國科會結案報告
智慧型寬頻光纖通信網路研究
子計畫二：應用於寬頻光通訊網路之波長轉換與波長選取技術研究 計畫主持人：李三良 博士
執行單位：國立台灣科技大學電子工程系 計畫編號：NSC 91-2215-E-011-005 一、計畫摘要：
本計畫主要是針對高密度分波 多工網路中的幾個關鍵問題進行理 論與實驗上之探討，重點放在波長數 目增加和通道間距縮小的趨勢下亟 須解決的關鍵技術：波長選取、波長 轉換和波長監控，以及因應此發展趨 勢必須修正的網路設計概念。波長選 取涉及窄帶寬、低串音且可調範圍大 的濾波器和多工器的設計，波長轉換 的研究重點則為提高轉換效率及降 低雜訊。此外，我們也針對波長選取 和波長轉換技術能實用性，對網路架 構所造成的影響等，做適當的評估，
研究重點在於善用使用波長路徑或 虛擬波長路徑概念的網路系統中的 波長資源。
二、計畫成果：
(1)波長轉換：
四波混合(Four Wave Mixing)波 長轉換轉換效率之改善，以四波混合 的方式來作波長轉換有許多優點，但 其主要的缺點是轉換效率太低。本計 畫的目的在於改善波長轉換效率。本 計劃中，加入輔助光提高半導體光放 大器的飽和輸出功率，轉換效率之最 大值正比於飽和輸出功率的平方，進 而改善整體波長轉換效率。
如圖(一)，加入輔助光後，半導 體光放大器的飽和輸出功率提升了 4.6dB。從圖(二)可發現轉換訊號的強 度在頻譜上，明顯上升了 5.8dB。經由
四波混合與輔助光技術，實際訊號傳 輸及轉換效果可由圖(三)與圖(四)比 較，在傳輸速率 10Gbps 下，加入輔助 光，轉換訊號的振幅增加三倍多，相 當有助於實際光訊號轉換的再傳輸。
圖(一)以輔助光提高光飽和輸出功率
圖(二)加入輔助光影響四波混合的光譜
圖(三)未加入輔助光之四波混合波長轉 換眼圖，速率 10Gbps，峰對峰值 221.7mV
圖(四)加入輔助光之四波混合波長轉換 眼圖，速率 10Gbps，峰對峰值 702.3mV
1 2 3 4 5 6 7 8 9
50 100 150 200 250
1480nm,18dBm 1480nm, 23.3dBm
Efficiency improvement (dB)
SOA Current (mA)
圖(五)輔助光功率對波長轉換效率的影響 如圖(五)所示，當輔助光之光功率 越大時，對於整體轉換效率增加更多，
另外輔助光波長與半導體光放大器的 操作電流也會影響轉換效率。因此，為 有效運用此一嶄新技術，必須掌握材料 之增益與透明點隨波長變化之關係，對 此我們也已發展出一簡易理論，在進度 報告及發表於 IEEE 的期刊中皆有詳細 說明。
綜合上述成果，本計劃已提出了一 波長轉換的解決方案，在實用性方面，
設計光積體化波長轉換器，運用輔助光 技術設計兩段式串接之光放大器結 構，簡化操作方式，提供更高的轉換效 率，實際成為光通訊網路中波長轉換 器。
(2) 高速可調式雷射模組：
在光交換開關中，波長的切換速 度及可調性相當重要，設計高速波長 可調雷射模組配合波長轉換器，可完 成高速可調波長轉換器。本計劃中，
參考相關資料，自行設計一款分佈式 布 拉 格 反 射 鏡 可 調 式 半 導 體 雷 射 (DBR Laser)，其結構如圖六所示，調 動光柵區的注入電流，改變反射鏡的
頻譜分佈，進而使雷射發光在特定選 擇波長。增益區(gain)提供足夠的能 量使雷射發光，最大輸出光功率大於 5mW，相位區則作為波長微調之用。
光柵區調動電流與發光波長之 相對應關係如圖(八)，可選擇發光波 長非連續式，在僅使用單一調動電流 操作下，通道間距約為 0.8nm，可利 用微調與熱調的技術，將發光波長對 應在標準的 ITU 規範波長，階梯式的 波長選擇性可避免在高速波長通道 切換的過程中，產生額外不必要的光 訊號，影響傳輸品質及速率。圖(九) 為已封裝的 DBR 可調式雷射，內含 溫控機制、檢光二極體及自製 DBR 雷射晶體。
圖(六)DBR 可調式雷射
0 1 2 3 4 5 6
0 20 40 60 80 100
L-I Curve
25C 35C
Optical Power (mW)
Driving Current (mA)
圖(七) DBR 雷射增益電流與輸出功率 L-I 曲線
1537 1538 1539 1540 1541 1542
0 5 10 15 20
Tuning map
Output wavelength (nm)
tuning current (mA)
圖(八)調動電流與發光波長
圖(九)已封裝之可調式雷射實體圖
圖(十)四通道高速調動電流與調動發光 波長
配合自行設計的可調式雷射驅 動電路，目前擁有波長調變速率高於 10MHz 的可調式雷射模組，其高速調 動圖如圖(十)所以，上曲線為調動電 流，透過適當的波長對電壓轉換機 制，得到下曲線為各調動電流之對應 輸出波長。
(3)波長選取：
ITU 規定之波長通道：由於 DWDM 中波長位置及通道間隔已有標準規 範 ， 波 長 的 間 隔 為 0.8nm 甚 至 是 0.4nm。本計畫已設計光積體化光濾波 之元件，用於選取各標準通道之訊號。
本計劃中，利用取樣光柵(SGDBR) 做為預設波長的光濾波器，SGDBR 的反 射率尖峰的間隔(∆P)為 0.8nm，為了量 測方便，我們在光濾波器前設計一段增 益區，藉由注入電流至增益區使之發 光，再經由光濾波器量測光譜，圖(十 一)為光濾波器的結構圖。藉由兩段光 柵之間的干涉，使之產生通道間隔為 0.8 nm，如圖(十二)為此固定通道光濾 波器反射頻譜，可以發現此光濾波器不 但有眾多且平坦的反射率頻譜，而且其 相鄰通道的具有足夠的抑制效果，藉由
調整溫度或電流以改變波導的折射 率，使得通道的位置符合 ITU 的規範。。
10µm 10µm
active phase SGDBR
圖(十一) 光濾波器的結構圖
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1.535 1.54 1.545 1.55 1.555
D=0.05, k=300cm-1
R
W (µm)
圖(十二) 固定通道光濾波器
0 0.05 0.1 0.15
1.548 1.5485 1.549 1.5495 1.55 1.5505 1.551 1.5515 1.552 κ=50cm-1, L=300µm, D=0.3
Power Reflectivity
Wavelength (µm)
圖(十三) 可調式光濾波器 此外利用 SGDBR 光柵設計可調 式光濾器，藉由調整電流以改變波導 的折射率，可調動選取的濾波器的波 長，如圖(十三)為可調選取單一通道 波長訊號頻譜。
(4)波長監控：
對於高精密度波長監控技術，利 用被動元件：FP etalon 共振腔濾波 器搭配半導體光電元件，如半導體光 放大器(SOA)或發光二極體(LED)。本 計畫中所使用的被動 FP etalon 濾波 器對溫度較不敏感，特性頻譜的漂移 量約 0.011nm/℃，對於監控系統的穩 定度與精確性有相當大的幫助，其共 振週期(FSR)為 50GHz，利用溫控將濾 波器的透射與反射頻譜的交叉點對 準在標準 ITU 規範波長，觀察透射與 反射量的差異，監控波長的細微偏移 Tuning current
Wavelength channels tuning
量，圖(十四)為 FP etalon 監控八個 通道，各通道波長偏移與濾波器的響 應變化，經光－電轉換器，不同漂移 量轉換為不同電壓輸出，精確監控波 長，且各通道特性相當一致且明顯。
-5 0 5 10
-0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 Multiple-channel monitoring
Ch1: 1548.163 Ch2: 1548.962 Ch3: 1549.762 Ch4: 1550.544
Ch5: 1551.365 Ch6: 1552.168 Ch7: 1552.951 Ch8: 1553.756
Ratio(dB)
Wavelength drift (nm)
218dB/nm 320dB/nm
圖(十四)使用 FP eatlon 監控八個標準 ITU 波長
0 5 1 0 1 5 2 0
1 9 2 .5 1 9 3 1 9 3 .5 1 9 4 1 9 4 .5 1 9 5 1 9 5 .5 1 9 6
Induced junction voltage (uV)
F re q u e n c y (T H z ) B ia s c u rre n t = 4 2 m A
B ia s c u rre n t = 3 8 m A G a in a re a
L o s s a re a
圖(十五)注入光頻率與 LED 感應介面電壓 對應關係
0 20 40 60 80 100 120
-0.1 -0.05 0 0.05 0.1
-10 -5 0 5 10
1548.134 - 1553.734nm 0.8nm Spacing
Ibias= 14.8mA
LD voltage (µV) Wavelength deviation indicated by etalon (nm)
Time(s)
Ch1 Ch2 Ch3 Ch4 Ch5 Ch6 Ch7 Ch8 Ch1 0.006 nm
0.008 nm
圖(十六)動態監控 8 通道，通道間距 100GHz
通道監控方面，利用 LED 或 SOA 等半導體光電元件(SOD)的穿透特 性，將 SOD 做為光感測器，光打入 SOD，SOD 的接面電壓會隨著注入光 的波長不同，有不同的對應電壓，且 對應區線可藉由偏壓電流調整至適 當頻段，如圖(十五)所示，為利用 LED 作為感測器，LED 價格低廉，可 節省系統成本，使監控系統具很高的
實用性。圖(十六)為利用上述技術，
監控波長動態變化，包含通道跳躍與 波 長 偏 移 ， 本 技 術 可 監 控 小 於 0.008nm 以下的波長漂移現象，滿足 ITU DWDM 100GHz 通道間距規範的品 質，並精密且快速監控並回應相關訊 息給相關控制單元。
三、已發表之論文：
本計畫已投稿國際期刊及研討 會論文多篇，有關波長轉換及光濾波 器波長監控之成果。
1. 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, 2000.
2. S.-L. Lee, C.-T. Pien, and Y.-Y. Hsu, “Operation Principles of Wavelength Sensing Using Transparent Properties of Semiconductor Optical Diodes,” J. Lightwave Technol., vol.19, no.85, pp.
655-665, May 2001.
3. S.-L. Lee, “Analytical Formula of Wavelength Dependent Transparent Current and its Implications for Designing Wavelength Sensors and WDM Lasers,” IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.7, no.2, pp. 201-209, 2001.
4. S.-L. Lee and Y.-Y. Hsu, “Study of effects of aging on transparent current stability of semiconductor lasers,” Electron. Lett., vol.37, no.12, pp. 767-769, 2001.
5. S.-L. Lee and Y.-Y. Hsu, C.-T. Pien,
“High-resolution wavelength monitoring using differential detection of junction voltage across single diode laser,” IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 13, no.8, pp.872-874, 2001.
6. J.-T. Hsieh, S.-L. Lee, J. Wu, “All-Optical Decision Gate with an Adjustable Decision Threshold,” Applied Physics, 2002.
7. S.-L. Lee, P.-M.. Gong, and C.-T.. Yang,
“Performance Enhancement on SOA-Based Four-Wave-Mixing Wavelength Conversion Using an Assisted Beam,” IEEE Photon. Technol. Lett., 2002.
8. S.-L. Lee, Y.-Y. Hsu, and C.-T. Pien,
“High-Resolution and Power Insensitive Wavelength Monitoring Using a Low Cost FP Laser for DWDM Applications,” CLEO/PR2001, paper TuA2-4, pp. I-268-269.
9. Chin-Tien Yang, Pei-Miin Gong, San-Liang Lee,
“Wavelength conversion using a semiconductor optical amplifier with an assisted beam,” Optics and Photonics Taiwan’01, paper TC1-8, 2001.
10. Jyh-Tsung Hsieh, San-Liang Lee, and Jing-Shown Wu, “Waveform Reshaping by Gain-Clamped SOA’s in a Mach-Zehnder Configuration,”
International Laser, Lightwave, and Microwave Conference, Shanghai, China, Nov. 2001.
11. Jyh-Tsung Hsieh, San-Liang Lee, and Jingshown
Wu, “All optical 2R regeneration and decision gate by Gain-Clamped SOA’s in a Mach-Zehnder Configuration,” MOC’01, Osaka, Japan, Nov.
2001.
12. Chun-Liang Yang and San-Liang Lee,
“High-Resolution Wavelength Monitoring Technology for Tunable Laser Sources,” Optics and Photonics Taiwan’01, paper FC3-5, 2001.
13. San-Liang Lee. Pei-Miin Gong, and Chin-Tien Yang,”Efficiency improvement of SOA-based four-wave-mixing wavelength converters by using an assisted beam,“ OFC2002, paper ThGG75, Anaheim, CA, USA, Mar. 2002.
14. Chun-Liang Yang and San-Liang Lee,
“Wavelength monitoring of tunable DWDM sources using a FP etalon and a FP laser diode,”
OFC2002, paper ThC2, Anaheim, CA, USA, Mar.
2002.
15. Pei-Miin Gong, San-Liang Lee. and Chin-Tien Yang, “Wavelength conversion using the four-wave-mixing in a semiconductor optical amplifier assisted with an injection beam,”
OC2002, Taipei, Taiwan, Apr. 2001.
16. Jyh-Tsung Hsieh, San-Liang Lee, and Jingshown Wu, “All-Optical Decision Gate with an Adjustable Decision Threshold,” OC2002, Taipei, Taiwan, Apr. 2002.
17. C.-Y. Chien, R. Xuan, P.-L. Jiang, and S.-L. Lee,
“A fast wavelength-tunable transmitter for optical switching applications,” OPT’02, 2002.
四、總結
本計畫之研究重點為波長轉換與 波長選取技術，已研究出多項關鍵技 術，並發表論文多篇。最顯著之成果 為以適當波長輔助光改善半導體光放 大器之性能，以實驗發現數項重要數 據，成為首度以實驗完整探討此效應 者，可搭配已製作之高速可調式雷射 模組，完成高速波長可調波長轉換 器。另外波長選取監控技術也有相當 好的成果，可選擇標準 ITU 規範通道 波長，精密監控波長漂移。本計畫擁 有相當不錯的結果，波長轉換與波長 選取等技術研究已有多篇文章刊登在 國際知名期刊，學術性與實用性兼備。
