科技部工程司109年度產學計畫優良成果|電子資通領域

高速電致吸收調變雷射之關鍵技術開發

計畫基本資料

編號：MOST 108-2622-E-110-001-CC2

執行單位：國立中山大學光電工程學系

主持人/共同主持人：洪勇智/許晉瑋、陳智弘、魏嘉建

協同研究人員：林蔚博士

參與人員：謝秉峰、林家金、高子杰、黃家偉、王彥傑、鄭辰龍、巢瑞麟、

          劉禮郡、莊竣硯、黃煒翔、林奕祐

合作企業：聯亞光電工業股份有限公司

文/圖：洪勇智   編輯：張萬珍

計畫主持人洪勇智教授(第二排右四)、共同主持人魏嘉建教授(第二排左四)與實驗室同學合影

近年來，人們愈來愈喜歡用手機上網，欣賞高畫質的影音節目，玩線上遊戲等，對於網路頻寬的需求升溫，物聯網和雲端服務快速發展，使得資料中心的骨幹網路已邁向100 Gbps(4 x 25Gbps)以上的規格。

分佈反饋式(Distributed Feedback; DFB)雷射具有極佳的光電特性，適用於進行長途高速的傳輸，然而，25 Gbps高速DFB雷射或是電致吸收調變雷射仍受限於生產良率低落和可靠度驗證的問題，至今仍無法量產。

由國立中山大學、國立交通大學及國立中央大學組成的研究團隊和聯亞光電工業股份有限公司合作，執行科技部工程司產學合作計畫「高速電致吸收調變雷射之關鍵技術開發」，以應用於下世代 > 25 Gbps的長距離傳輸光發射器為目標，發展高速DFB雷射與電致吸收調變雷射。主持人洪勇智教授強調：「在本計畫中所使用到的技術都是以量產的角度出發，目的是要能夠實際幫助產業在相關產品的研發進程。」

聯亞光電公司在光通訊產業一直扮演著上游磊晶廠的角色，而高速雷射元件的開發必須要從最上游的磊晶結構優化開始，聯亞光電副董事長及技術長林蔚博士表示，執行這項產學合作計畫對於聯亞光電而言，除了驗證自家的磊晶技術之外，同時也透過販售高速雷射磊晶片給下游廠商進行晶粒製作，帶動整個產業鏈一起進入高端雷射元件的市場。

洪勇智主持人指出，在執行計畫的3年期間，研究團隊開發出了高速電致吸收調變雷射的關鍵技術，使用低成本的全像干涉技術達到相位偏移光柵的效果，除了可以大幅提升DFB雷射的單波長良率之外，也能避免昂貴的製造成本。

這套全像製作的莫列波相位偏移光柵實現DFB雷射，具備10 ~ 13 mA的臨界電流，穩定的1310 nm單波長輸出，> 20 mW的輸出光功率，以及48 dB的旁模抑制比。此元件在高電流60 mA下成功展示-3 dB達到25 GHz，在低電流20 mA時 -3 dB也可達到10 GHz，並成功展示在35 Gb/s直接調變達到error-free特性，且整體元件的良率達到了80 % 以上。

研究者展示成果

在電致吸收調變雷射方面，研究團隊利用聯亞所提供的SAG wafer成功展示-3 dB > 60 GHz且10 dB Vpp driving voltage約~3 V的電致吸收調變雷射，其中在DFB雷射方面計畫團隊使用quarter-wavelength-shift design以增進單模良率，DFB雷射長度為500 µm，EAM長度則為75 µm。此優異性能(f 3 dB / V 20 dB)非常適合用於下世代400 Gbit / sec (56 Gbit / sec per lane) ER-4 linking的資料傳輸。

在系統傳輸方面，研究團隊開發了捲積神經網路與濾波輔助神經網路以去除傳輸系統中的線性與非線性失真，透過失真等化器以DML達到50 Gbps OFDM之50公里傳輸，並使用EML達成80 Gbps PAM-4之40公里傳輸。

研究團隊也開發了前置預失真技術，可達到30 Gbps之175公里無色散補償傳輸，且接收端不需要非線性補償；另外，也在112 Gbps的傳輸系統中大幅降低非線性等化器的複雜度。

研究者們在實驗室

這項計畫在人才培育和學術成果方面都創造了大豐收！3年內共培育了5名博士人才以及8名碩士人才進入產業界，發表了38篇國際期刊論文以及35篇國際研討會論文，獲證3件美國專利與3件中華民國專利，專利內容皆為此計畫產出之重要技術。

計畫總主持人洪勇智教授優異的表現獲得各界肯定，3年內獲得的重大獎項包含「科技部工程司109年度產學合作計畫成果發表暨績效考評會產學成果簡報特優獎」、「109年度科技部吳大猷先生紀念獎」、「109~111中山大學特聘年輕學者」、「2019 IEEE Best Young Professional Member Award」、「2018臺灣電子材料與元件協會傑出青年獎」等，3年計畫期間每年皆獲選為「中山大學學術與產學研究績優教師」。

2020年2月這項計畫結案之後，研究團隊繼續與聯亞光電執行另一項LiDAR產學合作計畫，完成了自動化光柵參數擷取系統技術轉移與第一台系統建置(技術轉移金250萬元、廠內系統建置費用約400萬元)至聯亞光電，此系統已運作於公司生產線，並已完成第二台系統建置。此外，研究團隊已獲得具莫列波相位偏移光柵DFB雷射的中華民國與美國專利，並技術轉移至聯亞光電(技術轉移金150萬)。畢業的碩士學生目前有兩位任職於聯亞光電，其他參與本計畫的學生目前也多任職於半導體或光電相關產業。

洪教授總結指出，本計畫是以「務實」的角度研發高速( > 25 Gpbs)半導體DFB雷射與電致吸收調變雷射，並利用此雷射建置超高速(112 Gbps)光網路架構，對於聯亞光電以及國內半導體雷射廠有重要指標貢獻。其中，莫列波相位偏移光柵之DFB雷射所代表的意義為不須使用昂貴的電子束直寫技術也能實現相位偏移光柵，對於DFB雷射良率的提升與成本降低有明顯的幫助，而高速電致吸收調變雷射則是未來50 Gbps乃至於單通道100 Gbps的不二選擇。

林蔚博士指出，本計畫所開發的高速雷射主要市場在於資料中心的光連接以及光通訊市場，不論是哪一種應用，光傳輸模組在過去幾年的市場趨勢都呈現成長，整體產值超過800億美元，本計畫的產出將可幫助聯亞光電再創另一個營業額與利潤巔峰。