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計畫類別：□ 個別型計畫 þ 整合型計畫 計畫編號：NSC 91－2215－E－009－030 執行期間： 91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日 計畫主持人: 王興宗 交通大學 光電工程研究所 計畫參與人員: 賴利弘 交通大學 光電工程研究所

臨界厚度的確增加了，證明此方法的確可以延伸發光波長。圖十五為 InGaAs:Sb 的 光激輝光光譜，我們可發現 In 0.41 Ga 0.59 As 的發光強度最強，但是當銦含量由 0.41 增 加 到 0.42 時 ， 發 光 強 度 迅 速 下 降 ， 顯 示 材 料 因 超 過 臨 界 厚 度 而 劣 化 ， 若 在 In 0.41 Ga 0.59 As 的 材 料 中 加 入 Sb ， 可 使 波 長 繼 續 紅 移 ， 且 材 料 發 光 強 度 與 In 0.41 Ga 0.59 As 材料接近，這也證明 In 0.41 Ga 0.59 As:Sb 的活性層比 In 0.41 Ga 0.59 As 更適合 作為長波長雷射發光介值。圖十六為 In 0.41 Ga 0.59 As 與 In 0.41 Ga 0.59 As:Sb 的穿透式電子 顯微鏡照片，結果顯示 In 0.41 Ga 0.59 As:Sb 的介面比 In 0.41 Ga 0.59 As 介面更為平整。由於 在 In 0.41 Ga 0.59 As 中 因 為 晶 格 係 數 不 匹 配 ， 有 很 大 的 應 力 存 在 ， 因 此 造 成 In 0.41 Ga 0.59 As 材料容易形成 3D 成長而非量子井需要的 2D 成長，In 0.41 Ga 0.59 As:Sb 的 平整介面證明 Sb 的確有做為表面活性劑的功效。未來我們將藉由降低成長溫度與 增加 Sb 的參雜繼續延伸發光波長，另外此 In 0.41 Ga 0.59 As:Sb 材料的最佳化已經完 成，元件的成長與製作也持續進行中。

(6) 發展出 tapered fiber device 及晶體光纖的有限元素法模擬分析程式。 在以下的報告中我們就來詳述這些研究成果。 2. 研究目的 我們過去幾年在光纖光學相關學術研究與技術研發上已經建立很好的基礎﹐在本計畫中我 們立基於這基礎上來進一步研發更先進之 DWDM 光纖式元件相關技術，特別是在光纖光柵技術 與鎖模摻鉺光纖雷射技術等方面。本計畫的主要研究目的即是希望透過這三年來之計畫執行﹐

中心波長為 1556 nm 望遠鏡式折疊式外腔半 導體雷射系統，在腔長 60 cm 的腔內置入厚 度為 52.3 µm 的液晶相位板，改變加在液晶 相位板上的電壓，得到可調雷射輸出波長 1.89 GHz，使得系統除了原先利用液晶像素 反射鏡可選擇切換輸出波長的功能外，亦擴 增波長微調的範圍。此雷射系統完全以電控 的方式達成，未來對於指定中心波長及頻道 間隔的調整將更容易。

一、中文摘要： 本計畫之主要目的是實現供密集波長多工光纖通訊系統採用的波長可調且 能快速切換的多波長雷射（λ= 1.55μm） 。雷射（以半導體雷射二極體或摻鉺光 纖為增益介質）的設計是基於一種特殊的外腔結構。共振腔中的主要元件組是光 柵與透鏡及其所構成的折疊式望遠鏡式 4-f 成像系統及在此成像系統的焦平面位 置的可程式控制的液晶畫素反射鏡。我們預期可實現波長可快速切換，相鄰頻道 頻率間隔滿足 DWDM 之 ITU 頻道間隔之多波長半導體或光纖雷射。此一設計 亦可能發展為其他 DWDM 用的主動元件，如電控濾光器。未來，並可指定此雷 射輸出某一 ITU 頻道，乃至於將雷射頻率與銫原子鐘之類的頻率標準鎖定。整 個雷射系統並可以微光機電技術製成一緊緻之系統。

(6) 子計畫六【以微機電技術開發應用於高密度波長多工通訊網路之光切換元件研究】 在這三年裏此子計利用微機電技術開發之 SDA 外型改變產生數位/類比式運動的微振鏡光 學元件進行研究﹐並將其應用於高密度波長多工通訊網路之光切換元件。此元件可以達到數 位式與類比式掃瞄功能﹐相當適合用來作為光通訊用 Optical Switch 之各種應用。在此子計畫 中，一種可以大大減簡化目前 SOI-MEMS 的新製程技術也已被發展出來。此新技術是使用自 動對準的多層 SOI 製程，經由氮化矽以及多晶矽沈積在 SOI 晶片以及四道光罩的對準上製作 出額外的界電層以及結構層。利用此製程技術，雙梳狀結構的致動器已被製造完成。在 30 伏 特的驅動電壓下，此致動器可達成 250 奈米的垂直移動。。

中文摘要 本計畫中，一種可以大大減簡化目前 SOI-MEMS 的新製程技術，已被發展出來。此新技 術是使用自動對準的多層 SOI 製程。在本製程中，經由氮化矽以及多晶矽沈積在 SOI 晶片 以及四道光罩的對準上製作出額外的界電層以及結構層。利用此製程技術，雙梳狀結構的 致動器已被製造完成。在 30 伏特的驅動電壓下，此致動器可達成 250 奈米的垂直移動。此 致動器的第一以及第二共振頻率分別為 10.5 千赫以及 23 千赫。實驗的量測數據顯示實際 的測試結果與利用 ANSOFT Maxwell ® 2D field simulator 、 ANSYS ® 以及 Coventor Ware ® 的 模擬結果是一致的。

本計畫完成一背對背式微振鏡系統，該系統結 合一光學全相波導將可用於實 現一光通訊所需之 OADM（optical add/drop multiplexer）模組。此模組是將耦合 著各種波長的入射光訊號導入解多工器，入射至設計的特殊光路位置。微振鏡陣 列則是用於在光學多工器中擷取/置入所需的光通訊訊號。一個整合 Poly-MUMPs 與覆晶封裝技術所設計製作之微振鏡已經完成。在此微振鏡設計中，一個殘餘應 力懸臂量被設計於微機電元件後段釋放處理製程中，翻起此微振鏡；而一具有高 可靠度的旋轉樑則是用於使此振鏡具有一維旋轉自由度。藉由一後段熱處理方 式，有效提昇殘餘應力致動 器的制動力效能；透過覆晶封裝技術，將一微平版黏 和於前述微振鏡上特定位置，產生一微振鏡旋轉角度限制器，覆晶封裝中所使用 的金球經由適當的製程控制可以調整金球高度至所需的位置，進而控制微振鏡旋 轉角度限制器的位置。目前已經完成微振鏡元件的光訊號切換特性量測，此振鏡 將可用於前述 OADM 系統中。

起來，這個預置壓力臂包含一個氧化物跟金屬的雙 層結構，該臂之一端固定於基板上，另一端則在犧 牲層材料蝕刻之後釋放成自由端，由於臂之兩層材 料之間的壓力差而將鏡面撐起成 45 度；如果要讓鏡 面平躺則加電壓，電極位於壓力臂之下，以使其產 生的靜電力可以克服預置壓力而使鏡面平躺。因 此，可以經由電壓來控制鏡面的站起來或平躺，而 達到可程式控制的光學開關作用。圖二顯示微光面 鏡的 SEM 照片。實驗量測結果，這個鏡面的開關動 作需要加 10 伏特電壓，當開關速度為 20 Hz 時微面 鏡的工作狀況良好，約 5 ms 可以達到開關的穩定狀

2.串接式體積全像光學窄頻寬濾波器設計與分析: 目前製作濾波器的技術，主要是以 Febry-Perot 濾波器的技術為主，實作上 以光學薄膜鍍膜的方法產生對稱形的高低介電值薄膜堆疊的布拉格反射鏡，而且 兩反射鏡中間夾有半波長整數倍的光學腔，以光波在腔中多重反射後的建設性干 涉，來達到濾波功用，目前進展頗為迅速且穿透特性良好，然而其缺點在於結構 過於複雜，動輒需要百層以上的薄膜，製作門檻高。另外，還有以光纖光柵的技 術製作長光柵結構，而利用其嚴格的布拉格條件，來達成光柵反射或穿透濾波的 效果，這樣的作法要求光波皆在光纖導管內傳遞，不易整合成精緻系統。然而，

本發明為一種光強度與分波多工光纖布拉格光柵感測系統，採 用的光源為多輸出端光纖環形雷射，並且使用可調式費比伯洛濾波 器決定光纖雷射輸出波長，光纖雷射輸出端為輸出功率不同的 2 對 4 光耦合器。由於此一新型的架構，使得雷射光源有三種不同功率 的輸出端。因此即使在不同的分支中有相同波長的光纖布拉格光 柵，仍然可以由反射功率的大小而辨識光纖布拉格光柵。本發明的 研究動機即是設計出低成本高容量光纖感測系統能實際應用在航 空工程、土木工程上與生物醫學。

本論文研究與製作以金屬有機氣相化學沉積法 (Metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD)成長之長波長與短波長面射型雷射。面射型雷射其具 有圓形光束輸出、低製作成本、單一縱模操作、以及整合二維陣列的潛在特性， 因此在長波長範圍之光纖通信、短距數據通信與短波長範圍之高密度光學資訊儲 存、高速掃瞄輸出、商業化光源及顯示應用上，成為極具潛力的發光源。本論文

時脈回復積體電路採用TSMC0.18μm 1P6M CMOS製程技術，可產生2.418GHz的 穩定時脈，在偏移中心載波頻率1MHz處所 量測到的相位雜訊為-115.34dBc/Hz，在 1.8/3.3伏特的電壓下Power Dissipation為 75.5mW，晶片面積約1.29x0.81mm 2 。其中 充電泵（Charge Pump）產生充電或放電電 流，可經由適當轉換產生控制電壓，用來控 制壓控振盪器(VCO)的振盪頻率。壓控振盪 器振盪中心頻率2.5GHz，採用汲極開路架構 的nMOS當Buffer。由於連接於nMOS drain 端的電感感值較大，採用外接式的SMD電感 來連接drain端，所以除了Buffer用的電感 外，其餘元件皆使用TSMC所提供的RF元 件。另有偵測電路、前置放大器、Tappered buffer等，而在輸出端，我們使用共汲極的 電路架構，以減輕負載效應。另外，我們也 試製雙頻式時脈/數據回復電路，雙頻式時 脈/數據回復佈局圖如圖19所示。

造成的波形失真的能力有限，當在接收端電路包含EDC chip的時候，直接調 變雷射的傳輸距離可以近似兩倍，約20公里的距離。 使用10Gb/s的直接調變雷射於CWDM和 DWDM網路中逐漸被重視，從近幾年 來的國際性期刊論文中有發表許多前瞻性的結果去擴展直接調變雷射在高容量都會 型網路的使用。可是應用直接調變雷射在實際的10Gb/s傳輸系統中，仍是有許多問 題有待澄清。從整體的傳輸系統來看，從光發射端或是接收端進行消去chirp或是做 色散補償，會比更換光纖容易進行，另外，我們也希望有一個方法可以簡單穩定的 提升直接調變雷射的傳輸距離，最理想的情況是不需外加模組，可以直接與雷射封 裝在一起的元件。

雷射製作 以砷磷化銦鎵為材料的光柵層是成長於活性層的上方，而此均勻光柵主要是利用全像曝光 的技術製成。 另外布拉格波長是調整在材料增益峰值處偏向較短波長的一邊，其主要的原 因乃是為了加強此雷射的本質響應特性。 但是須注意的是布拉格波長假如離材料增益峰值 的偏移量過大的話，在高溫操作時可能會導致此雷射無法持續維持發射單一輸出波長的特 性。 當完成光柵的蝕刻以及有機金屬氣相磊晶(MOCVD)的再次磊晶之後，此晶圓則完成 磊晶製程，可以進行接下來的半導體製程。

但因在傳統製作長波長雷射的材料中，不容易找到具有折射率差異大的材料組合 以製作高反射率的布拉格反射鏡，加上傳統長波長雷射的主動層材料，其高溫特 性不佳，使得長波長面射型雷射的發展遲緩。 因此，在本研究中，我們從最基本的設計與模擬出發，先找出適合長波長 雷射主動層的材料，然後將主動層材料應用在傳統邊射型雷射上，變化各種參 數，我們發現量子井中的應力參數、多量子井的應力補償、以及參雜條件的多寡 皆 會 影響 雷射 特性 ，我 們 優化 各項 參數 ，得 到 最好 的臨 界電 流密 度 為 1.4

□ 主張專利法第二十六條微生物： □ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存 五、中文發明摘要： 本案係為一種單波長與多波長反饋式布拉格雷射之 結構及製造方法，該結構係具有兩個區域，每一雷射係 製於同一晶片上，其主要發光之材料結構係以同一次磊 晶成長方式製成，而該結構包含一活性材料層，用以發 出特定波長範圍之雷射光；二披覆層，位於該活性材料 層兩側，以形成完整波導結構；一相移層，具一特定厚 度以控制該兩個區域之布拉格波長的差值；一濕蝕刻停 止層，位於該活性材料層與該相移層之間；以及一光 柵，係以一次全像曝光搭配乾蝕刻或濕蝕刻技術製於整 個雷射上，具特定週期以決定發光波長；其中，該兩個 區域之差別在於該相移層之有無，該相移層之有無造成 該兩個區域之有效折射率不同，進而使該兩個區域之布 拉格波長具有一固定差值。

【發明內容】 [n] 本案之主要目的係為提供分波多工(WDM)網路中所需的高性能單波長雷射及多波長雷射陣 列，並克服現有製作此型雷射在控制波長精確度上所遭遇的困難。所提出的方法可大幅簡 化單波長雷射及多波長雷射陣列的製程。以本方法製成的單波長雷射具有多項優點：可大 幅提高單波長良率、可有高輸出功率、可在兩端鏡面使用抗反射塗層以進一步提升波長穩 定度。將本方法用於製作多波長雷射陣列，可結合取樣光柵與DFB雷射之優點，使得相鄰雷 射的波長間隔和每一雷射的波長位置皆可以簡易方法精確設定。這種新的方法製成的元件 可降低WDM發訊器的價格，並增加其可靠度，可加速分波多工網路在未來高速資訊公路的應 用和發展。

(四) 結果與討論 A. 光偵測與放大電路 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所 示，我們量測其發光光譜，典型光譜特性如圖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4所示。

4.2、拉曼光譜實驗結果與討論 4.2.1、鈮酸鋰晶體之 A 1 (TO)振動模之理論計算 已知鈮酸鋰是一種非常好的非線性光學元件，但由於鈮酸鋰的非化學計量性 質，使其晶體存在本質缺陷，也能容納許多外來原子，影響其光學性質 1~4 ，然 而許多摻入的雜質如鎂、鋅……，卻能大大改變其光學特性，因此鈮酸鋰晶體結 構、成分、物理特性仍是許多人所關注但未為大家熟知的部分。拉曼光譜學對於 研究鈮酸鋰晶體結構、成份上小小的變化是很靈敏的，藉由某些光學聲子模的阻 泥、頻率的位移及拉曼譜線的形狀、強度、半高寬皆可得知相關訊息，為能詳細 解釋拉曼光譜線的變化，須由理論計算去特性化正則振動模 A 1 (TO)的振動方式 等相關資訊，近來的理論計算主要有兩種研究結果。