行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
總計畫(2/3)
計畫類別： 整合型計畫
計畫編號： NSC93-2219-E-011-005-
執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 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： 李三良
共同主持人： 譚昌文，劉政光，曹士林
報告類型： 完整報告
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： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 94 年 6 月 27 日
電信國家型計畫
總計畫：智慧型高密度分波多工系統的前瞻光網路技術
NSC93-2219-E011-001 計畫主持人：台灣科技大學電子系 李三良教授 子計畫一：高密度分波多工系統的異質接合光電積體電路
NSC93-2219-E011-002 計畫主持人：台灣科技大學電子系 劉政光教授 子計畫二：SOI 晶片平台製作高密度分波多工路由器之研究與系統應用(1/3) NSC93-2219-E003-001 計畫主持人：國立台灣師範大學光電所 曹士林教授
子計畫三：高密度分波多工系統的通道監控與訊號處理
NSC93-2219-E011-003 計畫主持人：台灣科技大學電子系 李三良教授
一、研究方法：
總計畫
本計畫所設計網路元件或模組皆以32 波長(C-band)為適用目標，以測試在實際 多波長網路之效能。所發展的技術主要應用於長途骨幹(Transport)網路，以提升網 路效能和增加其應用彈性。每一通道之傳輸速率將以10Gbps 為目標，大部分技術 可應用於更高速的傳輸中。部分技術亦可應用於都會型(Metro)網路中。光開關交 換速度和網路維運速度將以SONET OXC 之標準為準，但也將探討可使用於以 IP 為主的光網路技術。
子計畫一負責光交換器的光電介面與控制部分，並建立異質接合光電積體電路 平台以整合各子計畫之成果；子計畫二負責光交換開關之設計，將提出一創新設 計以提高光交換開關之速度和性能；子計畫三負責訊號處理、監控及波長轉換等 功能，以提供交換器路由和網路監控維護使用；子計畫四則負責光通道塞取 (OADM)和極化模態色散之監控補償。
四個計畫之成果可整合成一具智慧型網路功能的交換器，將借用工研院的 DWDM 測試平台或台大追求卓越計畫所建立的迷你 DWDM 測試平台進行功能測 試。
各子計畫將定期召開討論會，以溝通不同需求，並融合各子計畫技術之經驗 與優點，以完成一整合模組。各子計畫亦將共用總計畫現有及即將採購之貴重儀 器。
各子計畫研究方法簡述如下：
子計畫一：
我們探討過CMOS 之發光與光偵測的特性，也進行實作，本計劃的執行，以 實驗設計與測試分析為主，並以模擬分析來配合。光電元件中，我們選用III-V 族
元件作光學信號轉換之用，而選用Si 製 CMOS 元件設計監控電路與其他的信號處 理電路，來製作異質接合光電積體電路；而在晶片接合技術中，則採用現有覆晶 接合機，但我們研究光交連方式在複合積體系統控制上的應用。另外，數種晶片 間複合積體系統的溫度感測、冷卻與控制問題則將探討Si 製與 III-V 族元件共用 特性。在這二年中，我們已自行設計矽製的相關電路元件，採用CMOS 製程，在 國科會晶片設計中心試製。在時脈回復器方面，我們已進行光吸收調變器特性與 波長轉換功能的初步分析。
在計畫的整合方面，子計畫二在光纖耦合技術與異質接合技術上，可以同本 子計畫互相支援與合作；在光塞取、光交換控制設計與波長切換控制等相關電路 方面，本子計畫可以支援。子計畫三的波長切換控制、波長監控控制電路、可調 濾波器與衰減器調整電路等，本子計畫也可以支援；子計畫三的時脈回復器方面，
可以同本子計畫互相支援與合作。子計畫四在極化監控等相關電路方面，本子計 畫可支援。在積體化控制電路方面，本子計畫則依各子計畫所提供的相關參數與 需求來進行整合，以達到智慧型自動監控的目的。
為進行網路節點監控之觀測、控制、決策、與制動機構，本子計畫的主要工 作項目，在第一年以多波長功率等化、晶片與晶片間光交連、光偵測與放大電路 為主；包括光偵測與放大電路的模擬設計與分析，運算放大器、轉阻放大器與限 制放大器設計，自動偵測、比較、判斷對象與機構分析，摻鉺光纖放大器多波長 功率等化自動監控電路設計與分析，晶片與晶片間光交連用光電積體電路模擬設 計，以及即時控制電時脈回復分析等。第二年則以晶片與晶片間溫度控制、功率 自動監控電路、電時脈回復為主；包括光偵測與放大電路的溫度改良，晶片與晶 片間溫度感測與冷卻分析，高密度分波多工系統的功率自動監控電路的設計，自 動偵測、比較、判斷對象與機構分析，開迴路與閉迴路時脈回復等效電路分析等，
同時進行即時控制電吸收型電時脈回復光路與電路製作。第三年則以晶片與晶片 間溫度控制、即時控制時脈回復、整合各子計畫網路節點即時自動監控相關光電 積體電路為主；包括晶片與晶片間溫度感測與冷卻改良，波長切換判斷控制電路 的設計，即時控制時脈回復積體電路模擬與設計，網路節點自動監控等效電路分 析，網路節點即時自動監控相關光電積體電路設計，網路節點自動監控整合設計。
本計畫的執行分三年進行。
第二年的主要工作已初步完成。我們的研究著重於晶片與晶片間的控制、功 率自動監控電路、電時序回復等；包括光偵測與放大電路的改良，晶片與晶片間 感測與溫度分析，高密度分波多工系統的功率自動監控電路的設計，自動偵測、
比較、判斷對象與機構分析，開迴路與閉迴路時序回復等效電路分析等，同時進 行即時控制電吸收型時序回復光路與電路研究，茲將第二年的執行結果與討論分 述於後。
子計畫二：
美海軍研究所的 Donald et al. 首先提出平面波導結合平面光柵的概念，分開 多波長光束的光。之後，美國朗訊公司的 Dragon et al. 提出以平面波導上不同長
度的波導，其光程差使波導出口端的相位保持固定，並且成功地建立現今廣為採 用的陣列波導光柵型式的分波多工系統光纖元件。陣列波導光柵，一種在DWDM 系統中合併和路由波長通道的光積體電路，陣列波導光柵在光纖通訊系統中亦可 作為多工器/解多工器以及分波多工路由器係將多個光波導利用半導體製程將其 製作於一相同矽基板上，其工作原理是應用波導長度不同時光行經其中，在其輸 出波導相位之不同特性，使各波束在輸出端匯合後產生干涉。此干涉作用將不同 波長之光束導向於不同位置之光纖中，故又稱為相位陣列波導光柵（Phase Arrayed Waveguide Grating）。
陣列波導光柵多工器與解多工器原理相同，但其操作方向相反，係將多個不 同波長之光信號合併為一光束，然後送出光纖。陣列波導光柵多工路由器與多工/
解多工器之主要優點為其價格與波長波道數無關，故易提高波道數。此外，陣列 波導光柵之基本技術—平面光波導技術對未來低成本光電封裝，提供一發展平 台，在未來有機會發展形成積體光學產業。
之後，在1997 年開始有光塞取多工器產品的出現。在此期間所出現的產品皆 是包含一些光開關(Optical Switch)的簡單光被動元件型式的產品。光塞取多工器的 主要功能為從傳輸設備中有選擇性擷取(Drop)通往本地的光訊號，並同時上傳 (Add)本地用戶要傳送至網路中另一節點的光訊號，而不影響其他波長光訊號的傳 輸。
在資訊時代的今天，網路産業不僅在迅速增長，而且還在飛快變化，隨著全 球性的步入資訊化時代，網路技術面臨著機遇和挑戰，在世界網路業都要竭力構 建融合的、可靠的高速語音和資料網。作爲這樣一個巨變産業的必然結果，對於 未來網路産品和服務的需求將持續高漲，也因而刺激高速寬頻時代的來臨，將各 式網路如:乙太網路、ADSL、CATV Modem 等系統逐步的整合，並將採用高容量 的光纖網路作為媒介，在本國已有光纖網路應用於有線電視及電信傳輸方面，特 別是分波多工網路，分碼多工網路及混合光纖/電纜網路均在國內外快速發展中。
為了有效的將不同的光纖網路做整合，本電信國家型計畫希望能針對智慧型高密 度分波多工系統的前瞻光網路技術作長期而有系統研究。由於寬頻光纖網路發展 快速，目前一條光纖已可傳送大量的資料，若是再應用如:分頻多工(WDM)、高密 度分頻多工(DWDM)、分時多工、分碼多工等網路技術，更可倍數提升光纖傳輸 頻寬，因此一旦光纖中斷，或元件損壞，將對信號傳輸及網路服務造成非常大的 影響，因此，高可靠度的光纖網路實有迫切的需要，目前在國內外已有一些針對 雷射元件或網路結構進行的研究。
本子計畫為”智慧型高密度分波多工系統的前瞻光網路技術”總計畫之一部 份，目的在協助總計畫進行光交換開關之設計與研究，以開發出智慧型高密度分 波多工系統所需要之光通信元件。
此計畫為跨半導體製程技術及光通信領域之不同技術領域整合之新興應用研 究，因此，對於國內新研究領域之開發，具有極為重要之必要性。
半導體製程技術日新月異，如何結合半導體製程技術並開發出更小的光通信
元件為未來高速寬頻光通信領域必需具備之科技，此一技術對於我國未來能否進 入新世紀的光通信時代，仍能保持產業競爭力具有非常大的重要性。
本子計畫為整合型計畫之子計畫二，目的是研究SOI 晶片平台製作高密度分 波多工路由器之研究與系統應用。因此，本子計畫第二年的執行進度為進行SOI 32
× 32 光陣列式波導光柵之設計製作及進行與韓國漢城大學合作光交換器特性測量 分析研究。
子計畫三：
本計畫主要是針對新一代智慧型光交換器所提供的光訊號處理與光通道性能 監控技術等研究工作，分析各類以半導體光放大器為基礎之波長轉換及整形技術 理論架構、兩段式DFB 雷射轉換器及光通道性能監控技術，並實際規劃出與其他 子計畫化之整合性光訊號處理與監控功能。整體計畫的進行方式大致可分為兩大 部分：光訊號處理及光通道性能監控，以下就上述分段說明：
(1)光訊號處理：
首先將光訊號處理分兩部分來說明，其一是以半導體光放大器為基礎之波長 轉換及整形技術理論架構，另ㄧ部分則為兩段式DFB 雷射轉換器。以半導體光放 大器為基礎之波長轉換機制於先前國內外相關計畫之研究部分已有較詳盡之說 明，本實研室在此部分也累積了多年的經驗，尤其以輔助光的方式來改善四波混 合波長轉換之轉換效率方面已有卓越成果。除了波長轉換之外，我們希望設計出 可同時提供波長轉換與可調式判別準位之全光式脈波整形功能。為了使得波長轉 換機制更為簡單及可製作，我們將以兩段式DFB 雷射為基礎元件，利用其自我震 盪現象(self-pulsation)可達成全光式時序回復功能及其飽和吸收機制可達成全光 式波長轉換功能。
(2)光通道性能監控：
第一是研究更高層次的監控參數及整合OCPM 各項監視參數，如光功率、光 波長、光通道、OSNR、Ｑ值（Q Factor）及 BER 等參數，以符合動態網路的監 視功能；第二部分是整合新一代智慧型光交換器與光通道性能監控功能。可先經 軟體模擬的方式模擬系統功能，評估系統架構可行性與探討其他影響因素對監控 系 統 精 確 性 的 影 響 ， 如 光 纖 色 散(Dispersion) 與 極 化 色 散 ( Polarization Mode Dispersion)等問題則須與子計畫四共同討論，而色散補償部分為子計畫四之研究 內容，因此在本計畫中將僅對其影響做評估。針對未來高容量光通信必須以全光 學方式來處理信號的傳輸趨勢，探討各種可能之光信號再生技術及整形技術，首 先將由使用半導體光放大器的方法著手。其研究方式係針對以半導體光放大器為 基礎之較新穎波長轉換及整形技術相關文獻資料蒐集及深入探討了解。
偏極化色散(PMD)是當載有訊號的極化光在單模光纖中傳輸時，光會分解成 兩道正交極化光。由於折射係數(refractive index)不均，傳輸時會產生速度上的差 異，這現象稱為雙折射。對於單一波長所分解的兩極化光傳送至接收端的時間會
有所差異，一般稱為差異的群速延遲(Differential group delay)簡稱 DGD，也就是本 論文中所討論的一階偏極化色散。
偏極化色散效應會造成訊號變寬，(圖 1.1)說明了偏極化色散對數位通訊的影 響。對於理想的單模光纖，核心材質為等向性，為圓對稱折射率。當受到外界因 素的破壞，光纖核心部份會造成材料非等向性變化，造成非對稱性折射率。
圖 1.1 偏極化色散對數位通訊系統之影
量測光纖中的偏極化色散效應的方法被認同的方法有好幾種，我們所用的方 法為固定分析法及利用極化程度衰減量測一階偏極化色散：
固定分析法(The Fixed Analyzer Technique)也稱為波長掃描法，是最簡單也是 最多人知道的方法，用來量測出DGD 的平均值，由首先 Poole 和 Favin 所提出來，
用在於偏極化色散的量測。固定分析法所量到的平均DGD 為一統計值，
隨著波長的改變而量測出所傳送的光譜圖，會產生數個波峰與波谷。當PMD 變大時，改變波長所產生的極化狀態會變化急速，波峰與波谷的點會很接近。這 個方法的優點是資料的分析和實驗架構圖都很簡單，(圖 1.2)介紹我們提出的量測 架構圖。而待測物的平均的DGD 值可用下列公式：
2( )
e start stop
start stop
kN
λ c τ λ λ
λ λ
< ∆ > =
−
圖1.2 固定分析法量測 DGD 輸入訊號
t τ
∆
輸出訊號 DGD
外部 調變
調變器
掺鉺光纖放大器 DFB
雷射 檢光器
Open eye Degraded eye
寬頻譜 光源
光譜 分析儀
極化片 分析片
單模光纖
在串接數個聲光可調濾波器時，可以增加解析度，因此一階偏極化色散DGD 的量測範圍可以得到更好的改善，但是聲光可調濾波器的解析度也有極限的限 制。當寬頻譜光源(ASE)通過偏極化色散監控系統，通過聲光可調濾波器的光傳輸
函數為：
( )
( )
( )
( )
2 2
1
1 2 2
1 2 2
2 2 2
sin 0.5 1 / ( , )
1 /
sin 0.5 1 /
1 /
L T
L L L
πα β π
β β
β π
πα β π
β π
⎡ + ∆ ⎤
⎢ ⎥
⎣ ⎦
∆ ∆ =
+ ∆
⎡ + ∆ ⎤
⎢ ⎥
⎣ ⎦
× + ∆
在此，藉由調整聲音(rf)頻率與、來選取通過濾波器的光譜。慢慢的調整、
可以得到細小的波長變化量、更大的解析度。對於每個波長的改變量 ，微小變化
的總功率可以得到： 1 2
1
( ) ( ( ), ( ))
N
N ASE n n n
n
P S λ T β λ β λ
=
=∑∆ ∆ ∆
藉由增加聲光可調濾波器的數目，可以增加系統的解析度。在(表 1.1)與(表 1.2) 說明使用兩個與三個聲光可調濾波器可以增加解析度，也明顯的增加DGD 的量測 範圍。
定義 值 單位
波長範圍 1200-1700 nm
聲光濾波器帶寬 1.5 nm
聲光濾波器可調單位 1000 Hz
光頻率解析度 0.03 nm
DGD 量測範圍 0.05-33.3 ps
量測時間 <5 s
表1.1 兩個串接式聲光可調濾波器
定義 值 單位
波長範圍 1200-1700 nm
聲光濾波器帶寬 1.5 nm
聲光濾波器可調單位 1000 Hz
光頻率解析度 0.003 nm
DGD 量測範圍 0.05-333 ps
量測時間 <7 s
表1.2 三個串接式聲光可調濾波器
第二種利用極化程度衰減量測一階偏極化色散，調變訊號對極化程度影響由
自我相關函數與訊號的脈衝寬度與調變速度有重要的關係。若輸入訊號為理想的 矩形訊號：
( ) 1 Λ( )+ Λ( )
2
m
b m
dgd mT DOP dgd dgd
W W
=+∞
=−∞
⎡ − ⎤
= ⎢⎣ ∑ ⎥⎦
(圖 1.3)說明了調變訊號與極化程度的關係圖，當調變訊號為 50%RZ 訊號時，
延遲時間剛好是一半的位元間隔，會產生完全的退極化情況；當調變訊號為NRZ 時，最糟糕的退極化情況下，當延遲時間等於一半的位元間隔，此時極化程度大 約是 50%。因此我們可以藉由極化程度與調變訊號的關係，進而求出一階偏極化 色散所造成的時間延遲。
圖1.3 調變訊號與極化程度關係圖
總計畫：
總計畫的主要任務為整合資源，並將各子計畫成果整合成智慧型光交換器。將 以三年完成下列工作，供各子計畫進行量測實驗，並完成整合之目標：
1. 採購各項公用設備。
2. 整合各子計畫所需軟體。
3. 建立 32 波長 DWDM 光源，供測試多通道同時傳輸時之效能。
4. 建立異質積體化技術，供各子計畫組裝功能性模組。
5. 建立量測高頻訊號傳輸之能力。
6. 將各子計畫成果整合成智慧型光交換器。
各子計畫研究成果分述如下：
子計畫一：
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
DGD/Tb(ps)
DOP
DOP vs DGD
W=Tb W=0.5Tb
W=Tb W=0.5Tb
格式化: 字型: 12 點
A. 光偵測與放大電路的改良
APD 與 PIN 常被用於高速光偵測，Si CMOS 則方便相關控制電路的積體化 與低電壓操作，於是我們嘗試改善以CMOS 製造之 Si 光偵測器，初步設計指叉 狀的Si 光偵測器結構，經數次改良設計。我們利用 TSMC CMOS 製程，以 64 µm
× 64 µm 面積的晶片為基礎，製作一序列的淺 pn+接面，以p+區為圓心，其外圍繞 著環狀n+區，此乃利用MOS 結構的源極與汲極來製作，如(圖 2.1)所示，分別稱 為T1，T2，T3，與 T4。此偵測器利用製程技術來縮短距離，使光照所產生的電 子電洞對，可以快速抵達電極，以此小面積試驗低電壓操作時。量測所得電流與 發光特性如(圖 2.2)所示，我們利用濾鏡來量發光光譜，典型光譜特性如(圖 2.3)所 示。分別在 1120 nm 與 850 nm 出現峰值，電流增加時，光功率隨著增加，峰值 則向短波長處移動。我們也探討其發光機制，以作為改善發光與光偵測之應用，
目前已有一些成果發表於期刊論文。
接著，我們設計出轉阻放大器(TIA)，利用反相器來設計放大作用，而以 pMOSFET 設計回授以改善光照之響應其閘極可以作為增益之控制。電路的暗電 流、響應度、量子效率分別為0.1 nA、0.51 A/W、與 0.903，其典型電路如(圖 2.4) 所示。
圖2.1、Layouts of CMOS pn junction diodes of T1 (a), T2 (b), T3 (c), and T4 (d).
圖2.2、L-I characteristics of different designs T1, T2, T3, and T4.
圖2.3、Current and wavelength dependence of typical energy spectrum of light emission biased at a current of 40 mA. The inset shows the peak shifts slowly to a higher energy when the current increases.
圖2.4、All-Si light emitting/receiving test configuration.
B. 晶片與晶片間感測與溫度分析
我們探討晶片與晶片間的光交連技術在複合積體系統控制上的應用，以及晶
格式化: 縮排: 左: 3.75 字元, 凸出: 3 字元, 第一行: -3 字 元
片與晶片間的距離與位置感測問題。我們一方面利用前述結構，以一序列的淺pn+ 接面，操作於發光區。另一方面，我們利用前述同一結構的淺pn+接面，操作於反 向偏壓的光偵測區。利用晶片上所設計的光發射器與光接收器，我們進行兩種測 試，一為量測晶片與晶片間的對準狀況，另一為試驗晶片與晶片間的傳輸與接收 狀況，以作為高密度分波多工系統波道監測的自動偵測、比較、判斷對象與機構 整合。光接收器輸出電壓隨晶片水平移動而改變，量測裝置如(圖2.5)所示，量測 結果如(圖2.6)所示；輸出電壓隨晶片垂直移動的量測結果與水平結果移動類似，
解析度取決於我們移動平台的解析度。由於所用光射器與光接收器操作電壓為一 般IC電源供應之範圍，適合作為兩晶片結合前的對準。
(c)
圖2.5、(a) Diagram of face-to-face alignment test. (b) A set of multi cells can measure the divergent angle of emitting light.
(c) Experimental setup.
圖2.6、Voltage outputs from the light emitting-receiving circuits, for the chip-to-chip alignment tests in horizontal movement (1-to-1 cell for 85 mA) and vertical movement (3-to-3 cell for 162 mA), respectively.
The right and left upper inset show the circuit of measurement and detail points measured at a segment from 60 µm to 90 µm,
respectively.
C. 高密度分波多工系統的功率自動監控電路的設計
高密度分波多工系統的研究以光纖C帶與L帶最受青睞，我們試製多波長摻鉺 光纖雷射，研製多波長光纖雷射信號的功率等化技術。我們利用光纖極化控制器，
光纖光柵反射率，摻鉺光纖長度等，所研製出的等化信號如(圖2.7)所示。我們也 研究利用較低速控制數據，以多工技術轉為高速傳輸，以光來傳遞；在接收或控 制端，我們可以解多工方式轉回較低速數據，往接收網路傳輸或進行監控。同時，
當今重要的組件常往可重構性或可調性發展，其中調整或切換工作也常在較低速 下工作。譬如，多波長的切換與光功率的自動控制。多波長功率的等化的控制架 構試驗出極化調節技術，摻鉺光纖長度與ＭＯＰＡ架構等，如(圖2.8)所示，而多 波長功率的控制電路與信號處理電路繼續採用CMOS製程，在國科會晶片設計中 心(CIC)試製，以多工器與解多工器為基礎。
1 5 4 2 n m
P u m p P o w e r ( m W )
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0
Signal To ASE Ratio (dB)
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5
W it h o u t M O P A M O P A 2 5 c m M O P A 5 0 c m M O P A 8 0 c m M O P A 1 . 5 m
1 5 4 2 n m
P u m p P o w e r ( m W )
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0
Signal To ASE Ratio (dB)
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5
W it h o u t M O P A M O P A 2 5 c m M O P A 5 0 c m M O P A 8 0 c m M O P A 1 . 5 m
(a)
(b)
圖2.7、Configuration (a) and output spectra (b) of power equalization of 6-wavelength fiber laser
圖2.8、Erbium-doped-fiber length dependence of SNR in MOPA configuration.
D. 自動偵測、比較、判斷對象與機構整合
為整合設計光信號切換、光濾波器調整、驅動、控制等的相關自動偵測電路，
我們進行光發射與放大電路的設計與分析，盡量提升光發射與偵測的速度。Si CMOS 光發射調變速率可達 1 GHz，更高速的比較、判斷與控制工作則藉多工方 式來改進(圖 2.9)，多工器與振盪器將輸入分割為八個驅動電路，每一驅動電路與 光發射器只需以八分之一的速率來執行。
Laser 1
Laser 2
FBG 2
Laser 3 3dB
Coupler FLM
WSC1 EDF 1 EDF 2
FBG 1 FPC
FBG 3 EDF 3
Pump LD
MOPA
FBG 4 EDF 4
FBG 5 EDF 5
OSA 1
OSA 2 Laser 4
Laser 5 Laser 1
Laser 3
Laser 4
Laser 5
Laser 6
Laser 6 FBG 6
EDF 6 Laser 2
圖2.9、(a) The characteristics of TIA. The inset shows the receiving circuit. (b) As Vc = 1.5 V, the output waveforms of TIA are 20mVp-p with an offset voltage 2.15 V for sine and square waves of 50 MHz at the input.
E. 開迴路與閉迴路時序回復等效電路分析
在高密度分波多工系統的多波長監控中，控制指令的解譯或多工操作需要時 脈的提供，時脈回復器在網路監控系統中也很重要的，尤其是即時監控工作。在 光吸收式電時脈回復分析與製作方面，我們已初步分析10G的光偵測器與電吸收調 制器，進一步等效電路分析在進行中。
F. 即時控制電吸收型電時序回復
為探討電吸收式時脈回復，首先我們利用DFB雷射，來研究電吸收型調變器 特性與波長轉換功能，架構如(圖2.10)所示。利用輸入光Psignal=13dBm與Pprobe=7.9dBm 如(圖2.11(a)), 進行波長轉換後之眼圖如(圖2.11(b)(c))所示。在 Vbias= -0.6V與Vbias = -1V時，眼圖均可接受。高密度分波多工系統以光纖C帶與L帶最受青睞，我們利用 自製多波長摻鉺光纖雷射，研究多波長光纖雷射信號的功率等化與控制技術。進 一步，我們利用多波長光纖雷射信號來進行波長轉換，以電吸收型調變與波長轉 換為基礎。波長轉換之光信號如(圖2.12)所示，以同一電吸收型調變器實施波長轉 換，所得之眼圖極為朦朧，目前正在探討原因與改善中。
圖2.10、 Asetup to study the wavelength conversion characteristics of electroabsorption modulator
(a)
(b)
(c)
圖2.11、Wavelength conversion using DFB lasers with Psignal =13dBm and Pprobe=7.9dBm (a), and eye diagrams for the converted wavelength
at Vbias= -0.6V (b) and Vbias = -1V(c).
(a)
(b)
圖2.12、Wavelength conversions using fiber lasers withλprobe
=1555.07nm, λsignal =1547.76nm and 1551.77nm and using DFB lasers withλprobe =1555.08nm, λsignal =1543.36nm and
1544.92nm, at Vbias =-1V.
子計畫二
在本年度計畫中，我們設計一個積體化的 32 × 32 陣列波導光柵（AWG）；
研究光分波多工器發展分波多工路由器之可行性以及微機電式光交換器特性測量 分析研究。
32 × 32 陣列波導光柵（AWG）其架構如(圖 2.13)所示，由五個部份所組成，
包含有32 根輸入及輸出波導分別與兩自由傳佈區相結合，其中並再以 131 根相位 陣列波導相連接。
圖2.13 32×32 通道光陣列波導
傳輸損耗常發生在自由傳佈區與陣列波導介面之間，尤以陣列波導與陣列波 導間之距離最為重要，若未設計好會導致光場錯誤的結合，而損耗將增加。為了 減低損耗，我們調整陣列波導間距如(圖 2.14)所示。
FPR I FPR II
OW AW
IW
Array Waveguide
Output Waveguide
f f dx f d
sin 2
2 ≅ −
− θ
dPA
f f dx f d
sin 2
2 ≅ +
+ θ
θ
⋅ x= f x
Rowland Circle LFPR
k
−1 k
圖2.14 在陣列式波導光柵的自由傳佈區
分析在自由傳佈區之光陣列波導間距，對於光陣列波導元件輸出串音以及輸 入損耗所造成的影響，由(圖 2.15)所示可得知陣列波導間距調整範圍從 5.81µm 到 7µm，較佳陣列波導間距發生在 6.3 到 6.4μm 之間，在此區間再作細部分析得到 6.36µm 如(圖 2.16)所示，此值為最佳平衡的串音以及輸入損耗值。
FPR I FPR II
Input Waveguide
Output Waveguide Array
Waveguide
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圖2.15、光陣列波導間距(5.8~7μm)對串音及輸入損耗之影響分析圖
Waveguide Separation at Phased Array dPA (μm) (dB)
6.3 6.32 6.34 6.36 6.38 6.4
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
Relative Insertion Loss Relatvie Crosstalk Uniformity
圖2.16、光陣列波導間距(6.3~6.4μm)對串音、輸入損耗及均勻性之影響 細部分析圖
5.9 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 -2
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
5.9 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 -2
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2
Relative Insertion loss (dB) Relative Crosstalk (dB)
格式化: 字型: 12 點
格式化: 字型: 12 點
圖2.17、 32×32 通道陣列波導光柵輸出波導頻譜
(圖 2.17)所示為 32 × 32 通道陣列波導光柵輸出波導的頻譜反應模擬結果，橫 軸為入射光的波長範圍，縱座標為輸出功率比。此元件設計中心波長為1550nm，
其波導間距為0.8nm，頻道串音平均值約在-25dB 左右，插入損失約為 5dB 左右。
我們亦分析在錐形口的陣列波導光柵之研究。錐形口的設計首先是在輸入/輸 出端自由傳佈區的輸入/輸出波導部分加此一特殊結構，錐形口的功用在於可以接 收更多的光場，使得每一個輸出頻道可以接收到更多的其他波長訊號，最終可使 頻道串音降低的目標。
在確定了錐形口於波導結構中的功用之後，接著實驗設計錐形口結構運用於 陣列式波導光柵的分波多工器上的效果與反應，(圖 2.18)為錐形波導結構圖，我們 利用模擬軟體來分析與設計錐形口寬度對於陣列波導光柵的輸出頻譜的影響，錐 形口的寬度 Wtaper變化由5.3μm 到 6.4μm 漸變性的變化，而錐形口的長度 L 則 固定為100μm 不變，針對寬度 Wtaper的變化來做分析。
Arrayed Waveguide
Input Waveguide
Wtaper 5.3μm
Ltaper
圖2.18、 輸入端自由耦合區錐形口設計結構示意圖
1.535 1.54 1.545 1.55 1.555 1.56
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0
Transmittance or reflectance (a.u.)
Wavelength (µm)
Transmittance (dB)
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分析錐形式波導漸變性變化對於光陣列波導元件輸出串音以及輸入損耗所造 成的影響，由(圖 2.19)所示可得知最佳錐形口寬度發生在 6.2μm。
5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6 6.1 6.2 6.3 6.4 -8
-6 -4 -2 0 2 4 6
Relative Insertion Loss Relative Crosstalk Uniformity
圖2.19、 錐形口波導寬度(5.3~6.4μm)對串音、輸入損耗及均勻性之影響 分析圖
我們也針對錐形式陣列波導光柵與原始陣列波導光柵的傳輸損耗與串音作一 比較，如(圖 2.20)所示，可清楚的看出錐形化陣列波導光柵大幅降低串音干擾至 -30dB 以下，傳輸損耗改善了 0.5dB 左右，由此圖可看出錐形口結構於陣列波導光 柵分波多工器中可以把改善輸出的損耗，同時也大量減少頻道間的串音干擾，並 且頻譜反應中多餘的波包干擾也隨錐形口的設計獲得改善。
1.54 1.545 1.55 1.555 1.56
-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10
Transmission of AWG Transmission of Tapered-AWG Crosstalk of AWG Crosstalk of Tapered-AWG (dB)
Wavelength (μm)
圖2.20、 錐形化陣列波導光柵與原陣列波導光柵對串音、輸入損耗及之 比較分析
(圖 2.21)為利用半導體製程的方式所製作出 32 × 32 陣列波導光柵元件晶片 圖，其元件大小為 64mm × 18mm，利用掃描式電子顯微鏡在輸入波導與自由傳
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2.5 字元
格式化: 字型: 12 點 格式化: 縮排: 第一行: 1.35 字元
佈區間之上視圖，每一個輸入波導間隔為 125μm，自由傳佈區大小為 6924.19μ m × 912.47μm，如(圖 2.22)所示。(圖 2.23)為在自由傳佈區和陣列波導兩者間之 上視圖，其每一個陣列波導間距為6.3μm。
圖2.21、32×32 通道光陣列波導元件晶片上視圖
圖2.22、輸入波導端與自由傳佈區接面圖
圖2.23、自由傳佈區與相位陣列波接面上視圖
(圖 2.24)為本實驗室所建立之量測元件基礎環境，其量測元件為絕緣層上矽 晶試製 32 × 32 陣列波導光柵結構。(圖 2.25)為利用上述基礎環境測量試製 32 × 32 陣列波導光柵結構之輸出模態圖。
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格式化: 字型: 12 點 格式化: 縮排: 左: 0 cm, 凸出:
2.85 字元
圖2.24、本實驗室所建立之量測元件基礎環境，其元件為 32×32 通道光陣列波導
0 1
Intensity 0 1 Intensity
圖2.25、量測 32×32 通道光陣列波導元件之輸出模態圖
在本計畫的支持下，計畫主持人曹士林教授於2004 年寒假承蒙國科會國合處 補助，得與韓國國立漢城大學進行國際合作研究，進行合作研究之項目為光交換 器，採MEMS 製程，於該校奈米半導體中心完成部分研究，其微鏡平面的結構如 (圖2.26) 所示。它由一個鋁鏡平面組成，利用兩個彈簧懸掛在於矽基材上面。電 極在低於這個鏡平面的矽基材上形成。這個鋁鏡平面利用扭轉力來作驅動，就像 一塊蹺蹺板一樣，而兩個彈簧作為一副扭轉的絞鏈。當由於在這個鏡平面和電極 之間的靜電的電位差產生的電力矩使這個鏡平面轉動時，絞鏈會產生機械轉矩來 扺抗電力矩。當這兩力矩到達均衡時，這個鏡平面將停止轉動。因此，這個鏡平 面轉動的角度可以依在這個鏡平面和電極之間的靜電位差的變化作調整。此微鏡 平面結構的尺寸設計如下： 鏡平面尺寸為120 × 100 × 1.5 µm3，絞鏈尺寸為20 × 5
× 0.5µm3和支持桿尺寸是20 × 20 × 10µm3。
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格式化: 字型: 12 點 格式化: 縮排: 左: 0 cm, 凸出:
2.74 字元
圖2.26、 微鏡面之結構圖以鏡面旋轉小角度方式作光偏轉器，可製作 16
× 16 個光交換器陣列其架構如(圖 2.27)所示，鏡平面和彈簧則 使用鋁材，利用微機電製程方式製作。
圖2.27、 16×16 微光學 MEMS 鏡面陣列上視圖
為了便於整合電路，將此MEMS 鏡面旋轉小角度光交換器鏡面陣列晶片與鍍 於玻璃上的電極線連接固定，再將此玻板電路與PCB 做整合，以 bonding wire 連 接至pin 腳上，完成 MEMS 鏡面光交換器陣列與電路板之連接工作，如(圖 2.28) 所示。
Silicon
Touch-down Mirror plate
(Reflective
Silicon
Addressin g
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2 字元
圖2.28、 光交換器陣列與電路板連接之架構
微鏡面是一種機械式結構。其特性現象包括施加電壓使機械運轉部份運行。
為了測量所製作的微鏡面特性，光量測系統建立如(圖 2.29)中所示。光量測系統 由紅光雷射二極體、光檢測器、顯微鏡和其他光學儀器組成。電射光束使用物鏡 聚集於鏡平面的中心。我們打入100 mA 驅動紅光雷射，光檢測器測得 3.8V，表 示鏡面轉動。
Monitor Laser Diode Current Driver
B-D Transmission Stage Micromirror Array
Digital Oscilloscope Laser Diode Temperature Controller
GRIN Rod Objective Lens
Red Light Laser Diode Microscope
PIN Photo Detector
圖2.29、 本實驗室所建立之光量測架構，其元件為微鏡面陣列
在實驗過程中，製作的絞鏈厚度為 0.5µm，鏡平面和電極之間的距離為 10µm，實驗安裝如(圖 2.30) 所示。我們的打入 1550nm 光源 (輸入功率︰-3.42 dBm) ，測量反射的輸出功率為 -29 dBm。 從計算的結果得到-9.28dB 的反射損 失。
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2.8 字元
圖2.30、 本實驗室所建立之衰減量測架構圖
子計畫三
利用全光標籤交換技術實現高速全光封包交換網路路由器 架構圖：
Fast Wavelength Tuning
WC/ New Header Reinsertion Header Erasure
DI P
Fixed
WC Filter I
Rx Header
process
Fixed Laser
WC (FWM)
New Header
I: interleaver P
50GHz H
H
Header Processing
Fast Tunable Laser
Fixed Pump P＇
H＇
Electric Signal Optical Signal
DI: De-interleaver FDL
圖2.31、本實驗室所提出的全光路由器架構
λ
λ
∆ λ
∆ λ 2
∆
λ 2 λ ∆
∆
λ 2
∆
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圖2.32、雙泵激光源四波混合波長轉換頻譜示意圖 工作原理:
如(圖 2.31)所示為本實驗室所提出的全光標籤交換路由器架構，使用間隔波長 調變光標籤編碼技術，及搭配可調式雷射快速波長切換模組，一固定波長轉換器- 雙段式位移層雷射（Two Section Shifted Layer DFB, TS-SLDFB）波長轉換與可調 式波長轉換器-四波混合（Four Wave Mixing, FWM）波長轉換以及陣列波導(Array Waveguide Grating, AWG)，透過波長路由觀念完成全光標籤交換路由器。其工作 原理說明如下，當任意波長訊號封包進入光路由器時，由於標籤與酬載會以固定 間隔50GHz 波長分別載送，所當此封包經過光波長間隔器(De-Interleaver ,DI）將 標籤與酬載分成兩路徑達成標籤抽取與去除的目的。在標籤訊號部份，進入接收 器而將光訊號轉換成電訊號，計算出新的標籤內容，並將新的標籤內容載入固定 雷射光源中，同時產生可調式雷射控制訊號控制可調式雷射波長；在酬載訊號部 份，以雙段式位移層雷射（TS-SLDFB）或任何固定波長轉換器與固定光濾波器，
將任意波長訊號封包轉換成與固定雷射光源間隔 50GHz 波長，且利用 Interleaver 將標籤與酬載結合，最後透過雙泵激光源四波混合搭配可調式雷射同時將酬載與 標籤兩波長資訊同時轉換為對應陣列波導輸出端波長達成快速波長路由。如(圖 2.32)所示為雙泵激光源四波混合波長轉換頻譜示意圖，利用固定波長雷射
（Pump1）定義傳送標籤與酬載波長的間距，再利用 Header Process 所得的新標籤 控制可調式雷射的波長（Pump2）控制轉換後波長的位置，隨著可調波長的光源
（Pump2）波長位置不同，輸入封包的標籤（L）與酬載（P）分別被轉換至標籤
（L’）、酬載（P’）與標籤（L”）、酬載（P”）。可調式雷射與波長轉換器成為可調 波長轉換器，在下一節我們介紹與比較各項全光波長轉換與可調式雷射的工作原 理與特性。
實驗結果:
(圖 2.33)與(圖 2.34)為不同∆P下分別量測酬載與標籤的眼形圖，並量測不同
∆P下酬載與標籤的誤碼率，其中∆P定義為酬載與標籤功率比。例如 ﹕當
∆P=3dB 時代表酬載功率為標籤的兩倍，酬載受交叉增益調變影響相對降低，而 標籤受交叉增益調變影響則增加，因此當∆P越大時，酬載的誤碼率越小，而標籤 的誤碼率相對變大。(圖 2.35)與(圖 2.36)分別為量測不同的∆P值及訊號功率對轉 換後訊號的功率償付之結果，當∆P由0 至 5dB 增加時，酬載的功率償付由 1.1dB 遞減為0.45dB，而標籤的功率償付由 0.3dB 遞增為 1.5dB。所以由量測數據可以 知，為提升系統整體傳輸級數與效能，必須讓酬載幾乎無功率償付，所以必須選 擇高∆P值，讓光路由器系統有較多的傳輸數
與最佳的系統效能。
(a) (b)
(c) (d)
圖 2.33、 酬載(10Gbps)訊號的眼形圖，(a)原始酬載訊號 (b)∆P=0dB 酬 載轉換後的眼形圖 (c)∆P=3dB 酬載轉換後的眼形圖
(d)∆P=5dB 酬載轉換後的眼形圖
(a) (b)
(c) (d)
圖2.34、標籤(2.5Gbps)訊號的眼形圖，(a) 原始標籤訊號 (b) ∆P=0dB 標 籤轉換後的眼形圖 (c)∆P=3dB 標籤轉換後的眼形圖 (d)
∆P=5dB 標籤轉換後的眼形圖
0 1 2 3 4 5
-20 -15 -10 -5 0 5 10
Payload_10Gbps (=0dB) Payload_10Gbps (3dB) Payload_10Gbps (5dB)
Power Penalty (dB)
Input Payload Power (dBm)
圖 2.35、在不同∆P值下酬載之功率償付與酬載輸入功率的關係
0 1 2 3 4 5
-20 -15 -10 -5 0 5 10
Label_2.5Gbps (0dB) Label_2.5Gbps (3dB) Label_2.5Gbps (5dB)
Power Penalty (dB)
Input Payload Power (dBm)
圖 2.36、在不同∆P值下標籤之功率償付與標籤輸入功率的關係
使用直接調變雷射的 10 Gbps 傳輸系統之傳輸品質的改善
使用直接調變雷射作為光傳送端的主要光電元件，比較吸引人的原因是便宜 與設計簡單，相較於外部調變方式的雷射，還有下列幾項優點:體積小、驅動電壓 低和輸出功率高。然而，當光纖都會網路傳送資料的速率超過10 Gb/s，在 1550nm 波段的直接調變雷射只能提供約10 公里單模光纖的傳輸距離，如此的傳輸性能無 法滿足大部份光纖都會網路應用之要求。
有兩個主要因素限制了直接調變雷射的傳輸距離，ㄧ個是雷射本質的頻率啁
啾(frequency chirp)現象，對直調雷射做快速的強度調變，雷射內部材料的折射率 無法隨著快速的變化，導致雷射輸出波長隨著強度調變過程形成漂移的作用，因 此從頻譜上可觀察到雷射的線寬會增大的情形。另一方面是傳輸介質—光纖的色 散問題，使得光脈波嚴重地失真，增加碼際干擾現象。
有許多方法已被提出來改善直接調變雷射的傳輸性能，包括在接收端加入電 子等化器(electrical equalization)、鋪設負色散值的光纖，在光傳送端使用窄濾波器 或是光纖光柵等，這些技術將會增加系統的複雜度與成本。
我們採用一個Fabry-Perot (FP) etalon 光濾波器元件加在雷射後端，降低頻率 啁啾的效應，這個方法最大的好處是只需要ㄧ個簡單的光學元件就可以同時補償 多個雷射，並且可以與雷射封裝在一起，實驗結果證實使用這個方法可以延伸傳 輸距離到40公里左右而不需要作色散補償。
成果
如同(圖2.37(a))的頻譜所示，頻率啁啾效應導致直調式雷射的光譜變寬，當調 變訊號注入到雷射時，相對於直流狀態下的峰值，從頻譜上產生約37GHz漂移量，
並且頻譜上的分佈趨向於一非對稱的形狀。我們採用了etalon 光濾波器可以對頻 譜的緩變分佈整形成較陡峭的形狀。另ㄧ方面可以提升光熄滅比(extinction ratio;
ER)。藉由調整etalon濾波器的頻譜響應去對準雷射的輸出波長，會有兩種不同情 況的發生，得到最大的輸出光功率或是最大的熄滅比。兩者之間的頻率差値僅僅 4GHz，在之後的實驗結果，實驗的條件是以得到最大的熄滅比為主。在實驗中採 用的etalon濾波器之穿透頻譜如(圖2.37(b))所示，插入損耗約6.5dB，FSR 與 finesse 分別是 50 GHz 和 3.3。
maximal ER
(a) (b)
圗 2.37、 (a) 幾種條件下的直調雷射輸出頻譜: (1) 80mA 直流偏壓，(2) 直流加上調變訊號， (3) 加上 etalon1(最大光輸出功率條件)，
(4)加上 etalon 2 (最大的熄滅比條件); (b) etalon 濾波器之穿透頻
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10
-100 -50 0 50 100 150
DC 80mA
Power [dBm]
Frequency [GHz]
W/o etalon 37GHz
-14 -12 -10 -8 -6
1558.48 1558.9 1559.33 1559.75
Transmission loss [dB]
Wavelength [nm]
W/ etalon
maximal output
譜
圗 2.38、 實驗設置. DCA：數位通訊分析儀，OSA：光譜分析儀，BERT ： 誤碼率測試儀
在我們的實驗中，在加入etalon濾波器之後，etalon濾波器對準雷射頻譜以得 到最大輸出功率和最大熄滅比的情況下，熄滅比可以從3.4dB分別提升到 5.4dB以 及8.2dB，實驗的設置如(圖2.38)所示。
(圗 2.39)顯示在不同位置時觀察到的眼形圖，包含雷射的輸出端，傳輸 16 公里及41 公里的光纖。在正常情況下，沒有使用 etalon 濾波器，隨著光纖長度增 加，色散情形更嚴重，導致眼形圖的不對稱和失真，尤其光纖長度大過25 公里之 後，下降時間會遠遠地超過上升時間。在雷射輸出端加入 etalon 濾波器，即使傳 輸光纖長度到達40 公里仍是維持清楚並且對稱的眼形圖。
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
圗2.39、 (a, d) 雷射輸出端 (b, e) 經過 16 公里的光纖傳輸 (c,f) 經過 41 公里的光纖傳輸
10 Gb/s NRZ
etalon
SMF
OSA
APD DCA
BERT
沒有etalon 濾波器
加入etalon 濾波器
10-14 10-12 10-10 10-8 10-6
0 10 20 30 40 50
W/o etalon W/ etalon
BER
Fiber Length [km]
圗2.40、 光纖長度對誤碼率(BER)的關係
10-13 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3
-22 -20 -18 -16 -14 -12 -10
Back-to-back Back-to-back w/ etalon 41km w/o etalon 41km w/ etalon
BER
Received power [dBm]
圖 2.41 不經光纖與經過 41km 光纖傳輸的 BER
(圗2.40)顯示的是在不同傳輸距離之下，量測到的誤碼率變化。藉由FP etalon 濾波器的加入, 傳輸距離可以從 < 27km 延伸到 >41km ，在誤碼率為10-10 BER 的要求下。(圖2.41)比較了在光傳送端沒有加上etalon與有加上etalon，誤碼率的變 化情形。在沒有經過光纖傳輸與經過41公里的光纖傳輸兩種情況下，etalon的使用 可以降低功率損耗值(power penalty)，分別是 2 dB 和 4 dB。目前系統最大可傳輸 距離受限於etalon光濾波器的整體插入損耗值，使用較佳的耦光方式就可以改善。
半導體光放大器早期都作為在光纖傳輸系統中放大輸入光信號的元件為 主，如中繼放大器(line amplifier)、前置放大器(preamplifier)，近年來由於半導體光 放大器的響應速度較快(與 EDFA 比較下)，且有較高之非線性效應，很多光學網路 之信號再生(signal regeneration)及波長轉換(wavelength conversion)都利用放大器的 非線性特性來達成，半導體光放大器預期將會是非線性系統之關鍵元件。光通訊
