博碩士論文 972206050 詳細資訊




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姓名 楊凌岡(Ling-Gang Yang)  查詢紙本館藏   畢業系所 光電科學與工程學系
論文名稱 以矽光學平台為基礎之4通道 x 10 Gbps光學連結模組之發射端
(4-Channel x 10 Gbps Optical Interconnect Transmitter Module Based on Silicon Optical Bench)
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摘要(中) 本論文提出具矽基光學平台(Silicon Optical Bench, SiOB)之微型化被動式光連結發射端模組,具體實現工作波段於850 nm具4通道 × 10 Gbps和工作波段於1310 nm具4通道 × 5 Gbps之光連結發射端模組技術,模組尺寸為5 × 5 mm2。在此架構中,矽基光連結發射端模組包含具單石化積體製程之矽基微光學平台(包含矽基微45度反射面、V型凹槽陣列)、10 GHz高頻傳輸線、與金錫銲料。利用混成構裝(Hybrid)方式,將面射型雷射以高精度之覆晶封裝(Flip-Chip)方式整合、八芯多模光纖(Fiber Ribbon)以被動對準之封裝方式整合。45度微反射面深度為110 μm,其製程誤差在6%之內,角度誤差為±0.5度,且表面粗糙度小於10 nm,對紅外波段的光具有良好光學品質;高頻傳輸線製程線寬變異控制在5%內,縱向及橫向空間變異控制在10%內,製程變異皆符合元件之光學準位1 dB誤差容忍度;工作波段於850 nm和1310 nm之模組光學準位1 dB誤差容忍度分別為20 μm和15 μm;在光耦合效率表現,光由面射型雷射發射經45度微反射面偏折90度後進入多模光纖的光耦合效率分別約為-3.5 dB和-1.1 dB,相鄰通道的串音準位皆在-30 dB以下;在高頻量測中,分別輸入10 Gbps (0.5 Vp-p, 15-bit PRBS)和5 Gbps (0.5 Vp-p, 15-bit PRBS)訊號,分別能通過OC-192及OC-96之國際規範。
摘要(英) In this thesis, two types of transmitter modules (Tx) for optical interconnect based on silicon-optical-bench (SiOB) had been developed. Two types are 850 nm with 4-channel × 10 Gbps (850nm-4x10G-Tx) and 1310 nm with 4-channel × 5 Gbps (1310nm-4x5G-Tx), respectively. The chip size of Tx is only 5 × 5 mm2. Tx includes a monolithic integration of silicon-based 45° micro-reflector, V-groove array, high-frequency transmission line of 10 GHz, and bonding pads with Au/Sn eutectic solder. All of Components are assembling through hybrid integration, vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) is assembled by flip-chip bonding and fiber ribbon is inserted to V-groove array at specific position with highly precise-passive alignment. The depth of 45° micro-reflector can be reached to 110 μm by anisotropic wet etching process. Such this micro-reflector has good optical properties for infrared light. The light emanating from VCSEL can be deflected into multi-mode fiber (MMF) and the coupling efficiency of 850nm-4x10G-Tx and 1310nm-4x5G-Tx can be up to -3.5 dB and -1.1 dB, respectively. The cross-talk of inter-channel is less than 30 dB in these modules. Utilizing micro lithography, the process tolerances of 10 GHz transmission line are within 10%, and the optical 1 dB alignment tolerances are within 20 μm and 15 μm for 850nm-4x10G-Tx and 1310nm-4x5G-Tx, respectively. Eye patterns of the Tx are measured as the 15-bit PRBS with a data rate of 10 Gbps for 850nm-4x10G-Tx and 5Gbps for for 1310nm-4x5G-Tx.
關鍵字(中) ★ 光學連結模組
★ 矽光學平台
關鍵字(英) ★ Optical interconnect
★ SiOB
★ Silicon optical bench
論文目次 目錄
摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
圖目錄 v
表目錄 viii
第一章 序論 1
1-1 前言 1
1-2 現行光學連結技術之分析 4
1-3 具矽基45度微反射面之光學連結發射端模組之架構 8
第二章 4通道 × 10 Gbps光學連結模組之發射端設計 11
2-1 面射型雷射光學準位評估與發射端模組結構尺寸計 11
2-2 發射端模組之光學準位及串音分析 19
2-3 矽基微光學平台高頻傳輸線之設計分析 23
2-4 矽基光連結發射端模組架構及尺寸確認 30
第三章 矽基光連結發射端模組之製程開發 32
3-1 矽基光連結發射端模組之製程流程設計 32
3-2 矽基微光學平台之製作 34
3-3 矽基光連結發射端模組之整合製程 38
3-3-1 高反射45度微反射面之製程 38
3-3-2 10 GHz共平面波導高頻傳輸線整合製程開發 41
3-3-3 矽基微光學平台高頻傳輸線特性量測 50
3-4 金錫合金銲料層和覆晶封裝製程 53
3-5 帶狀光纖陣列與矽基微光學平台之封裝製程 59
第四章 矽基光連接模組發射端模組之量測 62
4-1 矽基光連接發射模組之光學特性 62
4-2 矽基光連接發射模組之高頻特性 65
第五章 結論與未來展望 71
參考文獻 73
圖 目 錄
圖1-1 現今使用光學連接技術路程圖 1
圖1-2 日本NTT發展之光學連結平台Active Interposers 4
圖1-3 韓國光電技術學院於2009年提出的高分子波導平台架構 5
圖1-4 Intel發展之最新光學連結平台Light Peak 6
圖1-5 Light Peak的發射端架構示意圖 7
圖1-6 矽基光連結發射端模組架構圖 9
圖2-1 面射型雷射陣列晶片 12
圖2-2 對850nm-10G VCSEL進行光學準位評估的量測架設圖 14
圖2-3 850nm-10G VCSEL於各維度之1 dB損耗容忍度 15
圖2-4 對1310nm-5G VCSEL進行光學準位評估的量測架設圖 16
圖2-5 1310nm-5G VCSEL於各維度之1 dB損耗容忍度 17
圖2-6 矽基光連結發射端模組之結構尺寸側視圖 18
圖2-7 ASAP模擬矽基微光學平台發射端模組之整體架構 19
圖2-8 Uniform與Gaussian分佈光場之場形 20
圖2-9 面射型雷射耦合至光纖的光場分佈 21
圖2-10 共平面波導結構圖 23
圖2-11 以BCB搭配SiO2為絕緣層之高頻傳輸線設計圖 25
圖2-12 以BCB搭配SiO2作為絕緣層之共平面傳輸線模擬結果 26
圖2-13 以單層厚SiO2膜為絕緣層之高頻傳輸線設計圖 27
圖2-14 以單層厚SiO2膜為絕緣層之共平面傳輸線模擬結果 28
圖2-15 矽基光連結發射端模組平台 31
圖3-1 矽基光學連結發射端模組製程流程圖 33
圖3-2 蝕刻(100)矽晶面所得之45度微反射面 35
圖3-3 蝕刻(100)矽晶面所得之矽基微光學平台 37
圖3-4 高反射45度微反射面製程流程圖 39
圖3-5 高反射45度微反射面OM量測圖 40
圖3-6 以BCB搭配SiO2為絕緣層之高頻傳輸線設計示意圖 42
圖3-7 以BCB搭配SiO2為絕緣層之高頻傳輸線製程流程圖 43
圖3-8 以BCB搭配SiO2為絕緣層之高頻傳輸線製程結果示意圖 44
圖3-9 以BCB搭配SiO2為絕緣層之高頻傳輸線製程結果頂視圖 44
圖3-10 BCB黃光微影製程頂視圖 45
圖3-11 以單層SiO2為絕緣層之高頻傳輸線設計示意圖 46
圖3-12 以單層SiO2為絕緣層之高頻傳輸線製程流程圖 47
圖3-13 以單層SiO2為絕緣層之高頻傳輸線製程結果示意圖 48
圖3-14 以單層SiO2為絕緣層之高頻傳輸線製程結果頂視圖 48
圖3-15 傳輸線量測架設示意圖 50
圖3-16 以BCB搭配SiO2為絕緣層四通道傳輸線製程之量測與模擬結果 51
圖3-17 以單層SiO2為絕緣層四通道傳輸線製程之量測結果 52
圖3-18 金錫合金的二元相圖 54
圖3-19 金錫銲料製程流程圖 54
圖3-20 Thermal Coater 沉積金錫銲料之上視圖 55
圖3-21 EDS量測金錫銲料之組成圖 56
圖3-22 矽基光連結發射端模組封裝VCSEL之結果 57
圖3-23 覆晶封裝後的VCSEL I-V特性量測結果 58
圖3-24 光纖佈放機 59
圖3-25 八芯光纖陣列封裝流程圖 60
圖3-26 八芯光纖陣列封裝結果 61
圖4-1 光學特性量測架設圖 63
圖4-2 MPO接頭 63
圖4-3 4通道 × 10 Gbps矽基光連結發射端模組(工作波段於850 nm)之眼圖量測架設示意圖 66
圖4-4 驅動DC電流7 mA之4通道 × 10 Gbps矽基光連結發射端模組(工作波段於850 nm) 66
圖4-5 驅動DC電流10 mA之4通道 × 10 Gbps矽基光連結發射端模組(工作波段於850 nm)之眼圖量測結果 67
圖4-6 4通道 × 5 Gbps矽基光連結發射端模組(工作波段於1310 nm)之眼圖量測架設示意圖 68
圖4-7 4通道 × 5 Gbps矽基光連結發射端模組(工作波段於1310 nm)之眼圖量測結果 69
表 目 錄
表2-1 Oclaro面射型雷射陣列晶片光電規格特性 13
表2-2 Beam Express面射型雷射陣列晶片光電規格特性 13
表2-3 以BCB搭配SiO2為絕緣層之傳輸平台各層材料參數設定 25
表2-4 以單層厚SiO2膜為絕緣層之傳輸平台各層材料參數設定 27
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[22] 李佳祐,“微型化被動對準式4通道 × 2.5 Gbps光學連結模組之發射端研究”,(中央大學光電所碩士論文,台灣,2009).
指導教授 伍茂仁(Mount-Learn Wu) 審核日期 2010-7-27
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