寬頻網路是其中一項重要計畫，近期目標是在 2013 年建置完成可

以覆蓋所有歐盟公民的基礎寬頻網路，計畫目標則是在 2020 年至少可提供 30Mb/s

的快速寬頻服務給所有的歐盟公民，同時期望達成過半的歐盟家庭有 100Mb/s 的網

路服務。所有歐盟支持的研發計畫則整合於 FP7 (7th Framework Programme)，FP7

計 畫 期 間 為 2007~2013 年 ， 總 預 算 約 500 億 歐 元 ， 相 關 資 料 與 細 節 可 參 考

http://www.cordis.europa.eu/fp7/faq_en.html 。 FP7 涵 蓋 範 圍 廣 泛 ， 其 中 有

Information and Communication Technologies (ICT)項目，全期計畫預算約 91 億

歐元，進行資訊與通訊技術的相關研發，是 FP7 計畫中最大的項目，詳細資料與說

3

明可參考 http://www.cordis.europa.eu/fp7/ict/。2013 年以後，下一期的歐盟研

發 計 畫 為 Horizon2020 ， 總 預 算 約 740 億 歐 元 ， 相 關 資 料 與 細 節 可 參 考

http://ec.europa.eu/research/horizon2020/。

與會及 Horizon2020 照片如下：

4

Transprt-Trends, Challenges, Solutions”

。演講中說明因為下述各點會驅動網路

的成長：(1)傳統光網路技術，諸多 Software-defined Optics (SDO)、Qualified

Interworking、Built-in Encryption 等已然成熟，(2)行動通訊的數據傳輸持續成

長而刺激光纖的乙太網路幹線建設，(3)影像傳輸的需求加速挑戰網路架構等。所以

現 今 光 網 路 需 要 從 傳 統 的 架 構 演 化 為 機 敏 型 光 骨 幹 網 路 (Agile optical core

network)。傳統的光網路架構是靜態的、目的性建設、與通訊層次侷限的，現今 DWDM

網路是其中的代表。未來的機敏型光骨幹網路將具備自動的終端對終端服務管理

(Automated end-to-end service management) 功 能 ， 有 Optical Generalized

Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) control plane，結合 Software-defined

Optics and Network (SDON)，達到彈性與效率、容易操作、並收斂現存各式新技術

的目的，最終完成自動的封包與光傳輸功能。未來光網路將會是 100Gb/s 的傳輸，

所以需要用到光同調傳輸的技術。現今 100Gb/s 的乙太網路協定依傳輸距離有以下

規範：100GBASE-CR10 可傳輸數公尺、100GBASE-SR10 可傳輸數百公尺、100GBASE-LR4

可傳輸十公里以上、100GBASE-ER4 可傳輸四十公里以上。

其他三場邀請演講與會議進行的照片如附。主要都在討論雲端的相關議題，包含網

路使用效率、雲端資料加密、網路傳輸實驗與協定等。

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三、考察參觀活動

無

四、建議

雖然自從 2000 年網路泡沫化以後，全世界在光通訊與網路的投資上重挫，不過歐

洲在本領域的研究始終持續進行，儘管歐債危機重重，歐洲議會仍持續鼓勵與資助

本領域的研究，並期許趕上甚或超越美國，走出自己的路。因為網路傳輸是人類生

活上一項必須品，從臉書 Facebook 的崛起到雲端 Cloud 概念的發燒，到現在人手一

隻智慧型手機與平板，都須要網路進行後端連線與處理，所以相關網路與光通訊技

術非但未因網路泡沫化而停滯，反而因近幾年應用端的多樣化與大量需求而發展的

更進步與強大。反觀國內在本領域的發展強度相形嚴重不足，自 2000 年以後，國內

在本領域的發展有一明顯斷層與落差，一些大型研究機構的相關計畫萎縮或轉往其

他領域發展，國內學研主管機關並未積極強調與鼓勵大學在本領域的研究計畫。因

此當網路的需求再度爆發時，國內相關機構並未累積足夠技術或人才，協助支援業

界及時投入此一重要領域。因此本人建議國內主管機關重新審視本領域的重要性，

並積極開創與協助鼓勵學研機構進行技術發展與人才培育，以期趕上網路與光通訊

的需求的再一波爆發。

五、攜回資料名稱及內容

攜回大會議程手冊一冊與論文集電子檔一份。

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六、其他

會議議程如下：

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期:2012/10/30

國科會補助計畫

計畫名稱: 應用TO46基座在高速率面射型雷射封裝之理論分析與製作技術 計畫主持人: 施天從 計畫編號: 100-2221-E-151-032- 學門領域: 光纖通訊與波導光學

無研發成果推廣資料

100 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：施天從 計畫編號： 100-2221-E-151-032-計畫名稱：應用 TO46 基座在高速率面射型雷射封裝之理論分析與製作技術 量化 成果項目 實際已達成 數（被接受 或已發表） 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等） 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 0 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 申請中件數 0 1 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 2 2 100% 博士生 1 1 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 （本國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 2 2 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 3 1 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 0 0 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國外 參與計畫人力 （外國籍） 專任助理 0 0 100% 人次

其他成果

(

無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。) 相關研發成果已獲得其他機構重視,吸引一件產學委託計畫,委託金額 380 萬 元,執行期間一年,現已簽約執行中. 成果項目 量化 名稱或內容性質簡述 測驗工具(含質性與量性) 0 課程/模組 0 電腦及網路系統或工具 0 教材 0 舉辦之活動/競賽 0 研討會/工作坊 0 電子報、網站 0 科 教 處 計 畫 加 填 項 目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）

、是否適

合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■達成目標

□未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□實驗失敗

□因故實驗中斷

□其他原因

說明：

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：■已發表 □未發表之文稿 □撰寫中 □無

專利：□已獲得 ■申請中 □無

技轉：□已技轉 □洽談中 ■無

其他：（以 100 字為限）

已發表 2 篇 SCI 級期刊論文,3 篇國際研討會論文,1 件國內專利提出申請,超過計畫預期效 應.

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價

值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以

500 字為限）

本研究在於應用現有材料,製程,與設備,研發出性能高於現有元件的技術. 本技術可以用 以製作生產成本低且具有大量生產可行性的高性能產品,25Gb/s 的發光次模組,可應用於 下一世代的光纖網路,對光纖網路的性能提升與普及化有極大應用價值.