伍茂仁

在本論文中，主要研究在SOI 基板上開發三維光學網路，並將其應用於晶 片等級的光學連接模組。本研究可區分為三個主題：點對點的三維光路架構、具 有垂直分光器或垂直轉換結構的三維光路網路、以及在SOI 基板上實現具有雷 射與光偵測器的晶片等級光連接模組。藉由三維光學網路的開發，光路與電路可 利用相容的製程技術分別建構在SOI 基板的正反兩側。此外經由獨特的光電分 離架構，光電元件與光子元件可以非常容易地與電子元件整合在單一矽晶片上， 並且實現高傳輸速度與低功耗的晶片等級光學連接模組。 在點對點的三維光路之研究上，我們利用非等向性的濕蝕刻技術，將高品質 的45˚微反射面與單晶矽梯形波導建構在SOI 基板的光學元件層。藉由三維光路 的設計，我們可同時解決三項問題，包含光源與光偵測器的整合、低損耗的單晶 矽波導、以及光電分離式的整合設計。經由量測結果得知，從入射端單模光纖到 出射端多模光纖的光學傳輸效率約為-2.91 dB，長直光波導的傳播損耗約為0.404 dB/cm。同時我們也驗證光纖對於此三維光路的位移容忍度，其中入射端單模光 纖對於光波導的位移容忍度可大於±5 μm；出射端多模光纖對於光波導的位移容 忍度可大於±14 μm。如此寬鬆的位移容忍度將有助於主動元件在量產時的封裝 可行性。此外相較於傳統利用乾蝕刻技術製作的脊狀波導，本架構的光波導具有 成本與量產可行性的優勢。 在第二個部分，為了提升三維光路的靈活性，我們提出應用於垂直分光波導 的三維分光器，以及應用於主動式光學網路的垂直轉換結構。在三維垂直分光器 部分，其原理是利用主波導與分光波導的幾何寬度差異，並且在其中插入單石積 體化且具有45˚微反射面的垂直分光器。此結構可同時完成垂直分光，以及電子 層與光學元件層的光學訊號連接。在此研究中，我們實現一個具有不同分光比例 的三維1×2 垂直分光波導。當主波導的波導寬度從40 μm 變換至70 μm，垂直分 光效率可從20%:80%轉換至46%:54%，總體的光學傳輸效率約為-6 dB。在此結 構中，光波導具有較寬鬆的元件封裝位移容忍度(約大於±13 μm at -1 dB)，適合 應用於被動式的光學網路架構。 針對應用於主動式光學網路的垂直轉換結構，我們將其製作於三維光波導的 表面。此垂直轉換結構不僅可以實現光路的垂直轉換，並且可以提供一個光學平 台，將可電控式多重量子井(MQWs)整合於此垂直轉換結構上。在本研究中，我 們實現一個1×3 垂直轉換光路，並且利用紅外光攝影機觀察光波導輸出端的光點。 其總光學耦合效率約為-5.33 dB，各個通道出口的耦合效率約為-10.81、-11.74、 以及-8.45 dB。長直光波導的傳播損耗約為0.178 dB/cm。相較於長直光波導，本 架構的1×3 垂直轉換光路的總分光損耗約為1.57 dB。 最後，我們在SOI 基板上實現一個具有雷射、光偵測器、驅動電路、以及 放大電路的晶片等級光學連接模組。在本模組中，我們利用獨特的三維光路設計， 連接模組發射端與接收端，面射型雷射與光偵測器則利用覆晶封裝技術將其整合 至SOI 基板的電子元件層上，形成完整的光學連接模組。從量測結果得知，雷 射至光偵測器的光學耦合效率約為-2.19 dB，雷射的最大輸出光功率與最低臨界 電流分別為3.27 mW 以及1 mA。在高速訊號的測試中，當最低的雷射驅動電流 為9mA 時，我們成功驗證一個10-Gbps 的無錯誤訊號傳輸(Error-Free)。經由實 驗量測證實，本論文所提出的三維光學網路可用以實現一個高速傳輸且低功耗的 晶片等級光學連接模組。