行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
寬頻光都會與擷取網路之關鍵技術--子計畫二:光網路主動 元件技術之研究與應用(3/3)
研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 整合型
計 畫 編 號 ： NSC 96-2221-E-011-029-
執 行 期 間 ： 96 年 08 月 01 日至 97 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：紀順得 碩士班研究生-兼任助理人員：陳星宇 碩士班研究生-兼任助理人員：吳文勝 碩士班研究生-兼任助理人員：林澤佑 碩士班研究生-兼任助理人員：陳哲賢 碩士班研究生-兼任助理人員：許葉立
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 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢
中 華 民 國 97 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 寬頻光都會與擷取網路之關鍵技術
寬頻光都會與擷取網路之關鍵技術 寬頻光都會與擷取網路之關鍵技術
寬頻光都會與擷取網路之關鍵技術— — — —子計畫二 子計畫二 子計畫二： 子計畫二 ： ： ： 光網路主動元件技術之研究與應用
光網路主動元件技術之研究與應用 光網路主動元件技術之研究與應用
光網路主動元件技術之研究與應用結案報告 結案報告 結案報告 結案報告
計劃編號計劃編號計劃編號 計劃編號：：： ： 第一年第一年第一年
第一年：：：：NSCNSCNSC-NSC---94949494----2213221322132213----EEEE----011011011011----016016016 016 第二年
第二年第二年
第二年：：：：NSCNSCNSC-NSC---95959595----2221222122212221----EEEE----011011011011----083083083 083 第三年
第三年第三年
第三年：：：：NSCNSCNSC-NSC---96969696----2221222122212221----EEEE----011011011011----029029029 029 執行期限
執行期限執行期限
執行期限：：：：94 年年年年 8 月月月 1 日至月 日至日至日至 97 年年年年 7 月月月 31 日月 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：：：：潘彥廷潘彥廷潘彥廷潘彥廷、、、、林淑娟林淑娟林淑娟林淑娟、、、、郭育瑋郭育瑋郭育瑋郭育瑋、、、、李鎮宇李鎮宇李鎮宇、李鎮宇、、、張郁堂張郁堂張郁堂張郁堂、、、、黃彥儒黃彥儒黃彥儒黃彥儒、、、、 林澤佑
林澤佑 林澤佑
林澤佑、、、紀順得、紀順得紀順得紀順得、、、陳星宇、陳星宇陳星宇陳星宇、、、吳文勝、吳文勝吳文勝吳文勝、、、、陳哲賢陳哲賢陳哲賢陳哲賢、、、、林澤佑林澤佑林澤佑林澤佑、、、許葉立、許葉立許葉立許葉立
一一
一一、、、、 計畫計畫摘要計畫計畫摘要摘要摘要
本計畫將研究供都會網路及接取 網路應用的光電主動元件模組，並研 發異質積體化技術以將製作於不同基 材的多功能元件整合在同一基板上，
以結 合光 通訊模 組所 需的光 學與 電 路，降低成本並增加可靠度。研究內 容主要包含：
1. 應用於應用於應用於應用於 WDMWDMWDM-WDM---PONPONPON 的傳輸模組與PON 的傳輸模組與的傳輸模組與的傳輸模組與 多播模組
多播模組 多播模組 多播模組：：： ：
(1) ONU 傳輸模組：
利用外接光柵將 FP 雷射變成具
有 DFB 雷射的性能，及利用光學晶體 改變雷射輸出波長特性及降低色散影 響，可應用於 WDM-PON 的用戶端或 用於製作 WDM 光源。
(2) OLT 多播(Multicast)模組：
利用波長轉換技術將入射訊號 轉換至多個波長，搭配網路架構可增 加服務的用戶數及提供線路保護機 制。
2. 應用於都會網路的封包交換及應用於都會網路的封包交換及應用於都會網路的封包交換及應用於都會網路的封包交換及 訊號分析技術
訊號分析技術訊號分析技術 訊號分析技術：：：：
(1) 高速波長交換用的連續可調波 長雷射：
利用全積體化或外腔式雷射架構
製作超短共振腔、可單電極調動之光 通訊用雷射，以達快速可調的目標。
主要應用於都會網路的交換節點，作 為快 速動 態頻寬 配置 和波長 交換 開 關。
(2) 高速取樣脈波雷射及光電取樣技 術：
設計製作可自生取樣脈波的雷射 光源及光電取樣模組。主要應用於都 會網路 Q 值監控，光封包訊號分析處 理，以及高速光電訊號擷取。
由 於 上 述 模 組 所 需 技 術 相 當 類 似，將一併在本計畫中研究，預計可 以三年時間完成。計畫的研究內容包 括，新的元件與模組架構，新的學理 分析，以及新的製造技術，以實現高 性能低價位之光電模組。
Abstract
We will investigate the active photonic modules for applications in optical metro and access networks.
Photonic and optical components of multiple functions and on different substrates will be hybrid integrated on a platform so as to reduce cost and improve reliability. We will aim to develop the transmitter and multicast modules for WDM-PON applications and the optical packet switching (OPS) and processing techniques for metro networks.
For the WDM-PON modules, we will develop two different modules for applications in the ONU and OLT, respectively. The ONU transmitter module consists of a Fabry-Perot (FP) laser and an external optical grating
filter, which will provide single-wavelength light output as a DFB laser but with lower cost. Also, we will apply a FP etalon with a 10Gbps laser to reduce its chirp effect and extend the transmission distance. The OLT multicast module consists of a 1 by N wavelength converter (WC) and a wavelength demultiplexers (Demux).
The WC converts the input signal from one channel to N WDM channels such that the input signal can be distributed to multiple outputs by the Demux. This module can increase the number of serviced ONUs and also provide protection switching to the PON networks if the network architecture is properly designed.
For the switching and processing techniques in OPS based IP networks, we will first develop the fast tunable lasers for wavelength switching. In order to achieve nanosecond tuning speed, tuning with single electrode is needed.
Short-cavity DBR lasers with continuous tuning characteristics will be designed and fabricated. We will also develop the laser sources to generate high-speed sampling pulses and the photonic sampler modules. Both photonic and all-optical techniques will be investigated. The techniques can be applied for Q-factor monitoring, optical packet processing, and acquisition of optical pulses.
In this project, we will start from investigating the physics of various novel components and develop the
integrated technique for the modules.
The developed components and techniques can help to realize high-performance and low-cost modules for metro and access networks.
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) 新型光網路監控系統一 新型光網路監控系統新型光網路監控系統新型光網路監控系統
1. 適用在分時多工被動網路的新型適用在分時多工被動網路的新型適用在分時多工被動網路的新型適用在分時多工被動網路的新型 監控系統介紹與模擬
監控系統介紹與模擬監控系統介紹與模擬 監控系統介紹與模擬 (a) 新型監控系統的實際量測新型監控系統的實際量測新型監控系統的實際量測 新型監控系統的實際量測
首先介紹的是光源，我們需要一 個可以來回掃描的波長可調式光源，
有很 多光 源可以 達到 波長掃 描的 功 能，像是：分佈式布拉格反射器雷射 (Distributed Bragg Reflector, DBR)、光 纖雷射(Fiber Laser)或是一些外腔可調 式雷射，但是他們都有一些缺點，像 分佈式布拉格反射器雷射必須同時注 入好幾組電流，而且連續可調的範圍 也有所限制；至於外腔可調式雷射由 於大多都是使用機械的方式做調整，
所以掃瞄速度通常不快，另外一個重 點是 ，雷 射由於 同調 長度相 對比 較 長，所以本身就不太適合應用在我們 的監控系統中。
因此在這套系統中，我們簡單的 使 用 一 個 白 光 源 (Amplified Spontaneous Emission, ASE)、一個可調 式光濾波器和掺鉺光纖放大器組合成 一個簡單波長可調的光源，光源的架 構圖如Fig.1-1.所示，由於白光源經過 濾波器後的光功率過低，不在後端掺 鉺光纖放大器的容許輸入範圍內，因 此我們額外加上了一組反射式半導體 光放大器，利用反射式半導體光放大 器提供額外的光功率，使其符合EDFA
的輸入範圍。
Fig.1-1. 波長可調式光源架構圖
由 於 1550 nm 波 段 屬 於 通 訊 波 段，我們稱之為C-頻帶(C-band)，因此 為了不干擾到原有的1550 nm波段，我 們的波長可調式光源的掃描的範圍大 約 是 1571~1581 nm 的 L- 頻 帶 (L-Band)，掃描範圍約為10 nm左右，
未加入調變訊號的半導體光放大器與 掺鉺光纖放大器的輸出頻譜如Fig.1-2.
所示，輸出功率呈現一定斜率隨波長 上升而下降。當加入調變訊號後的光 頻譜為Fig.1-3.，調變訊號的光功率大 約為5.56 dBm，而整個頻帶的頻譜功 率(Spectrum Power)為18 dBm，而光源 的線寬顯示在Fig.1-4.，大約為0.118 nm，使用同調長度的公式可以得到同 調長度為14 mm，也就是說當干涉元件 的長度超過14 mm後，干涉元件產生的 干涉頻譜的振幅將會變小。
加入可調式濾波器的調變訊號如 Fig.1-5.所示，圖中顯示兩個訊號，下 面的那條三角波訊號是用來加到可調 式濾波器上面的調變訊號，可以看出 三角波並不是對稱的，三角波的上升 緣和下降緣的斜率不同將會使得我們 掃描後產生兩個的不同干涉頻率的訊 號，這是我們不想要的情況，因此我 們稍後會用上面的方波訊號來當作觸 發信號，濾除三角波下降緣產生的干 涉頻率，以簡化干涉後的頻譜。
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0
1565 1570 1575 1580 1585 1590
Optical Power (dB)
Wavelength (nm)
Fig.1-2. 未加入調變訊號的輸出頻譜
Fig.1-3. 加入調變訊號的輸出頻譜
Fig.1-4. 光源的特性圖
Fig.1-5. 可調式光濾波器調變訊號與觸發訊號 在未來，我們可以在半導體光放
大器加入額外的調變訊號，並搭配鎖 相放大器(Lock-In Amplifier)，藉由鎖 相放大器濾除不必要的雜訊來降低接 收機接收到的訊號雜訊大小並提升靈 敏度(Sensitivity)。
在頻譜上的強弱來判斷中央機房 到用戶端的光纖網路是否出現狀況。
此架構使用的干涉元件具有容易 大量製造以及積體化的優點，非常容 易和現存的元件整合
(b) 干涉元件特性的量測干涉元件特性的量測干涉元件特性的量測干涉元件特性的量測
我 們 討 論 過 幾 個 常 見 的 干 涉 元 件，像是麻克-真德干涉計以及析光 器，而麥克森干涉計可以視為將麻克- 真德干涉計切一半後接上反射鏡，因 此麥克森干涉計和麻克-真德干涉計可 以視為同一類的東西，接下來我們將 介紹幾種干涉元件的光譜特性量測，
包含量測干涉元件的插入損失、明滅 比(Extinction Ratio, ER)和自由頻譜範 圍，這幾個參數是影響我們監控系統 的最主要參數；除了光譜的特性量測 外，我們也會把干涉元件放到監控系 統中去觀察干涉後的電訊號頻譜。
光 譜 量 測 的 架 構 圖 如 Fig.1-6. 所 示， 我們 先 依 照 Fig.1-6.(a)的 方式連 接，並將量測到的光譜圖儲存在光頻 譜分析儀中，接著在依照Fig.1-6.(b)的 方式接上待測元件(Device Under Test, DUT)，也將量測到的頻譜儲存在光頻 譜分析儀中，最後只要把兩個頻譜作 相減的動作即可以得到我們想要量測 的參數。
干 涉 元 件 的 電 頻 譜 訊 號 則 以 Fig.1-7.的方式做連接，再將擷取到的 電訊號使用快速傅立葉轉換，在頻域 觀察干涉元件的電頻譜特性。
Fig.1-6. 光頻譜特性量測架構圖
Fig.1-7. 電頻譜特性量測圖
(c) 麻克麻克麻克-麻克---真德干涉計的特性量測真德干涉計的特性量測真德干涉計的特性量測 真德干涉計的特性量測 透過麻克-真德干涉計的原理，在 這一小節我們依照這個原理，製作出 一個自由頻譜可調式的麻克-真德干涉 計，我們設計的麻克-真德干涉計架構 圖如Fig.1-8.所示，這個干涉計由兩個 光 耦 合 器 加 上 一 個 極 化 控 制 器 (Polarization Controller)和一個可調式 的光 延遲 線組成 ，後 端接上 反射 鏡 (Mirror) 和 終 端 器 (Terminator) 是 為 了 取出我們想要的光干涉頻譜並讓它反 射回輸入端，形成一個反射式的干涉 元件，實體圖如Fig.1-9.。
Fig.1-10.為光頻譜特性圖，從光頻 譜特性圖可以看出元件的插入損失為 -4.52 dB，明滅比為19.92 dB，自由頻 譜範圍為0.7 nm，經過接收後的電頻譜 特性圖如Fig.1-11.所示，可以看出干涉 頻率大約為2.95 kHz然後二次諧波位 於5.9 kHz，主波的振幅為120 mV，二 次諧波的振幅大約為20 mV，由於麻克 -真德干涉計的光干涉頻譜非常接近正 弦波，因此轉換成電頻譜後的二次諧
波相當的微小。
Fig.1-8. 麻克-真德干涉計架構圖
Fig.1-9. 麻克-真德干涉計架構圖
Fig.1-10. 麻克-真德干涉計光頻譜特性圖
Fig.1-11. 麻克-真德干涉計電頻譜特性圖 (d) 析光器的特性量測析光器的特性量測析光器的特性量測析光器的特性量測
析光器是另外一種常用的干涉元 件，並且有容易大量製造的優點，我 們目前有兩顆析光器，一顆自由頻譜 範圍為0.8 nm另外一顆為0.4 nm，反射 率約為0.4，在這裡我們實際用寬頻譜 光源和光譜儀來量測析光器的特性，
把析光器架設在我們量測的平台中，
並且使用光準直器(Collimator)來補助 我們對光，整個對光平台如Fig.1-12.
所示，量測到的光頻譜如Fig.1-13.以及
Fig.1-14.所示，其中自由頻譜範圍為 0.82 nm 的 析 光 器 插 入 損 失 為 2.28 dB、明滅比為8.08 dB；而自由頻譜範 圍為0.42 nm的析光器插入損失為3.08 dB、明滅比為7.68 dB。
Fig.1-12. 析光器實體圖
Fig.1-13. 析光器光頻譜特性圖
Fig.1-14. 析光器光頻譜特性圖
這邊我們取自由頻譜範圍為0.82 nm的析光器來量測它 的電頻譜，如 Fig.1-15.所示，由光頻譜圖就可以明顯 發現 析光 器的干 涉波 形並不 是正 弦 波，因此轉換出來的電頻譜自然的會 有二次諧波的成分產生，我們可以觀 察到主波的振幅為130 mV而頻率為 2.5 kHz，二次諧波的振幅大約為50 mV 而頻率為5 kHz。
Fig.1-15. 析光器電頻譜特性圖 (e) 法布里法布里法布里法布里----珀羅雷射實際量珀羅雷射實際量珀羅雷射實際量 珀羅雷射實際量
因 為 法 布 里 - 珀 羅 雷 射 (Fabry-Perot Laser)本身也是共振腔的 架構，所以也會有干涉的情形，我們 在法布里-珀羅雷射不加上電流，也就 是在被動的狀態下測量它的特性並與 析 光 器 做 比 較 ， 測 量 到 的 結 果 如 Fig.1-16.和Fig.1-17.所示，我們總共量 測好幾個樣本，在這我們取出比較好 的兩個樣本，第一個的插入損失是6.72 dB、明滅比為7.44 dB以及自由頻譜範 圍為0.232 nm；另一顆的插入損失是 12.36 dB、明滅比為4.96 dB以及自由頻 譜範圍為0.81 nm，特性均比前面提到 的兩種干涉元件效果還差，特別是插 入損失都相當的大，這可能和雷射二 極體本身的端面處理以及耦光好壞有 關。
Fig.1-16. 法布里-珀羅雷射1光頻譜特性圖
Fig.1-17. 法布里-珀羅雷射2光頻譜特性圖 由於元件本身的特性並不佳，所 以導 致量 測到的 電訊 號振幅 非常 的 低，我們將我們這節所量測到的干涉 元件特性一起顯示在Fig.1-18.，前面三 根比較高的頻譜訊號分別是麻克-真德 干涉計和兩個析光器的干涉結果，為 了使法布里-珀羅雷射產生的頻譜更加 明顯，於麻克-真德干涉計和兩個析光 器前面加了光衰減器，因此前面這三 個訊號有經過一定程度的衰減，否則 將完全觀察不到法布里-珀羅雷射所產 生的電頻譜訊號。
Fig.1-18. 三種干涉元件的電頻譜特性圖 (f) 靈敏度與動態範圍靈敏度與動態範圍靈敏度與動態範圍 靈敏度與動態範圍
我們設計的監控系統是要能應用 在分時多工被動光纖網路，所以我們 的系統靈敏度必須要可以滿足整個網 路的插入損失，我們把整個光纖網路 所造成的損失顯示在Fig.1-19.中，因為 我們 監控 系統的 接收 器是放 置在 局
端，因此在這裡我們計算的光路徑損 失是光來回一趟的損失(Optical Round Trip Loss)。我們可以知道整個光網路 中插入損失最大的是光分歧器，隨著 光分歧器的通道數增加而上升，每增 加一倍的通道數就會增加3 dB的插入 損失，因此相當於來回一趟的光路徑 損失會增加6 dB，我們可以知道在1:8 分光比的光分歧器下，來回一趟的損 失為33 dB；而在1:32分光比的光分歧 器下，來回一趟的損失為45 dB，因此 我們設計的系統靈敏度至少必須要有 45 dB，這樣才能在1:32分光比的條件 下量測到干涉訊號。
Fig.1-19. 光纖網路損耗分析
(a)使用1:8光分歧器，(b)使用1:32光分歧器 我們首先使用音效卡搭配電腦來 測量我們的監控系統，量測架構圖如 Fig.1-20.所示，使用三個干涉元件，一 個干涉元件為麻克-真德干涉計和兩個 析光器，分別經過23~25公里不等的光 纖，我們在麻克-真德干涉計前接上一 個可調式光衰減器(Attenuator)，來模 擬在不同光路徑損失下的量測結果。
Fig.1-20. 量測架構圖
測量到的頻譜圖如Fig.1-21.，其中 干涉頻率在2.1 kHz為100 G析光器的 干涉結果、2.5 kHz為麻克-真德干涉計
的干涉結果而4.2 kHz為50 G析光器的 干涉結果，當我們調整光衰減器的損 失值時，會增加光路徑來回一趟的損 失，可以看到干涉訊號也會有相對應 的損失，如Fig.1-22.所示，大約是光損 失1 dB造成2 dB的電損失。在使用音效 卡的情況下，我們目前最低可以偵測 到47.6 dB的光路徑損失，勉強可以適 用在1:32分光比的分時多工被動光纖 網路中，主要是由於我們使用的音效 卡等級並不高，加上在電腦機殼內的 音效卡容易受到其他零件運作時的雜 訊所干擾，因此對於接收的靈敏度造 成限制。
-45 -40 -35 -30 -25 -20
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
36.5dB Loss 41.6dB Loss 44.6dB Loss 47.6dB Loss
Relative Intensity (dB)
Frequency (kHz) 36.5dB Loss
41.6dB Loss
47.6dB Loss 44.6dB Loss
Fig.1-21. 電頻譜圖
-40 -35 -30 -25 -20
36 38 40 42 44 46 48
Optical Round Trip Loss (dB)
Received Intensity (dB)
Fig.1-22. 動態範圍
接下來我們使用搭載快速傅立葉 轉換 的示 波器來 做測 量，架 構圖 如 Fig.1-23.所示，為了簡化測量的複雜 度，在這裡我們只接上麻克-真德干涉 計，剩下的通道均接上終端器，以防 止不必要的端面反射造成額外的干涉
訊號。另外由於熱雜訊的分布也與頻 率有關，如Fig.1-26.所示，因此我們去 改變波長可調式光源的掃描範圍和速 度，把干涉頻率由3 kHz提升到5 kHz，
測量其不同。
Fig.1-23. 量測架構圖
Fig.1-24.是在干涉頻率為3 kHz下 測量到的結果，我們最低可以測量到 57 dB光路徑損失下的頻譜；Fig.1-25.
為干涉頻率在5 kHz下的測量結果，我 們最低可以測量到59 dB光路徑損失 下的情形，我們擷取幾張量測圖重疊 起來以方便觀察，可以看到干涉頻率 的強度依然光路徑的衰減量有關，而5 kHz的量測結果比3 kHz多了2 dB的靈 敏度，這是因為5 kHz的熱雜訊比3 kHz 情況 下的 熱雜訊 還要 來 得低 所造成 的。Fig.1-27.是我們依據測量到的結果 所繪出的圖形，接收功率強度我們以 dBV表示，而訊號雜訊比以SNR(Signal to Noise Ratio) 表示，我們更容易可以 發現5 kHz的訊號雜訊比的確優於3 kHz下的表現。
Fig.1-24. 干涉頻率為3 kHz電頻譜圖
Fig.1-25. 干涉頻率為5 kHz電頻譜圖
-36 -34 -32 -30 -28 -26 -24 -22
0 2 4 6 8 10
Relative Intensity (dB)
Frequency (kHz) Signal Noise Floor
Fig.1-26. 雜訊分布圖
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5
0 5 10 15 20 25 30 35
46 48 50 52 54 56 58 60
3K 5K 3K 5K
Received Intensity (dBV) SNR
Optical Round Trip Loss (dB)
Fig.1-27. 動態範圍和訊雜比
從本節的測試結果，我們可以發 現到，不管使用音效卡或是示波器當 成訊號分析工具，都可以符合我們於 本節一開始假設在1:32分光比下所造 成的45 dB光路徑來回損失，但是我們 也可以發現，示波器擁有比較好的量
測結果，在相同的條件下約可以多提 供10 dB的餘裕(Margin)，因此我們可 以依據被動光纖網路的配置和對於監 控系統的要求來決定要選用的分析器 材，畢竟兩者在成本上有一定的差距。
(g) 三個用戶端的監控情況三個用戶端的監控情況三個用戶端的監控情況三個用戶端的監控情況
接 下 來 我 們 模 擬 在 三 個 光 通 道 下，其中兩個用戶端到機房的光纖距 離非常接近的情況，這時使用光時域 反射儀和我們的監控系統會有怎樣的 結果，Fig.1-28.為測量的架構圖，在這 小節中我們把光時域反射儀以及我們 的監控系統使用一個10:90的光耦合器 連接起來，必須注意的是光時域反射 儀不可與我們的監控系統同時啟動，
這是因為光時域反射儀工作時所偵測 的光功率準位非常的微小，而我們的 監控系統的輸出功率非常的大，如果 同時啟動有可能會損壞光時域反射儀 的光接收器，除非把兩者工作的波長 區分開並加上適當的濾波器，否則不 建議同時啟動。Fig.1-29.為我們使用光 時域反射儀分別測量兩條3公里的光 纖並 且把 他們重 疊在 同 一張 圖的結 果，其中一條為3015.1公尺，另外一條 為 3016 公 尺 ， 兩 條 光 纖 僅 相 差 90 公 分，接下來我們把他們接上我們的量 測系統作更進一步的測試。
Fig.1-28. 量測架構圖
Fig.1-29. 兩條3公里光纖的測試結果
Fig.1-30.為我們把光纖接上被動 光纖網路的光分歧器後，用光時域反 射儀測量到的結果，使用的脈波寬度 為1 μs，較高的黑色線為斷線前，較 淺的 灰色 線為斷 線後 的量測 到的 情 形，在這裡我們把第二個通道接上終 端器模擬斷線的情況，我們可以發現 未斷線前和斷線後在光時域反射儀只 有一點點的不一樣，而且重點是我們 無法去分辨這是哪一個通道斷線，因 為受到光時域反射儀盲區的影響，已 經把長度相當接近的兩個用戶端軌跡 重疊在一起。
Fig.1-30. 接上光時域反射儀測量斷線前後的 情形
接著我們使用我們的監控系統來 作測量，首先我們先稍微介紹一下我 們在這系統設定的參數，責任週期Ts 為5.3 ms，波長掃描範圍為1571.8到 1582.28 nm，換算成掃描頻率範圍fp為 1260 GHz，三個干涉元件的FSR分別 為0.82、0.7以及0.42 nm，通道1和通道 3的干涉元件為析光器，通道2的干涉 元件為麻克-真德干涉計，將這些參數
代入干涉頻率表示式可以得到干涉頻 率剛好為2410、2824以及4944 Hz，量 測出來的結果顯示在Fig.1-31.(a)中，我 們可以看得出來測量的結果和計算的 結果相符，並且可以非常容易的發現 通道2出現斷線的現象，因為當通道2 接上終端器後，就沒有干涉元件的反 射訊號傳回機房接收端，因此解出的 頻 譜 於 通 道 2 位 置 就 沒 有 任 何 的 訊 號，但是我們的監控方式沒辦法去判 斷發生事件的位置，因此事件的確切 位置依然必須依靠光時域反射儀來定 位。Fig.1-31.(b)為我們使用這個章節的 系統參數來模擬的結果，可以看出與 Fig.1-31. (a) 的 實 際 測 量 結 果 大 致 相 符，但是在頻譜強度的大小有些微的 不同，這是因為我們的模擬系統沒有 考慮到元件的插入損失和由分佈光纖 長度不同造成的損失，在不考慮上面 兩種因數下所模擬的結果。
0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1
0 2 4 6 8 1 0
N o r m a l O n e C h a n ne l F a il
F re q u en c y (k H z ) C H 1 C H 2 C H 3
Relative Intensity (A.U.)
(a )
0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1
0 2 4 6 8 1 0
Relative Intensity (A.U.)
F re q u e n c y ( k H z ) C H 1
C H 2 C H 3
(b )
Fig.1-31. 干涉頻譜圖，
(a)電頻譜測量結果，(b)相對應的模擬結果
(h) 多條分佈多條分佈多條分佈光纖發生彎曲損失的多條分佈光纖發生彎曲損失的光纖發生彎曲損失的光纖發生彎曲損失的 情形情形
情形情形
前面一小節我們測試了單一通道 出現斷線的情形，我們接著討論當光 纖 中 有 任 兩 個 通 道 發 生 彎 曲 損 失 (Bending Loss)時的情況，這個情況也 適用在多個通道發生彎曲損失的情形 下，如Fig.1-32.所示，架構圖和上一小 節的架構差不多，只是於分佈光纖的 部份有些許的差異，通道1的光纖是由 1公里和2公里光纖熔接而成，而通道2 的光纖是由2公里和3公里光纖熔接而 成，通道3則是一捆5公里的光纖，我 們於通道1的2公里處製造0.37 dB的彎 曲損失，於通道2的1公里處製造2.97 dB的彎曲損失。
Fig.1-32. 量測架構圖
接著使用光時域反射儀去彎曲觀 測前後的差異，在這裡使用的脈波寬 度一樣為1 μs，我們可以發現在發生 彎曲損失後於光分歧器後面1公里處 有一個0.6 dB損耗事件，於2公里處有 一個0.19 dB的損耗事件發生，這和我 們當初設定的彎曲損失不同，這是因 為光時域反射儀把所有分佈光纖的軌 跡重疊在一起，使得每個損耗事件都 有平均的效果，會使得量測到的損失 遠小於實際的損失，這在分佈光纖越 多的情況下會越明顯，這時要用光時 域判斷事件發生點也會越來越困難，
必須要有靈敏度相當高的光時域反射 儀才可以順利的偵測到損耗事件的發 生。如Fig.1-33.所示
10 15 20 25 30 35 40
20 21 22 23 24 25 26 27
Normal Bending
Relative Intensity (dB)
Distance (km) 0.6dB 0.19dB
Fig.1-33. 光時域反射儀測試結果
接 著 使 用 我 們 的 監 控 系 統 做 測 量，量測到的結果如Fig.1-34.所示，通 道 1 損 失 了 1.44 dB 而 通 道 2 損 失 了 10.76 dB，大約是我們前面所設定的四 倍損失，這是因為彎曲損失是計算單 方向的損耗，而監控系統的接收端是 放置在中央機房，所以會經過彎曲損 失的事件點兩次，造成兩倍的損耗，
此外 再加 上光功 率轉 電 訊號 的兩倍 差，剛好為四倍。
因為我們的監控系統是以頻譜的 方式去觀測每個通道的情形，每個通 道均有自己對應的頻譜範圍，所以不 會有光時域反射儀重疊或是平均的問 題，可以相當精確的來偵測每個通道 的光功率損失或是斷線的情況，這個 優點在越多分佈光纖的被動光纖網路 中將會越來越顯得重要。
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15
0 2 4 6 8 10
normal bending
Relative Intensity (dB)
Frequency (kHz) -19.67dB
-18.9dB -29.66dB -21.11dB
Fig.1-34. 電頻譜測量結果
2. 結論結論結論 結論
我們在本章論文中成功的使用低 成本並且容易大量製造的被動干涉式 元件放置於用戶端並架構出一套監控 系統，在用戶端只須增加濾波器和干 涉元件，而這兩種元件也非常容易積 體化，相當容易整合到現有的光收發 機中。
可以發現析光器的特性比麻克-真 德干涉計還要差，特別是在於二次諧 波的部份，因此如果使用析光器當做 干涉元件，必須特別注意每個通道干 涉頻率的位置，以減少二次諧波所造 成的影響。
此系統具有相當高的靈敏度，可 以在59dB的光路徑損失下依然可以偵 測到我們的監控訊號，並且可以正確 的同時偵測多個光通道的彎曲損失或 是斷線情形，只要再搭配光時域反射 儀即可發現斷線位置，大幅強化光時 域反射儀在光纖被動網路中無法分辨 事件對應用戶端的情形。
由於我們採用的干涉元件是週期 重複性的元件，因此大部分光通訊頻 帶都可以使用，只需要有相對應的波 長的可調式光源即可，但是光源的輸 出功率必須相當穩定，不然會產生一 些非理想的現象。
光源的選擇上，低同調度的光源 是相對比較適合的，因為我們干涉元 件的長度相當短，最長的只有5 mm，
因此光源如果有很長的同調長度可能 會產生一些我們不想要的干涉頻率，
影響監控系統的判斷。
(二二二) 量子井混合技術二 量子井混合技術量子井混合技術 量子井混合技術
1. 條件測試與製程結果條件測試與製程結果條件測試與製程結果條件測試與製程結果
摻質輔助內部擴散技術對快速熱 退火的系統要求溫度為600~800℃之 間，故以600、700及750℃做為測試的 工作溫度，但經過測試後，發現600℃
所造成的藍位移量並不明顯，載子內 部的擴散效果有限，在進行整理後，
將以700及750℃所量測的值作為運用 在正式片的條件，其中藍位移量與半 高寬差值為擴散好壞的指標，Fig.2-1.
與Fig.2-2.為低劑量下的測試結果:
A.
A.
A.
A. 植入離子劑量植入離子劑量植入離子劑量植入離子劑量: : : 1×10: 14 cm-2
-100 -50 0 50 100
-30 -20 -10 0 10 20 30
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Peak Wavelength Shift (nm) Broadening in FWHM (nm)
Annealing Time (min.)
Fig.2-1. 低劑量快速熱退火系統操作在700℃
1~7 min半高寬差值。
-100 -50 0 50 100
-30 -20 -10 0 10 20 30
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Peak Wavelength Shift (nm) Broadening in FWHM (nm)
Annealing Time (min.)
Fig.2-2. 低劑量快速熱退火系統操作在750℃
1~7 min半高寬差值。
此條件測試主要是以能運用在吸 收調製雷射器為主，故在測試時將採 用兩種劑量去觀察是否有達到所需的 偏移量效果。如Fig.2-1.所示，操作在 700℃的環境下，波長偏移量範圍約為 20~80 nm左右，故在設計電吸收調製 雷射器時，可以選擇此工作溫度來達 到充足的可調範圍(Detuning Range)。
Fig.2-2. 為 操 作 在 750 ℃ 的 環 境 下 結 果，可以發現偏移效果在此溫度可以 達到80 nm偏移，運用電吸收調製雷射 器時也是可以達到可調範圍。
條件測試完畢後，接下來就是工 作溫度的選擇，700℃與750℃皆可符 合50~60nm偏移量，但高溫的環境有一 缺點：考量到實際磊晶片的工作溫度 時，可能無法運用在正式片。經過條 件測試後發現，此工作溫度會始晶圓 表面發泡，造成品質影響。
經由以上的考量，選擇低溫製程 於正式片上將會是最好的選擇，接下 來還需要考量未經佈值的區域，其經 過熱退火後造成的偏移，故將選擇熱 退火時間為6分20秒。
Fig.2-3. 為 雷 射 與 調 變 器 的 PL 頻 譜，其detuning為65 nm左右，這和我 們所測試的條件(700℃--6分20秒)偏移 60 nm是相去不遠的。與文獻中可調範 圍為50~60 nm左右相比，我們稍微略 大一些，故犧牲 了消光比(Extinction Ratio)，減少了傳輸造成的損失。在兩 著之間我們也可以靠著改變調變器的 長度，得到合適的平衡值。
Fig.2-4.至Fig.2-6.為此次製程實驗 結 果 ， 包 含 由 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (Scanning electron microscope, SEM)所 拍攝的照片，PL量測圖形。
從Fig.2-3.可以發現調變器的PL在 1370 nm附近有一起伏，此為量子井的 能障層，經過熱退火後，會從1300 nm 變為1370 nm，並且在1505 nm附近也 有一起伏、這是因為雷射光束些微打 到雷射區域，造成微量的光子釋放出 來。表2-1為雷射與調變器的半高寬值。
800 1000 1200 1400 1600 1800
DFB (1505nm) EA (1440nm)
Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
Fig.2-3. PL頻譜雷射與調變器。
表2-1 波峰與半高寬值。
Peak (nm) FWHM(nm) LD 1505 67 EAM 1440 61
Fig.2-4. 截面光柵圖形。
Fig.2-5. 俯視光柵圖形。
Fig.2-6. 雷射調變器上視圖。
2. 基本元件特性量測結果基本元件特性量測結果基本元件特性量測結果基本元件特性量測結果
在 我 們 製 作 的 元 件 中 ， 包 含 了 DFB雷射與EA調變器這兩種結構，其 中DFB雷射長度為300 μm，EA調變 器為100 μm。Fig.2-7.為雷射功率輸 出曲線圖，其工作溫度為12℃在60 mA 時的輸出功率為18 μW，當電流超過 60 mA後，因熱效應導致輸出功率下 降。Fig.2-8.為調變器輸出功率曲線，
一般調變器的工作點都是位於負偏壓 的範圍，在此我們可以先加電流，來 觀察輸出功率特性，簡單的說就是當 作FP雷射。經由PL量出其中心波長約 在1460 nm，在50 mA時的輸出功率為 65 μW，當電流超過50 mA後，因熱 效應導致輸出功率下降。
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0 5 10 15 20
0 20 40 60 80 100 120
Voltage (V) Power ( W)
Current (mA)
Fig.2-7. 雷射L-I-V曲線。
0 1 2 3 4 5
0 10 20 30 40 50 60 70
0 20 40 60 80 100 120
Voltage (V) Power ( W)
Current (mA) Fig.2-8. 調變器L-I-V曲線。
接下來將對觀察此兩個元件的光 頻譜圖，Fig.2-9.為EA在12℃的工作溫 度下，注入電流50 mA所量測的光譜。
另外再DFB的部份，所注入的電流為 45 mA，由Fig.2-10.可以發現在1.546 μm的地方，其能量較大，與模擬軟體 所模擬的1.548 μm相比較，相距甚 小，並且也印證了所算出的有效折射 率，是相當精確。
-100 -90 -80 -70 -60 -50
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
Power (dBm)
Wavelength (µm)
Fig.2-9. 調變器ASE頻譜圖。
-80 -79 -78 -77 -76 -75 -74 -73 -72
1.44 1.46 1.48 1.5 1.52 1.54 1.56 1.58 1.6
Power (dBm)
Wavelength (µm)
Fig.2-10. 雷射頻譜圖。
首先量測EA調變器在沒有照光的 情況下電壓-電流的特性，透過探針施 加0到-2 V的電壓到調變器上觀察電流 的趨勢如Fig.2-11.所示。
-35 -25 -20 -15 -10 -5 0
-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5
Current (µA)
Voltage (V)
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0
-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0
Current (µA)
Voltage (V)
Fig.2-11. EA調變器逆偏下電流-電壓圖。
由Fig.2-11.可以得知EA調變器暗 電流大小值、並且可以發現當負偏壓 大於0.4 V時，暗電流急遽上升，表示 可以工作的偏壓範圍會因此受限，故 我們在觀察光電流時，所外加的負偏 壓範圍會介於0 V至-1.2 V，如Fig.2-12.
所示。另外從Fig.2-13.可以觀察到當輸 入的光為1510 nm、偏壓在-0.8 V時，
其吸收量相對的較其它波長來的多，
這也表示著，此區材料的吸收峰值已 偏移至短波長，故隨著輸入波長的增 加，吸收量也會相對減少，漸漸遠離 吸收峰值。
-20 -15 -10 -5 0
1.5 1.52 1.54 1.56 1.58 1.6
0 V -0.4 V -0.8 V -1.2 V
Photocurrent (µA)
Wavelength (µm) Fig.2-12. EA調變器光電流頻譜圖。
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0
-2 -1.5 -1 -0.5 0
1510 nm 1530 nm 1550 nm 1570 nm 1590 nm
Current (µA)
Voltage (V) Fig.2-13. EA調變器光電流-電壓圖。
2. 結論結論 結論結論
本次雷射調變器的製作在後段製 程方面，因為N-metal與InP 介面經過 熱退火後，沒有良好的附著性，導致 在去除bluetape 時背部金屬大部分掀 離。如Fig.2-14.所示為晶圓背部掀金情 況。
在量測方面，由於還有幾根雷射 bar背部有殘餘金屬， 測量後僅只有 ASE 光源，推判送至聯亞光電股份有 限公司長晶後的晶圓表面，其霧化非 常嚴重。表面上有顆粒形狀，影響半 導體的電特性甚大。如Fig.2-15.所示為 晶 圓 表 面 霧 化 情 形 。 另 外 在 進 行 P-meatl 的蒸鍍時，側壁上未黏著金 屬，建議蒸鍍時傾斜角度，讓金屬能 順利附著上去。
Fig.2-14. N-metal 掀離圖。
Fig.2-15. 晶圓表面霧化情形。
在此歸納造成掀金的因素:
1.晶圓研磨拋光後，背部光滑平 整，推斷為金屬與半導體接觸面積減 少，附著力因此下降，建議最後拋光 驟，不需要使用0.25 μm鑽石懸浮液。
2.金屬氧化，使金屬無法與半導體 有良好的接觸。一般使用RTA 時都會 先行抽真空，最後通入氮氣通滿整個 腔體，建議抽完真空後進行熱退火動 作即可。
將量子井混合技術，正式運用於 雷射 晶圓 上。佈 植的 劑量為 1× 1014 cm-2，工作溫度700℃、熱退火時間6 分20秒。經過PL測試後，雷射區的峰 值為1500 nm，調變器的峰值為1440 nm左右，兩著差距65 nm。
(三三三) 光纖與雷射之耦合技術三 光纖與雷射之耦合技術光纖與雷射之耦合技術光纖與雷射之耦合技術
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 (1) 垂直漸變式波導半導體雷射設計
與製作
在此計畫中，我們利用擴散限制 蝕 刻 (Diffusion-Limited Etching) 的 方 式，來製作垂直漸變式波導(Vertical Tapered Waveguide)雷射。在一般傳統 製作過程中，垂直漸變式波導雷射是 將其波導結構製作於下方分離侷限異 質 結 構 (Separate Confinement
Heterostructure, SCH )，然而此方法會 造成雷射特性因內部耦合損失，以及 增益的不足，而有所降低。
因此設計了一個新的結構，將垂 直漸變式波導製作於上方SCH層中如 Fig.3-1.，並且利用模擬的方式，將SCH 結構最佳化，設計其厚度為0.25 μ m，並且以線性的方式由能隙波長1Q 漸變至1.3Q。
Fig.3-1. 漸變式波導半導體雷射示意圖 在擴散限制蝕刻中，我們設計一 光罩，在變化其遮罩以及間隙寬度，
來測試其蝕刻速率的變化，Fig.3-2.為 所設計之光罩示意圖。
Fig.3-2. 測試光罩示意圖
在用擴散限制蝕刻後，可得到其 相對 的 蝕刻 速率 比 值 ， 如Fig.3-3.和 Fig.3-4.。
Fig.3-3. 擴散限制蝕刻測試：不同遮罩寬度
Fig.3-4. 擴散限制蝕刻測試：不同間隙寬度 在蝕刻測試時，可以發現在固定 間隙寬度而變化其遮罩寬度，蝕刻速 率以線性的方式變化，而當在固定遮 罩寬度，變化其遮罩寬度，蝕刻速率 以指數性的方式變化。其蝕刻測試的 側視圖如Fig.3-5.。
Fig.3-5. 擴散限制蝕刻 SEM 圖形
因此在我們製作漸變式結構，採 用固定間隙寬度而變化其遮罩寬度，
將間隙寬度設計為20 μm，並將遮罩
寬度由10 μm漸變至100 μm，其設 計如Fig.3-6.。
Fig.3-6. 漸變式結構設計圖
如此一來可以得到最大的相對蝕 刻速率為2倍，並且可以定義我們的InP 犧牲層厚度為0.45 µm。而在此也設計 四種不同的漸變式結構的長度，為100 µm，200 µm，300 µm和500 µm。
而後利用半導體製程方式，將其 製作出具有漸變式波導的脊狀法布理- 波羅(Fabry Perot, FP)的半導體雷射。
其SEM圖如Fig.3-7.。
Fig.3-7. 雷射帶 SEM 圖形
(2) 垂直漸變式波導半導體雷射量測 在此部分為量測所設計製作具垂 直 漸 變 式 波 導 的 雷 射 ， Fig.3-7. 和 Fig.3-8.為傳統法布理-波羅雷射以及 垂直漸變式波導雷射，所量測出來的 I-V曲線，以及L-I曲線，在所製作出來 具有垂直方向的漸變式波法布里-波羅 雷 射 。 其 雷 射 臨 限 電 流 最 小 為 17.5 mA，其最大功率為4.36 mW和阻值為 21.3 Ω。
Fig.3-8. 傳統法布理-波羅雷射 L-I 及 I-V 曲線
Fig.3-9. 垂直漸變式波導雷射 L-I 及 I-V 曲線 Fig.3-10.將傳統法布理-波羅雷射 與垂直漸變式波導雷射的頻譜圖疊加 在一起，可以發現傳統法布理-波羅雷 射與漸變式波導雷射其中心波長不至 相同，這是由於在漸變式波導雷射，
由於結構上的變化，而造成其要達到 相同功率的光場時，必須要加上更多 的電流，而使得雷射光場頻譜受到載 子的影響，而往短波長偏移。
Fig.3-10. 雷射光頻譜疊加
Fig.3-11.至Fig.3-15.為所量測到的 遠場發散角圖形，分別為傳統漸變式 波導，以及漸變式結構為100 µm、200 µm、300 µm和500 µm所量測出來的遠 場發散角
Fig.3-11. 傳統法布理-波羅雷射光場分佈
Fig.3-12. 漸變式結構長度 100 μm 之漸變式 波導雷射光場分佈
Fig.3-13. 漸變式結構長度 200 μm 之漸變式 波導雷射光場分佈
Fig.3-14. 漸變式結構長度 300 μm 之漸變式 波導雷射光場分佈
Fig.3-15. 漸變式結構長度 500 μm 之漸變式 波導雷射光場分佈
在 圖 中 可 以 得 知 其 發 散 角 的 變 化。量測其在峰值半高寬的發散角，
在水平方向的發散角，其變化較小，
都約為25.6°至28.5°左右。而在垂直方 向上，傳統法布理-波羅雷射以及漸變 式波導雷射中的漸變式結構長度100 μm、200 μm、300 μm、500 μm，
其發散角各為41.2°、39.3°、37.6°、31.3
°以及30.3°，其發散角隨著漸變式波導 的增加，而開始降低。因此在製作漸 變式 結構 ，可以 改善 其光場 的發 散 角，而達成光模轉換的效果，進而達 成提高耦合效率的目標。
表3-1 發散角量測表
2. 結論結論結論 結論
(1) 已成功利用擴散限制蝕刻，將 雷射結構中上層SCH的部分，以變化 遮罩寬度，來達到蝕刻速率的變化。
(2) 已成功的將擴散限制蝕刻不 易控制蝕刻速率的缺點降低，利用每 蝕刻一分鐘就將其拿至α-step量測的 方 法 ， 可 以 將 蝕 刻 控 制 誤 差 在
±0.025µm。
(3) 已成功將漸變式波導雷射以 製程方式將其製作出來，並且量測其 發散角。在水平方向的發散角，其變 化較小，都約為25.6°至28.5°左右。在 垂直方向則有製作漸變式結構波導的 雷射，在不同的漸變式結構波導長度 之下其發散角為39.3°、37.6°、31.3°以 及30.3°，與法布理-波羅雷射的發散角 為41.2°，已有光模轉換之效果。
(四四四) 震盪頻率技術之研究四 震盪頻率技術之研究震盪頻率技術之研究 震盪頻率技術之研究
1. 技術回顧技術回顧 技術回顧技術回顧
光時序回復是全光網路的關鍵。
以光時鐘源為基礎的光時脈回復對於 光時序回復是需要的。然而，不使用 電光或光電轉換對於研發光時脈回復 將會是一個很大的挑戰。光時脈回復 對於高速光網路有相當高的吸引力，
因為以電信號處理會增加複雜度。
在現有的光時脈回復方法中，以 雷射自震盪為基礎的光時鐘是非常有 吸引力的，因為其尺寸輕巧以及具有 低成本的潛力[1][2]。幾種不同的結構已 被 提 出 及 證 實 為 光 時 鐘 源 ， 包 括 Fabry-Perot雷射，多區段分佈式反饋雷 射 ， 以 及 分 佈 式 布 拉 格 反 射 雷 射
[3][4][5][6]。另外一個採用光時脈源的好
處是其震盪頻率可以以電調控。
已經有幾種理論模型被提出用來 描述自震盪機制[7][8][9]。主要的兩種機 制，分散Q交換機制以及模態競爭機制 以廣被研究[10][11][12][13] [14][15]。
Cavity length of laser diode = 800 µm
Length of taper region (µm)
0 100 200 300 500
Horizontal 25.6° 28.5° 28.3° 26.9° 25.9°
Vertical 41.2° 39.3 ° 37.6 ° 31.3° 30.3 °
