行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
分波多工被動光網路之關鍵技術研究--總計畫(3/3) 研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 整合型
計 畫 編 號 ： NSC 97-2219-E-011-001-
執 行 期 間 ： 97 年 08 月 01 日至 98 年 10 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
共 同 主 持 人 ： 劉政光、廖顯奎、楊淳良 計畫參與人員： 學士級-專任助理人員：陳信蘭
博士後研究：林淑娟
報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文
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 99 年 02 月 26 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■■■■ 成 果 報 告成 果 報 告成 果 報 告成 果 報 告
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□期中進度報告期中進度報告期中進度報告期中進度報告 分波多工被動光網路之關鍵技術研究
分波多工被動光網路之關鍵技術研究 分波多工被動光網路之關鍵技術研究
分波多工被動光網路之關鍵技術研究———總計畫—總計畫總計畫總計畫
Enabling Technologies for WDM-PONs
計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫 計畫編號：NSC 95-2219-E-011-002-
NSC 96-2219-E-011-001- NSC 97-2219-E-011-001-
執行期間： 95 年 8 月 1 日至 98 年 10 月 31 日
計畫主持人：台灣科技大學電子系 李三良教授 共同主持人：台灣科技大學電子系 劉政光教授 台灣科技大學電子系 廖顯奎教授 淡江大學電子系 楊淳良教授
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
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，□一年■二年後可公開查詢
執行單位：國立台灣科技大學 電子系
中 華 民 國 98 年 2 月 日
I. 中、英文摘要及關鍵詞(keywords)
（一）計畫中文摘要。（五百字以內）
關鍵詞 關鍵詞 關鍵詞
關鍵詞：：：：分波多工、被動光網路、可調式雷射
本整合型計畫的目標在於研究改進研究改進研究改進 WDM-PONs 傳輸頻寬研究改進 傳輸頻寬傳輸頻寬傳輸頻寬、、、、傳輸距離傳輸距離傳輸距離、傳輸距離、、服務彈性及系統可、服務彈性及系統可服務彈性及系統可服務彈性及系統可 靠度靠度
靠度靠度的多項元件與系統技術，並同時達到高性能與低成本的目標。本計畫擬整合在此領域已有 豐富經驗與紮實實力的團隊，集思廣益，共同探討解決 WDM-PONs 的關鍵問題，總計畫與子 計畫重點研究項目條列如下：
總計畫：建立WDM-PONs 測試平台，包括樹狀及環型架構。採用模組化設計，可更換發 訊器，受訊器種類。被動元件可採分光器或被動路由器，供各子計畫測試及評估各項技術。並 對各式系統架構及元件組合進行系統性能分析。
子計畫一：研究分析各式WDM-PONs 的系統架構，並針對不同應用，探討最適系統與元 件的組合架構，並研究全積體化且可量產化的光電元件，以及藉由控制直調雷射啁啾效應增長 傳輸距離的方法。
子計畫二：研究可供 WDM-PONs 應用的可調式雷射與上行雷射發訊器在訊衝工作模式 (Burst mode)下的響應，並對提高訊號資料率進行最佳化設計。分析重點包括可調波長雷射發訊 器、使用反射式半導體光放大器(ROSA)及 Injection locked FP 雷射的上行發訊器、及受訊器前 端裝置等之訊衝響應分析與其改良技術。
子計畫三：研發適用於WDM-PONs 的拉曼光纖放大器、遠端泵激之摻鉺光纖放大器，也 開發波長可調濾波元件，用以提昇PONs 系統的傳輸距離與傳輸品質。也將開發光纖光柵元件 用於光網路之監控，並同時進行系統檢測。
子計畫四：研究 WDM-PONs 的效能管理與故障保護。效能管理與故障保護包括發訊器 故障隔離，線路監測，通道位置的對準，以及光網路之保護與恢復；此外也包括訊號準位的 動態調整及ER 值的監測與改善，以提升整體光網路之可靠度。
（二）計畫英文摘要。（五百字以內）
keyword：：：：wavelength-division multiplexing (WDM), passive optical networks (PONs), tunable lasers
This NTPO project will aim at developing enabling technologies, including key components and system architecture, for improving the performance and feasibility of WDM-PONs. The main focused are on increasing the transmission bit rates, extending the transmission distance, and increasing the service flexibility and reliability. The main project will establish a WDM-PON testbed at NTUST for evaluating various component and system solutions. For WDM-PON system design, different combinations of system architecture, including tree and ring topologies, and components will be investigated. The goals are to obtain low-cost and high-performance WDM-PON systems.
Subproject 1 will develop photonic integrated circuits for OLTs and ONUs. For OLTs, novel types of tunable laser arrays will be developed. The key technologies include quantum-well intermixing and novel grating design. For ONUs, a low-cost wavelength settable laser will be developed by integrating a FP laser with a photonic crystal based coupled cavity resonator. The photonic crystals will be fabricated using 2D holographic exposure. Optimization of the system architecture and components will be carried out for different applications. Furthermore, the schemes for extending the transmission distance and raising the bit rates will be another research focus.
Subproject 2 will investigate the dynamic responses for various transmitters for ONUs, including the burst-mode responses of tunable lasers, reflective semiconductor amplifiers, and injection locked FP lasers. The measure to enhancing the dynamic response at the receiver will also be analyzed and developed. The goal is to optimize the device parameters for improving the transmission characteristics in WDM-PONs.
Subproject 3 will develop fiber-based wavelength selective filtering technologies for WDM-PONs. Various types of fiber grating filters will be investigated for improving the systems performance. Raman amplification is another major interest of this project since the power budget is the critical problem to upgrade the PON systems to higher bit rates and longer distance. The fiber based components will be also used as network sensors to monitor the system performance.
Subproject 4 will develop the schemes of performance management and fault protection for WDM-PONs. The key tasks include fault isolation, line monitoring, channel monitoring, and architecture with fault protection mechanisms. The signal performance monitoring techniques, including power levels and extinction ratios will also be investigated for improving the performance and reliability of WDM-PONs.
II. 目錄目錄目錄目錄
封面--- I
I. 中、英文摘要及關鍵詞(keywords) --- Ⅱ
一、 計畫中文摘要 --- Ⅱ
二、 計畫英文摘要 --- Ⅲ
II. 目錄 --- Ⅳ
III. 研究方法 --- 1
一、 總計畫 --- 1
二、 子計畫一 --- 1
三、 子計畫二 --- 18
四、 子計畫三 --- 39
五、 子計畫四 --- 48
IV. 計畫成果 --- 65
V. 成果發表 --- 68
III. 研究方法研究方法研究方法研究方法：：： ：
一 一 一
一、、、、總計畫總計畫總計畫：總計畫：：：
建立WDM-PONs 測試平台，包括樹狀及環型架構。採用模組化設計，可更換發訊器，
受訊器種類。被動元件可採分光器或被動路由器，供各子計畫測試及評估各項技術。並對 各式系統架構及元件組合進行系統性能分析。
本計劃重點在於建置WDM-PONs 測試平台，設計網路架構，並針對各種系統架構利 用現有模擬軟體如VPI、OptSim 配合 Matlab Simulink 做最佳化設計，藉此制定使用網路架 構所需的規格，以利於未來業界使用WDM-PONs 系統時的依據。
將先由WDM-PONs 系統架構模擬開始著手，建立系統實體層模擬測試平台，在建置 系統前先將系統及元件參數決定，增加系統建置的可靠度及可行性，早一步找出系統問題 所在。由於系統設計及最佳化工作相當吃重，因此需要聘任博士後研究人員一名。首先完 成系統模擬平台，以提供後續研究及系統性能分析之參考。在系統模擬完成後，將完成硬 體測試平台及相關高速電路的量測，並利用誤碼率量測儀及通訊分析儀進行理論及量測結 果的比較與分析。
二二
二二、、、、子計畫一子計畫一子計畫一：子計畫一：：：
(一一一) 共平面結構一 共平面結構共平面結構共平面結構分佈反饋式雷射與電致吸收調變器積體化的元件與製程設計分佈反饋式雷射與電致吸收調變器積體化的元件與製程設計分佈反饋式雷射與電致吸收調變器積體化的元件與製程設計分佈反饋式雷射與電致吸收調變器積體化的元件與製程設計
利用量子井混合效應來設計製作雷射與電吸收調變器共平面結構之積體化元件，使其 能運用在高速的光通訊系統中。主動層材料為磷砷化銦鎵（InGaAsP）的材料。發光波段
Component
Tunable laser Laser arrays ASE sources Burst mode
ONU
子計畫一 子計畫一子計畫一 子計畫一 子計畫二 子計畫二子計畫二 子計畫二 子計畫四 子計畫四子計畫四 子計畫四
Performance Monitoring
OLT RN
AWG Splitter
Filters
Fiber VOA
Tunable laser?
Injection locked Fp RSOA ASE/LED
子計畫一子計畫一子計畫一 子計畫一 子計畫二 子計畫二子計畫二 子計畫二
總計畫 總計畫 總計畫
總計畫/子計畫一子計畫一子計畫一子計畫一 Architecture Design WDM-PON Testbed Filter
子計畫三子計畫三 子計畫三子計畫三 子計畫四子計畫四 子計畫四子計畫四
子計畫三 子計畫三子計畫三 子計畫三 子計畫四 子計畫四子計畫四 子計畫四
Raman pump Performance enhancement
子計畫一 子計畫一子計畫一 子計畫一 子計畫二 子計畫二子計畫二 子計畫二 子計畫三 子計畫三子計畫三 子計畫三
主要設計在1550 nm。
在元件製作的結構上，為了達到高速傳輸（>40 Gbits/s），元件的寄生電容要越小越 好，而行波式電極克服了集總式電極所產生的高電容電阻效應，可達到更高速的調變，故 本研究選擇行波式共平面結構來製作。而經由模擬電吸收調變器吸收頻譜的分析，為了達 到傳輸時較低的傳輸損耗（<10 dB）與較高的信號明滅比（>15 dB），分析出來雷射區與 電吸收調變區最佳的能隙波長偏移量為52 nm至64 nm之間，在操作偏壓為1.2 伏特的條件 下，信號明滅比可達到18 dB。而藉由本實驗所設計出的量子井混合效應造成的能隙偏移 量，至多可達98 nm左右的偏移，足以達成本實驗所要求之最佳能隙偏移值。
1. 元件結構設計與模擬元件結構設計與模擬元件結構設計與模擬元件結構設計與模擬 A. 雷射特性之最佳條件模擬
我們利用了美商Crosslight所提供的雷射模擬軟體Photonics Integrated Circuit Simulation in 3 Dimensions （PICS3D）來模擬結構最佳化的條件。圖1-1為模擬之雷射材料增益圖，
可以看到當注入載子的濃度由5x1023 m-3增加到5x1024 m-3時，在不同的波長下，材料增益的 變化情形，可以發現在波長1550到1580 nm之間有著最大的增益，與本論文所需求的雷射波 長相符。
圖1-1 雷射材料增益頻譜模擬圖。
在光柵設計方面，經由模擬軟體PICS3D可計算出所需雷射發光波長之主動層等效折射 率，其值為3.22，而我們所需之波長為1.55 µm，圖1-2為雷射之發光模態模擬出來的結果。
-4000 -2000 0 2000 4000 6000
1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7
Material gain ( m-1 )
Wavelength ( m)µ
-10 0 10 20 30 40 50 60
1.542 1.544 1.546 1.548 1.55 1.552 1.554 1.556
Mode Spectrum (dB)
Wavelength (um )
圖1-2 雷射之發光模態模擬圖。
B. 電吸收調變器吸收邊緣位移量之最佳化
圖1-3為電吸收調變器之吸收頻譜模擬圖。此吸收曲線是未考慮激子效應的吸收曲線，
我們可以看到吸收曲線在零偏壓時，吸收曲線在波長1.60至1.70 µm範圍中有較低的吸收，
其吸收值在1x105 m-1以內。而當偏壓慢慢的增加時，其吸收曲線會慢慢的往長波長偏移，
在波長1.60至1.70 µm之間，當偏壓慢慢的增加，其吸收係數也隨之增加，且此範圍中，有 著較佳的吸收。為了要達到高速傳輸調變（>40 Gbits/s），需要低傳輸損耗（<10 dB）且要 有足夠的信號明滅比（>15 dB），所以我們將以波長1.56 µm作為基準，來探討不同波長位 移量在不同偏壓下其吸收損耗與信號明滅比。
(a) 變動操作偏壓點與固定調變偏壓之分析
根據圖1-3所模擬出來的結果，我們去做進一步的計算分析，計算其不同的波長位移 量在不同偏壓下的傳輸損耗。
圖1-3 電吸收調變器吸收頻譜模擬圖。
圖1-4為變動操作偏壓點與固定調變偏壓之分析結果，在相同的Vpp下，根據圖1-4的比 較後，波長位移量在52至64 nm（吸收邊緣波長為1612至1624 nm）之間似乎是電吸收調變
器最佳的吸收邊緣，因為在V=Vp1時，傳輸損耗小於10 dB，且信號明滅比可達約18 dB，
對於高速傳輸的需求是足夠的。
6 8 10 12 14 16 18 20
0 5 10 15 20 25 30
20 30 40 50 60 70 80 90
Extinction Ratio (dB) Vp1Transmissiom Loss (dB)
Blue Shift (nm)
圖1-4 計算調變偏壓在1.2 V時不同波長位移量的傳輸損耗與信號明滅比。
(b) 固定操作偏壓點與調變偏壓分析
圖1-5為計算之操作偏壓在2 V時不同波長位移量的傳輸損耗（Vp1=0V）與信號明滅 比，我們假設操作偏壓點在-1 V，以調變偏壓Vpp=2 V來分析，其波長位移量在40至45 nm 之間時，有較大的信號明滅比（>18 dB），傳輸損耗為12.44 dB至9.35 dB，在位移量45 nm 以上時，雖然傳輸損耗低，但信號明滅比也漸漸變小。所以以此方法分析的最佳波長位移 量約為40至45 nm。
10 12 14 16 18 20
5 10 15 20 25
30 35 40 45 50 55
Extinction Ratio (dB) Vp1=0VTransmissiom Loss (dB)
Blu e S h ift (n m )
圖1-5 計算操作偏壓在2 V時不同波長位移量的傳輸損耗與信號明滅比。
(c) 分析結果討論
根據上述的分析，若以不固定操作偏壓點來分析，其最佳波長位移量在52至64 nm之 間，其傳輸損耗約為7至9 dB，信號明滅比可達18 dB。而若以固定操作偏壓點來分析時，
其最佳波長位移量在40至45 nm之間，其傳輸損耗約為9至11 dB，信號明滅比可達18 dB。
我們其結果整理於表1-1中，由表中可知，在相同的條件下（ER>18 dB，TL<10 dB），我們 選擇的波長位移量在52至64 nm之間為其最佳值，因為其調變偏壓較小。
表1-1 固定、不固定操作偏壓點分析之比較。
C. 能隙收縮效應（Carrier Induced Band Gap Shrinkage）對增益波長之位移量 (a) 雷射發光波長範圍模擬
由於載子在注入時，會產生能隙收縮效應，使得原本的增益波長曲線變寬，以致於可 以將布拉格波長移至更長波段來操作。我們先模擬在原本增益波長範圍中，布拉格波長最 長可設置到那個範圍，再計算考慮能隙收縮效應時增益波長變寬的範圍，分析雷射最長可 發光波段。圖1-6為不同布拉格波長之發光模態增益，可以看到布拉格波長至1579 nm時，
模態的增益略為下降。若再將布拉格波長設置在更長的波長時，發現當布拉格波長設置到 1580 nm以上，雷射就因無增益而無法發光。
-10 0 10 20 30 40 50 60
1.54 1.55 1.56 1.57 1.58 1.59
1550 1560 1565 1570 1575 1579
Mode Spectrum (dB)
Wavelength (µm)
圖1-6 不同布拉格波長之發光模態增益 (b) 能隙收縮效應
接下來我們將能隙收縮效應考慮進去，當量子井經由載子注入時，其增益波長頻譜會 因載子注入時所產生的能隙收縮效應而變寬，如圖1-7所示，且載子在低濃度注入時與高濃 度注入時的變寬程度不相同，在高濃度注入時，其變寬程度可由下式計算出：
( 02 )13
~ 3 . 1
g y
E n a R
∆ −
Eg
∆ 為能隙變化量，n為載子濃度，a0為波爾半徑（Bohr Radius），其值為5.29x10-11 m，
Ry為里德堡能量（Redyberg Energy），其值為13.6 eV，一般雷射激發發光時的載子濃度
（~1.5x1012 cm-2），其能隙收縮為15至20 meV，所以增益波長的變寬量約30至40 nm。
Optimal blue shift Wavelength (nm)
Opration voltage Point
(V)
Vpp
(V) ER (dB) TL
(dB)
40-45 -1 2 >18 <10
52-64 -1.9~-2.3 1.2 >18 <10
圖1-7 增益波長頻譜在不同電流注入下所產生的能隙收縮效應之示意圖。
(c) 分析結果討論
若在不考慮能係收縮效應時，雷射布拉格波長可設置的最大範圍約可至1579 nm，若 考慮能係收縮效應時，其能隙收縮約為15至20 meV，增益頻譜變寬量約為30至40 nm，所 以總合這兩個結果，其雷射在1600 nm波段是有可能光激發光的，此範圍涵蓋到我們所分析 的最佳吸收邊緣。
2. 量子井混合效應測試結果量子井混合效應測試結果量子井混合效應測試結果量子井混合效應測試結果
經由分析出來的最佳波長位移量結果，在製作正式片之前，須先測試熱回火溫度與不 同時間下之波長位移量，表1-2分別為675oC與700oC下1至3分鐘的測試：
表1-2 675℃與700℃下1至3分鐘的測試 Peak (nm)
675oC 1min
Peak (nm) 675oC 2min
Peak (nm) 675oC 3min LD 1531.1 1531.1 1529.4 EAM 1491.6 1446.9 1446.9 Shift value 39.5 84.2 82.5
Peak (nm) 700 oC 1min
Peak (nm) 700 oC 2min
Peak (nm) 700 oC 3min LD 1531.1 1531.1 1532.8 EAM 1450.3 1443.4 1434.8 Shift value 80.8 87.7 98
由表1-2所示，當溫度在700oC ，熱回火時間為 3 分鐘時，其波長位移量可達到 98 nm，
而在675oC、2 分鐘後，其波長位移量並無明顯改變。這代表施打劑量在此溫度造成的晶格 缺陷有限，使量子井內元素之間的擴散達到飽和平衡。
根據表1-2的測試結果，若所需的波長位移量為52 至 64 nm 之間，其熱回火溫度與 時間是在675oC 與 1 分鐘至 2 分鐘之間，所以我們選擇 90 秒做為運用在正式片的條件。
圖1-8為運用在正式片的熱回火條件所量測出來的PL頻譜圖，其熱回火溫度在675oC，
時間為90秒，由表1-3我們可以看到其雷射區與電吸收調變器的區域波長峰值相差60.1 nm，
而半高寬分別為56.4 nm與56.5 nm。根據模擬分析的最佳波長位移量來說，是符合其結果的。
1200 1300 1400 1500 1600 1700
1471.0 nm 1531.1 nm
Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
圖1-8 PL雷射與調變器頻譜。
表1-3 波峰與半高寬值
3. 結論結論結論 結論
以量子井混合效應設計製作行波式共平面波導分佈反饋式雷射與電吸收調變器積體化 元件，由於元件操做需要在較低的傳輸損耗（<10 dB）和較高的信號明滅比（約20 dB），
來達到高速的調變傳輸(>40 Gbits/ s)，根據其吸收係數模擬分析的結果得知:
(1) 在不固定操作偏壓點的分析下，操作偏壓Vpp=1.2、波長位移量在30至40 nm時，其每 個不同位移量之最大的信號明滅比為9.8dB至15dB， 雖然其操作偏壓點小，但其V=Vp1 時，傳輸損耗略大（>14dB）。
(2) 波長位移量在41至51 nm時，其信號明滅比為16.05 dB至17.98 dB，傳輸損耗為13.73 dB 至10.41 dB。
(3) 波長位移量在52至64nm時，其信號明滅比可達到最大（~18 dB），且傳輸損耗<10 dB，
而波長位移量在64 nm以上時，信號明滅比有下降的趨勢。
(4) 若固定操作偏壓點分析下（V=-1 V），在Vpp=2V時，其波長位移量在40至45 nm之間有 最大的信號明滅比（~18.8 dB），傳輸損耗為12.44 dB至9.35 dB。
綜合上述結果，我們選擇最佳的波長位移量範圍為52至64 nm。因為在相同的條件下
（ER>18 dB，TL<10 dB），其操作偏壓較低（Vpp=1.2 V）。經由量子井混合效應的結果，
其熱回火溫度在675oC，時間為90秒時，所達到的位移量為60.1 nm，符合最佳波長位移量 分析出來的結果。
Peak (nm) FWHM (nm) LD 1531.1 56.4
EAM 1471.0 56.5
(二二二) 高速光通信系統及元件二 高速光通信系統及元件高速光通信系統及元件高速光通信系統及元件
在眾多的調變器中，反射式的調變器(reflected-modulator)又更能符合低成本的需求，
反射式的調變方式能在同一條光纖上同時傳輸上行及下行訊號，進而減低對光纖纜線佈置 上的複雜性。這樣僅需要單條光纖便能提供許多用戶者來使用，如此一來便能更有效的利 用每條光纜。目前較為人所知的調變器有反射式半導體光放大器(reflected semiconductor optical amplifier, RSOA)、反射式電吸收調變器(reflected electro absorption modulator, REAM) 等。其中又以RSOA 的應用較為目前大家所推崇，其優點有能提供足夠的光輸出功率以抑 制下行雷利散射的干擾，但不足的地方則在於其頻寬僅有2.5GHz 以下，對於將來如此大量 的頻寬需求而言，可能就有點稍嫌不足。而 REAM 則有著高於 10GHz 以上的頻寬足以應 付一切的需求，但美中不足的地方則在其調變器本身並無放大的作用，如此一來除了上傳 功率被限制外，對於雷利散射的影響即變為一大問題。
首先就目前一些已經商品化的元件，從小訊號分析的角度去探討每個元件的頻率響應 (frequency response)，進而從頻率響應的角度出發來得知該元件所能操作之速率為何。
D U T O /E
V e c to r N e tw o rk A n a ly z e r
D C b ia s
圖1-9 頻率響應量測架構圖
如圖1-9所示，使用向量網路分析儀(vector network analyzer, VNA)作為一小訊號調變之 頻率掃動源(0~20GHz)，並利用T型偏壓器(bias-tee)將供給給元件之電流源與調變之交流訊 號耦合至待測物中，經光纖傳輸後，被一寬頻光電轉換器所接收，最後輸入VNA做比對後 得到S參數(s-parameter)，圖中虛線部分表示對寬頻量測之基準面，此功能可以藉由VNA之 SOLT(short-open-load-through line)校正與內建之光電量測應用程式搭配寬頻光電轉換器所 附之校正檔案來完成。校正的重要性可以確保量測到的結果皆屬於所校正基準面內發生的 反射量與穿透量。
以下我們分別量測RSOA、REAM、EOM，RSOA則為固定60mA的操作電流下，對應 不同的入射波長進行量測，REAM則對應不同的偏壓位置進行量測，由於寬頻光電轉換器 有靈敏度的限制(一般來說要介於0dBm ~ -10dBm)，故在接收機前使用衰減器來固定入射的 功率。量測的結果呈現於圖1-10以及表1-4。
0 5 1 0 1 5 2 0
1 5 0 0 1 5 5 0 1 6 0 0 1 6 5 0
R E A M 0 V R E A M - 1 V E O M R S O A
3dB bandwidth
W a v e le n g th [n m ]
圖1-10 各元件其頻率響應對應不同操作波長
表1-4 比較各種用於用戶端之元件
由圖1-10可以發現RSOA有著覆蓋整個C, L頻帶的操作區域，其3dB 頻寬幾乎都維持在 2GHz，這已經很足夠應付目前用戶端所需之頻寬。唯獨要注意的是RSOA本身的ASE雜訊，
可能會對操作於非主要操作區域內之光源造成光訊雜比(optical signal-to-noise ratio, OSNR) 的劣化。反觀EOM則有著非常廣闊的操作區域以及良好的3dB頻寬(>10GHz)，這將足以應 付未來更高的頻寬需求，但其造價昂貴且受極化影響甚大，目前還是少有應用的空間。最 後REAM有著良好的3dB頻寬以及一定的操作區域，這正符合了以上所敘述的要求，由於 REAM的調變方式屬於電吸收的調變方式，這樣往往會犧牲掉上行輸出後的功率，且其差
Operation
range 3dB bandwidth Application Power RSOA Wide ~2GHz Colorless ONU Medium
REAM Limited ~10GHz
(depended) Colorless ONU Low EOM Wide ~13GHz Colorless ONU Low
10G LD Specific ~10GHz
(depended) Active ONU High
入損失又和操做的偏壓點以及入射波長有關，所以此一部份便顯的更需要在研究上好好琢 磨一番。
經由以上的論述後，REAM可被視為下一階段用戶端的主流元件。但值得討論的是，
要 如 何 去 設 計 一 套 以REAM 為 基 礎 的 雙 向 高 速 傳 輸 網 路 架 構 ？ 若 將 此 套 入 傳 統 的 WDM-PON架構下，光源由局端所提供，經過光纖傳輸到達用戶端後，載上上行訊號且循 原路徑抵達局端。不過此一架構卻有著嚴重的問題，其原因正是雷利散射所造成的影響，
使傳輸的品質下降。因為REAM本身並不會像RSOA會有放大訊號的功能以對抗雷利散射造 成的影響，這樣會使得當訊號經過調變回傳至局端接收機時，雷利散射的量與調變的訊號 功率位準相差不大而造成影響。根據量測的結果發現，在接收機所收到的調變訊號至少應 比雷利散射的量大上30dB，這樣才能有效的抑制雜訊的影響。這項限制也就限制了REAM 在WDM-PON上的應用。
因 此 ， 我 們 套 用 交 叉 調 變(cross-remodulation) 的 網 路 架 構 ， 並 利 用 雙 波 長 雷 射 (dual-wavelength distributed feedback laser, DWDFB)而提出了圖1-12的網路架構。交叉調變 的網路架構已經成功的被證實能有效抑制雷利散射的影響，而雙波長雷射原為用於方便同 時偵測兩種氣體所設計的雷射，其結構即類似傳統一般的DFB雷射，但在其單一週期的光 柵上置換成兩種不同週期的光柵，而達到同時雙波長的輸出。此雷射之光頻譜圖如圖1-11 所示。我們分別量測在不同溫度下所觀察到的頻譜圖。此兩種理念在經過我們的設計後，
便提出了此一雙向高速傳輸的架構。
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10
1500 1520 1540 1560 1580
T=20 T=40 T=60
Power [dBm]
Wavelength [nm]
圖1-11 雙波長雷射之光頻譜圖
目前我們使用的波長分別為1.5um(S-band)和1.57um(L-band)，且其兩個波長的旁模抑制 比皆可以達到35dB以上。如圖1-12所示，我們用藍色的路線來表示S-band的下行路徑及紅 色來表示L-band的上行路徑。
Transceiver 32
Transceiver 1 RN
Receiver fiber
Transceiver 16' Transceiver 16
10 Gb/s
OLT
Transceiver 1'
ONU
fiber 10 Gb/s
S band/L band
L band/S band
AW G
Transceiver 17 Transceiver 17'
Transceiver 32' S/L Band
WDM Filter
50:50 Coupler S
S L
L TS-DFB
AW G
REAM Receiver
Receiver
AW G
AW G EOM
圖1-12 雙波長雷射應用於交叉調變之架構
Transceiver 1
Receiver
fiber
fiber 10 Gb/s
S band/L band
S/L Band WDM Filter
50:50 Coupler S
S L
L
DWDFB
REAM
Receiver
SOA EOM
EDFA ATT S
L OLT ONU
Receiver
REAM
Receiver
圖1-13 實驗架構
詳細的實驗架構如圖1-13所示。我們使用頻帶濾波器將兩波長分開來做其各至的用 途，下行的S-band波長則使用外部調變器載上10Gb/s (PRBS, 231-1, NRZ)，在此我們使用SOA 來補償因使用外部調變器所造成的功率損失。而供上行的光源則透過下方的路徑傳送無調 變之光源至用戶端，在此EDFA的用途為彌補下行路徑所損耗的功率，最後到達用戶端注入 REAM做10Gb/s (PRBS, 231-1, NRZ)調變，在上行的路徑中，並不會循原路徑回至局端，而 是利用網路的設計使其走另一路徑而回到局端，如此一來便有效的避開同波長所產生的雷 利散射影響，這樣對局端的接收機來講，僅需使用傳統的光濾波器元件便可有效的阻絕影 響。
誤碼率曲線的量測結果如圖1-14所示，上下行之靈敏度皆位於-19 ~ -20dBm，且功率償 付值也都小於1dB。值得一提的是，在下行無光纖的傳輸靈敏度上與上行無光纖的比較起 來，約有1dB差異，這樣的原因是因為下行我們使用了SOA來放大訊號，而下行的波長並
非位於此SOA的中心操作位置，使的下行訊號的ASE雜訊影響了接收機的量測結果。圖1-15 則表示此雙波長雷射在不同的溫度工作下對應的靈敏度值，在此，我們需改變對雙波長雷 射的注入電流以保持其穩定的輸出。由於在不同溫度下會造成激發的波長位置往長波長來 移動，這便關係到所使用的調變器其操作範圍的大小，對於下行來說由圖1-10及表1-4可以 看到對於不同波長的影響並不大，所以反映在靈敏度上並沒有太大的差異。反觀上行因為 REAM僅對特定的波長區域有著良好的響應，而我們上行所操作的波長位置則正好座落於 其邊界的附近，這也造成了在不同波長位置的操作下有著明顯的差異。
3
4
5 6 7 8 9 1 0
- 2 4 - 2 3 - 2 2 - 2 1 - 2 0 - 1 9 - 1 8 - 1 7 - 1 6
-Log(BER)
R e c e i v e d p o w e r ( d B m ) b a c k - t o - b a c k
2 5 k m T = 2 0oC
U p
D o w n
圖1-14 誤碼率曲線測試圖
- 2 2 - 2 0 - 1 8 - 1 6 - 1 4 - 1 2
1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0
Sensitivity (BER=1e-9 )
T e m p e r a t u r e (oC ) U p s t r e a m
D o w n s t r e a m
2 5 k m S M F
圖1-15 穩定度測試圖
在此網路的功率預算中，下行路徑的功率損耗為21.5 dB 及上行路徑的功率損耗為 18dB。由此我們可以發現對於實際上行傳輸來講，功率不足將會成為一個重要的問題。因 此，我們的解決辦法為使用半導體光放大器(semiconductor optical amplifier, SOA)結合 REAM 做一積體化參數的模擬。此時，過大的輸入功率至SOA 會造成放大功率飽和的情 形發生，此種情形稱之為pattern effect。故如何控制SOA 的操作電流及適當的入射功率即 為此模擬的重點。圖1-16為本次模擬的架構圖。REAM 的吸收曲線可依照實驗的結果，做 一多項式近似後輸入得到適合的吸收曲線。在經過我們的測試後，我們控制REAM 的直流 偏壓點為-2 V，訊號擺幅(峰對峰值)為2 V。對應不同的SOA 操作電流及不同的增益和不同 的入射功率去做BER 的量測。在此，我們選用入射功率為-5dBm 做接下來的模擬測試。
圖1-17為接收機靈敏度對SOA 增益的對應圖。
圖1-16 模擬SOA與REAM積體化
-20
-18
-16
-14
-12 4
8 12 16 20
10 20 30 40 50 60 70
Sensitivity [e^-10] Gain [dB]
Bias current [mA]
input power = -5dBm
圖1-17 模擬接收機靈敏度對SOA增益的影響
在依然能維持上行接收功率為-19 dBm時，經由我們的模擬可以發現，仍然可以從SOA 得到12 dB 的增益。如此一來，便可以解決上行功率不足的問題。以下我們計算上下行所 需要的輸出功率：
21.5 19 2.5
down down
P dB dBm
P dBm
− > −
=> >
21.5 7 20 18 18
8.5
up up
P dB dB dB dB dBm
P dBm
− − + − > −
=> >
下行功率至少需要大於2.5 dBm且下行功率至少需要大於8.5 dBm才能符合此系統的功 率預算。
(三三三) 光纖通信系統三 光纖通信系統光纖通信系統光纖通信系統之應用之應用之應用 之應用
WDM-PON系統架構的特點為，社區內的每一用戶(或是同一棟大樓內各個用戶)都可
分配專用的波長通道，享有無限頻寬的光纖提供各項網路服務。光波長的配置是交由安置
於接近客戶端的遠端節點(Remote node)—不需供電的被動路由元件(陣列式波導光柵元件; AWG)執行。
WDM-PON系統除了大幅地提高網路容量，消除TDM-PON架構中使用分光器(splitter) 大量地光功率損耗問題，並且增加終端用戶們的資訊保密能力。不過，為了使WDM – PON 網路架構得以建置，兩個關鍵性問題必須克服: 客戶端設備成本和光源波長的穩定性。過 去幾年內幾種可採用的ONU光源或是技術，已被研究學者驗證於WDM PON系統中使用，
一是光譜切割方法，可用之光源如:具寬頻譜的發光二極體（LED/SLD）、由摻鉺光纖放大 器（EDFA）形成的自發性輻射放大寬譜光源(ASE)、反射式半導體光放大器（RSOAs）和 Fabry-Perot雷射二極體（(FP-LDs），另一方法為接收下行訊號光源再調製載送上行訊號，
最主要使用反射式半導體光放大器實現。
FP-LDs由於具有低成本和製造過程簡單的特性，因此受到市場廣大的喜愛。但是，其
多重模態的光譜特性限制了它的應用。光源注入機制是一項引人注目，且被證實能有效改 善它缺點的技術，例如: 增加一般雷射(包含DFB雷射、FP雷射與垂直共振腔—VCSEL等) 的最大調變頻寬、降低非線性失真效應、降低雜雷射本質雜訊(RIN)分佈、抑制頻率啁啾成 分、並加強旁模抑制比（SMSR）等。
舉例而言，我們使用一個寬光譜ASE光源經過濾波元件(光纖光柵、薄膜濾波器等)注 入至一FP雷射，並將中心波長對準主要最高功率的一個模態，原本為多模態輸出的FP雷射 光源，被迫將能量集中在此模態而形成單一模態的輸出，並且隨著愈大的注入光功率，縮 短注入光的波長與雷射主模態間距，旁模抑制比可以大幅地提升。通過這種機制，即使變 動外部注入光信號的波長，最接近的模態其峰值波長將被注入光信號鎖定，而雷射本身的 其他模式則受到抑制。
為了提高FP雷射注入效率和提升輸出光功率，於雷射前端端面進行塗覆抗反射層（AR
coating）的處理。基本上，過高的前端面反射將誘發造成更多反射的自發性輻射光源，而
過低的前面反射率可能無法提供足夠的調變頻帶寬。因此，從研究文獻上得到的結論為: FP 雷射光源的前端反射率最理想的條件為 :1至10％的範圍內。
1. 元件製造元件製造元件製造 元件製造
我們所設計的InGaAsP/InP材料FP雷射光源之剖面設計圖為圖1-18所示，是一個具有垂 直向下傾斜錐狀的特殊結構。在中間位置的量子井（QW）層中，共含有四層各為60Å的非 應變InGaAsP材料的深井（λEL=1.55μm）和5個厚度為100Å InGaAsP材料的間隙層（Eg=
0.954 eV）。其中也考慮1％壓縮應變 ，與0.2％拉伸應變的設計納入量子井和間隙層製程 中，分別用來減少內部材料的損失。這個量子井結構夾在兩層SCH之間，下層為具晶格匹 配未摻雜，厚度為500Å 的InGaAsP材料，上層為一晶格匹配未摻雜 0.25µm厚度，但其具
有折射率成梯度變化，此區為錐形波導區(taper region)。對應的能帶間隙從1.0Q至1.3Q成線 性的變化，（1.3Q）符號意味著四元InGaAsP材料的帶隙為1.3微米波長。
這些線性漸變式GRIN-SCH層的設計是為了獲得高效率和高載光子注入量子效率。根 據電流注入效率模型的分析結果得知，相較於拋物線式和線性梯度形的折射率漸變結構，
在相同深度條件下，此種線性漸變式GRIN-SCH是具有最高的注入效率。
正如我們已知的事實，通常標準的FP雷射光源輸出的場形為一個橫向橢圓形分布。但 是，一般耦光用單模光纖為quasi-Gaussian模式。因此，是為了改善FP雷射輸出面，使在垂 直方向更具有似高斯場形分佈，雷射輸出能是一個更接近圓形的發光場形，從錐形波導的 設計做改良是個理想的改善方法，但是要將雷射輸出光束從雷射晶片能更有效率地耦光入 到光纖，如何實現呢？
我們採取了一種簡單、低成本的製程方法--擴散限制蝕刻。我們選擇了20µm寬的間距，
設計不同的錐形波導長度，分別為100、200、300和500 µm，如圖1-19所示。因此，在光罩 圖形的設計上可以明顯地看到，雷射晶片之間有固定的間隔，錐形波導的部分有做橫向寬 度與長度上的幾種變化。由擴散限制bromine-acid方法， 外部延伸層的逐步蝕刻，與壕溝 蝕刻移除的幾個部驟，逐漸變動侵蝕深入深度，使得錐形波導的長度變長，得到所需的垂 直高度與長度。那bromine蝕刻方法會留下了滑順和無損傷的表面，適合再生長。高起的背
脊(Ridge)區域之寬度設計為2µm，以確保單一橫向模式操作。從背脊區域蝕刻下至阻擋層
區域是採用濕化學蝕刻技術處理。
化學氣相沉積（PECVD）方法製作出的二氧化矽絕緣薄膜層的包覆作用為了阻止電流 穿透，晶片的兩面濺鍍上非合金鈦/鉑/金電極是為了達到良好的歐姆接觸。最後，分別於雷 射晶片的發光面與背面進行表面塗佈防反射（AR）和高反射（HR）的製程。
圖1-18 Schematic cross section view of the vertical taper FP-LD.
圖1-19 Mask pattern design of the vertical taper FP-LD 2. 實驗結果實驗結果實驗結果 實驗結果
表一列出製作出的FP雷射晶片，在不同的腔體總長度下，各自含有幾組不同的錐形波 導長度設計，於直流電流操作情況下，得到一些重要的光電流與輸出光功率特性方面的量 測結果。當考慮固定偏壓(直流)電流為80mA的條件時，對於300µm長度雷射晶片，其沒有 包含錐形輸出波導時，臨限電流是18.5mA，輸出光功率為6.774 mW，和轉換效率為
0.18W/A。對於500µm的雷射總腔體長度，其中具有200µm長度的錐狀波導區域，使得臨限 電流為22mA，輸出光功率為8.566 mW，和轉換效率為0.16W/A。而再增加雷射腔體長度為 800µm，其中錐狀波導區域的長度為500µm，能達到5.197 mW的輸出光功率，33mA的臨限 電流，和0.108 W/A的轉換效率。
在相同的總雷射長度條件下，例如400µm與500µm雷射長度之條件，變化了0、100、 200和300µm四組不同錐形波導的參數，希望從量測輸出光源特性的數據結果得以做比較分 析，但由於錐形波導長度為100µm的條件下，沒有任何的輸出光，所以無法做完整確實的 分析。不過，至少我們認為，在400、500、600和700µm的雷射總腔長條件，錐形波導長度 愈長將導致得到更高的臨限電流，此結論與許多研究文獻上提及是一致的[7-8]。
當考慮有相同錐形波導長度為500µm條件時，而雷射總腔體長度變化是從600至800µm，臨 限電流會降低，而輸出功率可以提升，但若是雷射總腔體長度再增長至900µm後，反而對 臨限電流沒有變化而導致光功率下降。
FP雷射晶片再經過表面塗層處理後（約5％AR和> 90％HR的比例關係），將應用外部注射 光鎖模機制形成單模態光源之驗證。一簡單的注入光鎖模測量架構為圖1-20所示。使用一 可調式雷射光源作為外部注入光源注入至FP雷射，可以變動注入的光波長與光功率值，當 偏壓電流高於臨限電流值之後輸出的光譜為圖5之虛線圖。當外部光源光功率足夠高，且注 入光波長足夠接近主模態峰值波長，這兩項條件都滿足後，才會有鎖模並且增強光功率效 果出現，如圖1-21之實線的光譜分布。同時，也飽達到增益飽和現象因而將其他模態有效 地抑制。從圖1-21中我們可以觀察到，藉由一注射光鎖模作用，大大提高了FP雷射的SMSR 到超過30dB，此外會將原本峰值波長從1545.14 nm轉移到1545.21nm。
這個注入光源鎖模的機制可以達到切換光訊號任意路由的一個網路架構，只要注入鎖定的 條件滿足，可以鎖定輸出單模光源的波長，變成任一模態波長，可用於光學波長轉換、WDM 通道的選擇等。
圖1-20 Simple Injection-Locking Measurement Setup.
圖1-21 Measured optical spectra of the vertical taper FP-LD w/ and w/o injection-locking for 500 µm total cavity length with 200 µm taper region.
3. 結論結論結論 結論
本實驗室設計與製作出一具有垂直式錐形波導的InGaAsP /InP FP雷射光源，使用簡單 和低成本有限擴散蝕刻的方法加以實現，在於500μm的雷射總腔體長度，包含200μm長度 的錐形波導長度的結構設計，可以輸出8.566mW的輸出光功率，轉換效率為16％，當800μm 的總雷射腔長度，其中錐形波導長度為500μm結構時，得到5.197 mW的輸出光功率，以及 10.8％的轉換效率。也驗證了此FP雷射應用了注入光鎖定模態技術，可以得到超過30dB 的 SMSR的單模態輸出，在100mA的偏壓電流條件下。因此認為，這種內含垂直錐形波導設 計的InGaAsP /InP FP雷射光源器的設計，是作為WDM-PON系統中ONU光源的理想選擇。
三 三 三
三、、、、子計畫二子計畫二子計畫二：子計畫二：： ：
（
（
（
（一一一一）））研究方法）研究方法研究方法研究方法：：：：
本子計畫之執行可分為模擬與實驗兩部份。在模擬方面，著重於分析比較可調式半導 體雷射、半導體光放大器、光放大器、與波長上鎖FP-LD的動態響應，考慮速率方程式等 開發雷射等效電路模型。在實驗方面，建立WDM-PON測試平台，研製光纖雷射與波長上
鎖FP-LD上行發訊之應用。
本子計畫之WDM-PON調變訊號、測試平台均與其他子計畫共用，可調式半導體雷射 與反射式半導體光放大器，採用商品來實驗。在上行發訊方面，以波長上鎖FP-LD為主，
探討不同注入方式的最佳技術與傳輸特性，設計單通道、多通道、多功能傳輸架構，進行 實驗分析為主。
（（
（（二二二二）））研究成果）研究成果研究成果研究成果：：：：
1. 光纖通訊系統等效電路模型之建立光纖通訊系統等效電路模型之建立光纖通訊系統等效電路模型之建立光纖通訊系統等效電路模型之建立
為進行經濟、具動態與暫態分析能力、又方便使用者自行設計的光電與電子系統整合 分析，我們選擇 Spice 軟體來進行模擬，模擬分析必須先建立各組件的等效電路模型，此
次之研究著重於模擬分析可調式半導體雷射、半導體光放大器、以及包含被放大自發放射 (ASE)的光纖光放大器等。
考慮速率方程式等相關理論，我們開發SOA與 LD的統一等效電路模型。圖2-1(a)與 (b)分別為TW-SOA 與FP-SOA示意圖，其等效電路模型(SOA與 LD統一模型)如圖2。
(a)
(b)
圖2-1. (a) TW-SOA and (b) FP-SOA 示意圖.
利用SOA與LD統一等效電路模型，我們進行模擬分析，部份分析結果如圖2-3-圖2-7 所示。圖2-3為TW-SOA增益與輸入功率關係圖，圖2-4為FP-SOA增益與輸入功率關係 圖，其中圖2-4 (a)為無ASE，圖2-4 (b)為含ASE知分析結果，圖中符號表示已發表文獻中 之結果，我們模擬分析之結果均與參考文獻之結果相吻合。
圖 2-2 等效電路模型(SOA 與 LD 統一模型).
