光纖通訊及其它光電工業 盧聖華 逢甲光電系助理教授

光電產業 光電六大領域 光電顯示器 光電元件 光輸出入 光儲存 光通訊 雷射及其他光電應用 液晶、電漿、電漿激發、投影、真空螢光、場發射顯示器 光電元件 發光元件、受光元件、光學元件 光電產業 光輸出入 掃描器、雷射印表機、影印機、傳真機、數位相機 光儲存 資訊用與消費性各類唯讀型、讀寫一次型、可重複讀寫型碟機、碟片 光主動元件　 是將光能轉換為電能，或將電能轉換為光能，以及將光放大的元件。包括：光發送器(transmitter)、光接收器(receiver)、光放大器。 光被動元件　 是讓光維持靜態特性的元件，單純地讓光訊號通過、分開、轉向、濾波、衰減或隔離。包括：光纖光纜、光纖連接器、光耦合器、分波多工器、光開關、濾波器、光隔離器與光衰減器等。 光通訊 光主動元件、光被動元件、光通訊設備 雷射及其他光電應用 雷射、 工業雷射、醫療雷射 、 紅外線應用、感測儀器

世界光電市場

光纖通訊

光纖通訊歷史 資料來源：光纖通訊- Wikipedia 第五代光纖通訊系統 第四代光纖通訊系統 (2001) 解決光通訊的問題 1530~1570 nm1300~1650 nm 第四代光纖通訊系統 (2001) 光放大器 & 波長分波多工 Data rate: 14 Tb/s 1個中繼器/160公里 解決光通訊的問題 1960年代,雷射的發明 1970年代, 康寧發展出低損耗光纖 第三代光纖通訊系統 1550 nm LD & 色散遷移光纖 Data rate: 2.5 Gb/s 1個中繼器/100公里 第二代光纖通訊系統 (1987) 1300 nm InGaAsP LD & 單模光纖 Data rate: 1.7 Gb/s 1個中繼器/50公里 第一代光纖通訊系統 (1980) 800 nm GaAs LD Data rate: 45 Mb/s 1個中繼器/10公里 資料來源：光纖通訊- Wikipedia 同軸電纜 & 微波通訊 (1940年代)

簡單的光纖通訊系統 光纖 (Fiber) 發射器 (Transmitter) 接收器 (Receiver)

(Total Internal Reflection) 光纖 (Fiber) 全內反射 (Total Internal Reflection) n2 n1 CORNING

訊號在光纖中傳播的衰減與色散問題 資料來源：http://www.corning.com/opticalfiber/discovery_center/fiber101/attenuation.aspx

光纖損耗(Fiber attenuation) 850 nm (短距離) 1310 nm (中距離) 1550 nm (長距離) 損耗(Attenuation) =吸收(Absorption loss) +散射(Scattering loss ) Example: Pout/Pin=0.95, dB~0.22

光纖的數值孔徑 NA~0.22 2 n1 n0 c 數值孔徑 (Numerical Aperture) CORNING

階變折射率多模光纖 (Step-index multimode fiber) 光纖中的模態數 Example: A 100 µm core fiber with NA=0.29 would transmit 5744 modes at 850 nm.

多模態對光訊號傳輸的影響 Modal dispersion  Modal noise  與光軸夾角大的光線，其所行經的路徑長度較長。 不同模態會相互干涉 資料來源： www.rp-photonics.com/fibers.html http://grad.physics.sunysb.edu/~xmiao/project2/project2.html

漸變折射率多模光纖 (Graded-index multimode fiber) 縮短高階模態傳播時間，降低Modal dispersion

階變折射率單模光纖 (Step-index single-mode fiber) 單模態條件 Example: If NA=0.14, =1310 nm, then D< 7.1 µm

色散的種類 Modal dispersion Chromatic dispersion 不同模態有不同的路徑長度 Chromatic dispersion Material dispersion. 不同波長的光波有不同的傳播速度 Waveguide dispersion. 光能量在core與cladding的分佈與波長有關 Polarization mode dispersion 雙折效應 發生在單模光纖 發生在多模光纖 Light penetrates slightly into the cladding of a single-mode step-index fiber.

零色散位移單模光纖 (Zero dispersion-shifted single-mode fiber) 有 Four-Wave Mixing問題

發光二極體(LED) 發光二極體(Light Emitting Diode, LED) 具PN接面的半導體，外加順向電壓時，電子與電洞移動至PN接面結合產生光。 半導體的種類及添加物決定光的顏色。

雷射二極體 (LD) 雷射二極體(Laser Diode, LD) LD與LED皆由PN接合所成。但LD在狹小線條狀 (寬度數m至10 m)之領域，注入電流，使得電子與電洞結合發光 LD兩端面構成雷射諧振腔。光在諧振器內來回反射而放大

LED 與 LD 的特性比較 單頻LD(0.08 nm) LD輸出 LD(1~3 nm wide) LED輸出 LED(30~50 nm wide) LD(1~3 nm wide) Wavelength LD輸出 LED輸出 Drive Current Different scale for LED and LD

LED與LD特性比較表 LED LD ◎非同調光 ◎同調光 ◎電路簡單 ◎電路較複雜 ◎價格低廉 ◎價格較昂貴 ◎調制頻率=數百MHz ◎調制頻率=數十GHz ◎光耦合至光纖, 損失大 ◎光耦合至光纖, 損失小 ◎適合纖芯大的光纖 ◎適合單模光纖

材料與波長(光通訊用) LED (wavelength for short glass fibers are 820~850 nm) LD Material GaAs (砷化鎵) GaAlAs (砷化鋁鎵) InGaAsP (磷砷化銦鎵) Wavelength (nm) 930 750~900 1300 LD Material Ga(1-x)AlxAs on GaAS In(1-x)GaxAs(1-y)Py on InP In(1-x)GaxAs on GaAs Wavelength (nm) 780 to 850 1100 to 1700 980

光偵測器 (Detector) InGaAs

10-125 A/W (Voltage dependent) 各種光偵測器的特性 Device Responsivity Rise Time Dark Current Phototransistor (Si) 18 A/W 2.5 µs 25 nA Photodarlington (Si) 500 A/W 40 µs 100 nA pin photodiode (Ge) 0.4 A/W 0.1-1 ns pin photodiode (Si) 0.5 A/W 0.1-5 ns 1-10 nA pin photodiode (InGaAs) 0.8 A/W 0.005-5 ns 0.1-3 nA Avalanche Photodiode (Ge) (Voltage dependent) 0.3-1 ns 400 nA Avalanche Photodiode (Si) 10-125 A/W (Voltage dependent) 0.1-2 ns 10-250 nA Avalanche Photodiode (InGaAs) 7-9 A/W 0.1-0.5 ns 6-160 nA

光偵器特性考量 在工作波段中（700-900 nm & 1200-1600 nm），具有高感度（high sensitivity）。 反應時間短（short response time）。 線性度（linearity）寬。 低雜訊。 易與光纖耦合。 特性穩定（不因溫度或時間改變，而有巨大變化）。 電路匹配性。 低成本、高可靠度。

摻鉺光纖放大器 (Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA) 光放大器大致可分為三大類，「光纖放大器(Optical Fiber Amplifier，OPA)」、「半導體光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA」及「拉曼放大器(Raman Amplifier，RA)」，其中「光纖放大器」又分為「摻鉺光纖放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier，EDFA）」，和「摻鐠光纖放大器（Praseodymium Doped Fiber Amplifier，PDFA）」，目前以摻鉺光纖放大器（EDFA）最為普遍。EDFA可直接放大光信號功率，是由一小段包含低濃縮鉺離子之光纖與半導體雷射所構成。EDFA可在1.55μm之波長範圍激發離子以產生增益，並提升光信號功率，不必再像傳統再生器，須先做光電轉換後，才能放大信號之功率。EDFA的優點為：具有高放大增益、高輸出光功率、低雜訊指數、增益不受極化方向影響、適用於各種傳輸速率、適用於各種調變型態信號（TDM，WDM，FDM）。

Amplification Technology 通訊波段及其對應的光放大器 Band Name Meaning Wavelength (nm) Amplification Technology O band Original 1260-1360 Praseodymium鐠(?) E band Extended 1360-1460 --- S band Short 1460-1530 Thulium銩-fiber (developmental) C band Conventional 1530-1565 Erbium鉺-fiber L band Long 1565-1625 Erbium-fiber U band Utra-long 1625-1675

波長分波多工系統 (Wavelength-Division Multiplexing System)

ITU DWDM Channel ITU C band, 0.4 nm or 50 GHz spacing , 81 channels 1528.77 1534.64 1540.56 1546.52 1552.52 1558.58 1529.16 1535.04 1540.95 1546.92 1552.93 1558.98 1529.55 1535.43 1541.35 1547.32 1553.33 1559.39 1529.94 1535.82 1541.75 1547.72 1553.73 1559.79 . Unit: nm ITU: International Telecommunication Union DWDM: Dense Wavelength-division Multiplexing 通道間距等於或小於200 GHz

陣列波導光柵 (Arrayed Waveguide Grating, AWG) 5 4 3 1, 2 , 3,… 2 1 資料來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Arrayed_waveguide_grating

光纖光柵 (Fiber Grating) 符合此條件的光波會被反射, 其餘則穿透

干涉濾光片(Interference filter) 多腔窄帶濾光片 50 GHz DWDM Filter a Multi-layered thin-film filter 1549.3 nm 1549.90 nm 1550.50 nm

光開關 (Optical Switch) Opto-Mechanical Switch MEMS Switch Bubble Switch Electro-Optical Switch Bubble Lucent micro-mirror optical switch TIR

光儲存

光碟系統基本原理 尋找軌道 尋找焦平面 二極體雷射 光柵 偏振分光鏡 ¼波片 柱面鏡 光偵測器 A B C A B C 柱面鏡 太遠 太近 1.2mm 125 nm 30 m CD 結構 John A Cope 1993 Phys. Educ. 28 15-21

在完美透鏡之焦平面的繞射圖樣

幾種不同光碟系統的結構及使用的LD波長 CD (Compact disk): 780 nm DVD (Digital Versatile Disc): 650 nm Blue-ray Disk & HD (High-Definition) DVD: 405 nm http://www.blu-raydimensions.com/blu-ray.asp

Sony Blu-ray Disk

光儲存技術規格 DVD HD DVD Blu-ray Disc 波長(nm) 650 405 數值孔鏡 (NA) 0.65 0.85 0.74 0.4 0.32 碟片直徑(cm) 12 碟片架構 0.6 mmX2 0.1 mm+1.1 mm 單面儲存容量 4.7 GB 15 GB 25 GB 資料傳輸速(Mbps) 11.08 36.55 36 領導廠商 Toshiba Sony

日本光儲存用LD技術發展 Sony & NICHIA, Dual wavelength laser coupler (405 & 660 nm) Pioneer, 藍/紅 ( 405/650 nm)LD Sony, 3 wavelength Optical Head (405, 660m and 785nm)

資料來源 Jeff Hecht, Understanding fiber optics, 4th ed., Prentice Hall, 2002. "Understanding Optical Communications" - An IBM redbook G. Bouwhuis et al., Principles of optical Disc systems, Adam Hilger, 1985. 羅正忠, 許招墉, 最新圖解半導體製程概論, 普林斯頓, 民國93年。 2004年我國與全球光電產業及技術動態調查報告, 2005年3月出版, 光電科技工業協進會。