1、光通訊射之驅動 引言 以光纖為傳輸媒介的光纖網上，射是一個可或缺的重要組件，無是 在價格上或者是性能上，均能對整個系統特性而言具有決定性的重要因素。光具 有多相及散發性，因照和距平方成反比。射光則是單相光，光在射管中， 反覆地反射激發反射 ，能逐漸積，且光線的方向一致。所以射光 具有高能及低散發性。且射是將大的光子(Photon)聚集在單一方向，使其 具有高同調性及單一波長的特性，並用光學系統將光在加工物件上聚集成一極 小的範圍，通常直徑約在百個微米(um)以下。 要建光纖通訊系統，需要一個適當的光發射模組，並且調變他產生所需要 的傳送光信號，而此發光源必具備產生的光波長必須在光內傳輸有很低的
2、損耗、 電入射光源產生光能，有很好的線性區，供信號調變用、發射出的光有很小 的線寬、雜訊低、高的光耦合效與光纖之間及光源須於電信號的調變等特 性。因此，光通訊傳送過程中，電訊號傳送至光通訊端，由光發射模組做電光的 轉換後，經由光纖傳送到接收端後，再由檢光模組做光電轉換，將光訊號還原為 電訊號。光發射模組常用之光源有分佈回饋型射（Distributed Feedback laser, DFB） 、費布-佩射 （Fabry-Perot , F-P） 、垂直共振腔面射射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)。 常用射之分 由表一之光通訊發光模組
3、射中敘述以F-P 射係用雙質結構，活性層 自成一波導層，電子電對在此結合並發光時，會在側的鏡面內產生共振，形 成回饋放大而產生射光，但是因射共振腔長遠大於光的波長，最後將同時 允許個模態同時存在，產生多模態輸出。射以多模態輸出時，經長距傳輸 後會因色散效應而導致訊號變形，因此F-P射適用於中距高速的傳輸系 統，而彌補多模態的缺陷，分佈回饋射DFB二極體因應而生，F-P 射二極 體是靠個光鏡面反射射光以達到共振的效果，而DFB射則以光柵選擇 特定的波長產生回饋，輸出時僅產生單一波長，因光柵分佈於整個活性層，可構 成全面性分佈式回饋而命名適用於長距傳輸。 網際網快速成長及多媒體傳輸大需求，在區域網
4、內需求短距、高速 而大容的據交換及傳輸，促使價而高品質的面射型射二極體逐漸展頭 角，受到極大的重視。面射型射二極體VCSEL，早在1978 就已被提出，但 直到1989 製作上才有顯著的突破，商業上之價值卻是近才迸出光彩。 VCSEL元件的共振腔與晶層垂直，反射面係由晶層或表層介電質薄膜組 成，射光由正面發出，故稱為垂直共振腔面射型射。 表一、光通訊之發光模組射比較 F-P DFB VCSEL 發光模式 邊射型 邊射型 邊射型、面射型 波長 1310、1550nm 1310、1550nm 850、980nm、 1310nm、1550nm 價格（美元） 100-200 200-300 20、10
5、0 速 （bps） 622M、2.5G 2.5G、10G 155M、1.25G Fabry-Perot射 Fabry-Perot 的共振腔，是藉由割晶片端面以達成高反射及平的鏡 面。Fabry-Perot 的射由於屬於多模態，在傳輸中會有色散現象，限制傳輸的 距，但因其成本較低，仍是最廣泛被應用的一種發送器。Fabry-Perot 射， 為半導體為傳統的 LD，如圖一(a)、(b)、(c)、(d)所示，其光腔與晶層平， 反射面係用晶體自然斷面再經鍍上反射膜後，形成與晶層垂直的反射鏡 面，光在活性層側鏡面間即光腔內回反射，最後由側面發生射光。 Fabry-Perot 射個左右平面與 PN接面垂直
6、方向開後磨光，正面及背面則 保持粗糙，上下面則有屬的歐姆接觸以加壓注入電，磨光表面有鏡子作用 以形成正回饋光增，粗糙的面則無法射出光線。 圖一(a)、Fabry-Perot 射示意圖 圖一(b)、Fabry-Perot射面圖 圖一(c)、Fabry-Perot射圖 圖一(d)、波長分佈示意圖 Distributed Feedback laser(DFB)射 在半導體射中注入高載子濃會低光柵波紋區(佈格區)的有效折射,折射的改變引起 Bragg 波長的變化，導致波長的變化。載子濃引起的射 變化 關係則由公式一表示之： dN dg dN dn 4 = (1) g為增而為線寬增強因子其中，dg/dN
7、=A為材常，N:注入載子濃的 增，=0.30.5是光波侷限因子，所以光波調變範圍大概為公式二表示： N N d dn n eff = ) ( (2) DFB 射在起振電上操作時，大部分注入的載子合產生光子，因此材只 有很小的載子濃變化，影響射的波長也很有限。用雙電極或三電極 DFB 射，各極分別注入大小同的電，可以增加波長的調整範圍，由圖二表示。 圖二、雙電極和三電極 DFB射 波長調整的原敘述之在鏡面反射的輸出端有較大的光場強，像是鍍有 抗反射層的端面，而射波長主要是由這個區域的有效折射決定，當這區域的 電密恰好或低於起振電密剛好抵消吸收損失時，它的做用就像是一個佈 格反射鏡面。此外，由於注
8、入低的載子會因為大的合產生光而消耗， 因此會對材的折射有較大的改變，而能有明顯的波長調整，而射的增則 由別的電極提供，如圖三中分別表示雙電極 DFB 射在電極同電比時， 波長的調整特性及其光譜線寬。 圖三、雙電極 DFB射的波長調整與線寬特性 三電極 DFB 射，將個外側的電極並，且注入與中間電極同的電， 改變此電的比由圖四所示，可以得到 1.9米的續調整區間，這種型式的 射共振腔較長(1200m)，所以線寬可低到 500KHz。此 DFB 射優點是製做 容，缺點是調整波長的電極注入的電能超過起振條件，使的調整範圍有 限，超過則電極能獨產生射共振，會有雙模共振或模態跳躍(Mode Hoppin
9、g)的現象，亦用電調變常引發的一個問題，通常稱為共振模式的跳躍， 電增加引起二極體溫上升，這又會引起傳導帶和價帶間的能隙加大，這種變 化積到一個程，即使射的共振模式發生突燃的改變，使輸出的波長呈現間 斷續的現象如圖五所示。通常每經過 50mA 的電調變，即會出現一次共振 模式的跳躍，跳變的波長間隔約為 10 4 m。 圖四、三電極 DFB射的波長條整及線寬之特性 圖五、電調變導至共振模式跳躍現象 Vertical Cavity Surface Emitting Laser(VCSEL)射 VCSEL 射擁有邊射型及面射型射二極體，於光通訊常用於有 1310nm 及 1550nm的光波長，此射與
10、傳統射二極體基本的差別於發光的方向有面射 型方式，且共振腔與晶層相對位置也同與傳統射二極體的共振腔與晶層 平，反射面係用晶體自然斷面形成而與晶層垂直，射光由側面發出， 故又稱面射型射(Edge-emitting Laser)，共振腔與晶層垂直，反射面係由 晶層或表層介電質薄膜組成，射光由正面發出如圖標示。 VCSEL 結構圖 N- DBRs 面射型 Substrate Active Layer P- DBRs 圖、VCSEL 示意圖 此差而可衍生出其發射光點由正面發出，呈圓形分佈、發散角小，光纖耦 合對準容且光耦合效高，可節光纖的封裝成本之優點。特別是其封裝方式 與傳統上用發光二極體(LED)
11、作為光源之據鏈傳輸模組可完全相容，整個 裝配線無須特別修改，而傳輸距與速可大幅提升，因此業界容接受以面射 型射取代發光二極體為傳輸光源之做法。邊射型射於晶片製程結束後須將晶 片劈成晶條，並進端面鍍膜，此製程複雜耗時且為影響製程之關鍵。面 射型射因非用晶體自然斷面作為反射面，故無須用劈或進端面鍍 膜，可節可觀之製程時間並避免因此而影響製程。此外，晶片製程結束後 即可於晶片上直接進元件測，可節測成本及時間。缺點是它的共振腔非 常短，增物質少，輸出功也受到極大的限制，典型的垂直共振腔面射型射 輸出功在 1毫瓦左右。面射型射所發出的光為單頻、單模態發光，故極適合 用於信號傳輸。因為是正面發光，故可作為
12、二維通信陣使用，特別適合於板對 板(Board to board)之據鏈傳輸或光纖到家(FTTH)網中二維光纖束傳輸端 等使用，而傳統邊射型射則無法用作二維通信陣。 考文獻 1 鄭孝威 Investigation of single mode fiber Fabry-Perot Interferometer and its characteristics inDWDM system國中央大學光電科學研究所碩士文。 2 葛育坤 The Study of Diode Laser Frequency-Stabilized toa High Finesse Fabry-Perot Cavity逢甲大學
13、光電物研究所碩士文。 3 Toshihiko Makino, Member, IEEE, “Transfer-Matrix Formulation of SpontaneousEmission Noise of DFB Sermconductor Lasers”JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY. VOL. 9, NO. I . JANUARY 1991. 4 Syouichi Kakimoto and Hitoshi Watanabe, “Threshold Currents of 1.3- m Bulk, 1.55- m Bulk,and 1.55- m MQW
14、 DFB P-Substrate Partially Inverted Buried Heterostructure Laser Diodes”, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 34, NO. 3, MARCH 1998. 5 K. H. Yl-Jarkko, Member, IEEE, and A. B. Grudinin, “Performance Limitations of High-Power DFB Fiber Lasers”, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 15, NO. 2,
15、 FEBRUARY 2003. 6 W. T. Tsang, Fellow, IEEE, M. C. Wu, Y. K. Chen, F. S. Choa, Member, IEEE, R. A. Logan, Fellow, IEEE, s. N. G. Chu,A. M. Sergent, P. Magill, K. C. Reichmann, and C. A. Burrus, Fellow, IEEE, “Long- Wavelength InGaAsPDnP Multiquantum Well Distributed Feedback and Distributed Bragg Re
16、flector Lasers Grown by Chemical Beam Epitaxy”, IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 30, NO. 6, JUNE 1994. 7 O. Gautheron, C. Szwaj, and C. Coeujolly, “High-Receiver Sensitivity in 591 Mb/s Noncoherent FSK Transmission Experiments with Standard DFB Lasers and a Phase Tunable DFB Laser”, IEEE PH
17、OTONICS TECHNOLOGY LETERS, VOL. 4, NO. 11, NOVEMBER 1992. 8 J. H. Choi, L. Wang, H. Bi, and R. T. Chen, Fellow, IEEE, “Effects of Thermal-Via Structures on Thin-Film VCSELs for Fully Embedded Board-Level Optical Interconnection System”, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 12
18、, NO. 5, SEPTEMBER/OCTOBER 2006. 9 J. Jiang Liu, Senior Member, IEEE, Kimberly Anderson Olver, Monica Taysing-Lara, Thomas Taylor, Wayne Chang, and Scott Horst, Senior Member, IEEE, “High-Yield Flip-Chip Bonding and Packaging of Low-Threshold VCSEL Arrays on Sapphire Substrates”, IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES, VOL. 26, NO. 3, SEPTEMBER 2003.
