以高頻玻璃基板與光學軟板整合之多通道光連接模組

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研究生：	洪瑞宏 Jui-Hung Hung
論文名稱：	以高頻玻璃基板與光學軟板整合之多通道光連接模組 Multi-Channel Optical Interconnect Module Based on an Integration of High-Frequency Glass Substrate and Flexible Optical Printed Circuit Board
指導教授：	伍茂仁 Mount-Learn Wu
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 光電科學與工程學系 Department of Optics and Photonics
論文出版年：	2015
畢業學年度：	103
語文別：	中文
論文頁數：	58
中文關鍵詞：	傳輸線、玻璃、光波導
外文關鍵詞：	transmission lines, glass, optical wave guide
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本論文提出將 20 Gbps 高頻傳輸線整合於玻璃基光學平台，且和具45°反射面之軟板光波導整合之垂直耦光光路。此高頻傳輸線作為連接垂直共振腔面射型雷射、光偵測器之高頻訊號線。上述元件將整合於玻璃基平台，並且透過下方的高分子聚合物光波導，實現垂直耦和。
玻璃基板上的高頻傳輸線設計，使用共平面波導(coplanar waveguide,CPW)為幾何結構。高頻傳輸線在頻率 50 GHz時，量測到的反射損耗約 -20 dB，插入損耗約-0.24 dB。
軟板的光學傳輸效率，發射端是60%~75%，接收端是40%~60%。而軟板的串音(crosstalks)量測，發射端在 -29 dB之下，接收端在 -25 dB之下。將平行於聚合物波導(polymer waveguide)的方向設為y，和軟板平面平行的設為x，垂直於該平面為z。則發射端光纖的位移容忍度為 -16<z<11, -14<x<10。發射端雷射(VCSEL)出光口的位移容忍度為-13<y<13, -14<x<14，接收端光纖的位移容忍度為-18<z<17, -9<x<9，接收端光檢測器(PD)的收光口位移容忍度是7<y<14, -13<x<14，單位是μm.。
光連接模組的眼圖(eye pattern)量測，發射端(transmitter, TX)在傳輸
10 Gbps時，操作電流需大於等於6 mA.，訊雜比(signal to noise ratio, SNR)才能大於4，四個通道皆同。接收端的四個通道，其眼圖的訊雜比皆大於4，操作電壓為逆向偏壓2 volts。

In the thesis, the high-frequency transmission line is designed and realized on the glass for the connection of vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) and photo-detector (PD). The optical signal emitting from the VCSEL will out-of-plane couple into the polymer waveguide through the glass substrate and the polymer-based 45°reflector.
The measured return loss (S11) and insertion loss (S21) of transmission lines are about -20 dB and -0.24 dB, respectively when the operating frequency is up to 50 GHz. For the optical characteristics of this optical interconnect module, the measured optical coupling efficiency for the transmitter and receiver of the flexible printed circuit board are 75%, and 60 %. The inter-channel crosstalk for both transmitter and receiver can be less than -25dB.
The 10-Gbit/s eye pattern with the signal-to-noise ratio (SNR) more than 4 for the optical interconnect module is experimentally demonstrated when the bias current of VCSEL is 6 mA. and when the reverse bias voltage of PD is 2 volts.

中文摘要    I
英文摘要    III
誌    謝    IV
目    錄    V
圖索引    VII
表索引    X
第一章    緒論    1
1-1 研究動機與目的    1
1-2 以高頻玻璃基板與光學軟板整合之多通道光連接模組    3
第二章    基於特定玻璃基板之高頻傳輸線和光學軟板的設計與模擬    6
2-1 基於特定玻璃基板之高頻傳輸線之設計與模擬    6
2-1-1高頻傳輸線設計    6
2-1-2高頻傳輸線模擬    9
2-2 光學軟板之光學設計與模擬    11
2-2-1光學軟板之光學設計    11
2-2-2光學軟板之光學模擬    12
2-2-3光學軟板之位移容忍度模擬    12
第三章    基於特定玻璃基板之高頻傳輸線和光學軟板的製程結果    17
3-1基於特定玻璃基板之高頻傳輸線的製程結果    17
3-2光學軟板的製程結果    20
第四章    多通道光學連接模組之電學性質與光學性質的量測    21
4-1 封裝後的垂直共振腔面射型雷射與光檢測器在直流電源下之直流特性量測    21
4-2軟板的光學特性量測    25
4-2-1軟板的光學傳輸效率    25
4-2-2軟板各通道間的串音量測    26
4-2-3軟板的位移容忍度量測    29

4-3在玻璃基板上的高頻傳輸線之散射參數量測    33
4-4 光連接模組之高頻眼圖量測    35
4-4-1發射端的量測架構與結果    35
4-4-2接收端的量測架構與結果    40

第五章    結論和未來展望    42
5-1 結論    42
5-2 未來展望    42
參考文獻    43

                                

[1] Naoki Matsushima1, Toshiaki Takai1, Daichi Kawamura2, Yasunobu Matsuoka2, Yong Lee2,3, Norio Chujo1, Takashi Takemoto2,3, Hiroki Yamashita2,3, Toshiki Sugawara2, Toru Yazaki1, and Shinji Tsuji2, “High-stability 25 Gb/s optical transceiver module with flexible polymer wave guide for optical interconnection,” CPMT Symposium Japan, 2012 2nd IEEE, (2012)
[2] Takashi Shiraishi, Takatoshi Yagisawa, Tadashi Ikeuchi, Satoshi Ide, and Kazuhiro Tanaka, “Cost-effective Low-loss Flexible Optical Engine with Microlens-imprinted Film for High-speed On-board Optical Interconnection” ECTC2012, pp. 1505-1510, 2012

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