分波多工光纖被動網路之關鍵技術研究---子計畫一：分波多工被動光網路之光電積體電路與系統架構(III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

分波多工光纖被動網路之關鍵技術研究--子計畫一：分波 多工被動光網路之光電積體電路與系統架構(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-011-002-

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 ： 李三良

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：陳思潔 碩士班研究生-兼任助理人員：林世昌 碩士班研究生-兼任助理人員：吳奇璋 碩士班研究生-兼任助理人員：杜長耕 碩士班研究生-兼任助理人員：吳至晟

處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 98 年 10 月 31 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 分波多工光纖被動網路之關鍵技術研究子計畫一 分波多工光纖被動網路之關鍵技術研究子計畫一 分波多工光纖被動網路之關鍵技術研究子計畫一 分波多工光纖被動網路之關鍵技術研究子計畫一： ： ： ：

分波多工被動光網路之光電積體電路與系統架構 分波多工被動光網路之光電積體電路與系統架構 分波多工被動光網路之光電積體電路與系統架構 分波多工被動光網路之光電積體電路與系統架構

結案報告 結案報告 結案報告 結案報告

計 計計

計畫畫畫畫編號編號編號編號：：： ： 第一年

第一年第一年

第一年：：：：NSCNSCNSCNSC----95959595----2219221922192219----EEEE----011011011011----004004004004 第二年第二年第二年

第二年：：：：NSCNSCNSCNSC----96969696----2219221922192219----EEEE----011011011011----002002002002 第三年

第三年第三年

第三年：：：：NSCNSCNSCNSC----97979797----2219221922192219----EEEE----011011011011----002002002002 執行期限

執行期限執行期限

執行期限：：：：95 年年年年 8 月月月 1 日至月 日至日至日至 98 年年年年 7 月月月月 31 日日日日 主持人

主持人 主持人

主持人：：：李三良：李三良李三良李三良教授教授教授 台灣教授 台灣台灣科技台灣科技科技科技大學大學大學大學 電電電電子子子子系系系 系 參與人員參與人員

參與人員參與人員：：：：林淑娟林淑娟林淑娟林淑娟、、、、潘彥廷潘彥廷潘彥廷潘彥廷、、、、洪勇智洪勇智洪勇智洪勇智、、、、黃彥儒黃彥儒黃彥儒黃彥儒、、、、李鎮宇李鎮宇李鎮宇李鎮宇、、、、紀順得紀順得紀順得紀順得、、、、 吳文勝

吳文勝 吳文勝

吳文勝、、、王誌賢、王誌賢王誌賢王誌賢、、、林漢璿、林漢璿林漢璿林漢璿、、、陳星宇、陳星宇陳星宇陳星宇、、、、林澤佑林澤佑林澤佑林澤佑、、、、黃繼瑩黃繼瑩黃繼瑩黃繼瑩、、、、郭南郭南郭南郭南宏宏宏宏、、、 、 陳思潔

陳思潔 陳思潔

陳思潔、、、林世昌、林世昌林世昌林世昌

一一

一一、、、、 計畫計畫摘要計畫計畫摘要摘要摘要

本計畫研究運用於 WDM-PON 之光電積體電路，與針對不同應用研究系統架構 與元件的最佳組合。在光電積體電路研究 方面，設計與製 作應 用於 OLT 的 CWDM/DWDM 波長可調式雷射陣列，以及應用於 ONU 的可設定波長雷射。為達 成高性能與低成本的目標，實現上述光電積體電路的核心技術為量子井混合技術，

可改變材料的能隙以實現全積體化多波長雷射陣列，也可用來製作 FP 雷射與被動 光子晶體共振腔之積體化的可設定波長雷射，減低製程複雜度以降低成本。基於低 成本的考量，光子晶體將以二維全像術製作。

在可調式雷射陣列中的每顆雷射可涵蓋相同或不同波長範圍，波長間距可為 DWDM 或 CWDM 規格。就 WDM-PON 而言，價格更是實用化的關鍵因素，因此 有必要採用新的元件架構與製作技術。本計畫採用本實驗室甫開發成功的量子井混 合技術取代選擇式磊晶技術，以及採用新型單邊取樣式光柵技術，設計製作 CWDM 或 DWDM 可調式雷射陣列。

ONU 的光源技術一直是阻礙 WDM-PON 發展的主要因素，由於置於用戶端，

對其價格更是斤斤計較。本計畫提出全積體化、容易設定波長的雷射架構，核心技 術包括量子井混合技術與以二維全像術製作光子晶體。並採用 FP 雷射與被動共振 腔之積體化的創新結構，使雷射波長可以控溫或施加偏壓，輕易設定。

系統架構方面可分成樹狀及環形架構，又因系統成本考量，OLT 所配置的雷射 可能無法同時提供所有 ONU 不同的波長通道，而部分 ONU 也可能必須共用同一 波長，必須取得最佳系統與研究組合。加上 WDM-PONs 將應用於較高級的接取網 路或都會網路，適當的網路保護機制便成為必要，使得系統研究變成相當迫切，因 此本計畫一併進行探討以尋求較優的解決方法。

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、單波長雷射、量子井混合技術、

光子晶體

Abstract

We investigated in this project the photonic integrated circuits for applications in WDM-PON networks. Meanwhile, the system architectures with the combination of optoelectronic components will be analyzed and optimized. The research focus on the photonic integrated circuits includes the CWDM or DWDM tunable laser arrays for OLT as well as the low-cost wavelength settable lasers (WSLs) for ONU. The key technologies for the former components include quantum well intermixing (QWI) and novel type of sampled grating reflectors. The WSLs is formed by integrating a photonic crystal based MMI resonant cavity with a FP type laser, which acts like a two-section coupled cavity laser. The QWI scheme will also be used to realize passive and active sections on the same wafer without using selective area growth technique or multiple growth steps. To reduce fabrication cost, the photonic crystals will be fabricated by using 2D holographic exposure. Therefore, low cost and great performance of components can be realized for WDM-PONs.

For WDM-PON system design, we investigated different combinations of system architecture and components. The architecture includes tree and ring topologies. The components include different selection of OLT transmitters, ONU transmitters and remote note passive components. We establishd the device models for the components and the mathematic models for the systems. 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. We developed the key technologies and architectures that can speed up the progress of WDM-PONs.

Key words: wavelength-division multiplexing (WDM), passive optical networks (PONs), tunable lasers, single-wavelength lasers, quantum-well intermixing, photonic crystal

二 二 二

二、、、、 研究內容研究內容與討論研究內容研究內容與討論與討論與討論

(一一一) 共平面結構之分佈反饋式雷射與電致吸收調變器積體化的元件一 共平面結構之分佈反饋式雷射與電致吸收調變器積體化的元件共平面結構之分佈反饋式雷射與電致吸收調變器積體化的元件共平面結構之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

與製程設計與製程設計 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。

本論文亦以單一主動層（Single Active Layer）技術設計一對照組與量子井混合 技術比較。此技術是直接將布拉格波長設置在電吸收調變器吸收邊緣上，不需額外 的蝕刻或離子佈值。經由模擬分析，雷射主動層結構之發光波段預估可達到1600 nm。

1. 元件結構設元件結構設元件結構設元件結構設計與模擬計與模擬計與模擬 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。

-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)

W av elen gth (u m )

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。

-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

(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=0V

Transmissiom Loss (dB)

Blu e S h if t ( 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。

C. 能隙收縮效應（Carrier Induced Band Gap Shrinkage）對增益波長之位移量 表1-1 固定、不固定操作偏壓點分析之比較。

(a) 雷射發光波長範圍模擬

在製作上，本論文設計製做一對照組，是利用單一主動層的方法來製作，可與 利用量子井混合效應製作之元件做比較。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 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

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：

(

)

~ 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。

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[1]。

(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. 量量量量子井混合效應測試結果子井混合效應測試結果子井混合效應測試結果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675^oC與700^oC下1至3分鐘的測試：

表1-2 675oC與700oC下1至3分鐘的測試 Peak (nm)

675^oC 1min

Peak (nm) 675^oC 2min

Peak (nm) 675^oC 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) 700oC 1min

Peak (nm) 700oC 2min

Peak (nm) 700oC 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 700^oC ，熱回火時間為 3 分鐘時，其波長位移量可 達到 98 nm，而在 675^oC、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 675^oC 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 675^oC，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

本論文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675^oC，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 t o r N e t w o r k A n a l y z e r

D C b i a s

圖2-1 頻率響應量測架構圖

如圖2-1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2-2以及表2-1。

0 5 10 15 20

1500 1550 1600 1650

REAM 0V REAM -1V EOM RSOA

3dB bandwidth

Wavelength [nm]

圖2-2 各元件其頻率響應對應不同操作波長 表2-1 比較各種用於用戶端之元件

由圖2-2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，且其差入損失又和操做的偏壓點以

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

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2-4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2-3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。目前我們使

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10

1500 1520 1540 1560 1580

T=20 T=40 T=60

Power [dBm]

Wavelength [nm]

圖2-3 雙波長雷射之光頻譜圖

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2-4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2-4 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2-5 實驗架構

詳細的實驗架構如圖2-5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2-6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2-7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2-2及表2-1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 ive d p o w e r (d B m ) b a ck -to -b a ck

2 5 k m T =2 0^oC

U p

D o w n

圖2-6 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 tu r e (^oC ) U p s tr e a m

D o w n s t re a m

2 5 k m S M F

圖2-7 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2-8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2-9為接收機 靈敏度對SOA 增益的對應圖。

圖2-8 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2-9 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

1. 具垂直漸變式波導的半導體雷射具垂直漸變式波導的半導體雷射具垂直漸變式波導的半導體雷射 具垂直漸變式波導的半導體雷射

在WDM-PON技術上，不同的用戶分配到不同的或專用的波長通道。這些通道 是由被動的路由波長元件傳輸到設備位於遠程節點（RN）是接近客戶端(圖3-1)。

至提高其網絡容量的WDM - PON消除了功率損耗和增加最終用戶的隱私。不過，

為實際執行WDM – PON的技術，成本效益和光的波長穩定來源是兩個關鍵性問題，

特別是對於客戶端設備。幾個光源已被考慮過，例如 發光二極體（LED），放大 自發輻射（ASE） ，摻鉺光纖放大器（EDFA），波長反射半導體光放大器（RSOAs），

Fabry-Perot激光二極管（(FP-LDs）和光源接收信號的下游再調製[2]。由於低成本 和製造簡單，FP-LDs非常令人期待的。但是，多模操作限制了它的應用。光注入是 令人注目和有效的方法來修改它的特點，如改善調製帶寬，減少了非線性失真，降

低雜音的模式分區，減少啁啾聲，並加強側模抑制比（SMSR），在3分貝帶寬和輸 出穩定[3]。例如，通過注射ASE雜音，多模FP-LD激光器被迫在一個單一的經營模 式和抑制噪聲的模式分區。通過這種方式，外部光信號的行為作為種子激光振盪的 FP腔中，所以最近的模式的峰值波長的注入信號將被鎖定在注入光其他模式將受到 壓抑。為了提高注入效率和輸出功率，防反射（AR）被塗覆於雷射正面。基本上，

過高前端面反射誘發更多反射的ASE，而過低的前面反射率可能無法提供足夠的調 製帶寬。因此，1至10％將是一個很好的範圍在前端面反射率的FP - LDs[4]。

圖3-1 WDM-PON supports multiple services 2. 元件製造元件製造元件製造 元件製造

截面圖像的垂直向下錐 InGaAsP/InP FP-LD激光器如圖3-2所示。在量子阱

（QW）層由四個60A非應變InGaAsP的井（λEL=1.55μm）和5個100A InGaAsP的 障礙（Eg= 0.954 eV）層。1％壓縮應變 ，0.2％拉伸應變已納入量子阱和障礙，分 別為 用於減少內部損失。這種量子阱夾在由未摻雜InGaAsP的500A 厚的晶格匹配 分別限制異質低（SCH）的層和未摻雜 0.25µm厚的晶格匹配上梯度折射率（折射 率）夾心層在它的能量 帶隙的線性改為1.0Q至1.3Q。在（1.3Q）符號意味著四元 InGaAsP的帶隙1.3微米波長。這些線性GRIN-SCH層被聘用 獲得高效率和高載流子 注入量子效率。根據 電流注入效率分析的效率線性GRIN-SCH是最高的 之間的步 驟，拋物線和線性梯度折射率結構相同和深度[5-6]。

圖3-2 Schematic cross section view of the vertical taper FP-LD.

圖3-3 Mask pattern design of the vertical taper FP-LD

正如我們知道，通常的光學模式常規FP-LD是在一個橢圓形。但是，光模光纖 的有quasi-Gaussian模式。因此， 錐形波導往往是為了有一個高斯模式配置文件在 輸出面 這將產生更圓振型在垂直方向的更好方法聯繫光從芯片到光纖。如何實現 呢？

擴散限制蝕刻是一種簡單，低成本的製造方法實現。我們選擇了20µm寬的差 距，與錐形長度從100，200，300和500 µm圖3-3所示。因此，光罩包含固定間隔和

橫向增加寬度和長度沿錐形光罩。由擴散限制bromine-acid方法， 外延層的蝕刻與 壕溝移除的材料逐漸走向深入 作為區域錐長度變長，導致所需的垂直錐度。那 bromine蝕刻留下了滑順和無損傷的表面，適合再生長。脊寬度為2µm，以確保單一 橫向模式操作。脊是蝕刻下至蝕刻阻擋層濕化學處理。

二氧化矽絕緣薄膜包覆等離子體增強化學氣相沉積（PECVD），以阻止電流。

自我對準過程是通過打開當前窗口的頂部的脊。非合金鈦/鉑/金電極蒸發雙方實現 良好的歐姆接觸。最後，分別高反射（HR）和防反射（AR）的表面進行塗佈後橋 與前各個面。

3. 實驗結實驗結實驗結果實驗結果果果

最好的測量結果光電流特性方面之前曾給了我們一些重要的下列數據。對於 300µm激光沒有錐度，閾值電流是18.5mA與6.774 mW的輸出功率和斜率架構上是 0.18W/A。對於500µm的總腔長200µm錐度區域可以生產22mA閾值電流與8.566mW 的輸出功率和斜率效率為0.16W/A。而800µm長度腔錐度500µm激光能達到5.197 mW的輸出功率33mA閾值電流和0.108 W/A斜率效率。所有這些測量結果在80mA 偏置電流。由於沒有激光裝置，在該地區的100µm，所以完美的比較0，100，200 和300µm錐形長度在相同的總腔長無法取得。不過，至少我們同意，在400，500，

600和700µm的總腔長，時間越長錐度長度將導致更高的閾值電流。這一結論與許 多報章提及是一致的[7-8]。激光二極管相同的錐形長度為500µm生產規模較小的閾 值，目前在總腔長度變化從600至900µm，但輸出功率是變動。和範圍腔長400µm 至700µm，閾值電流會線性增加腔長的時間越長，但輸出功率也仍然變動。在面塗 層後（約5％AR和“> 90％HR）的執行，垂直錐度激光器將應用於注射用鎖機制。

簡單的注入鎖定測量裝置圖3-4所示。

圖3-4 Simple Injection-Locking Measurement Setup.

從外部光可調諧激光源作為主激光注入FP-LDs，偏壓高於閾值。這注入光媲 美自發輻射的激光放大。當外部光線強度夠，接近頻率測試激光，這是因為有放 大 增益可用。同時，它也飽和增益其他模式和熄滅所有其他自由運行模式。一旦 一個完美的達到鎖定狀態，所有的功率激光發射試驗是在光頻主激光所示的實線的 圖3-5。從圖我們可以看到，注射鎖定大大提高了FP-LD的SMSR，高於30dB和波長 的轉移從1545.14 nm到1545.21nm。這個跨模注入鎖定可以切換信息自由運行模 式，以任何邊模，只要注入鎖定條件滿足，可用於光學波長轉換在波分複用WDM 通道選擇。

圖3-5 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.

4. 結論結論結論 結論

本文垂直的InGaAsP /InP錐度FP-LD成功地實現了使用簡單和低成本有限擴散 蝕刻的方法。對於500µm的總腔激光器200µm錐形長度產生8.566mW的輸出功率和 斜率效率16％和800µm

總激光腔錐形長度500µm生產5.197 mW的輸出功率為10.8％斜率效率。對於注入鎖 定應用，超過30dB，取得了SMSR在100mA的偏置電流。據認為，這種垂直InGaAsP /InP錐度FP-LD器可以是一個好的，有前途和足夠的候選作為光源的WDM-PON系 統。

三三

三三、、、 發表論文、 發表論文發表論文 發表論文

1. 學術性期刊論文，共4篇。

[1] Yen-Ting Pan, San-Liang Lee, Der-Yuh Lin, and Jiun-De Wu, “High performance InGaAsP lasers fabricated by ion-implantation induced quantum well intermixing”, IEICE Electronics Express, vol.5, no. 21, pp 901-907, Nov, 10, 2008.[EI]

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[4] Chiu-Lin Yao, San-Liang Lee, Yung-Jr Hung, Yen-Ting Pan, Jing-Lyang Jeng, and Hsiu-Che Wang,

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[2] Kuo-Chin Jong, San-Liang Lee, Hen-Wai Tsao,” Fault-detection in a branched optical network”, Optics and Photonics Taiwan 2008(OPT2008), Taipei International Convention Center, Dec 6 2008, Sat-S39-05.

[3] Yung-Jr Hung, Yen-Ting Pan, San-Liang Lee, Der-Yuh Lin, Jiun-De Wu, “Experimental and Theoretical Analysis of InGaAsP Laser Fabricated by Quantum Well Intermixing”, Optics and Photonics Taiwan 2008(OPT2008), Taipei International Convention Center, Dec 6 2008, Sat-S7-06.

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[7] KuoChin Jong, Hen-Wai Tsao , San-Liang Lee, “Fault-Detection in a Branched Optical Network”, Optics and Photonics Taiwan 2008(OPT2008), Taipei International Convention Center, Dec 6 2008, Sat-S39-05.

[8] Yen-Ru Huang, San-Liang Lee, Yu-Wei Kuo, Jiun-De Wu,Ying-Sheng Huang , Bong Castine , Jing-Lyang Jeng, Hsiu-Che Wang , “Design and Fabrication of Resonant Cavity Enhanced 760-nm Photodiodes for Gas Sensing Applications”, Optics and Photonics Taiwan 2008(OPT2008), Taipei International Convention Center, Dec 6 2008, Fri-P1-081.

[9] Jhih-Sian Wang, Jhih-Sian Wang, Szu-Chieh Chen, Yen-Ting Pan, San-Liang Lee , “Design and Fabrication of GaN-Based Flip-Chip Light Emitting Diodes”, Optics and Photonics Taiwan 2008(OPT2008), Taipei International Convention Center, Dec 6 2008, Sat-P2-292.

[10] San-Liang Lee, Yung-Jr Hung, Yen-Ting Pan, Chiu-Lin Yao, and Yoshiaki Nakano,” Laser Arrays and Tunable Lasers for Optical Access Networks”, The 7th International Conference on Optical Communications and Networks (ICOCN2008), invited paper, Singapore, Dec. 8-11 2008.

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[13] Kuo-Chin Jong, San-Liang Lee and Hen-Wai Tsao, "Fiber-Fault Surveillance Scheme for Branched Optical Networks", The 15th Microoptics Conference (MOC'09), paper J76, Odaiba, Tokyo, Japan, Oct. 25-28, 2009

[14] Shu-Chuan Lin, Ji-Ying Huang, San-Liang Lee, Gerd Keiser, Sun-Chien Ko, Ty-Wang Liaw,

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3. 專利共2篇。

[1] 劉政光 Liu Chen-Kuang, 李三良 Lee San-Liang, 曾志隆 Tseng Chih-Lung, 周肇基 Jou Jau-Ji, 林 淑 娟 Lin Shu-Chuan, “ 基 於 可 調 式 摻 稀 土 族 元 素 光 纖 雷 射 光 源 之 雙 向 傳 輸 網 路 裝 置 (Bidirectional Transmission Network Apparatus Based on Tunable Rare-Earth-Doped Fiber Laser)”，申請日：2008/08/22，申請號：097215153，公告日：2008/12/21，公告號/證書號：

中 華 民 國 專 利 新 型 M347761 號 ， 專 利 權 人 ： 國 立 臺 灣 科 技 大 學 ， 專 利 期 間 ： 2008/12/21-2018/08/21。

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[3] Yu-Min Lin, Maria C. Yuang, San-Liang Le, Winston I. Way, “Using Superimposed ask label in an All-optical Label swapping system and method thereof” Filed: Jan. 31. 2005, Appl. No.:11/045,302, Date of patent: Jun 30, 2009, Patent No.: US 7555224, Assignee: Industrial Technology Research Institute.

四 四 四

四、、、、 參考文獻參考文獻 參考文獻參考文獻

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