從2010年4G網路開始蓬勃發展，光通訊網路的密度與日俱增，從早期的超長距離光纖網路延伸到伺服器中心的建設與城市網路的佈建，並帶動了Facbook、Google、Amazon、Intel…等國際企業對於雲端儲存和服務的重視，使得高速光傳輸模組的身影無處不在，然而大量的高速網路建設並未減緩人類對於高速網路的需求，反而促進了更多的想像與應用，因此，物聯網(Internet of Things，IOT)的構想逐漸成形，並透過了5G網路，在開放式虛擬化無線接取網路(Open Virtual Radio Access Network，Open vRAN)架構下逐步實現，也進一步推升了光傳輸模組的傳輸速率和傳輸距離性能需求。為了實現高傳輸速率與距離性能需求，國立台灣大學、國立陽明交通大學、鴻海研究院半導體所和美商康寧，共同組成研究團隊，在郭浩中、林恭如、吳肇欣三位教授的合作帶領下，利用高銦含量之面射型雷射結合鋅擴散技術實現近70-Gbit/s NRZ-OOK世界級傳輸紀錄，相較於傳統的多模或單模面射型雷射，研究團隊利用優化的雙模面射型雷射在雷射頻寬、阻抗和光強度之間取得一個最佳平衡點，並整合具有多模光纖耦合透鏡的折射率漸變單模光纖，實現53-Gbit/s NRZ-OOK於100 m光纖長度下的訊號傳輸。

 

首先，在傳輸頻寬的提升方法上，提升元件頻寬是最直接的手法，更高的元件頻寬能產生更高的響應速度，使得元件在開關的過程中反應更為即時，這種開關訊號的調製格式是最傳統方法，稱為開關式調變(On-off Keying)或非回零開關式調變(Non-Return-to-Zero OOK, NRZ-OOK)；然而，元件的頻寬上限受限於物理原理，因此光傳輸模組需借助更複雜的訊號格式提升最大傳輸頻寬，像是四電平脈衝振福調製(4-level pulse amplitude modulation，PAM4)或是正交調幅振幅調制-正交頻分多工(Quadrature-Amplitude Modulation- Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, QAM-OFDM)等格式，作為傳輸速率提升的手段；研究團隊將近年的相關數據整理於圖一中，由圖一可見，PMA4和QAM-OFDM提供了更大的訊號乘載能力，使得VCSEL的傳輸速率能以指數關係式的速率成長，符合高速網路的應用需求。

 

圖一、VCSEL應用於不同數據格式下的傳輸歷史進程[1]。

 

雖然優化的訊號格式能乘載更多的數位訊息，但對應的驅動晶片和電路則會更為複雜，連帶提高光傳輸模組的製造成本，因此，提高雷射的元件頻寬仍然是研究的主要重點，除此之外，光學訊號於光纖傳輸中，會因材料色散使得脈衝訊號產生失真，導致多模的面射型雷射傳輸距離多半限制於10公尺以下的應用場景，進一步侷限面射型雷射的市場發展，因此近年來的面射型雷射除了著重於元件頻寬的開發之外，也更注重單模雷射的探討；為此目的，研究團隊在郭浩中教授與吳肇欣教授的帶領下，致力於雙模面射型雷射的開發，如圖二(a)，此元件除了透過高銦含量與雙層氧化結構的方式，提高面射型雷射的增益效率並降低了結構的寄生電容之外，也利用鋅擴散的方式降低面射型雷射的驅動電阻，此外通過鋅擴散技術能破壞半導體晶格結構，產生失序的晶格排列，如圖二(c)，使得面射型雷射的布拉格反射面鏡遭受破壞，進而降低反射面鏡的反射率，並控制雷射的光學模態數量，因此雙模或單模的面射型雷射能實現於較大的氧化孔徑下；相較於傳統的氧化單模面射型雷射，研究團隊所提出的雙模面射型雷射，除了能具有高頻寬的元件特性之外，也具有較低的操作電阻，並降低光學模態數量，大幅提升了面射型雷射傳輸距離能力。

 

圖二、雙模面射型雷射(a)結構示意圖(b)光學影像(c)鋅擴散反應剖面圖[2]。

 

研發團隊除了致力於雙模面射型雷射，也整合多模光纖耦合透鏡(a lensed OM4 multi-mode fiber (1-m) collimator)於漸便式單模光纖(graded-index single-mode fiber, GI-SMF)的末端，提高耦合效率，對比傳統的階梯式單模光纖或漸便式單模光纖，其耦光效率能提升約15%之外，如圖三(b)，也能同時抑制高階光學模態，如圖三(d)，使得雙模雷射在遠距離的光學傳輸下有更好的傳輸品質。

 

圖三、耦合光纖(a)架構示意圖(b)耦合效率(c)L-I-V(d)光學頻譜[2]。

 

藉由雙模面射型雷射與光纖技術的整合開發，並利用預加重技術補償訊號損失，林恭如教授的研發團隊實現了69-Gbit/s傳輸於背對背(Back-to-Back)距離下[3]，如圖四，也成功在100公尺下的傳輸距離，實現53-Gbit/s訊號傳輸，如圖五，成功突破面射型雷射在應用場景限制，並且證實NRZ-OOK單通道>50 Gbps的發展可行性。

 

圖四、採用預加重技術傳輸61-69 Gbit/s NRZ-OOK於BtB下 [3]。

圖五、53-Gbit/s NRZ-OOK傳輸眼圖於BtB和100 m GI-SMF下(a)未採用(b)採用預加重技術[2]。

 

 

Reference:

[1] C. -H. Cheng, W. -C. Lo, B. Su, C. -H. Wu and G. -R. Lin, "Review of VCSELs for Complex Data-Format Transmission Beyond 100-Gbit/s," in IEEE Photonics Journal, vol. 13, no. 5, pp. 1-13, Oct. 2021, Art no. 7900213, doi: 10.1109/JPHOT.2021.3104647.

[2] S. -Y. Lee et al., "Comparing the Dual-Mode VCSEL in OM4-MMF and GI-SMF Links for NRZ-OOK and 16-QAM-OFDM Transmissions," in IEEE Photonics Journal, vol. 14, no. 3, pp. 1-13, June 2022, Art no. 7927713, doi: 10.1109/JPHOT.2022.3168626.

[3] G. -R. Lin, C. -H. Cheng, H. -C. Kuo, S. -Y. Lee, X. -C., C. -H. Wang, M. -J. Li, Y. -M. Huang, W. -T. Huang, and D. Yang., " Nearly 70-Gbit/s NRZ-OOK Encoding of Dual-mode 850-nm VCSEL with High In-doped and small Zn-diffused Emission Area," in Photonics Research, received 03/03/2022; accepted 05/08/2022; posted 05/09/2022; Doc. ID 457506.