本論文係有關無鍍抗反射膜外部共振腔雷射模組構裝之研究，所研發雷射模組具低成本潛力，可應用於都會光纖網路及光接取網路中。
雷射模組構裝主要元件為FP雷射、光纖光柵透鏡、檢光器、銅質基座與致冷器。首先利用晶粒黏著機將雷射晶粒、檢光器固定於設計之銅質基座上，接著用加熱平台加熱模組外殼下方，使致冷器銲接在模組外殼上，且將銅質基座銲妥固定於致冷器上方，然後使用353ND膠將熱敏電阻放置銅質基座上。在研製高耦光效率光纖光柵透鏡之引線係利用鑷子夾住光纖透鏡及光學座進行耦光與構裝，以電極加熱器施熱於銅質基座使被熔化之銦線絲與光纖混合，再調整光纖透鏡使達到最大耦光效率之光纖引線。
所研發無鍍抗反射膜外部共振腔雷射模組構裝後，其功率輸出可達到2mW以上，光譜旁模壓抑比(SMSR)可達38dB。模組在2.5Gb/s之動態特性之研究，係量測其眼圖(Eye pattern)，誤碼率(BER)，並分析信號電流及雷射之阻抗匹配，以及色散對光通信系統之限制，使研製雷射模組能符合ITU-T G.957之規範。

This study proposes a low cost potentiall with non-AR coated fiber grating external cavity laser (FGECL) module to apply the metro/access network.
The components inside the module include uncoated FP (Fiber-Perot) laser chip, PIN detector, substrate, and cooler. The processes of package are following: (1) to utilize the die-bonder to fix the FP laser and the PIN detector on the substrate, (2) to utilize the heating apparatus to make the cooler fixed on the butterfly housing and the substrate fixed on the cooler, (3) to utilize the 353ND paste to make the thermistor fixed on the substrate, and (4) to utilize the electrothermal heating machine to melt indium wire and then adjust the fiber lens provided with higher coupling efficiency of fiber pigtail by tweezer to couple light into the fiber inside the butterfly housing.
This study achieves a FGECL module with the output power of larger than 2mW and the side-mode suppression ratio (SMSR) of more than 38dB. Finally, we measure eye diagram and bit-error-rate at 2.5Gb/s of the FGECL module to analyze the impedance matching of laser diode, current signal and the limit of the dispersion to the optical communication system. The performance of the FGECL module can meet the ITU-T G.957 standard.

中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
致謝 Ⅲ
內容目錄 Ⅳ
圖表目錄 Ⅶ
第一章 緒論 1
1-1. 研究背景 1
1-2. 研究目的 3
第二章 光纖光柵透鏡的製作 7
2-1. 光纖光柵之理論 7
2-2.1光纖光柵的製作 8
2-2.2光纖光柵特性參數之量測 8
2-3. 光纖透鏡的製作與量測 9
2-3.1光纖透鏡的製作 9
2-3.2耦光效率之量測 10
2-3.3耦光效率量測結果 12
2-4. 鍍金光纖的製作 13
2-4.1材料與儀器的準備 13
2-4.2濺鍍儀器 14
2-4.3濺鍍過程 15
2-4.4清洗過程 16
第三章 蝶式模組的構裝 27
3-1. 蝶式構裝 27
3-2. 蝶式構裝的架構設計與流程 28
3-2.1基座的設計 28
3-2.2 蝶式構裝流程 28
3-3. 元件與銲錫及助銲劑之功能和性質分析 31
3-4. 蝶式構裝裝置的介紹 33
3-5. 光纖固定的過程 34
第四章 光纖光柵外部共振腔雷射之理論與量測結果 44
4-1. 外部共振腔雷射原理簡介 44
4-2. 外部共振腔雷射構裝結果 45
4-2.1 FP雷射之光譜 45
4-2.2構裝後光纖光柵外部共振腔雷射之功率-電流分析 45
4-2.3 量測結果 46
4-3. 外部共振腔雷射之動態特性量測 46
4-3.1 眼圖量測實驗架構與結果 48
4-3.2 誤碼率量測實驗架構與結果 49
4-4. 分析與討論 50
第五章 結論與未來工作 64
5-1. 結論 64
5-2. 未來工作 64
參考文獻 66

圖表目錄
表1.1目前三種固定光纖的主要方式比較表 6
表2.1 熱敏電阻溫度與相對應的電阻值 16
表3.1銲錫特性表 40
表3.2助銲劑特性表 41
圖1.1目前三種主流構裝方式 5
圖1.2通信用半導體雷射模組設計示意圖 6
圖2.1光纖光柵製作示意圖 17
圖2.2光纖光柵的反射與透射圖示 17
圖2.3.1光纖光柵穿透頻譜特性量測視意圖 15
圖2.3.2光先光柵反射頻譜特性量測視意圖 17
圖2.4退火前光柵反射頻譜 19
圖2.5退火前光柵穿透頻譜 19
圖2.6退火後光柵反射頻譜 20
圖2.7退火後光柵穿透頻譜 20
圖2.8錐形光纖透鏡的製作流程 21
圖2.9蝕刻單模光纖實驗設備 22
圖2.10蝕刻時間與光纖錐角成型圖 22
圖2.11未到達蝕刻成型時間圖示 23
圖2.12超過蝕刻成型時間圖示 23
圖2.13光纖光柵透鏡製作完成圖 24
圖2.14光纖透鏡耦光效率量測設備 24
圖2.15濺鍍系統配置圖 25
圖2.16鍍金光纖示意圖 25
圖2.17鍍金光纖成品照片 26
圖3.1Butterfly外殼接腳示意圖 36
圖3.2銅質基座設計圖 36
圖3.3die-bond機圖示 37
圖3.4wire-bond機圖示 37
圖3.5構裝前置步驟完成圖 38
圖3.6構裝完成圖示 38
圖3.7銅質基座用來固定LD、PD及熱敏電阻 39
圖3.8銲錫與被銲表面形成各種接觸角的情況 39
圖3.9加熱平台照片 41
圖3.10鑷子 42
圖3.11電極加熱裝置 42
圖3.12構裝裝置示意圖 43
圖3.13電極加熱之電流與時間關係圖 43
圖4.1 FP雷射頻譜圖 52
圖4.2構裝後FGL之L-I曲線 52
圖4.3外部共振腔結構示意圖 53
圖4.4構裝後FGL之單縱模頻譜圖 53
圖4.5 NRZ眼圖 54
圖4.6訊號波形與雜訊機率分布 54
圖4.7微帶線之示意圖 55
圖4.8阻抗匹配眼圖量測之圖示 55
圖4.9 Pulse pattern generator 圖示 56
圖4.10 Sampling scope圖示 56
圖4.11阻抗Zin>Zl時之眼圖 57
圖4.12阻抗Zin<Zl時之眼圖 57
圖4.13阻抗匹配Zin=Zl時之眼圖 58
圖4.14 PRBS 223-1，STM-16，G.652 SMF 2.6Km之眼圖 58
圖4.15 PRBS 223-1，STM-16，G.652 SMF 5Km之眼圖 59
圖4.16 PRBS 223-1，STM-16，G.655 SMF 17Km之眼圖 59
圖4.17 PRBS 223-1，STM-16，G.655 SMF 17Km FP laser之眼圖 60
圖4.18 BER量測圖示 60
圖4.19Error detector圖示 61
圖4.20 Back-to-Back與2.6Km、5Km G.652 Corning SMF-28之BER圖示 61
圖4.21 Back-to-Back與17Km G.655 NZDSF光纖之BER圖示 62
圖4.22 G652單模光纖加PRBS為29-1及223-1時之傳輸特性 62
圖4.23 NZDSF 單模光纖25Km，加1480nm EDFA 980nmEDFA，以
PRBS223-1，STM-16(2.488Gb/s)測得之傳輸特性 63

[1] “中華民國八十九年版科學技術年鑑”第三篇, 第二章.

[2] 劉立仁，林士強，“FGL 光纖光柵技術雷射”光學工程, 第十八期 (1999)

[3] Bellcore, ”Reliability Assurance Practices Optoelectronic Devices in Loop Applications”, Technical Advisory, TA-TSY-000983, Issue 1(1990)

[4] 鄭木海，“雷射二極體構裝技術之近況與趨勢”光訊，第六十九期 （1997）

[5] 楊慶忠,“光纖光柵的製作與應用”國立交通大學博士論文 (2000)

[6] 陳明鴻,“無鍍抗反射膜光纖光柵雷射光譜特性之研究”國立中山大學碩士論文 (2001)

[7] 楊惠民,“光纖光柵外部共振腔雷射研製及特性之研究”國立中山大學博士論文 (2004)

[8] 張世恩,“利用銲錫技術構裝半導體雷射模組之研究”國立中山大學碩士論文 (2002)

[9] M. Saruwatari, K. Nawata, “Semiconductor Laser to Single-Mode Fiber Coupling,” Applied Optics, Vol. 18, No. 11, pp. 1847-1856 (1979)

[10] C.W. Branard, W.Y. John, “Single-mode Fiber Microlens with Controllable Spot Size,” Applied Optics, Vol. 30, No. 15, pp. 1958-1962 (1991)

[11] H.M. Yang, T.S. Lay, C.W. Lee, S.N. Chang, W.H. Cheng, “Reduction of Microlens Imperfection due to Taper Asymmetry,” OECC2002, July 8-12, Kanagawa, Japan (2002)

[12] 吳順浩,“法彼珀羅雷射與光纖光柵產生單頻光源之耦合研究”國立中山大學碩士論文 (2000)

[13] 周明杰,“具PGC解調之光纖微小電流感測器”國立中山大學碩士論文 (1999)

[14] Raymond S. Enoch: “Electro-Optical Transducer Module and a Method of Fabricating Such a Module,” US patent, 4997253, Mar. 5 (1991)

[15] Raymond S. Enoch: “Method for Attaching an Optical Fiber to a Substrate to Form an Optical Fiber package,” US patent, 4702547, Oct. 27 (1987)

[16] Alan R. Mickelson, Nagesh R. Basavanhally, Yung-Cheng Lee, “Optoelectronic Packaging,” John Wiley & Sons, Inc. (1997)

[17] “誼虹雷射出廠值一覽表”,誼虹科技股份有限公司 (2002)

[18] 鄧弘政,“雷射模組構裝中錫鉛與錫金銲料經老化測試微組織之研究”國立中山大學碩士論文 (2001)

[19] M. Premaratne, A. J. Lowery, Z. Ahmed, and D. Novak, “Modeling noise and modulation performance of fiber grating external cavity lasers,” IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., vol. 3, pp. 290–303 (1997)

[20] C. R. Doerr, “Direct modulation of long-cavity semiconductor lasers,” J. Lightwave Technol., vol. 14, pp. 2052–2061 (1996)

[21] Ramunno, L.; Sipe, J.E. “Theory of large-signal direct modulation of extended cavity semiconductor lasers with dispersive loss,” IEEE J. Quantum Electronics, Volume: 36,pp.1299 -1311, Nov. (2000)

[22] Calvin M. Miller: “Temperature Compensated Fiber Bragg Gratings,” US patent, 6044189, Mar. 28 (2000)

[23] Gregory A. Merkel: “Optical device with negative thermal expansion substrate and uses therefore,” US patent, 6377729, Apr.23 (2002)

[24] Pallab Bhattacharya. “Semiconductor Optoelectronic Device,” 2nd ed., Prentice-Hall International Inc., N.J. (1997)

[25] K. Petermann, “Laser Diode Modulation and Noise,” Kluwer Academic Publishers, MA (1988)

[26] 楊慶忠,“光纖光柵的製作與應用”國立交通大學博士論文 (2000)

[27] W.H. Cheng, S.F. Chiu, C.Y. Hong, H.W. Chang, “Spectral Characteristics for a Fiber Grating External Cavity Laser,” Optical and Quantum Electronics, Vol. 33, pp.339-348 (2000)

[28] 洪政洋,“半導體雷射高反射率及抗反射鍍膜之研究”國立中山大學光電所碩士論文 (1999)

[29] Application Note : “Jitter Specifications Made Easy”,-HFAN 4.3.0,MAXIM-IC(2001)

[30] Application Note : “Maintaining Average Power and Extinction Ratio,Part1”,-HFAN 2.3.1,MAXIM-IC(2002)

[31] Application Note :“The MAX3865 Laser Driver with Automatic Modulation Control”,-HFAN 18.0,MAXIM-IC(2001)

[32] 林旻進,“OC-48高速光收發模組之研製”國立中山大學光電所碩士論文 (2002)

[33] Dennis Derickson.“Fiber optic test and measurement”, Upper Saddle River, N.J. : Prentice Hall PTR(1998)