光積體化分波多工發訊器之研製(II)

一、 計劃摘要：

本計畫為因應分波多工技術在光纖 網路中的發展趨勢，研究發展其發訊單 元所需的元件關鍵技術。目前分波多工 技術可分成三個主要的應用: 包括應用 於雙向傳輸的 1.3 及 1.55µm 系統，應用 於長距離高速傳輸的高密度分波多工系 統，以及即將應用於區域存取網路的寬 間隔分波多工系統。研究重點包括不同 應用所需的多波長光源設計、波長多工 器及耦合器設計、以及相關元件的光積 體化技術。為降低成本及增加發訊器的 可靠度，希望能將所有光學元件在磷化 銦基材上進行單石積體化。

由於上述三個分波多工系統中使用 的光源和多工器所涉及的學理類似，因 此將在本計畫中進行整體性研究。然而 不同的系統應用對元件也有不同的要 求，必須個別探討。在區域存取網路的 寬隔分波多工系統的發訊器設計上，由 於主要的應用為 10G 位元速率的乙太網 路，在多波長雷射和其多工器的設計上 將與高密度分波多工系統元件有很大差 異，必須使用較大的波長間隔且對波長 失準有較大的容許度，這對雷射和多工 器的設計上將是非常嚴格的挑戰。

本計畫的研究內容包括新的元件架 構，新的學理分析，以及新的製造技術。

我們將首先探討各種可行的光電元件架 構，發展簡易精確的分析方法。然後針 對各應用設計新型分波多工雷射光源及

多工器，並研發新的製程技術以實現高 性能的光積體化發訊器。

二、成果：

(一)1.3/1.55µm 波長分波解多工器：

我們所設計的新型波長分波解多工 器的架構如圖 1 所示。使用 1.25Q 波導，

是為了能順利與同材質的雷射光源進 行積體化。為了使元件的尺寸盡可能的 縮短，在多模干涉區中放置 Chirp 光柵 可使元件長度大幅度地縮短，並達成雙 向傳輸的功能。Chirp 光柵的週期變動 為 0.241 到 0.243 m

µ

，使反射率頻譜變 寬，即使光源波長漂移，還是可以正常 工作。模擬結果顯示：對 1.55 m

µ

波長 光波來說，我們可得 0.8 dB 的插入損耗 及 26 dB 的隔離度。對 1.3 m

µ

波長光波 來說，我們可得 0.03 dB 的插入損耗及 41 dB 的隔離度。本計畫設計的新型 1.3/1.55 m

µ

波長分波解多工器具有小 尺寸、雙向傳輸、低插入損耗及高隔離 度等優點。

1.3/1.55

µ m 1.55 1.3

µ m µ m

551 µ m L eff

L

^d1

L

^depth

port 1

port 2

port 3 port 4

圖 1：1.3/1.55

µ m

分波解多工器之架構

行政院國家科學委員會專題研究計畫期末成果報告

光積體化分波多工發訊器之研製

Design and Fabr ication of Photonic Integr ated WDM Tr ansmitter s 計畫編號：NSC90-2215-E011-007

執行期限：89 年 8 月 1 日至 91 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

(二)新型 CWDM 波長分波解多工器：

在設計 1.3

µ m

波段 CWDM 波長分波 解多工器，為了降低傳遞損耗，波導材料 改用矽上絕緣體(SOI)，而新型波長分波 解多工器的架構，如圖 2 所示。SOI 波 導頂端多晶矽層和絕緣層厚度設計為 6

µ m

和 2

µ m

，脊狀波導寬度和蝕刻深 度分別為 4

µ m

和 2.7

µ m

^{，以降低與單}

模光纖的耦合損耗。基於馬赫任得原 理，利用不同波導長度和週期性分割波 導(PSW)，造成相位差進而分波解多工。

由於 SOI 波導光場局限能力較差，導致

元件尺寸過大，因此設計反方向輸出以 降低元件長度，CWDM 波長分波解多工器

面積大小只有 1x35 mm

²

。在耦合器的部 分，探討方向耦合器和多模干涉波導結 合週期性分割波導的可行性，模擬結果 如圖 3 所示，並整理於表一。由表一可 得知，多模干涉波導的形式之分波解多工 器有較大的插入損耗(仍低於 3dB)和較低的串 音(crosstalk)，但製程簡單且製程誤差容忍度大 為其主要優勢。上述兩種作法皆有12 nm 的禁 止頻帶，可容許CWDM 光源波長受製程誤 差或溫度效應+/- 6nm 漂移。

λ ^1, λ ^2, λ ^3, λ ⁴

λ ^2, λ ⁴ λ ^1, λ ³

λ ^{2 250µm} λ ^{4 250µm 250µm} λ ^{1 250µm} λ ³

50%

coupler 50%

coupler

50%

coupler 70%

coupler

70%

coupler

70%

coupler

10%

coupler

10%

coupler

10%

coupler r

1_1

r

1_2

r

3_1

r

3_2

r

2_2

r

2_1

L

1_1

L

1_2

L

2_1

L

2_2

L

3_1

L

3_2

圖 2：新型 CWDM 分波解多工器之示意圖。

wavelength (µm)

in se rt io n lo ss (d B )

port C port A port D port B 0

5 10 15 20

25

1.26 1.28 1.3 1.32 1.34 1.36

圖 3：4 通道分波解多工器之輸出特性。

(實線:方向耦合器;虛線:多模干涉波導) 表一： CWDM 分波解多工器之光特性

插入損耗

(dB) 串音(dB)

center

λ

(nm) Case 1 Case2 Case 1 Case2

1 dB 通 帶頻寬

(nm) Ch. 1 1275.7 0.92 2.27 20.28 18.04 18 Ch. 2 1300.2 0.91 2.28 20.38 18.08 18 Ch.3 1324.7 0.91 2.28 20.08 20.73 18 Ch. 4 1349.2 0.91 2.29 20.42 20.72 18

(三)已設定波長之多波長雷射陣列：

我們開發新型的多波長雷射陣列製 作技術，不需要調動電流即可輸出不同 波長。磊晶成長波導層後，在其上再成 長一層厚度 6nm 的 1.3Q 層，在製作光 柵前，利用選擇性蝕刻方法，將其中一 個鏡面的薄 1.3Q 層去除，如此便可使反 射率對齊在第一個尖峰，如圖 4 所示。

λ 1

λ 2

λ

3

λ

B1

λ

B2

new design

圖 2：新型雷射陣列反射率頻譜

在室溫及連續電流的操作下，此新 型雷射陣列的臨限電流平均約 25 mA，

輸出功率大於 4mW(在 100mA 的操作電 流)。在固定的操作電流準位下，波長間 隔 設 計 0.8nm 的 平 均 波 長 間 隔 為 0.846nm ； 0.4nm 的 平 均 波 長 間 隔 為 0.458nm。圖 5 顯示所有雷射其輸出波長 隨操作電流的變化，可以發現少數幾顆 雷射有模態跳動。我們只需要調整每個 雷射的操作電流，即可使陣列輸出 ITU 規定的波長(間隔為 100GHz)。

然而在溫度及電流的變化過程中，

少數幾顆雷射有模態跳動(cavity mode hopping)，這會限制雷射在長距離傳輸的 應用。可以藉由注入電流於相位區以改 變其縱模的位置，當縱模對齊反射率最 大 的 地 方 ， 如 此 便 可 得 到 最 佳 的 SMSR。經由實際量測，電流變化 50mA 及 溫 度 變 化 20°C ， SMSR 依 然 大 於 40dB。在變化溫度量測波長變化時，陣 列中每個雷射隨溫度變化的速率皆相同 (0.1nm/°C)，所以首先可以調整雷射的操 作電流使得輸出波長的間隔為設定的標 準，之後利用溫度調整，使得所有通道 符合 ITU 的規定位置。當溫度設定在 20°C，加入相位區電流控制，藉由調整 電流使每個通道符合 ITU 規定。當溫度 上升至 25

°

C、30

°

C，其通道間的波長間 隔誤差小於 0.1nm。

1532 1534 1536 1538 1540 1542 1544 1546 1548

40 50 60 70 80 90 100 110

W a ve le n g th ( n m )

Current (mA) ch .1

ch .16 T=25

^o

C

圖 5：輸出波長隨操作電流的變化

(四)設計及製作 10Gb/s Ether net 光源：

CWDM 雷射的設計方面，在波段 1.55µm 波長分別為 1510nm、1530nm、

1550nm 及 1570nm。我們利用 SGDBR 雷射作為可調式雷射陣列，其具有製程 簡易及波長間隔可精確控制的優點。為 了縮小整個雷射陣列的尺寸，相鄰雷射 的間隔為 150µm，雷射的前端與後端鏡 面區的長度分別為 600µm 及 300µm，增 益區長度為 500

µm，脊狀雷射的波導寬

度為 4

µ

m。在波導層上再成長一層 9nm 的 1.3Q 材料，利用選擇性溼蝕刻法，將 其中一個鏡面薄的 1.3Q 材料去除，造成 兩鏡面的折射率差，使得雷射發光於其 不同反射率尖峰的位置而不需額外的調 動電流。

圖 6 為 CWDM SGDBR 雷射陣列的 反射率頻譜示意圖，雷射 1 發光在布拉 格波長處，雷射 2 及 4 發光在短波長方 向第一個模態處(mode -1)，雷射 3 發光 在 長 波 長 方 向 第 一 個 模 態 處 (mode

+ 1)。在製作光柵之前，只將雷射 2、3

及 4 其後端鏡面區的位移層利用選擇性 濕蝕刻去除，即可使陣列輸出 4 個間隔 為 20nm 的波長。此外為了後續雷射量 測 及 封 裝 的 方 便 ， 我 們 在 雷 射 定 義 P-type 金屬前，將雷射的兩個鏡面區鋪 上 SiO

₂

做成絕緣，四顆雷射的電極分佈 在最兩邊，可方便量測及封裝。

P=20nm

P=40nm

λB λ

λ

λ

λ 20

B− λ

B+20 λ

B−40 λ Laser 1

Laser 2

Laser 3

Laser 4

nm ) P 20 ( P

nm 20 P

2 1

∆

−

=

=

nm ) P 20 ( P

nm 20 P

2 1

∆

−

=

=

nm ) P 20 ( P

nm 20 P

2 1

∆ +

=

=

nm ) P 40 ( P

nm 40 P

2 1

∆

−

=

=

圖 6：CWDM SGDBR 雷射陣列的反射率 頻譜示意圖。

溫度固定在 20°C，量測雷射陣列

CW 輸出功率，臨界電流在 50-60mA 之

間，在操作電流 110mA 時，陣列的輸出 功率可達 1mW 以上。圖 7 顯示雷射陣 列 的 輸 出 頻 譜 ， 發 光 波 長 分 別 為 1529.18nm、1509.96nm、1550.69nm 及 1489.48nm。由實驗結果可以得知，我們 設計的 CWDM 雷射陣列可以精確且簡 單設定波長位置。此外增益區電流增加 會造成波長往長波長方向移動，波長隨 電流改變的速率約為 0.01nm/

°

C。

在 CWDM 雷射陣列設計中，我們保 留相位區電極以做為波長穩定控制。我 們可以額外加一微小的調動電流至相位 區去微調模態的位置，使得模態對準兩 鏡面的反射率頻譜乘積最大處，如此便 有最佳的 SMSR。在 20°C 時，CWDM 雷 射陣列的操作電流固定在 100mA，藉由 調整相位區電流使得輸出波長具有最佳 的相鄰模態 SMSR。CWDM 雷射陣列其 波 長 隨 溫 度 改 變 的 速 率 約 為 0.102 nm/°C，四個雷射其波長隨溫度移動量幾 乎一致。在 20

°C 到 40°C 的溫度變化範

圍內，其相鄰模態及通道的 SMSR 均大 於 30dB，如圖 8 所示。

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

1480 1490 1500 1510 1520 1530 1540 1550 1560

In te n si ty ( d Bm )

Wavelength (nm) T=20

^o

C

圖 7：CWDM 雷射陣列在 20°C 及 100mA 下的輸出頻譜

30 35 40 45 50

20 25 30 35 40

λ=1480nm λ=1510nm λ=1530nm λ=1550nm

SM SR -c a v it y ( d B )

Temperature (

^o

C)

圖 8：CWDM 雷射陣列其相鄰模態 SMSR 隨溫度的變化關係。

(五) 光積體化 CWDM 發訊器

為了增加雷射的散熱效果，由於雷 射 的 熱 大 多 產 生 於 增 益 區 ， 即 靠 近 P-type 金屬。在封裝時，將 P-type 金屬 向下(p-type down)結合與於矽基板上，

此外可以在矽基板上製作 V 型凹槽，做 為 lensed-fiber 的固定座。我們現在正在 嘗試設計新的矽基板，並與有此相關技 術的研究單位詢問及合作。目前 CWDM 雷射陣列正在中華電信研究所製作中。

三、結論：

在第一年的預期完成項目中，我們 完成大部份的項目。其中 1.3/1.55

µ

m 波 長解多器已完成設計，並且發表論文，

目前正在寫專利，依設計實際製作元 件。新型 DWDM 多波長雷射陣列已完 成設計且製作，其結果已發表數篇論 文。此外我們利用此新型技術設計新型 CWDM 雷射陣列，目前正在寫專利及論 文中。經由模擬分析，已完成 WDM 光 源之最佳化設計，並且已運用於之後的 製程上。利用 SGDBR 雷射陣列技術至 設計 CWDM 雷射陣列，已完成設計，

目前在製作中。

之 前 我 們 已 成 功 開 發 可 使 用 於 DWDM 網路之多波長雷射陣列。在實際 應用方面，必須具有低臨限電流、高功 率輸出及較佳的溫度特性。

增益區的材料我們先使用之前的壓 縮應變(compressive strained)材料，量子 井的數目為六個。在新的 WDM(包括 DWDM 及 CWDM)的雷射設計上，我們 經由增益區材料的臨限增益對電流密度 的關係，設計增益區的長度為 300µm 以 達到最低的低臨限電流；此外為了提供 較 大 功 率 ， 另 一 組 增 益 區 的 長 度 為 500µm。由於 SGDBR 雷射具有兩個輸 出端面，光的輸出功率的比例與其鏡面 近似於反比的關係，所以鏡面區的長度 除了必須提供足夠的反射率之外，而且 其長度比值要大，使得光大部份由長度 短的一端輸出。經由模擬分析，設計兩 鏡 面 長 度 分 別 為 600µm /300µm 及 700

µ

m/200

µ

m 兩種。

我們利用在波導層上再成長一層薄 的 1.3Q 材料，在製作光柵前利用選擇性 溼蝕刻法，將其中一個鏡面薄的 1.3Q 材 料去除，造成兩鏡面的折射率差，使得 雷射發光於其第一個反射率尖峰的位置 而不需額外的調動電流。為了使雷射具 有高的 SMSR，我們設計薄的 1.3Q 材料 厚度為 9nm，由模擬推估其造成的波長 位移(

∆λ)約 1.1nm。兩鏡面反射率尖峰的

差值(∆P)為∆λ，為了得到正確的

∆λ

值，

我 們 設 計

∆P 分 別 為 0.9nm 、 1nm 、

1.1nm、1.2nm 及 1.3 nm 五種，未來經由 元件量測，反推正確的

∆λ

值。

四、發表論文：

[

1] I. F. Jang, S. L. Lee, C. Y. Wang, T. T.

Shih, Y. H. Jan, ” Novel techniques for realizing SGDBR DWDM sources without coarse tuning,” ISLC’2000, paper P8, Monterey, CA, USA.

[2] Y. J. Lin, S. L. Lee,, “A Novel 1.3/1.55µm Photonic Integrated Wavelength

Demultiplexer with Multimode Interference and Chirp Grating,” IPC 2000, F-T2-E005, Taiwan.

[3] Y. J. Lin, C. L. Yao, S. L. Lee, T. B. Chiou,

“Design of Optical Integrated Multimode Interference Wavelength Demultiplexer,”

SNDT 2001, pp. 205-207, Taiwan.

[4] I. F. Jang, S. L. Lee, C. Y. Wang, L. W.

Lai, W. J. Ho, “Integrated DWDM Laser Arrays with Stable and High-SMSR Wavelengths,”, accepted by CLEO/Pacific 2001, Japan.

[5] I. F. Jang, S. L. Lee, C. Y. Wang, L. W.

Lai, “Realization and Performance of As-Fabricated SGDBR Multiwavelength Sources,” accepted by IEEE Photon.

Technolo. Lett.

[6] Y. J. Lin, S. L. Lee, “InP-based 1.3/1.55µm

Wavelength Demultiplexer with Multimode

Interference and Chirp Grating,” Submitted to

Optical and Quantum Electronics.