高速光通信系統及元件之研究---子計畫四：光纖網路高速交換與轉換之光電元件與技術(III)

(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

子計畫四:光纖網路高速交換與轉換之光電元件與技術 (3/3)

計畫類別：整合型計畫

計畫編號： NSC93-2213-E-011-006-

執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 10 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：潘彥廷、姚久琳、陳瑞川、郭育瑋、王儷娟

報告類型：完整報告

處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 94 年 11 月 1 日

(2)

國科會成果報告（三年）

高速光通信系統及元件之研究

子計畫二：光纖網路高速交換與轉換之光電元件與技術計畫主持人：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：NSC93-2213-E011-006 (93B0102) 一、計畫摘要：

光纖網路已成為建構寬頻資訊網路的主要媒介，為因應頻寬的急速增加及以 IP 服務為主的網路型態，高速的路由交換與轉換技術已成為發展光纖網路的關鍵技術。本計畫擬以三年的時間研究發展這些關鍵技術及所需元件。

目前高速交換與轉換技術依對應功能和控制訊號的型式可分成光電轉換式和全光式兩類。研究重點包括上述交換技術所需的閘式半導體光放大器陣列、高速可調式雷射、可調式波長轉換技術、以及相關控制用高速電路。為降低成本及增加元件的可靠度，希望能發展將所有光學元件和電路元件組合的最佳積體化技術。

在高速可調式雷射方面，必須重新設計雷射結構，以簡化目前過度複雜的波長調動機制。在閘式光放大器陣列方面，將著重改善其交換速度與線性範圍，並設計製作新型增益嵌制光放大器。而在波長轉換器方面，

採用輔助光方式增加光放大器的增益與輸出飽和功率，以提升轉換效率，並將輔助光與光放大器積體化。在控制用高速電路的設計上，必須著重提高切換速度、穩定度、及克服高頻匹配問題。

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。首先將探討各種可行的架構，發展簡易精確的分析方法，並研發新的製程技術以實現高性能之光積體化高速交換與轉換器。

二、成果：

此計劃內容包含三大類別：高速可調式雷射與路由器型、波長轉換型與陣列半導體雷射放大器型。各分類技術研究成果將詳述

如下：

(一) 高速可調式雷射與路由器型

(1) 新型高速高可調波長範圍雷射陣列之設 計與製作

高速可調式雷射陣列的製作由四個通道間距為3.5nm 的新型 SGDBR 雷射構成，

整體雷射陣列架構如圖1 所示。雷射兩端鏡面區置放於雷射單邊以便與其他元件做單石積體化，並可將兩鏡面的電極區相連，製作成單電極以利快速調變波長，此舉將簡化元件操作時的複雜度，並降低製作成本。將兩鏡面區長度縮短為 150µm 以縮短雷射陣列尺寸。

圖1 高速可調式雷射架構圖

藉由傳輸矩陣法(TMM)來模擬 SGDBR 雷射陣列，將SGDBR 雷射的反射率尖峰間隔(P)與工作週期(Duty cycle, D)最佳化，進而分析雷射陣列的臨限增益與輸出光功率，如圖2~4 所示。縮短增益區與兩鏡面區的長度，有助於降低載子復合時間，進而提升切換速度，使元件更適用於高速光纖網路。保留 100µm 的相位區以做為波長穩定控制。我們可以額外加微小的調動電流至相位區去微調模態的位置，使得有最佳的旁模抑制比（SMSR）。區域間保留50µm 的絕緣區，以斷絕注入電流的橫向擴散，提高電流的注入效率。由於大幅縮短兩鏡面區的長度，鏡面區反射率大幅下降，在鏡面區的另

(3)

一端需做高反射鍍膜處理，以提升雷射的輸出功率。

1.5 1.51 1.52 1.53 1.54 1.55

35 40 45 50 55 60

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

Output Wavelength (um) SMSR (dB)

P1(shifter, um)

λ_b= 1.56 um D= 0.2, HR coating

Wavelength selectable

圖2 反射率尖峰間隔對應波長的模擬結果

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

20 25 30 35 40 45 50

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

R max1-R max2 Modal Gain (cm -1)

Duty Cycle

λ_b= 1.56 um P= 17nm, HR coating

Wavelength selectable

圖3 SGDBR 雷射工作週期最佳化

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

1.51 1.52 1.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.58

Wavelength (um)

Power Reflectivity W_max1=1.5406 W_max2=1.5367 W_max3=1.5327 W_max4=1.5288 D= 0.2, HR coating, λ_b= 1.56 um

圖4 四個通道間距 4nm 的雷射陣列雷射陣列製作實體(如圖 5 所示)由四個新型SGDBR 雷射與多模干涉(MMI)分光器所組成，並在雷射陣列一端施以抗透射(HR) 鍍膜以提高另一端的光輸出功率。雷射陣列中設計成 2µm 寬之脊狀波導結構，兩鄰近雷射的距離為150µm。

圖5 高速可調式雷射陣列實體圖為了利用簡單的製程步驟達到各通道涵蓋不同波段，在波導層上額外成長一層 17nm 厚的 1.4Q 材料，以選擇性濕蝕刻法將其中一個鏡面(SG2)的 1.4Q 材料去除，造成兩鏡面因有效厚度的不同使其等效折射率不同，讓兩鏡面因布拉格波長不同而使最大

反射偏移至高階反射峰值，由數值分析結果得知，將材料增益峰值對準在光柵區一階的反射峰值處，可以增加製程上的容忍度。並經由優化光柵參數可使此新型光柵提供很好的旁模抑制比。之後，藉由設計光柵區不同反射率尖峰間隔，使雷射陣列不需額外調動電流即可達到各通道發光波長間距為 3.5nm，在大範圍的注入電流下各通道的旁模抑制比始終大於 30dB，如圖 6(a)所示。

藉由注入微小電流於光柵區來微調雷射陣列可再增加其旁模抑制比，如圖6(b)所示。

(a)

(b)

圖6 各通道發光波段與其旁模抑制比將電流注入於光柵區可改變其有效折射率，使雷射的發光波段往短波長偏移，藉由簡單的電流注入效應，便可以使各通道提供約4nm 的波長可調範圍(如圖 7 所示)，而旁模抑制比始終維持在30dB 以上(如圖 8 所示) ，各通道輸出光功率的變化量小於 5dB(如圖 9 所示)。此舉不僅可有效降低元件成本，亦可大大地提升高速光交換與轉換器的靈活度。

1.548 1.550 1.552 1.554 1.556 1.558 1.560 1.562

0 5 10 15 20 25 30

Peak wavelength (µm)

Tuning current (mA) Laser A Laser B Laser C Laser D T=15^oC, I

a=130mA

圖7 各通道波長可調範圍

(4)

圖8 各通道 SMSR 隨光柵注入電流之變化圖

圖9 各通道輸出光功率隨光柵注入電流之變化

最後，藉由調變雷射陣列各通道的主動區與光柵區的注入電流，可得到 40 個通道間距為 50GHz 的光輸出頻譜，各通道的輸出功率變化量降低至3dB，旁模抑制比皆大於30dB，如圖 10 所示。

圖10 調變主動與光柵區之注入電流達到 40 個通道間距為50GHz 的光輸出頻譜

(2) 高速可調式雷射的製作與動態響應量 測：

本實驗室自行設計製作 DBR 雷射，並配合高速電流驅動的電路設計，我們已可控制高速可調式雷射實際應用在光通訊系統中。如圖11~12 為可調式雷射在高速電流切換下，調動四個不同的波長通道，從光頻圖中可輕易看到調動波長穩定輸出在預設的

位置。當高速波長調動訊號經過四組不同波長通道的濾波器，再經過光接收器，在不同時間的順序，不同的濾波器輸出埠，觀察到高速波長切換，即高速波長調動的光訊號經過光路由器的輸出結果（如圖13 所示）。由高速的波長切換時序上觀察得知，我們所製作的高速可調式雷射在短短的100ns 中，已可快速且穩定地切換四個不同的輸出波長，波長切換時間約 10ns(主要受限於驅動電路)，提供光交換網路中，必要的高速波長切換光源。

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

1539.0 1540.0 1541.0 1542.0 1543.0

Optical Spectrum

Optical Power (dBm)

Wavelength (nm) λ₁ λ₂ λ₃ λ₄

圖11：高速可調式 DBR 雷射波長調動之輸出光頻譜

圖12：高速可調式 DBR 雷射波長調動之波長切換時序訊號

圖13：高速波長可調式雷射經由光路由器，

高速進行訊息交換與傳遞

圖 14 為高速可調式雷射驅動電路實體圖，在 DBR 動態波長調動量測時，使用頻寬 0.1nm(12.5GHz)的可調式濾波器作為取樣訊號，使 DBR 週期性調動輸出波長，透過示波器的同步觸發訊號,，使訊號時序取樣起始點皆在週期中的同一位置，當濾波器調至λx位置時，僅有λx的訊號會通過濾波器，

(5)

進入光接收器中，將光功率轉換成電壓振幅，透過示波器取出時序訊號，具有最大峰值電壓的時間位置，即是 DBR 雷射調動於該波長的時序點。依序移動濾波器的波長，

掃描整個待測頻譜範圍，配合示波器的訊號擷取，可獲得DBR 動態波長調動中，時序、

波長與光訊號強度的相對關係，稱為時域解析光譜量測 (Time resolved spectrum measurement, TRSM)，而整個量測系統的設置，如圖15 所示。

圖14 高速可調式雷射驅動電路實體圖

圖15 時域解析光譜量測設置圖。使用精確的可調式濾波器，經由掃描頻譜範圍，取出動態的頻譜時序訊號。

圖 16 展示利用加入第五個波長通道 (CH5)，在通道間任意順序進行調動，以模擬實際應用上波長隨機調動時，各波長的穩定性，共分 16 組時區連續重複調動，每個時區為20ns，波長轉態中會有一些暫態過渡波長的出現。測試中突然加入一個較高的調動電流波段(CH5)後，調動波長依然正確且穩定的調動至目的波道。而且在不同波長切換速度下，波長通道仍舊相當穩定。光功率品質方面，由於CH5 在週期內僅佔有一個，

在高速調動下觀看光譜功率會明顯較其他通道低，CH3 僅佔有三個時區，光譜功率也有略為下降。在調動過程中，依然有 30dB 以上SMSR 的訊號品質。

一般而言，在雷射二極體中，溫度響應時間約為幾微秒左右，其對雷射性能的影響視材料散熱的熱阻與熱容量而定。半導體元

件對於溫度較為敏感，在半導體雷射中，溫度升高會影響有效折射率的增加，進而使得發光波長產生漂移。

圖16 波道穩定度在五個波長通道任意次序進行高速波長切換中的表現雖然在低速調動時會出現波長熱漂移的問題，只要有適當的散熱的方式（如覆晶封裝）即可改善影響熱的累積程度與響應速率。在不受溫度影響的操作下，如圖 17 所示，波長高速切換達到穩態後，波長穩定度約可在1GHz 的範圍內。

圖17 在不受熱效應的影響下，波長在高速切換後，迅速穩定在1GHz 的誤差範圍內

(3) 研發量子井混和技術以改變材料結構：

為提升可調式雷射的調變範圍和輸出功率。在多通道數的WDM 系統中增益頻譜經常不足，我們藉由量子井混和效應(Quantum Well Intermixing, QWI) 技術控制局部離子濃度分布，進而在同一晶片上任意改變增益頻譜。目前可透過兩種方式來達成量子井混和效應，分別為晶格缺位擴散(Impurity-Free Vacancy Diffusion, IFVD)與雜質輔助內部擴散(Impurity-Induced inter-Diffusion, IID)兩種。IFVD 技術是利用高溫讓晶格產生缺

(6)

位，進而改變離子濃度分布，但此技術之能隙調變幅度有限。而IID 技術是利用外界植入之雜質來促進量子井混和效應，可應用於所有Ⅲ-Ⅴ族之半導體材質中。相較於其他技術，此方式有較大能隙調變幅度。本計畫使用了離子佈植的方式來改變增益頻譜曲線，並額外成長一層InP 層，作為離子佈植的緩衝層，此步驟完成後須將此InP 層藉由濕式蝕刻移除，以減少散射所導致的光損耗。我們以材料增益尖峰在1545nm 的磊晶片，以RTA 溫度為 670℃，實際做了 60sec 與 120sec 兩種條件的擴散時間，可發現不同的擴散程度，產生不同程度的的量子井混合效應。圖18~19 為 PL 量測圖，其中之百分比代表植入離子之劑量，全劑量為5X10¹⁴ ion/cm²。由量測值觀之，改變劑量確可改變增益頻譜位置，若搭配新型取樣光柵技術，

可製作高速高可調波長範圍雷射陣列，以徹底解決增益頻譜寬度不足的問題。量子井內部擴散效應也非常適合應用於光積體化技術，以降低成本及增加元件的可靠度，進而實現高性能之光積體化高速交換與轉換器。

0 1 2 3 4 5

1400 1450 1500 1550 1600

670C-60sec

0 25%

50%

75%

100%

Wavelength(nm)

圖18 RTA 溫度為 670℃時，擴散 60sec 之 PL 量測圖

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

1400 1450 1500 1550 1600

670C-120sec

0 25%

50%

75%

100%

Wavelength(nm)

圖19 RTA 溫度為 670℃時，擴散 120sec 之 PL 量測圖

(4) 光切換開關的設計與分析：

採用雙波段 1×2 MMI 分光器來當作 3-dB 耦合器，並擴充成雙埠元件，允許兩個波段的光可以從任意輸入埠輸入，藉由加熱器的控制，以實現 1.3/1.55-μm 雙波段 2×2 光開關，如圖 20 所示。

當加熱器作用時(ON)，此區域波導折射率變為 ncore+0.25Δn，而當加熱器關閉時(OFF)，此區域波導折射率還是 ncore。在兩個MMI 波導中，放置了(n1, n2, n3, n4)四個加熱器，以改變=1.55μm 光波的相位關係、自我成像週期及輸出位置。

圖21 是光開關在”C”-切換狀態時的光場傳播圖，其操作波長分別為(a) 1.3μm 和(b) 1.55μm。

dual-band MMI 3dB coupler

n

1

n

²

n

3

n

⁴

n

5

n

core

n

^clad

n

^core

n

^clad

Larm

port 1 port 2

port 1' port 2'

圖20 1.3/1.55-μm 雙波段 2×2 光開關

(a) (b)

圖 21 光開關在”C”-切換狀態時的光場傳播圖，其操作波長分別(a) 1.3

μ

m (b) 1.55

μ

m

設定 MZI 兩直臂之長度 Larm

=1000μ m，則 MZI 各輸出埠之光功率可對 n

5之折射率調變參數

 

作圖，當只有 n1和 n4沒有調制時，其變化關係如圖 22 所示；而當只有n1和n3沒有調制時，其變化關係如圖23 所示，另外，當只有 n2和 n4沒有調制時，

各輸出埠之光功率對

 

的關係如圖 24 所示；而當只有 n2和 n3沒有調制時，可得如圖25 的變化關係。

模擬結果指出此光開關的插入損耗可低於0.43dB，而串音抑制可大於 27.40dB。

(7)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

λ=1.3µm, (2-1') λ=1.3µm, (2-2') λ=1.55µm, (2-1') λ=1.55µm, (2-2')

δ

relative intensity

"A"-state "B"-state

圖22 當只有 n1和n4沒有調制時，輸出功率變化

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

λ=1.3µm, (2-1') λ=1.3µm, (2-2') λ=1.55µm, (2-1') λ=1.55µm, (2-2')

δ

relative intensity

"C"-state "D"-state

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

λ=1.3µm, (1-1')

δ

relative intensity

λ=1.3µm, (1-2') λ=1.55µm, (1-1')

λ=1.55µm, (1-2') "E"-state

"F"-state

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

λ=1.3µm, (1-1')

δ

relative intensity

λ=1.3µm, (1-2') λ=1.55µm, (1-1')

λ=1.55µm, (1-2') "G"-state

"H"-state

(二) 波長轉換型

(1) 寬範圍波長轉換技術研究

我們以高功率、波長為1480nm 的雷射作為輔助光源，注入以半導體光放大器為主的波長轉換器，使用輔助光對轉換效率提升幅度隨波長間距之增加而變得更為顯著。除此之外，由實驗亦證實，輔助光可使信號雜訊比(Signal–to-Background Ratio)提升。此乃因泵浦光束及Probe 光束皆受輔助光對飽和功率的提升而有較大的增益。我們也研究具高效率且寬波長轉換的波長轉換技術。

我們選定雙泵浦光源的半導體光放大器作為波長轉換元件，並輔以高功率輔助光，圖 26 所示為量測架構圖。所使用的半導體光放大器為商品化元件。先進行軟體模擬，確定採用輔助光可有效提升轉換效率及訊雜比(OSNR)。並由實驗證明與模擬相近的結果(圖 27）。此法使得在轉換效率和可轉換的波長範圍方面皆可

DFB-LD Ps

PC OC

SOA

ATT EDFA

PIN Filter Filter

Assist beam

1480/1550 Isolator Mux

PC

10Gb/s BERT 2²³-1 PRBS

10Gb/s

OC

TL P1 TL P2

LiNbO₃ modulator

1480 nm

圖 26 波長轉換器量測架構圖

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

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

Wavelength conversion range (nm)

CE (dB)

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

SBR (dB)

with assist beam w/o assist beam

SBR CE

圖27 量測所得波長轉換效率與訊雜比(SBR)

(2) 多播波長轉換器的實現：

本實驗室藉由波長轉換的實驗過程，歸納出一些使系統效能最佳化的結論，進而實

(8)

現以 XPoM 與 DPFWM 形式製作之多播波長轉換器。成果將各別分述如下：

(a)

XPoM 多播波長轉換器

XPoM 形式之多播波長轉換器是讓多個不同波長的目的光源之極化透過半導體光放大器被訊號光源所調制，再一起透過線偏振器將訊號同時複製至多個目的光源上，完成多播波長轉換的目的。圖 28 為 XPoM 動態量測架構圖，光源透過 EOM 調變一速率為10Gb/s，長度為 2³¹-1 偽隨機序列訊號，經EDFA 與光衰減器將訊號光調至適當功率值，將目的光源透過光耦合器耦合至 SOA 中，利用線偏振器將目的光源的極化變化轉為振幅變化後，以光濾波器濾出欲量測的訊號波長，再將適當光功率值的訊號轉為電訊號後，利用 DCA 及誤碼率分析儀，進行眼形圖及誤碼率的量測。本實驗 SOA 的注入電流為 200mA。

圖28 XPoM 動態量測架構圖

為了降低目的光源間因串音現象而導致轉換後訊號品質不良的問題，將目的光源波長採用特殊的排列方式(如圖 29 所示)來實現1 對 8 波長轉換器，實驗結果顯示各通道都能量測出品質不錯之眼形圖(如圖 30 所示)，而在誤碼率為 10^-10的標準下，所得到的功率償付皆小於2.2dB (如圖 31 所示)。

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

1538 1540 1542 1544 1546 1548 1550

Power(dBm)

Wavelength(nm) 0.4nm

1.2nm0.8nm 0.8nm1.2nm

1.2nm0.8nm

圖29 一對八波長轉換的輸入光頻譜圖

在XPoM 多播波長轉換器中，各光源間的四波混合現象，將嚴重影響轉換後的訊號品質，而我們將目的光源的波長位置，進行

特殊的排列方式，避免不必要的混波成份影響波長轉換的效果，可大幅地改善轉換後訊號的品質。

圖30 一對八波長轉換後的眼形圖

10^-12 10^-10 10^-8 10^-6 10^-4

-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 B-T-B 1542nm 1542.4nm 1543.6nm 1544.4nm 1545.2nm 1546.4nm 1547.6nm 1548.4nm

BER

Received power(dBm)

圖31 一對八波長轉換後的誤碼率

(b)

DPFWM 多播波長轉換器

DPFWM 形式之多播波長轉換器是藉由加入多個泵激光源，同時與訊號光源進行混波，完成將訊號光源上的訊號複製至多個混波訊號上的目的。圖32 為 DPFWM 多播波長轉換器的量測架構，實驗中以外調的方式產生一速率為 10Gb/s，長度為 2³¹-1 的偽隨機序列訊號，經EDFA 與光衰減器將訊號光調至適當功率值。多個泵激光源透過 AWG 及光耦合器與訊號光源耦合進 SOA 進行混波，再透過光濾波器濾出欲量測的光訊號，將轉換後的訊號光功率經由EDFA 與光衰減器調整至適當值，由光接收器將光訊號轉為電訊號後，透過 DCA 及誤碼率量測儀

(9)

分別量測眼形圖及誤碼率。實驗中 SOA 的注入電流為200mA。

圖32 DPFWM 多播波長轉換器的量測架構圖33 為一對三波長轉換後 SOA 的輸出光頻譜圖，我們將磊激光源(Pump1)與訊號光源(Signal)保持固定的頻率間距，以維持足夠大的轉換效率，然後再利用其他泵激光源 (Pump2~Pump4)的頻率位置，決定經由混波所產生的訊號(CS1~CS3)頻率位置，如此便可在大的轉換範圍內，維持較高的轉換效率值。訊號轉換後之眼形圖與誤碼率如圖 34 和圖 35 所示，誤碼率在 10-10 等級時，功率償付值皆低於2.7dB。

圖33 一對三波長轉換後的輸出光頻譜

圖34 一對三波長轉換轉換後的眼形圖 DPFWM 多播波長轉換器受到轉換效率及不必要的四波混合成份所影響，而限制轉換的波長數目，未來若要增加轉換波長的數量，可嘗試使用飽和功率較高的 SOA 或是增加輔助泵激光源，以提升轉換後訊號的品質，或是遵循 XPoM 多播波長轉換的原則，將泵激光源的波長位置做適當的排列，

以降低串音對轉換效果的影響，進而提升多播波長轉換的波長轉換數量及轉換後的訊號品質。

10^-14 10^-13 10^-12 10^-11 10^-10 10^-9 10^-8 10^-7 10^-6

-15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 B-to-B 1549.04nm 1550.64nm 1552.24nm

BER

Received Power(dBm)

圖35 一對三波長轉換後的誤碼率

(三) 陣列半導體雷射放大器型

(1) 半導體光放大器的製作與自動耦合系 統：

本實驗室所做的半導體光放大器以最常見的Ⅲ-Ⅴ族半導體材料作為主要活性區的放大介質，可用來放大 1.55µm 波段。一般為了降低鏡面兩端的反射率，通常會在共振腔兩端面上做抗反射鍍膜，抑制共振效應，另外也將光放大器設計成具傾斜角度的脊狀波導結構，以進一步降低反射率。

圖36為具傾斜角度之脊狀波導結構的半導體光放大器，此設計的優點是在晶片劈裂時可以有不同的腔長的選擇。半導體光放大器的量測需作輸入輸出光纖的精密耦合以降低耦合損失。利用精密五軸機台及旋轉機台作傾斜波導之雙邊耦合，以透鏡光纖增加耦光效率，並以致冷器進行溫度控制。我們建立電動光學定位系統作自動化的量測對準，以降低手動對準的人為誤差。圖37 為顯微鏡下SOA雙邊耦合之實體圖。

圖36 具傾斜角度之脊狀波導(SEM 剖面圖)

(10)

圖37 SOA 雙邊耦合之實體圖圖 38 所示為長度為 1000μm 的 SOA 之鍍膜前後的光譜圖。圖中可看出抗反射鍍膜前後，中心波長附近之漣波分別為2.96dB 和0.16dB，經由推算可得抗反射鍍膜後的反射率Rcoating=5.46×10-4。

-62 -61 -60 -59 -58 -57 -56 -55

1.607 1.607 1.608 1.608 1.609 1.609 1.61 1.61 1.611 uncoating

AR coating

Intensity (dBm)

Wavelength (µm) Length = 1000um I=100mA

圖38 1000µm 傾斜波導 SOA 之鍍膜前後的自發放射光譜圖

圖39 所示為溫控在 15 度且輸入光功率為0 和-5dBm，所得的光纖到光纖輸出功率隨注入電流增加的變化情形，實際量測出 SOA 之增益值為 3dB，此增益值已包含輸出入耦合損失等所有功率耗損值。為估計輸出入損失，我們以鎖相放大器量得 SOA 的透明電流值為25mA。利用各電流點的輸出功率算出SOA 的增益係數曲線，再利用 SOA 內部損失與單趟增益來推算出 SOA 晶片的增益。以同樣材料製成雷射測得內部損失約為 20.77cm-1。因此估算出在注入電流為 150mA 時 SOA 的晶片增益值（chip gain）

約為15~17dB。SOA 增益值隨電流變化情形如圖40 所示。輸出飽和功率為 6dBm。

我們利用極化控制器調整入射光的偏振方向，以光譜儀測試 SOA 的增益對於偏振方向的敏感程度。圖 41 所示是在不同波長與相同輸入功率下，SOA 輸出功率值以及對不同偏振的增益變化差值。結果顯示波長在 1562~1584nm 間增益的偏振敏感度小於2 dB，而 3dB 的增益頻寬約為 40nm。

利用BIAS TEE 混合 AC 和 DC 訊號，

使 SOA 的注入電流包含調變訊號，造成 SOA 隨著注入電流的高低準位不同，其放

大增益值亦不同，因而產生控制輸出光功率大小的光閘功能，此量測可偵測 SOA 用於光開關時的切換速度。圖 42 所示為在 150MHz 調變速率下，利用取樣示波器量測 SOA 輸出訊號的眼形圖，圖中顯示其上升時間(Rise Time)和下降時間(Fall Time)皆在 2ns 以內。

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10

0 50 100 150

SOA_L-I Curve TEC 15 (final)

Input -5dBm Input 0dBm

Current(mA)

圖39 SOA 輸出功率隨注入電流增加的變化

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

0 50 100 150

1000um SOA Gain Graph

Input -5dBm SOA Gain (I=25mA) Input 0dBm SOA Gain (I=25mA) Input -5dBm SOA Gain (I=24mA) Input 0dBm SOA Gain (I=24mA)

Current(mA)

圖40 SOA 增益值隨電流增加之變化情形

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4

1 2 3 4 5 6 7

1550 1560 1570 1580 1590 1600 1610

Output Power Polarization

Wavelength(nm)

圖41 SOA 輸出功率值以及偏振敏感度隨波長之變化

圖41 SOA 在 150MHz 高頻調變的眼形圖

(11)

半導體光放大器除了做為一般光放大的功能外，其交叉增益調變(Cross Gain Modulation, XGM) 或交叉相位調變(Cross Phase Modulation, XPM)效應可以用於波長轉換，或做為光開關元件使用。

(2) 增益箝制半導體光放大器之設計與製 作：

設計與製作以SOA 兩端積體化 DBR 共振腔以形成增益箝制半導體光放大器 (GC-SOA)，在材料設計的關鍵為設計極化不敏感結構，為了補償兩模態間材料增益的差值，我們使用舒張應力磊晶量子井結構以提高橫向磁場的材料增益，再將舒張應力磊晶量係數、量子井厚度、位障區厚度、等參數做微調以得到最佳化的模擬結果。計入兩模態的光侷限因子的差異，所以我們希望在橫向磁場的材料增益能大於橫向電場，達到非極化相關的補償，如圖 42 所示。此外，

在 GC-SOA 兩端設計漸變式 S 型彎曲波導除了可降低端面反射率，以防止光在共振腔中來回共振而形成雷射，尚可改善近場之光場分布，提高 SOA 對光纖的耦合效率。圖 43 為漸變式彎曲脊狀波導在電子顯微鏡下側視圖。

-2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000

1.35 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6

Material gain in TE and TM mode

Material gain (cm-1)

Wavelength (nm) Solid line : TE

Dashed line : TM

圖42 舒張應力磊晶調整材料增益比較圖

圖43 漸變式彎曲脊狀波導側視圖實作方面，成功製作出不同長度之增益箝制半導體光放大器，在箝制增益下信號增益約11dB(如圖 44 所示)，增益箝制控制波

長在1501nm(如圖 45 所示)。為了量測出不同極化增益箝制半導體光放大器的影響，我們利用極化控制儀產生不同的極化狀態輸出，再利用極化維持光纖將光耦合入半導體光放大器內，並放大輸出至光譜分析儀上觀察。由量測的結果我們可以發現，所設計半導體光放大器對極化變化的增益影響約在 3~4dB 左右。

-40 -30 -20 -10 0 10 20

0 20 40 60 80 100 120 140 160

5 dBm 0 dBm -5 dBm

Chip Gain (dB)

Current (mA)

圖44 GC-SOA 增益輸出圖

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

1480 1500 1520 1540 1560 1580

Intensity (dBm)

Wavelength (nm)

-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

1490 1495 1500 1505 1510

圖45 GC-SOA 輸出光頻譜圖

增益箝制半導體光放大器的主要優點為降低在傳統半導體光放大器中增益飽和的現象，可在分波多工傳輸交換網路系統中，改善因增益飽和產生的調變失真與提供大範圍的輸入功率變動量。

由圖 46 之量測結果可知，傳統的半導體光放大器在輸入功率約為1dBm 時已達到增益飽和。而箝制增益的半導體光放大器一直到輸入功率為 7dBm 增益才有飽和的現象。

8 12 16 20 24 28

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15

SOAGC-SOA

Chip gain (dB)

Input power (dBm)

Saturation input power

圖46 半導體光放大器增益飽和輸出圖

(12)

三、發表之論文：

1. Ching-Yun Chien, Ron Xian,Pei-Lin Chiang, San-Liang Lee, C.-C. Lin,and Wen-Jeng Ho,

‘A fast wavelength-tunable transmitter for optical switching applications,” Proceeding I of OPT2002, p268-270, 2002

2. P.-M. Gong, J.-T. Hsieh, S.-L. Lee, and J. Wu,

“Improved Wavelength Conversion Based on Four-Wave Mixing in Light-Holding SOA’s,”

J. Quantum Electron. vol.40, no.1, pp.31-40, Jan., 2004.

3. D.-Z. Hsu, S.-L. Lee, P.-M. Gong, Y.-M. Lin, S. S. W. Lee, M. C. Yuang, “High-Efficiency Wideband SOA-Based Wavelength Converters by Using Dual-Pumped Four-Wave-Mixing and an Assisted Beam,” IEEE Photonics Technol. Lett. July, 2004

4. Jyh-Tsung Hsieh, Jingshown Wu, and San-Liang Lee, “Dynamic Performance Analysis of Four-Wave Mixing Wavelength Conversion in Light-Holding SOA’s,” paper THP-(14)-2, CLEO/PR2003

5. Jyh-Tsung Hsieh, San-Liang Lee, and Jingshown Wu, “High-efficiency and wideband wavelength converters based on four-wave-mixing in light-holding SOA’s,” 9th Microoptics Conference, Tokyo, Japan, Oct.29-31, 2003

6. Dar-Zu Hsu, Pei-Miin Gong, Yu-Min Lin, Steven S. W. Lee, San-Liang Lee, and Maria C.

Yuang, “High-efficiency and wideband SOA-based wavelength converters by using four-wave-mixing with orthogonal pumps and an assisted beam,” CLEO/PR2003, paper TH1J-(2)-5

7. San-Liang Lee, Ching-Yun Chien, Hen-Wai Tsao, Jingshown Wu, “Practical Considerations of Using Tunable Lasers for Packet Routing in Multiwavelength Optical Networks,” Proceedings of 2003 International Conference on Parallel Processing Workshops, pp. 325-331, Kaosiung, Taiwan, 2003.

8. J.-T. Hsieh, P.-M. Gong, S.-L. Lee, and J. Wu,

“Improved Dynamic Characteristics on SOA-Based Four-Wave Mixing Wavelength Conversion in Light-Holding SOA’s,” IEEE J.

of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.10, no. 5, pp.1187-1196, 2004 [EI, SCI]

9. S.-.L. Lee, C.-J. Wang, P.-L. Jiang, I.-F. Jang, H.-W. Chang, C.-L. Yao, C.-C. Lin, W.-J. Ho, X. Zhang, and Y.-H. Jan, “Two-Section Bragg-Wavelength-Detuned DFB Lasers and Their Applications for Wavelength Conversion”, IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 11, no. 4, 2005 10. Y.-J. Lin and S.-L. Lee, “Design of novel

dual-band optical switches based on multimode interference,” submitted to IEEE Photonics Technol. Lett.

11. San-Liang Lee, “Enabling optical technologies for optical Ethernet,” 13th Annual Wireless &

Optical Communications Conference, Taipei, Taiwan, Mar. 2004 (Invited talk)

12. San-Liang Lee, Chih-Jen Wang, Pei-Ling Jiang, Chiu-Lin Yao, Chia-Chien Lin and Wen-Jeng Ho, “Tunable Two-Section Shift-Layer DFB Lasers and Wavelength Converters”, paper THP2, 19th International Semiconductor Laser Conf. Matsue, Japan, Sept. 2004

13. San-Liang Lee, Chih-Jen Wang, Pei-Minn Gong, Dar-Zu Hsu, Ming-Feng Hsu, and Chi-Liang Tsai, “All-optical Wavelength Conversion for Multiwavelength Optical Switching Networks”, Symposium on Technologies for High-Capacity Optical Communications, Taiwan, Dec. 2004 (Invited) 14. Chiu-Lin Yao, San-Liang Lee, and Ing-Fa Jang,

“Wavelength Selectable Lasers with Novel Sampled Grating Reflectors”, Symposium on Technologies for High-Capacity Optical Communications, Taiwan, Dec. 2004

15. Chih-Jen Wang, Pei-Ling Jiang, San-Liang Lee, and Wen-Jeng Ho, “Wavelength Converters with High Wavelength Stability Using Two-Section Shift-Layer DFB Lasers”, OPT2004, Taiwan, Dec. 2004

16. San-Liang Lee, “Tunable lasers and WDM laser arrays for system applications”, OPT2004, Taiwan, Dec. 2004 (Invited)

17. Chi-Liang Tsai and San-Liang Lee, “Optical Burst/Packet Switching Based on Tunable Lasers and Simultaneous Wavelength Conversion of Payload and Header”, OPT2004, Taiwan, Dec. 2004

18. Ming-Feng, Hsu, San-Liang, Lee, Hen-Wai Tsao, and Jingshown Wu, “Experimental Demonstration of Multicast Wavelength Conversion Using the Cross-Polarization Modulation in a Semiconductor Optical Amplifier”, OPT2004, Taiwan, Dec. 2004 19. San-Liang Lee, Chiu-Lin Yao, Ing-Fa Jang,

Chia-Chien Lin, and Wen-Jeng Ho,

“Wavelength Selectable Lasers with Bragg-Wavelength Detuned Sampled-Grating Reflectors,” CLEO 2005 paper CThA6

20.

San-Liang Lee, Ming-Feng Hsu, Hen-Wai Tsao, and Jingshown Wu, “Multicast Wavelength Conversion Using Cross-Polarization Modulation in a SOA,”

The 10th Optoelectronics and Communications Conference (OECC2005), paper 8B3-3, Seoul, Korea, 2005

四、總結：

(1) 高速可調式雷射與路由器型

新型高速可調雷射陣列之設計與製作方面，成功地以新型SGDBR 雷射製作出具有40 個間距為 50GHz 光通道之雷射陣列，

(13)

此技術將可應用於單一晶片成長分離式多色激光器(Multicolor Laser)。在光柵製程方面並不複雜，只需一次全像術曝光即可完成雷射陣列中光柵的製作。經由數值分析證明，新型的光柵設計可藉由光柵參數的優化而得到很好的旁模抑制比，實驗結果亦顯示藉由微調光柵區的電流可得到42dB 的旁模抑制比。

高速可調式雷射的製作與動態響應量測方面，成功地完成高速可調式雷射的製作，並且配合儀控設備及程式撰寫進行高速可調式雷射動態響應量測，包括動態波長切換、熱效應及磁滯效應等分析量測。

光切換開關的設計與分析方面，設計出藉由加熱器的控制，以實現1.3/1.55-µm 雙波段2×2 光開關。在模擬下，此光開關的插入損耗低於0.43dB，而串音大於 27.40dB。

(2) 波長轉換型

寬範圍波長轉換技術研究方面，我們也已理論及實驗證實，使用輔助光對寬頻波長轉換器也有明顯效用，可同時提高轉換效率和訊雜比。

多播波長轉換器的實現方面，藉由波長轉換的實驗過程歸納出使系統效能最佳化的結論，並成功地完成一對八XPoM 和一對三DPFWM 型式之多播波長轉換器，各系統的功率償付值分別低於2.2dB 與 2.7dB。

(3) 陣列半導體雷射放大器型

半導體光放大器的製作與自動耦合系統等技術方面，成功製作具光纖到光纖增益、低偏振敏感度之半導體光放大器，成功地製作出光纖到光纖增益值為 3dB 的光開關，放大器端面的反射率可低於5.46×10^-4，在增益峰值波長附近的增益漣波可低於 0.16dB，在波段 1562~1584nm 間增益的偏振敏感度小於 2dB。光開關切換的時間低於 2ns。

增益箝制半導體光放大器之設計與製作方面，成功地完成信號增益約 11dB，增益箝制控制波長為1501nm 之增益箝制半導體光放大器，並順利降低增益飽和現象、端面反射率、放大增益極化敏感程度。

五、成果自評

本計劃所提工作項目大部分皆已順利進行且有很好的成果，並已整理多篇論文，

部份已發表於一流期刊與研討會，並有多篇論文投稿或審查中，成果相當豐碩。