分波多工被動光網路之關鍵技術研究---子計畫二：分波多工被動光網路之可調波長雷射與上行發訊器之訊衝響應研究(III)

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--子計畫二：分波多 工被動光網路之可調波長雷射與上行發訊器之訊衝響應研

究(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-011-003-

執 行 期 間 ： 97 年 08 月 01 日至 98 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

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 98 年 10 月 14 日

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

分波多工被動光網路之關鍵技術研究

Enabling Technologies for WDM-PONs

子計畫二：分波多工被動光網路之可調波長雷射與上 行發訊器之訊衝響應研究 3/3

Subproject No. 2. Burst-mode response study in tunable laser and upstream transmitters for WDM-PONs (3/3)

計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫 計畫編號：NSC 97－2219－E－011－003－

執行期間： 97 年 8 月 1 日至 98 年 7 月 31 日

計畫主持人：台灣科技大學電子系 劉政光教授 共同主持人：

計畫參與人員：

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 10 月 2 日

國科會成果報告

分波多工被動光網路之關鍵技術研究

子計畫二： 分波多工被動光網路之可調波長雷射與上行發訊 器之訊衝響應研究(3/3)

計畫主持人：劉政光 教授

執行單位：國立台灣科技大學電子工程系 計畫編號：NSC97-2219-E011-003

一、計畫摘要：

中英文摘要與關鍵詞

本子計畫著重分波多工被動光網路 (WDM-PON)之可調波長雷射與上行發 訊器之研究，我們進行可調波長雷射光 源特性研製、元組件與分系統模擬分 析、IL-FP-LD 光源研究等；探討上行雷 射光源與雙向傳輸技術；也探討相關積 體電路之應用。另外，我們進行所研製 雷射光源同時上下行傳輸之研究，探討 多通道信號傳輸與多用途傳輸應用，另 一方面，進行受訊系統特性模擬分析與 相關積體電路設計，包括轉阻放大器、

限幅放大器、時脈回復電路等之製作。

This subproject aims at wavelength tunable lasers and up-stream transmitters in WDM-PON systems. Concentrations are made on wavelength tunable laser transmitters, reflective semiconductor optical amplifiers (RSOAs) and injection-locked Fabry-Perot laser diodes (IL-FP-LDs). Besides, based upon the equivalent-circuit simulation method, we have also developed related equivalent-circuit circuits for the simulation of WDM-PON components or systems. Furthermore, we have also studied the designs of integrated circuits related to optical receivers, such as transimpedance amplifiers, clock and data recovery circuits.

關鍵詞：被動光網路、發訊器、注入鎖模雷 射、分波多工網路、光纖雷射

Keywords: passive optical networks, transmitters, injection-locked laser, WDM, fiber lasers

研究目的與背景

在 WDM-PON 架構中，除使用可調 濾波器與其他被動光學組件外，尚需雷射 傳送器。在 ONU(Optical network unit) 端，除了需要受訊器外，我們可以採用上 行 用 RSOA (Reflective semiconductor optical amplifier)或注入式波長上鎖 FP 雷 射二極體 IL-FP-LD 發訊器。本子計畫著 重上行雷射特性。ONU 端的上行發訊光 源，除了能發光外，更需要把光調變以加 入上行信號，已有不少上行光源的發表，

如 RSOA 與 IL- FP-LD。我們一方面對其 特性進行實驗量測分析研究，另一方面，

我們進行模擬分析，利用常用 Spice 分析 軟體來進行光纖傳輸系統的穩態特性分 析，更可進行暫態分析。

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、成果：

1. 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 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 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 3- 圖 7 所示。圖 3 為 TW-SOA 增益與輸入功 率關係圖，圖 4 為 FP-SOA 增益與輸入功率 關係圖，其中圖 4 (a)為無 ASE，圖 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 等效電路模型(SOA 與 LD 統一模型).

圖 3. TW-SOA 增益與輸入功率關係圖.

(a)

(b)

圖 4. FP-SOA 增益與輸入功率關係圖 (a)無 ASE (b)含 ASE _Simulation

O Reference

__ Simulation O Reference

__Simulation O Reference

圖 5(a)為 LD 的 L-I 曲線，圖 5(b)為臨限電 流與 Reflectivity of Facets 關係，圖 6 為 LD 頻率響應(a 圖)以及峰值頻率對偏壓電流圖 (b 圖)，圖 7 為 LD 暫態響應(a 圖)以及 Turn-on delay time 與 Relaxation frequency 對 偏壓電流圖(b 圖)，圖中顯示我們模擬分析 之結果相當正確。

(a)

(b)

圖 5. LD L-I 曲線(a) 以及臨限電流與 reflectivity of facets 關係圖

(a)

(b)

圖 6.. LD 頻率響應(a)以及峰值頻率對偏壓電流圖(b)

.

(a)

(b)

圖 7. LD 暫態響應(a)以及 Turn-on delay time 與 Relaxation frequency 對偏壓電流圖 (b)

2.光放大器等效電路模型模擬分析

我們擴充以前之研究，考量光纖光放大 器中被放大自發放射(ASE)的影響，發展被 放大自發放射等效電路模型，將其加入光纖 光放大器等效電路模型中。包含被放大自發 放射的等效電路模型如圖 8 所示。

_a 1

,1 out total ,1 I

in total

I V_N2,1 EDFA 1

(1) in

Ps

( ) in

PsM in

Pp

…

,1 out

PA^

,1

PSE^

(1),1 out

Ps

( ),1 out

PsM ,1 out

Pp

…

,1 out

PA^

,2

PSE^ (1),2 in

Ps ( ),2 in

PsM ,2 in

Pp ,2 out

PA^ ,1

in

PA^

,2 in

PA^

EDFA2

,1

PSE^

…

EDFA n

(1) out

Ps

( ) out

PsM out

Pp

, out

PAn^

,

PSEn^

…

_a 1

,1 out total ,1 I

in total

I V_N2,1 EDFA 1

_a 1

,1 out total ,1 I

in total

I V_N2,1 EDFA 1

(1) in

Ps

( ) in

PsM in

Pp

…

,1 out

PA^

,1

PSE^

(1),1 out

Ps

( ),1 out

PsM ,1 out

Pp

…

,1 out

PA^

,2

PSE^ (1),2 in

Ps ( ),2 in

PsM ,2 in

Pp ,2 out

PA^ ,1

in

PA^

,2 in

PA^

EDFA2

,1

PSE^

…

EDFA n

(1) out

Ps

( ) out

PsM out

Pp

, out

PAn^

,

PSEn^

…

圖 8. 含 ASE 的 EDFA 等效電路圖

依圖 8 之等效電路，我們模擬含 ASE 的 EDFA 增益與幫浦關係，並與量測結果比 較，含 ASE 的 EDFA 增益與幫浦關係之量 測與模擬比較結果如圖 9 所示，量測與模擬 結果相當吻合。

p u m p p o w e r (m W )

1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0

DC gain (dB)

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5

E D F le n g th = 1 2 m in p u t s ig n a l p o w e r = 5 0  W

e x p e rim e n ta l n u m e ric a l (w ith A S E )

c irc u it m o d e l (w ith o u t A S E ) o u r m o d e l (w ith A S E )

圖 9. 量測與模擬之含 ASE 的 EDFA 增益與幫浦關係圖

EDF 分段的數目可能影響模擬結果的 正確度，我們改變 EDF 分段數來模擬 EDFA 增益與幫浦的關係影響，圖 10 為模擬之分 段數對 EDFA 增益與幫浦影響圖。

pump power (mW)

10 15 20 25 30 35 40 45

DC gain (dB)

0 5 10 15 20 25

pump power (mW)

27 28 29 30

DC gain (dB)

19.5 20.0 20.5

EDF length = 12m input signal power = 50 W numerical

(L = 1cm)

our model (EDF : 3 segments) our madel

(EDF : 5 segments)

p u m p p o w e r ( m W )

5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0

ASE power (dBm)

- 1 0 0 - 8 0 - 6 0 - 4 0 - 2 0 0

o u r m o d e l ( E D F : 3 s e g m e n t s  L = 4 m ) o u r m o d e l ( E D F : 5 s e g m e n t s  L = 2 . 4 m )

n u m e r i c a l (  L = 1 c m )

E D F l e n g t h = 1 2 m i n p u t s i g n a l p o w e r = 5 0  W f o r w a r d

b a c k w a r d

圖 10. 模擬之分段數對 EDFA 增益與幫浦影響圖 為探討包含 ASE 對 EDFA 的影

響，我們模擬分析交流增益與相位特 性，結果如圖 11 所示。圖 11 為含 ASE 的 EDFA 交流增益與相位特性圖，圖 中顯示 ASE 會影響 EDFA 的交流增益 與相位特性，圖中也顯示我們的模擬 模型相當正確。

frequ en cy (H z)

10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶

AC gain (dB)

5 10 15 20 25

E DF length = 12m inp ut sign al pow er = 50 W m odulation index = 10%

inp ut pum p pow er = 40m W

circuit mod el (w ithout AS E) our m odel (w ith A SE) num erical (w ith A SE)

frequency (Hz)

10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶

phase (degree)

0 20 40 60 80

EDF length = 12m input signal power = 50W modulation index = 10%

input pump power = 40mW

our model (with ASE)

circuit model (without ASE) numerical (with ASE)

圖 11. 含 ASE 的 EDFA 交流增益與相位特性圖

進一步探討包含 ASE 對 EDFA 的影 響，我們模擬分析暫態響應特性，結果如圖 12 所示。圖 12 為含 ASE 的 EDFA 暫態響應 特性圖。圖中不但顯示 ASE 會影響 EDFA 的暫態響應特性，顯示我們的模擬模型相當 正確。

0 1 2 3 4 5

power (mW)

0 5 10 15 20 25

time (ms)

0 1 2 3 4 5

power (mW)

0 2 4 6 8 10

0 1 2 3 4 5

power (W)

0 20 40 60 80

input signal

1530nm 1558nm

output signal

@ 1558nm

output signal

@ 1530nm numerical (w ith ASE) our model (w ith ASE) circuit model (w ithout ASE) EDF length =12m pum p pow er = 35mW

numerical (w ith ASE) our model (w ith ASE) circuit model (w ithout ASE) EDF length = 12m pump pow er = 35m W

圖 12. 含 ASE 的 EDFA 暫態響應特性圖

3.光接收端積體電路製作

在光接收電路方面，我們設計光接收 相關積體電路，首先，讓光電流流經轉阻 放大器，顧及光二級體電容，以獲得較低 輸入阻抗而頻寬夠寬，且兼顧夠大增益為 兩大目標，設計Regulated Cascode本地回授 型轉阻放大器外，還設計負回授。接著，

考量訊衝操作輸入光電流大小差異研究，

設計基礎增益可調整之轉阻放大器，結果 如圖13所示。此電路在回授電阻小時，雜 訊較小；若過大時，又限制頻寬。於是，

又採用電感設計，增加頻寬。另一方面，

降低基質雜訊與電源供應雜訊也相當重 要，我們也設計單端輸入差動輸出轉阻放 大器，提昇共模雜訊免疫力，電路如圖14a 所示，電路佈局如圖14b所示。此電路之轉 阻增益如圖15a所示；在1.25Gbps之PRBS 信號輸入下，部份結果如圖15b之眼圖所 示。

圖 13. 增益可調整轉阻放大器電路圖

VDD

圖 14a. 單端輸入 Regulated Cascode 差動輸出轉阻放大器圖

圖 14b. 單端輸入 Regulated Cascode 差動輸出轉阻放大器佈局圖

圖 15a. 單端輸入差動輸出轉阻放大器轉阻增益圖

圖15b. 單端輸入差動輸出轉阻放大器1.25Gbps PRBS 眼圖

4.光接收端時脈回復積體電路製作

接收光信號因傳輸長距離而使數位信號品 質劣化，雖經過上節所述之信號放大後，數 位信號品質尚須修復。我們採用鎖相迴路電 路來設計時脈的回復，並利用萃取出來的時 脈與 D 型正反器所接出的 Decision Making 電路，重新取樣輸入訊號，藉以回復資料。

具有高頻操作與易於積體電路化之優點，同 時可藉由相頻偵測器之自我修正達成時脈 與資料之自行校準。電路如圖 16 所示，電 路佈局結果如圖 17 所示，部份分析結果如 圖 18 所示。

圖 16. PLL-based CDR.

圖 17. Microphotograph of CDR

圖 18. Recovered Clock from the CDR.

時脈回復積體電路採用TSMC0.18μm 1P6M CMOS製程技術，可產生2.418GHz的 穩定時脈，在偏移中心載波頻率1MHz處所 量測到的相位雜訊為-115.34dBc/Hz，在 1.8/3.3伏特的電壓下Power Dissipation為 75.5mW，晶片面積約1.29x0.81mm²。其中 充電泵（Charge Pump）產生充電或放電電 流，可經由適當轉換產生控制電壓，用來控 制壓控振盪器(VCO)的振盪頻率。壓控振盪 器振盪中心頻率2.5GHz，採用汲極開路架構 的nMOS當Buffer。由於連接於nMOS drain 端的電感感值較大，採用外接式的SMD電感 來連接drain端，所以除了Buffer用的電感 外，其餘元件皆使用TSMC所提供的RF元 件。另有偵測電路、前置放大器、Tappered buffer等，而在輸出端，我們使用共汲極的 電路架構，以減輕負載效應。另外，我們也 試製雙頻式時脈/數據回復電路，雙頻式時 脈/數據回復佈局圖如圖19所示。

圖 19. 雙頻式時脈/數據回復佈局圖

此外，由於 Si-Ge 製程有利於高速元件 之應用，其光電特性有待探討，我們也針對 Si-Ge 製程進行光電相關積體電路設計，

Si-Ge 發光/光接收積體電路典型佈局如圖 20 所示，特性分析典型結果如圖 21 所示，

為 Si-Ge 發光積體電路發光光譜圖。

圖 20. Si-Ge 發光/光接收積體電路佈局圖

圖 23. Si-Ge 發光光譜圖

圖21. Si-Ge發光晶片發光光譜圖

5.可調波長雷射特性與波長轉換研究 隨著頻寬需求的增加，使用分波多工 技術來解決頻寬需求的問題，而分波多工 網路會有很高的阻塞率，為解決上述問題 的關鍵技術就是利用波長變換。我們利用 電吸收調變器(Electroabsorption modulator, EAM) 交 叉 吸 收 調 變 (Cross-absorption modulation XAM)效應，來實現波長轉換的 光信號處理。使用可調式半導體雷射與電 光調變器進行實驗量測，如圖 22 全光波長 轉換架構圖所示，高速調變信號來自主動 或被動鎖模光纖雷射。可調式半導體雷射 當 作 穩 定 連 續 的 探 針 光 源 ， 波 長 為 1555.03nm，雷射輸出功率為 4.75dBm。

圖 22 全光波長轉換架構圖

圖 23 顯示 20.4GHz 鎖模後的光譜 圖，由圖中可以看出旁模被抑制下去，信 雜比約為 32dB，兩旁對稱較高的為二次諧 波頻率，旁模比為 10dB。

Bias Current 250mA

wave length (nm)

850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250

light power (nW)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

圖23 鎖模後光譜圖

圖 24(a)(b)(c)分別顯示未鎖模、主動 鎖模與被動鎖模後之外部 10GHz 電光調 變眼形圖。圖 24(a)顯示未鎖模前調變後眼 形圖，糢糊不清，無法傳輸。圖 24(b)顯示 主動鎖模且調變後之眼形圖，圖中顯示熄 滅比可達 12dB，jitter 為 38ps，傳輸情況 良好。圖 24(c)顯示被動鎖模後熄滅比達 11.28dB，且 Jitter 改善為 16.40ps，訊雜比 也有 10.34dB。圖 25(a)(b)分別顯示經過主 動鎖模後波長轉換之眼形圖，主動鎖模 EAM 逆 向 偏 壓 在 1.0V ， 熄 滅 比 可 達 4.37dB，Jitter 為 71.78ps。被動鎖模 EAM 逆向偏壓在 1.1V，熄滅比可達 6.07dB，

Jitter 為 40.82ps，訊雜比為 5.0dB。

圖24(a) 未鎖模前電光調變

圖24(b) 主動鎖模後電光調變

圖24(c) 被動鎖模後電光調變

圖25(a) 主動鎖模後波長轉換眼形圖

圖25(b) 被動鎖模後波長轉換眼形圖

圖 26 為波長轉換後的光譜圖，圖 26 顯示探針光源與信號光源相差 50dB，量測 到的 10G RF 信號是來至探針光源而不是 信號光源。我們利用主動鎖模光纖雷射技 術成功的應用於 10Gbit/s 非歸零資料傳輸 新波長轉換技術，熄滅比為 4.37dB。另一 方面，也成功的將光纖雷射做 10Gbit/s 電 光調變傳輸，熄滅比可達 12dB，主動鎖模 光纖雷射輸出功率變動為 0.1dB 以下。在 被動鎖模方面，加入一段 DCF 光纖補償，

電光調變熄滅比可達 11.28dB，波長轉換 熄滅比可提升至 6.07dB。

圖26 波長轉換後的光譜圖

6. 上行發訊雷射光源之研究

上行發訊雷射光源研究方面，我們進行 兩種發射機構之研製，一種機構採用反射式 半導體光放大器(Reflective Semiconductor Amplifier)(RSOA)來設計，另一種機構則採 用注入式上鎖 Injection-Loked Fabry-Perot Laser Diode (IL-FP-LD)雷射光源來設計。針 對前者，我們應用 FP Etalon 之技術，可以

同時改善上行發訊到 OLT 與下載到 ONU 訊 號品質，詳細技術已刊載於 Optics Express 期刊。

另一種機構則探討 ONU 端上行的注入 式雷射發訊光源，IL-FP-LD 之上鎖技術方 面，需要把光調變以加入上行信號，我們對 其特性進行實驗量測分析，發現溫度升高，

模態往長波長移動。我們分析了溫度變化之 影響，在 27 ~37℃ ℃間，波長漂移量約為 0.064 nm/℃，在 17℃~27℃間，波長漂移量 約為-0.053 nm/℃。溫度在 27 度，FP-LD 操 作電流 20mA 時，我們獲得 FP-LD 模態分 佈如圖 27 所示。在 32 度時，FP 模態分佈 如圖 28 所示。

圖 27. FP-LD 模態光譜圖

圖 28.溫度 32 度時之 FP 模態

而注入上鎖之實驗中，使用 TL 來注 入 ， 注 入 波 長 為 1546.63nm ， 功 率 為 -1.17dBm，我們獲得注入後之光譜圖，溫度 在 28 度時，典型結果如圖 29 所示。

圖 29. 溫度 28 度時注入之光譜圖

注入光源深影響上鎖 IL-FP-LD 雷射的 操作，我們首先研究新型的注入光源，利用 我們實驗室現有設備與技術研製光纖雷射 光源，不但要適合發射下行信號，還要能進 行注入上鎖 IL-FP-LD 雷射，具備良好的上 行信號之發射功能。

我 們 自 行 研 製 的 光 纖 雷 射 架 構 有 數

種，採用了數種光纖如摻鉺光纖，我們研製 C 波帶與 L 波帶，可利用線型或環型架構，

圖 30 顯示一環型架構，採用摻鉺光纖，為 一波長可調動型，是為可調摻鉺光纖雷射 (TEDFL)，圖 31 顯示其波長可調之特性。

圖 30. WDM 接取網路中使用 T-EDFL 的新傳輸架構圖.

圖 31 T-EDFL 光譜圖.

利 用 圖 30 之 可 調 摻 鉺 光 纖 雷 射 TEDFL，我們探討注入上鎖 IL-FP-LD 特 性，典型的 FP 雷射注入前後光譜圖如圖 32，圖中顯示使用 T-EDFL 的新型注入雷射 效果極優。

圖 32. FP 雷射注入前後光譜圖.

注入上鎖 IL-FP-LD 之注入功率影響 SMSR，典型結果如圖 33 所示，圖中顯示不

同波長所需的注入功率相異。

圖 33. 注入功率較與 SMSR 關係圖

7.可調雷射光源在 WDM 接取網路中之應用 利用自製的可調光纖雷射光源，我們探 討了數種雙向傳輸架構研究，研究其在 WDM接取網路中如何得到優良的雙向傳輸 性能。其中一種傳輸架構已顯示於圖30中，

圖中顯示一雙向傳輸架構，利用圖30的架構 我們進行了雙向傳輸實驗，典型量測結果如 圖34-35所示。圖中顯示了B-B (back-to-bck) 傳輸與10-km SMF傳輸的BERs圖，圖31所示 為10-Gb/s下載結果，圖35所示為1.25-Gb/s 上傳結果，兩者均是在10-Gb/s下載與 1.25-Gb/s上傳同時進行時所量到之結果，插 圖為典型的眼圖，圖中顯示雙向傳輸結果相 當良好。

圖34. 10-Gb/s 下載之B-B 與10-km SMF傳輸BERs圖(插圖為 典型眼圖).

(b)

圖 35. 1.25-Gb/s 上傳 B-B 與 10-km SMF 傳輸 BERs 圖(插圖為典 型眼圖).

8. WDM 多通道傳輸用雷射光源研究 我們一方面利用VCSEL來注入

IL-FP-LD，而且以IL-FP-LD進行雙向傳輸架 構研究，另一方面利用TEDFL(其中一種傳 輸架構已顯示於圖30中)，研究其在WDM接 取網路中如何得到C+L波帶光源提供雙向 傳輸應用。C+L波帶輸出光譜圖之典型結果 如圖36所示。RF頻譜比較如圖37所示，圖 37a為T-EDFL之典型結果 ，而圖37b為 TSLS之典型結果。圖38為10-Gbps信號傳輸 10-km之BE Rs，圖38a為C- band結果，圖38b 為L - band結果。

圖 36. C+L 波帶輸出光譜圖

(a)

(b)

圖 37. RF 頻譜: (a) T-EDFL (b) TSLS.

圖 38a. BERs of C- band wavelength for back-to-back (B-B) and 10-km SMF transmissions of 10-Gbps signals. Insets show typical eye diagrams

圖38b. BERs of L- band wavelength for back-to-back (B-B) and 10-km SMF transmissions of 10-Gbps signals. Insets show typical eye diagrams.

9.被動光纖網路多用途上下行發訊系統研 究

我們一方面利用VCSEL來進行數位電 視信號廣播，另一方面利用VCSEL來注入 IL-FP-LD，而且以IL-FP-LD進行雙向傳輸架 構研究，研究其在WDM接取網路中如何得 到優良的雙向傳輸性能。其中一種傳輸架構 已顯示於圖30中，若在電視收訊不良區，如 圖39所示，我們提出新架構特別適合電視收 訊不良區，如圖40所示。我們所設計雷射之 典型輸出，如圖41所示；被動光網路電視廣 播下雙向傳輸BERs，如圖42所示；固定數 位電視廣播品質下，SMSR與注入功率關 係，則如圖43所示。

ONU VCSEL

Radio Signal

FP-LD CO

ONU VCSEL

Radio Signal

FP-LD CO

圖39. 被動光網路於電視訊號接收不良區應用圖

圖40. 被動光網路於電視廣播與雙向傳輸應用圖

圖41. Optical spectra of FP-LD outputs without and with injections from the VCSEL

圖42. 被動光網路電視廣播下雙向傳輸BER圖

圖43. 固定數位電視廣播品質下SMSR與注入功率關係圖

三、發表之論文：

計畫執行三年以來，共已發表了 1 篇會 議論文、6 篇期刊論文，尚有其他結果正撰 寫論文或投稿中；專利方面，已獲得 2 件專 利，另有 2 件專利也已提出申請；已發表論 文之詳細期刊名與頁次以及專利案號資料 如下：

已發表期刊論文與會議論文：

1. Y. -J. Huang, J.-J. Jou, C.-L. Tseng, and C.-K. Liu,

" Enhancement of pump efficiency for multi-stage L-band erbium-doped fiber amplifiers," Optics and Photonics Taiwan'07, Taichung, Taiwan, BP-064, Nov. 30 ~ Dec. 1, 2007.

2. J. -J. Jou and C.-K. Liu, “Computer-aided analysis of distortions in SCM systems with EDFAs including chirping effect,” AEU International Journal on Electronics and Communications, vol. 61, no. 4, pp. 243-248, April 2007.

3. J. -J. Jou , C.-K. Liu, and S.-L. Lee, "A unified circuit model for static and dynamic analyses of semiconductor optical amplifiers and laser diodes," Solid-State Electronics, vol. 51, no.3, pp.360-365, March 2007.

4. J. -J. Jou and C.-K. Liu, “Equivalent circuit model for erbium-doped fibre amplifiers including amplified spontaneous emission,” IET Optoelectronics, vol.2, no. 1, pp. 29-33, Feb.

2008.

5. S. -C., Lin, S.-L. Lee, C.-K. Liu

SMSR 36

Received Power (dBm)

-28 -26 -24 -22 -20 -18

BER

10^-12 10^-11 10^-10 10^-9 10^-8 10^-7 10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 10^-2

C-band Upstream 1.25Gbps Back to Back C-band Upstream 1.25Gbps 25km L-band downstream 10Gbps Back to Back L-band downstream 10Gbps 25km

C-band Upstream Back to Back

L-band Upstream Back to Back

L-band Upstream 25km SMFL-band Upstream

25km SMF C-band Upstream

25km SMF

Received Power (dBm)

-28 -26 -24 -22 -20 -18

BER

10^-12 10^-11 10^-10 10^-9 10^-8 10^-7 10^-6 10^-5 10^-4 10^-3 10^-2

C-band Upstream 1.25Gbps Back to Back C-band Upstream 1.25Gbps 25km L-band downstream 10Gbps Back to Back L-band downstream 10Gbps 25km

C-band Upstream Back to Back

L-band Upstream Back to Back

L-band Upstream 25km SMFL-band Upstream

25km SMF C-band Upstream

25km SMF

“Simple approach for bidirectional performance enhancement on WDM-PONs with direct- modulation lasers and RSOAs”, Optics Express, vol.

16, no. 6 , pp 3636, March 2008.

6. C. -L. Tseng, C. -K. Liu, J. -J. Jou, W. -Y. Lin, C.

-W. Shih, 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,” IEEE Photonics Technology Letters, vol.20, no. 10, pp.

794-796, May 2008.

7. C.-L. Tseng, J.-J. Jou, C.-K. Liu, and J.-H. Jian,

“A multiwavelength erbium-doped fiber MOPA laser with partial overlapping linear cavities,” to be published in Optica Applicata, vol. 39, no. 3, pp. 579-585, 2009.

已獲得專利與申請中專利：

1. 劉政光,李三良,曾志隆,周肇基,林淑娟:

“基於摻稀土族元素光纖雷射光源之雙 向傳輸網路裝置”.中華民國專利: 新型 第 347761 號, 2008 年 12 月-2018 年 8 月 2. 劉政光,李三良,曾志隆,周肇基,林淑娟:

“基於摻稀土族元素光纖雷射光源之雙 向傳輸網路裝置”.中國大陸專利: 實用 新型 ZL200820179601.3 號, 2009 年 9 月 -2018 年 11 月

3. 周肇基.劉政光,張桓嘉, Passive-Optical- Network Transmission System Capable of Receiving Wireless Signals 中華民國專利 申請案號 097133957

4. 劉政光李三良,曾志隆,周肇基,林淑娟,

“Bidirectional Transmission Network Apparatus Based on Tunable

Rare-Earth-Doped Fiber Laser”美國專利 申請案號 0970049US.

四、總結：

本計畫達成預期目標，在光纖通訊系 統等效電路模型之建立方面，我們研發光 電與電子系統模擬分析法，利用 Spice 軟 體來進行模擬，已建立主要組件的等效電

路模型，此次著重於可調式半導體雷射、

半導體光放大器、以及包含被放大自發放 射的光纖光放大器等，一些研究結果已發 表於一流學術期刊中。

在可調波長雷射特性與波長轉換研 究方面，我們使用利用電吸收調變器的交 叉吸收調變效應，來進波長轉換實驗，並 分別探討了主動鎖模光纖雷射與被動鎖 模光纖雷射的調變特性。我們也成功的將 光纖雷射做 10Gbit/s 電光調變傳輸，熄滅 比可達 12dB，主動鎖模光纖雷射輸出功 率變動為 0.1dB 以下。在被動鎖模方面，

加入一段 DCF 光纖補償，電光調變熄滅 比可達 11.28dB，波長轉換熄滅比可提升 至 6.07dB。

在光接收時脈回復積體電路製作方 面，我們以 CMOS 製程設計光電相關積 體電路，採用鎖相迴路電路來完成時脈的 回復之外，並利用萃取出來的時脈與 D 型正反器所接出的 Decision Making 電路 重新取樣輸入訊號來回復資料。我們也以 SiGe 製程設計光電相關積體電路，目前 正在進一步量測分析中。

利用自製的可調光纖雷射光源，我們 探討了數種雙向傳輸架構研究，研究其在 WDM 接取網路中如何得到優良的雙向 傳輸性能。此外，我們一方面利用 VCSEL 來注入 IL-FP-LD，另一方面研製 C+L 波 帶 TEDFL 光源，研究其在 WDM 接取網 路 中 提 供 雙 向 傳 輸 應 用 。 實 驗 顯 示 10-Gbps 信號傳輸 10-km，C- band 與 L – band 均有良好結果。

在上行發訊雷射光源之研究方面，我 們一方面採用 RSOA 設計雙向傳輸機 構 ， 另 一 方 面 則 採 用 注 入 式 上 鎖 IL-FP-LD 雷射光源來設計。我們開發 FP Etalon 在 WDM 接取網路中的應用技術。

同時，我們自行研製了可調波長光纖雷射 光源，也成功地開發了可調波長光纖雷射 之 IL-FP-LD 技術，可應用於 WDM 接取 網路中之雙向傳輸，利用自製的可調光纖 雷射光源，我們可以同時上傳與下載高速 信號。

我們一方面利用 VCSEL 來進行數位 電視信號廣播，另一方面利用 VCSEL 來 注入 IL-FP-LD，而且以 IL-FP-LD 進行雙 向傳輸架構研究，固定數位電視廣播品質 下，可獲得良好 SMSR。

五、成果自評：

本 計 畫 進 行 可 調 波 長 雷 射 下 行 光 源，以及 ONU 端上行 IL-FP-LD 光源之 研究，包括雷射光源與光路元組件模擬 模型分析，可調波長雷射暫態變化研究 與模擬分析，ONU 端上行 IL-FP-LD 光 源設計等。也進行 RSOA 上行光源之研 究，探討受訊器前端裝置設計，採用矽- 鍺積體電路製程來設計。除了研究上行 IL-FP-LD 外，進行上行與下行多通道訊 號傳輸研究，也探討 DVB-TV 數位電視 廣播與上行和下行同時進行數位雙向傳 輸架構分析。計畫所提工作已順利進行 且有一些成果，並已整理多篇論文，部 份已發表於一流期刊，尚有其他結果正 撰寫論文 或投稿中， 也已獲得一些專 利，具有優良的研究成果。