TWI477096B - A kind of integrated optometry device with enhanced light ratio - Google Patents

Description

一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置

本發明為一種一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置並已應用於發展成熟的都會型網路中，目的將擴充至在下一代的區域網路系統(Next-generation access network,NGN)中；分波多工式被動光網路架構裝置具有高頻寬、保密性優等優勢。本發明適用於光電產業領域中，區域光網路之交換器、路由器與訊源轉換器等產品中關鍵組件的光電元件模組之設計。

1.啁啾管理雷射(Chirp management laser；CML)係為利用一光頻譜整形器(optical spectral reshaper；OSR)和雷射操作在特定的啁啾條件，CML的絕熱啁啾值必須設定為位元速率的一半，如此在每個“0”位元會產生相位偏移量為π。OSR的用途如同一個非常窄的光濾波器，能夠增加明滅比，改變啁啾的特性。缺點是需要特殊的光接收機電路或是精確的電路控制操作等條件。

2.被動雙折射光纖環路，此技術為加入雷射輸出端加入一具雙折射光纖環路(Birefringent fiber loop；BFL)，提升直調雷射的訊號品質，其優點是一簡單且被動性的光纖裝置，BFL可降低訊號振幅上的暫態響應、頻率啁啾效應，同時提升雷射輸出的明滅比，此BFL在1550 nm波段10 Gb/s速率下，可以有效地增長傳輸25公里的標準光纖距離；此BFL包含一個3dB耦合器，極化控制器和13.75 m的雙折射光纖，光訊號經過耦合器後，分成 兩個方向行進，不同極化光分別進入不同的雙折射光纖軸向而傳播，再經過雙折射光纖後再次復合進行干涉作用，當雙折射光纖的長度已經固定，光訊號在兩個路徑之間的相位差可以藉由微調雷射輸出波長，最小延遲的時間必須超過overshoot發生的期間。缺點是體積大，增加額外的光損耗，增加傳輸的距離大約只有2倍。

3.光延遲干涉法，此技術為雷射輸出端加入一光延遲干涉(Optical Delay Interferometer；ODI)裝置，相較於光譜濾波器，有較低的光損失，利用光延遲干涉方法，可以抑制光訊號的暫態突波(overshoot)，改善脈波形狀，光功率償付值可以降低1 dB，其優點與傳輸資料速率無關，可以容易製造提供實際系統中使用。

ODI裝置包含了光纖和50：50光耦合器，缺點在於ODI裝置為被動式光學元件，其中的一個光路有一固定的延遲時間，需使用一個TEC溫度控制器控制ODI裝置保持在室溫下工作，而此延遲的光訊號將會與另一路徑光訊號互相干涉，總相位變化量來自兩個路徑的時間差與經過ODI裝置後光訊號波長的變動量。

而然，實現的問題，ODI裝置使用非對稱式馬赫任德架構，因此需要精確的溫度控制改變經ODI的波長變動量，以維持干涉器中需要的相位變動量，才能使訊號改善。

以上三種方法皆為在發射端做處理，會增加光發射機的體積，增加製造成本，並且難以控制。

本發明目的為提供一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，係當雷射直接傳送高速(>10 Gb/s)資料訊號時，使用本發明之元件達到降低雷射的暫態啁啾值，提升光訊號的光明滅比值以及延伸傳輸距離。

本發明又一目的為提供一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，係利用下行光再調變反饋式傳輸(Re-modulation loopback)的技術被提出來使用於分波多工被動光網路中，達到用戶端對波長無選擇性，在頭端機房(OLT)必須額外使用一個陣列的連續波形式的WDM光源，作為ONU再調變技術的額外注入(seed or probe)光源，除了必須付出成本與系統複雜度增加的代價，另外還需要考慮雷利散射造成的雜訊影響，所以可使用傳送下行訊號的光源，同時用來傳送上行訊號用，因此下行光訊號的光明滅比也不能太大，避免對上行訊號形成干擾，但要補償下行光訊號由於降低了光明滅比而形成的功率代價(Power penalty)，所以藉由本發明之元件可以做光訊號品質復原之動作。

本發明另一目的為提供一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，係直接將傳輸的電訊號注入雷射進行調變，作為中央機房的光發射機，具有簡單、體積小及價格便宜等優點，但是隨著傳輸速度愈高時，光明滅比也愈小，傳輸距離也縮短。在每一個用戶端接收下行光訊號的檢光二極體前加入一法布里-比洛析光器元件，增強訊號品質，析光器的功能為對下行光訊號之頻譜與光脈波波形作整形，此方法允許下行訊號有低明滅比並同時降低雷射的暫態啁啾值，因此也可以延伸傳輸距離，可應用於分波多工被動光網路之系統中，並且仍然可以保持無色光源的操作。本發明中僅採用 一種規格之法布里-比洛析光器與檢光二極體的結合，即可以用來補償不同ITU波長的雷射通道。

本發明目的更為提供一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，其設計包含數種裝置模式，其一：一固定光纖金屬基座，該固定光纖金屬基座具一左窗口與一右窗口；其中，該左窗口與該右窗口內各有一準直鏡面；一析光器基座，該析光器基座係由下往上套入該固定光纖金屬基座，並有一圓孔設計；一法布里-比洛析光器，該法布里-比洛析光器連接於該圓孔設計上。

其二，一To-can檢光元件(Transistor Outline Can，電晶體外形附金屬蓋封裝)，該To-can檢光元件底部有三支接腳，頂部藉由一中空座體與一析光載具底部連接，形成一中空容置室；一析光載具，該析光載頂部連接一中空通道；該中空通道另一端連接一光纖蕊心開口，且該中空通道內部係為一陶瓷套筒；一法布里-比洛析光器，該法布里-比洛析光器連接該析光載具底部，於該中空容置室和該中空通道之間。

其三，一檢光元晶片，該檢光元晶片焊接於一金屬基座上；該金屬基座具四邊支架，並連接一析光器置具；該析光器置具，該析光器置具連接一加熱器；一法布里-比洛析光器，該法布里-比洛析光器固定於該析光器置具。

其四，一檢光元晶片，該檢光元晶片焊接於一金屬基座上；該金屬基座具四邊支架，並連接一雙層析光器置具；該雙層析光器置具層間以數個支柱連接；兩個法布里-比洛析光器，該兩個法布里-比洛析光器以該雙層析光器置具之支柱相間隔，形成一共振空間。

本發明之一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置的優點如下：

1.法布里-比洛析光器體積小、容易大量地製作，並且可以與檢光器進行積體化製作，視需要可以加入溫度控制的設計。

2.法布里-比洛析光具有週期性的頻譜特性，如第1圖所示，將其對應ITU標準雷射通道，所以同一規格的析光器與檢光二極體結合，可以適用任何一個用戶端，降低製造成本。

3.請參與第2圖，如圖所示在10 Gb/s速率的下行傳輸訊號是使用直接調變雷射光源來做傳送，直調雷射的輸出光訊號串列帶有一絕熱啁啾值，可以分解為兩個帶有無窮大明滅比的位元串列的組合；如第3圖所顯示比較未經過與經過法布里-比洛析光器，進入光接收機的光譜分佈之差異，經過法布里-比洛析光器後，有頻譜削減之功用，進而抑制訊號”0”準位，提升光明滅比。

4.請參閱第4圖及第5圖，如圖所示設定不同準位的光明滅比(ER)，觀察法布里-比洛析光器對頻率啁啾抑制的效果，與增強光明滅比的結果。

本發明為一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，其具有光明滅比提升的光檢光器之具提實施例如下：

1.光纖式連接

請參閱第5圖，如圖所示係為一般檢光二極體的標準封裝形式之結構圖，包含檢光元件先封裝成ROSA樣式11，有三支接腳12得以連接檢光元 件輸出訊號至電路板上，套上一個中空座體13，再加上一個中空通道之對接端14，內圈含有一個陶瓷套筒15，用來固定住光纖端子16，上膠後固定後呈現光纖尾巴17(Pigtail)的光輸入端。

請參第7圖，如圖所示為將光訊號整形後連接至檢光二極體的法布里-比洛析光器之結構圖，其中也必須包裝成輸入輸出埠都是光纖尾巴形式包括一固定光纖金屬基座21，左右窗口提供光纖直接插入對準，光纖端子表面必須有準直鏡面22，另一個直向可旋轉的析光器基座23，由下往上套入此光纖基座，中央有一圓孔設計使光穿透，法布里-比洛析光器24可以黏住在圓孔上，基座下方是一個螺紋的設計，可以藉由一個螺絲轉軸稍微控制左右入射光角度，可以提供作中心波長的微調動作，也可以稍微改變析光器的頻寬與中心波長位置等功能。

2.固定積體化封裝形式

請參閱第8圖，如圖所示係為固定積體化封裝形式之法布里-比洛析光器的側視剖面分解結構圖。其中包含一個先封裝成TO-can的檢光元件31、內嵌法布里-比洛析光器32的析光載具之底部33與具有中空通道的對接端。本發明其主要目的係藉由一個中空座體13多加一析光器載具33，此基部內為形成有一中空容置室，於容置室與通道之間的基部加入一法布里-比洛析光器32，而座體上方則為一具中空通道之對接端14，並於通道頂端形成有一供光纖蕊心推入之開口結構。同時法布里-比洛析光器32為選擇與光纖蕊的折射率極為接近的材質所製成，如此，即可使光纖蕊射出的光訊號，完全進入收容於座體下方TO-can1內檢光元件被接受到，有效消除反射光雜訊，由於法布里-比洛析光器32兩面均為平行面，沒有八度角的斜面，所 以光耦合之損耗也因而減少，此外，法布里-比洛析光器32的厚度一般為0.1~0.3 mm，所以不會增加光接收模組的體積。

3.熱電與壓電控制式積體化設計

請參閱第9圖，如圖所示為熱電與壓電控制式積體化之法布里-比洛析光器結構圖，其中包含檢光元件晶片41，焊在金屬基座42上，並且有四邊的支架43，用來連接法布里-比洛析光器置具44，該法布里-比洛析光器置具為一具導熱性佳的置具，可以固定法布里-比洛析光器24，藉由加熱器45將電流的注入，改變置具溫度進而變化析光器的操作溫度。

請參閱第10圖，如圖所示為第二種電與壓電控制式積體化之法布里-比洛析光器結構圖，此控制必須使用空氣作為共振腔體51，而不是利用析光器兩面的鍍膜反射率之設計，形成頻譜週期性的特性，所以必須採用兩個法布里-比洛析光器24，其雙層置具52中間支柱53係使用壓電材料製成，所以兩個法布里-比洛析光器之間的距離可以藉由電壓稍作調節其長度，進而微調其波長位置。此兩種設計係針對接收的光訊號想作波長微調的功能，所以選擇折射率接近光纖蕊的法布里-比洛析光器，可以利用溫度控制稍微改變折射率，變化少量的波長位移，達到最佳的訊號品質。

一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，包含固定光纖金屬基座，該固定光纖金屬基座具一左窗口與一右窗口；其中，該左窗口與該右窗口內各有一準直鏡面，該左窗口與右窗口係提供光纖直接插入對準。析光器基座，該析光器基座係由下往上套入該固定光纖金屬基座，並有圓孔設計，此底座具有一螺紋設計並以一螺絲轉軸控制螺絲轉軸，係藉由選轉控制左右入射光角度、中心波長位置、析光器頻寬。法布里-比洛析光器連接於該 圓孔設計上。

一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，包含一TO-can檢光元件，該To-can檢光元件底部有三支接腳，頂部藉由一中空座體與一析光載具底部連接，形成一中空容置室；該中空通道另一端連接一光纖蕊心開口，且該中空通道內部係為一陶瓷套筒；該法布里-比洛析光器連接該析光載具底部，於該中空容置室和該中空通道之間。其中該法布里-比洛析光器之材質，係為包含二氧化矽之材質，厚度為0.1~0.3 mm。

一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，包含一檢光元件晶片，該檢光元晶片焊接於一金屬基座上；該金屬基座具有四邊支架，並連接一析光器置具；該析光器置具連接一加熱器；及法布里-比洛析光器，該法布里-比洛析光器固定於該析光器置具。其中該加熱器藉由電流注入，控制析光器的操作溫度。

一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，包含一檢光元件晶片，該檢光元晶片焊接於一金屬基座上；該金屬基座具四邊支架，連接一雙層析光器置具；此雙層析光器置具，該雙層析光器置具層間以數個壓電材料之支柱連接。兩個法布里-比洛析光器，該兩個法布里-比洛析光器以該雙層析光器置具之支柱相間隔，行成一共振空間，此法布里-比洛析光器藉由電壓控制距離、波長，且其基板係使用二氧化矽材料經光學薄膜鍍膜製成的光纖光柵、薄膜濾波片，頻寬係為3 dB頻寬範圍於12 G~2wGHz間較佳。

11‧‧‧檢光元件之ROSA封裝

12‧‧‧三支接腳

13‧‧‧中空座體

14‧‧‧中空通道之對接端

15‧‧‧陶瓷套筒

16‧‧‧光纖端子

17‧‧‧光纖尾巴

21‧‧‧固定光纖金屬基座

22‧‧‧準直鏡面

23‧‧‧直向可旋轉的析光器基座

24‧‧‧法布里-比洛析光器

31‧‧‧檢光元件之TO-can封裝

32‧‧‧內嵌法布里-比洛析光器

33‧‧‧析光載具之底部

41‧‧‧檢光元件晶片

42‧‧‧金屬基座

43‧‧‧支架

44‧‧‧法布里-比洛析光器置具

45‧‧‧加熱器

51‧‧‧共振腔體

52‧‧‧雙層置具

53‧‧‧中間支柱

第1圖為法布里-比洛析光週期性頻譜特性示意圖。

第2圖為絕熱啁啾效應示意圖。

第3圖為未經過與經過法布里-比洛析光器的光譜分佈之差異關係圖。

第4圖為法布里-比洛析光器對頻率啁啾抑制關係圖。

第5圖為法布里-比洛析光器對頻率啁啾抑制關係圖。

第6圖為一般檢光二極體的標準封裝形式之結構圖。

第7圖為法布里-比洛析光器之結構圖。

第8圖為法布里-比洛析光器之結構圖。

第9圖為為法布里-比洛析光器之結構圖。

第10圖為為法布里-比洛析光器之結構圖。

11‧‧‧檢光元件之ROSA封裝

12‧‧‧三支接腳

13‧‧‧中空座體

14‧‧‧中空通道之對接端

15‧‧‧陶瓷套筒

16‧‧‧光纖端子

17‧‧‧光纖尾巴

Claims (15)

1. 一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，包含：一固定光纖金屬基座，該固定光纖金屬基座具一左窗口與一右窗口；其中，該左窗口與該右窗口內各有一準直鏡面；一析光器基座，該析光器基座係由下往上套入該固定光纖金屬基座，並有一圓孔設計；及一法布里-比洛析光器，該法布里-比洛析光器連接於該圓孔設計上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，其中該左窗口與右窗口係提供光纖直接插入對準。
3. 如申請專利範圍第1項所述之一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，其中該析光器基座係底座具有一螺紋設計並以一螺絲轉軸控制。
4. 如申請專利範圍第1項所述之一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，其中該螺絲轉軸係藉由選轉控制左右入射光角度、中心波長位置、析光器頻寬。
5. 一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，包含：一TO-can檢光元件，該To-can檢光元件底部有三支接腳，頂部藉由一中空座體與一析光載具底部連接，形成一中空容置室；該中空通道另一端連接一光纖蕊心開口，且該中空通道內部係為一陶瓷套筒；及一法布里-比洛析光器，該法布里-比洛析光器連接該析光載具底部，於該中空容置室和該中空通道之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，其中該法布里-比洛析光器之材質，係為包含二氧化矽之材質。
7. 如申請專利範圍第6項所述之一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，其中該法布里-比洛析光器的厚度為0.1~0.3mm。
8. 一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，包含：一檢光元件晶片，該檢光元晶片焊接於一金屬基座上；該金屬基座具有四邊支架，並連接一析光器置具；該析光器置具連接一加熱器；及一法布里-比洛析光器，該法布里-比洛析光器固定於該析光器置具。
9. 如申請範圍第8項所述之一種具提升光明滅比之整合式減光裝置，其中該加熱器藉由電流注入，控制析光器的操作溫度。
10. 一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，包含：一檢光元件晶片，該檢光元晶片焊接於一金屬基座上；該金屬基座具四邊支架，連接一雙層析光器置具；一雙層析光器置具，該雙層析光器置具層間以數個支柱連接；及兩個法布里-比洛析光器，該兩個法布里-比洛析光器以該雙層析光器置具之支柱相間隔，行成一共振空間。
11. 如申請專利範圍第10項所述之一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，其中該支柱為壓電材料。
12. 如申請專利範圍第10項所述之一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，其中兩個法布里-比洛析光器藉由電壓控制距離、波長。
13. 如申請專利範圍第10項所述之一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，其中該法布里-比洛析光器其基板係使用二氧化矽材料經光學薄膜鍍膜製成。
14. 如申請專利範圍第10項所述之一種具提升光明滅比之整合式檢光裝 置，其中該法布里-比洛析光器係為光纖光柵、薄膜濾波片。
15. 如申請專利範圍第10項所述之一種具提升光明滅比之整合式檢光裝置，其中該法布里-比洛析光器其頻寬係為3dB頻寬範圍於12G~20GHz間較佳。