^〇〇5vV4 Λ 6 Π 6 經濟部屮央楛準局Μ工消费合作社印31 五、發明説明（3 ) 本發明僳有關於時鐘信號之摘取，尤指從數位光信號 中摘取時鐘信號。 在返回至零（RZ)之编碼中，编碼信號頻譜在時鐘信號 頻率處包括有一強的峯值。然後可濾波此時鐘信號頻率， 並將其結果整流，而完成時鐘信號之摘取。可是，此過程 包含了把倍號轉換成電子的形式，因此最好能利用光學裝 置摘取時鐘信號頻率。 在下一値世紀的第一値十年，要求之寬頻服務（例如， 高品質數據傳送，高傳真電視，和視訊會議），其電信網 路也許要求要有T位元/秒之操作容量。期望能合乎這容 量需求，曽提議使用金光學或“透通”網路，此種網路使 用高速光時間分割多工（OTDM)或波長分割多工（WDM),以達 到有高速之數據傳輸率。透通光網路替續進行著光交換和 路由，以維持發訊和目地節點間路徑之透通。 一透通光網路，也許位於“同步數位分级（SDH)”的 最上電子交換運送層之上。在透通光網路上的話務（ traffic)和交換蓮送層之間同步，因此要求透通光網路能 和SDH相容。欲完成此，例如，可在中間網路節點上使用 光交換，此光交換需從輸入的話務中取出一時鐘同步信號 ,此同步信號亦使用於OTDM糸統通道中的解多工。 此網路亦需支援很廣範圍的服務，其位元速率從 1 Ο Ο Μ位元/秒（例如視訊）到多個G位元/秒（例如多工數 據）。欲維持這網路的透通，因此所使用的時鐘信號摘取 技術必須對位元速率有彈性。 (請先閲讀背而之注意事項#填窍本頁) 裝- 訂· 線- 本紙5S•尺度边用中因囷家標準（CHS) Τ 規怙（210 X 297公:«：) 3 81. 6. 10,000?5： (1!) 2004 Λ 6 Π 6 經濟部中央榣準局ex工消赀合作社印lii 五、發明説明（4 ) 在傳输糸統中，一般使用電子時鐘信號恢復電路，傳 统技術使用電子濾波於習知檢測電路。例如，也許使用高 Q電子濾波器，以摘取在所接收資料調變頻譜的時鐘信號 分量。但若缺少了可調諧窄帶通電子濾波器，則將引起電 子上的“瓶頸”進入到透通網路的其它方面。假如調變頻 譜不包含時鐘信號分量，像是非返回至零（NRZ)格式的資 料，那麼需産生一附加之電子非線性。在透通光網路結構 中，電子時鐘信號恢復技術的缺點是位元率卺敏度，因此 需要光信號分接，如此會引起功率損失，而且亦須使用在 寬頻帶電子裝置中。 對於全光學時鐘信號摘取的方法，尤其是時鐘信號頻 率可在整艏寬頻範圍内調整，是極為有用的。 本發明僳基於使用自脈動半導體雷射。這裝置是習知 的，在裝置内利用自Q-開關引起自脈動，利用可飽和吸收 區域耦合著高增益區域所引起的不穩定而發生。對發射脈 衝重覆率的控制，偽利用變化一 2 -區域裝置的任一區域之 電流，並且發現該變化大約是按1/變化。在應用物理， 第58卷，编號4, PP1689-1692(1985),名稱為“半導體雷 射之自維持脈衝和雙穩定性之條件”一文中，M Ueno和R Lang已經顯示，由理論分析可知，自脈衝只發生在載子壽 命時間的某些比率，rg/re，和徹分增益（5gs/ Sn)( δ g a / δ n),其中下註標“ g ”和“ a ”傜分別指增益和吸 收區域，“ S ”是指材料增益（或損失），而“ η ”是載子密 度。一般來說，脈衝只發生當載子壽命時間比，r r a (請先閲讀背而之辻意亊項#塡寫本頁) 裝· 訂_ 線· 本紙張尺度逍用中SH家標準（CNS)T4規格（210x297公没） ^ 81. 6 . 10,000^ (II) 200574 A β Η 6 經濟部屮央榀準扃β工消仲合作社印製 五、發明説明（5 ) ，為高時。由於高奧格（Auger)傜數將減低在高載子密度 增益區域的載子壽命因此InGaAsP材料是很難製成的 Ο 在電子書信，第24卷，第23號，1426-1427頁（1988)， 名稱為“使用1.5/in自脈動多電極DFB LD之全光學時序摘 取”的論文中，M Jinno和T Matsumoto已證實，對於相對 地低資料速率光時鐘信號的摘取，可使用自脈動雷射二極 體（SP-LD)為之。SP-LD的脈動頻率，利用改變加到此其中 —區域的電流，可變化大約10MHZ。 為證明時鐘信號恢復，他們使用接近200M位元/秒的 RZ資料，注人大約25 0 WV的光資料進人SP-LD中。他們對 輸入資料型樣所完成的時鐘信號恢復，可高達7個連續的 零。他們注意到，在多個GHZ操作情況下，將損失自脈動， 因為在裝置的增益區域，載子密度變得如此高，所以後續 減低壽命時間.將減低載子壽命時間比率rs/ ra。 於此複雜地區，自脈動受到gs/ ga和rs/ ra的影饗。增 加反向偏壓以控制增益比亦增加不飽和吸收，和增加s a。 這二値效應趨向於移動一裝置，脱離自脈動區域進入雙穩 定區域，而獲得較弱的脈動。 在本發明實施例，不僅克服了上述Jinno所指出的問 題，而且亦有其它的重大優點。 本發明的目的，係提供使用於光時鐘信號摘取之設備 和方法，使能在相對地高輸入資料速率情況下操作。 本發明提供一半導體雷射二極體，該二極體使用於操 (請先閱讀背而之辻意事項孙填窍本頁) 裝· 線. 本紙張尺度边用中a Η家標準（CNS) Τ4規格（210x297公:¢) 5 81. 6. 10,000fit (II) 1Ϊ00574 Λ 6 Ιϊ 6 經濟部屮央榀準，局β工消货合作社印虹 五、發明説明（6 ) 作高信號位元率之光時鐘信號摘取糸統中。此雷射二極塍 包含一自脈動裝置，該裝置具有可飽和吸收的區域繙合於 相對地高增益的區域。在可飽和吸收區域的載子赛命時間 要較在增益區域的載子赛命時間為短。 較有利的是，在可飽和吸收區域的載子壽命時間，相 對於在增益區域的載子壽命時間，可選擇地降低。 最好，利用選擇性的摻雜質擴散進入吸收區域，來達 成在可飽和吸收區域載子壽命時間的選擇性減低。欲達成 該選擇性的減低載子壽命時間，一種成份可成功使用的選 擇性摻雜質，例如Ζη摻雜質，已獲得實現。Ζη離子當成無 放射再結合之中心，如此即可減低載子壽命時間。方便地 ，雜質的選擇性擴散，偽由出現在裝置的活性靥之雜質來 實施，而不在活性層和一 η-倒與裝置相電子接觸之間之裝 置材料來實施。 雖然此效應以前已見於其它文章中，但它有一痼缺點 。本發明的一待點是能獲知SP-LD在高頻操作下的用處。 尤其，已確知選擇滲雜質只能在吸收區域實施，而此概念 已證實很有用。的確，已發現本發明之一實施例能提供強 的脈動，其頻率範圍延伸從大约3GHZ到包含之5.2GHZ。 雖然過去已使用分配迴饋（DFB)雷射二搔體於時鐘信 號的摘取，因為它們的單一模式輸出，並且雖然法布里-珀羅（Fabry-Perot)裝置一般地没有如本文中所期望的單 一模式輸出，然實際上已發現，使用法布里-珀羅裝置在 時鐘信號摘取上沒有太大的問題。在本發明的實施例，法 本紙尺度边用中困國家楳準（CNS)T4規格（210X297公没） g 81. 6. 10,000¾ (Π) (請先閲請背而之注意事項孙填寫木頁) 裝. ν?τ* 線_ j〇0o74 經濟部屮央標準局β工消赀合作社印製 五、發明説明（7 ) 布里-珀羅裝置的输出，一旦鎖定到一掴輸入光時鐘信號 分量，一般地是在一單一主要槙式。法布里-珀羅亦有優 點，係相較之於DFB裝置，它們相對地容易製造。因此， 最好此雷射二極體包含一法布里-珀羅結構。 應注意到，在本申請案中，把法布里-珀羅裝置成為 利用在裝置結構上的一個面，提供至少一個大比率的光迴 饋到一個雷射空腔裝置。此裝置相反於DFB裝置，於該DFB 裝置中提供一値大比率的光迴饋於使用中裝置之光放射路 徑的長度上，例如利用在習知DFB裝置常用的光柵來提供。 一般來說，本發明實施例偽適合於任何具有意義之時 鐘信號分量，例如RZ數據之數據操作。 在較佳實施例中，雷射二極體具有至少5GHZ的自脈動 頻率。 最好，雷射二極體進而包含須率控制裝置，使用於二 極體的自脈動頻率控制，俾使自脈動頻率可控制在一頻率 範圍内變化。頻率控制裝置，可包含供應至二極體增益區 域的可變增益電流。 最好，二極體的整體長度範圍從250Wb到500wm,而 其可飽和吸收區域的長度範圍從25« m到40wm。在較佳實 施例中，二極體的整體長度是500μπ»,可飽和吸收區域的 整體長度是25以111,而該頻率範圍至少包括從3.2〇}^到5.2 GHZ範圍。於另一實施例中，二極體的整體長度是250«m, 可飽和吸收區域的長度是40a/ m,並且該頻率範圍至少包 括從0.8GHZ到3.5GHZ的範圍。最好，頻率範圍包含至少 (請先間讀背而之注意事項#项寫本頁) 木紙张尺度边用中国國家標準（CNS) Τ4規格（210x297公设) 7 81. ti.〗〇,〇〇〇張（Π) 經濟部屮央榀準局β工消份合作社印製 ij〇0〇?4 Λ6 _ Π 6_ 五、發明説明（8) 1GHZ的頻率改變量，若能至少有2GHZ則更好。 最好，雷射二極體包括一値具有直接帶隙，例如 InGaAsP之III-V成份的活性層。 本發明亦提供一値光時鐘信號摘取糸统，該糸統包含 一自脈動雷射二極體，它的輸出脈動速率，將鎖定一輸入 資料信號於此時鐘信號分量的有效頻率範圍内的時鐘信號 分量。這範圍延伸到相對地高頻率，其中雷射二極體偽如 上述所定義者。最好，該範圍延伸到5GHZ或更高的頻率。 此糸統亦能使用操作於具有有效之時鐘信號分量之數位光 輸入資料上。 本發明進一步提供一値光信號處理糸統，用以處理具 有時鐘信號分量之光信號。這条统包括使用於輸入至少一 部份的光信號至光時鐘信號摘取裝置之機構，和用於輸入 光時鐘信號摘取裝置的時鐘信號輸出，和至少一部份的光 信號，到一値光信號處理裝置之機構，而該光信號處理裝 置係利用該時鐘信號輸出的裝置處理該光信號。其中光時 鐘信號摘取裝置，係利用上述之雷射二極體所構成。 最好，時鐘信號輸出組合著該至少一部份的光信號， 並且該組合信號供給至一光門檻裝置。 在本發明實施例，可能使用一光電裝置，從一數位光 信號摘取一時鐘信號頻率。該時鐘信號頻率不僅在先前已 經做過的200或300MHZ的相對低重覆速率範圍，並且甚至 可在5GHZ或更高的重覆速率範圍。此意味著全光學時鐘信 號摘取，能在5G位元/秒或甚至於更高的資料速率範圍實 (請先閲讀背而之注意苹項孙埙寫木頁) 本紙尺度遑用中Η困家標準（CNS) ΤΜ規格（210x29’/公；«：) 8 81. 6. 10,000¾ (Η) 1Ϊ00574 Λ 6 Π 6 經濟部中央榣準局员工消设合作社印製 五、發明説明（9 ) 施。這時鐘信號摘取設備能應用於未來之全光學高容量網 路。 本發明的實施例顯示出相當令人驚訝的良好操作特性 。例如，成功的時鐘信號摘取所需之輸人信號功率，在輸 入信號連續“零”上只需要穩定的lOwv,可比較於在實 際上所期望的30或31連續的M零”。如此之“零”的數目 在實際輸入信號，例如一個0TD Μ信號資料中很有可能出現 0 對本發明特定實施例之良好操作待徽，列示之如下： i)操作快於習知裝置25倍； Π)所需之輸入光信號功率為習知裝置的1/10; iii) 可操作於更廣的波長範圍； iv) 較佳之時鐘信號吸光比； v) 較大之時鐘信號功率； vi) 較大之極性不逛敏度； v i i )可在長“零”列操作；和 viii)能操作於從0.8GHZ到包含5.2GHZ的任何時鐘信 號頻率範圍。 根據本發明實施例之全光學時鐘信號摘取技術，可應 用於全光學和光電再生器，以及未來的多個G位元/秒光 海底和陸上網路之交換同步。 現在將以一個全光學時鐘信號恢復糸統，當成本發明 的實施例說明，並請參考圖式；其中： 圖1係時鐘信號恢復糸統，連接到錯誤測試設備之方 (請先閲讀背而之注意亊項#塥寫本頁) 裝. 本紙张尺度逍用中a困家標準（CNS)1?1!規格（210x297公让) 9 81. 6. 10,000?*： (!!) ij〇0574 Λ 6 Π 6
經濟部屮央標準而貝工消赀合作社印M 五、發明説明（10) 塊圖； 圖2係顯示一値適合使用於圖1条統的SP-LD,在自 脈動頻率、增益電流和溫度之間的關偽圖； 圖3像以具有和不具有光輸人到SP-LD,在該SP-LD輸 出的光檢測後所測量的比率頻譜。 _4顯示當鎖定一 5G位元/秒光輸入，在有效地高於 第3圖的頻率解析度所測量之SP-LD的輸出線寬； 圖5和圖6係當利用一値光示波器所測量之SP-LD的 輸入光資料列，和輸出脈衝列的取樣； 圔7係SP-LD之脈衝寬度和吸光比率的變化，做為增 益電流的函數； 圔8偽SP-LD光輸出的射頻（RF)頻譜，使用於鎖定操 作，並且剛超過鎖定的限值； 圖9傜無光學輸入信號之SP-LD輸出的光頻譜； 圖10係參考之輸入資料流的波長頻譜； - 圖11a和圖lib係當鎖住輸入信號，在二不同波長解析 度下，SP-LD輸出的波長頻譜； 圖12偽SP-LD時鐘信號出比較於發送器時鐘信號之 位元錯誤曲線的比較； 圖13像於20KHZ頻率範圍内，SP-LD輸出的RF頻譜之相 位雜訊； 圖14偽SP-LD輸出的RF頻譜，使用於包括不同數目的 連續“零”之資料輸人信號； 圖15像如圖14所示之相同RF頻譜，但中心在圖14所示 10 (請先閲讀背而之注意事項再填寫本頁) 裝- 線_ 本紙法尺度边用中國S家標準（CNS)TM規tM210x297公坺） 81. 6. 10,000張（!ί) ^00574 A 6 Η 6 經潦部中央榀準灼β工消仲合作杜印51 五、發明説明（1 h 時鐘信號頻率的第四値諧波上； 圖16偽SP-LD的示意結構圖，使用於圖1的時鐘信號 恢復条統； 画17像圖示從20G位元/秒0TDM輸人信號摘取5GHZ時 鐘信號情形； 圖18係以具有和不具有圖17的20G位元/秒0TDM輸入 信號之SP-LD輸出RF頻譜； 圖19像相等於圔17的配置，但為非返回至零(NRZ)之 資料同步SP-LD脈動； 圖20偽使用於産生一時鐘信號分量在HRZ資料的調變 頻譜，並且産生短光學時鐘信號脈衝同步於資料之實驗設 備的示意圖； 圖21a到圖21d偽分別顯示圖20的設備，NRZ光學輸入 資料，NL0A光學輸出，從SP-LD輸出和電子時鐘信號輸入 到位元錯誤比率接收器； 画22a和22b係分別顯示對圖20的設備，在NL0A輸出， 比較該輸出於輸入資料頻譜的時鐘信號分量之RF調變頻譜 上的测量，和SP-LD輪出之RF頻譜，所示脈動頻率的光學 引出掃描； 圖23係顯示對圖20的設備，以具有無光學輸入SP-LD 的偏壓電流，和在不同波長具有-12.2d Bm的輸入光功率之 自脈動頻率的變化； 圖24係顯示對圖20的設備，使用從型樣（pattern)産 生器時鐘信號，或從已接收資料的摘取光時鐘信號所産生 11 本紙张尺度逍用中围囷家榣準（CNS)TM規格（210x297公犮） 81. 6.】0,000張（H) (請先閲讀背而之注意事項#蜞寫木頁) 200j74 Λ 6 Η 6 經濟部中央榀準而β工消伢合作社印奴 五、發明説明（l2) 的同步信號，以及測量在輸入功率改變到光接收器之位元 錯誤比率； 圖25俱本發明的時鐘信號恢復条统，其能使用於全光 學信號處理。 在本說明書中參考了 RF頻譜，此參考為光學信號，例 如SP-LD的輸出，已輸入到具有電子輸出的光二極體，這 轉換SP-LD輸出成為基帶RF電子信號。相關光信號對於直 接撿測和記錄而言，一般有太高的頻率。另一方面，基帶 RF頻譜，尤其當轉換SP-LD輸出，具有5GHZ的較高頻率， 和有代表相關可能之THz光頻率的“包絡線”。 為容易瞭解起見，應注意到在圖1所示的光路徑是利 用雙線標示，而電子路徑則用單線標示。 參考圖示，圖1傜使用光學時鐘信號摘取裝置的一般 配置，其中在路徑9上的資料信號，被分成為5G位元/秒 接收器使用於接收和/或處理此資料之信號，和時鐘信號 摘取路徑11,使用於摘取接牧器使用的時鐘信號。時鐘摘 取路徑11終止於時鐘信號摘取糸統18,該時鐘信號摘取糸 統1 8只是‘‘看到”在路徑1 1上的輸入資料信號，並且在輸 出路徑19上産生光時鐘信號輸出。時鐘信號摘取糸統18, 包括具有增益區域2和吸收區域3的SP-LD1。電流輸入4, 供應增益電流Ig,提供至增益區域2,和SP-LD1, —般地 具有法布里-珀羅結構，以光輸入面5在第一端連接增益 區域2,並且在另一端的光輸出面6相連接吸收區域3。在 SP-LD1上利用在金屬P -電極層上的間隙14,分離增益和吸 12 本紙尺度边用中a困家標準（CNS) τ 4規格（210x297公:ϋ：) 81. 6. 10,000^ (II) (請先閲讀背而之注意苹項#塡窍木页) 200574 Λ 6 Η 6 經濟部中央榣準局月工消伢合作杜印製 五、發明説明（1 3) 收區域2, 3(至少大部份看得出來）。SP-LD1的結構請參考 下文圖16中之更詳細說明。 典型地偏壓增益區域2大於70mA,以提供增益，並且 SP-LD使用成無反向，亦即為了便於將Ρ-接觸（分隔）在最 上面。 SP-LD1操作從數位光學輸人信號，摘取5GHZ時鐘信號 ，利用透鏡端光纖所構成的路徑11來相猪合。 輸入信號能攜帶不同型式之資料，RZ或NRZ,但需包 括某種有效的用SP-LD1摘取之時鐘信號分量。在本實施例 中，輸入信號包括一個5G位元/秒光學RZ資料信號。此輸 入信號利用發送器單元7産生，而此發送器單元7由分離 時鐘信號8所控制，並且産生20G位元/秒的OTDM RZ資料 於路徑9上。此OTDM RZ資料利用鋰鈮解多工器10解多工， 以産生5 G位元/秒資料信號，而部份信號然後耦合進入路 徑1 1。 發送器單元7於20G位元/秒，産生20PS長光脈衝， 製成4個5G位元/秒0TDM通道。鋰鈮解多工器10,用光學 方法選用其中一値5G位元/秒通道，以驅動由5G位元/秒 電子時鐘信號所驅動使用之鋰鈮調變器。更詳細之發送器 和解多工器說明，可從題為“200位元/秒，2 0 5公里0了01< 傳輸条統”之電子書信第27卷第11號第973-974頁（1991), 由作者G.E. Wickens et al所寫的論文中發現到。 解多工光資料信號的資料部份傳輸到接收器12,在正 常操作下，信號在使用SP-LD1的時鐘信號輸出處理之前， 13 本紙张尺度通用中國S家標準（CNS) 1M規格（210X297公：y：) 8]. 6. 10,000¾ (II) (請先間讀背而之注意事項洱填筠木頁) 裝· 訂 線- 經濟部中央#準，A工消"合作社印31 200574 五、發明説明（14) 將放大和轉換成為電子形式。但是，在圖1所示之配置中 ,SP-LD1的輸出，像經由光檢測器15和放大器16,而替代 供應至錯誤速率測試器13。放大器16具有6GHZ的頻寬限制 ,以轉換5GHZ時鐘信號輸出從SP-LD1成為使用於錯誤速率 測試器1 3之正弦波。 5 G位元/秒光學資料信號，被分路於時鐘信號摘取路 徑11和使用3dB光纖耦合器（未顯示）的資料路徑25。主要 信號經由光衰減器17到達5G位元/秒接收器12,該接收器 12輸出電子形式的資料信號到錯誤速率測試器13。該電子 資料信號亦使用一電子時鐘信號摘取裝置26,産生5GHZ電 子時鐘信號，以驅動解多工器10。 如圖1所示之信號産生，接收和測試組件操作為一般 之習知型式，而於此不做進一步的詳細說明。但是，光時 鐘信號摘取条統18的操作，對本發明實施例非常重要，尤 其SP-LD1的操作待性更是重要。因此於下文中將做更詳細 的說明。 從二進位資料信號，SP-LD1摘取時鐘信號。而該二進 位資料信號為産生之可想像成連鑕R Z資料“ 1 ”連繽列的 輸出脈衝列。這機制是S P - L D 1自脈動頻率，受到在資料倍 號輸入的時鐘信號分量所控制。 參考圖2和圖3, SP-LD1的輸出脈衝頻率，由在電流 輸入4之增益電流Ig加到增益區域2,和由裝置的溫度， 由吸收偏壓和在路徑11上的任何光輸入信號而受到影響。 參考圖2，在缺少光信號之下，增加增益電流Ig將增加SP- 14 本紙張尺度逍用中® S家標準（CNS)TM規tft(21〇x297公犮） 81. 6. 10,000张（II) (請先閱讀背而之注意事項#蜞寫本頁) 裝- 線_ 200574
Λ fi Η G 經濟部屮央榀準局S工消许合作社印製 五、發明説明（15) LD1的自脈動頻率。可以看到，在171C,具有無偏壓吸收 區域3之單一裝置的自脈動頻率，當Ig增加從90mA到200mA 時，其頻率範圍大約從3.25GHZ到大約5.2GHZ。 圖2亦顯示，SP-LD1的自脈動頻率相當地受到裝置溫 度的影逛。因此，在17TC的裝置溫度，於增益電流Ig剛超 過170mA,自脈動頻率達到5GHZ。但是，在30.5C的溫度， 相同之增益電流Ig,則頻率會下降到大约3.8GHZ。 画3非常清楚地顯示，SP-LD1的輸出脈動頻率，鎖定 到光輸入信號的5GHZ時鐘信號分量處。第一曲線31顯示沒 有光輸人信號之SP-LD輸出，而第二曲線32顯示，在SP-LD 輸入路徑11上，當鎖定10/iV 5G位元/秒輸入時之SP-LD 輸出。在圖3所示之SP-LD輸出所測量的二値狀況，係以 5GHZ為中心，於100MHZ RF頻譜範圍内之輸出功率。 能清楚看到，使用於未鎖定輸出的第一曲線31，雖然 一般地以5 G Η Z為中心，頻率從它的中心部份展開更寛於第 二曲線32，其顯示在5GHZ處有一很強，很窄的時鐘信號分 量。在鎖定條件下，在SP-LD輸出時鐘信號分量和背景位 準間有3 0 d Β的對比功率位準，這相遇在如圖3所示之明顯 肩部33。在未鎖定條件下，輸出曲線31顯示一値廣的5GHZ 共振，該共振於全寬度的一半寬度，大約5MHZ處為最大（ FVHM)〇 圖4顯示在鎖定SP-LD輸出32的時鐘信號分量34用較 好之頻率解析度時之頻率展開。這指出5GHZ時鐘信號分量 34的3dB RF電子頻寬，如圖3所示者，只有10HZ,但事賁 15 本紙張尺度边用中a Η家诈準（CNS) 規IM210X297公没） 81. 6, 10,000張（Π) (請先閲讀背而之注意事項补填寫木页) 裝. 線- 經濟部中央標準局β工消伢合作社印製 λ C) _ 1? 6 五、發明説明（1 6) 上這是受了測量所使用的分析儀的解析度所限制。這指示 出一値有效的振盪器Q,使用於鎖定時鐘信號輸出，更優 於 5 X 108〇 所産生之光時鐘信號34在電子領域上，如發送器單元 7 —樣具有接近之相同的頻譜純度。但是，所表現的相對 強度雜訊，低頻率相位雜訊和澍發-自發性放射雜訊會增 加雜訊層（floor),而於頻譜中産生一台形（pedestal)。 再參考圖3,注意到相關於一個大約1000的有效振盪 器Q, SP-LD1的未鎖定時鐘信號輸出31的品質。 圖5和圖6像說明脈衝寬度而不是脈衝重覆次數。在 SP-LD輸入路徑11上，使用具有平均功率大約10iiV的光輸 入信號。此輸入信號波長調整相同於SP-LD的法布里-拍羅 模式大約在1.56wm。光輸入信號由外部調變，模式-鎖定 半導體雷射二極體所提供，並且包含於5G位元/秒下， 27-1 RZ資料注入於SP-LD1的增益區域2。所出現之輸入光 資料，同步於SP-LD1的自脈動至資料時鐘信號速率。並且 圖5和圖6分別顯示用光示波器測量之輸入光資料列到S P -LD和輸出脈衝列之樣例。 輸入信號波長與法布里-珀羅模式相一致並非是最主 要的，但是假如不如此，則一般地需要增加功率輸入。但 是，當信號通過SP-LD1時，信號一定會獲得增益。 鎖定輸入資料於S P - L D 1 ,最小測量脈衝寬度，如圔6 所示以在半最大值（FWHM),大約是50PS,之全寬度表示， 具有大約15dB的吸光比率，以及大約有InW的平均功率在 16 本紙张尺度通用中SS家樣準（CNS〉甲4規格（210x297公犮） 81. 6. 10,000¾ (H) (請先閲讀背而之注意事項#堝寫木頁) Λ 6 η 6 經濟部屮央標準局β工消舟合作社印？^ 五、發明説明（17) 輸出路徑19的光織上。圖5顯示在輸入信號上連績“1” 之間分離亦是200PS,但每一値“1”的FWHM只有大約20PS Ο 圖5和圖6清楚地顯示了 SP-LD1作為時鐘信號恢復裝置 時之操作。於圖5所示之輸入信號，很清楚地顯示了資料 列包含有“零”和“ 1 ”二者，而圖6所示輸出信號，很清 楚地顯示了規則之序列輸出脈衝，其如圖5所示以連纊“ 1 ”的間隔分開。 圖7傜SP-LD輸出脈衝能鎖定到輸人時鐘信號速率之 頻率範圍。圖2顯示當裝置溫度大約171C,而增益電流Ig 的範圍從170mA到175mA時之SP-LD1的自脈動頻率是5GHZ。 圖7顯示，變換SP-LD1的增益區域2之增益電流Ig,則將變 換自然自脈動頻率。因此，對於光輸入到SP-LD1平均功率 ΙΟ/iV的5G位元/秒資料信號（SP-LD1的溫度雒持在17它）， 輸出脈衝寬度71和吸光比率72是增益電流Ig的函數，可以 看到其為可使用地窄和可使用地大，並且大略地恆定停留 在僅僅從大約171mA到大約176mA之電流範圍内。在此範圍 外，則不能說S P - L D 1的輸出脈衝同步於輸入信號的時鐘信 號速率。 參考圖8, SP-LD輸出在三豳不同Ig值之時間平均RF頻 譜，顯示在吸光比率下降剛超過鎖定的限值，亦即剛在相 對於圖7所提及的範圍之外。圖8亦顯示，背景RF頻譜在 不同增益電流Ig,於不同的頻率而非於時鐘信號頻率，在 這些高和低增益電流，當受到SP-LD1的自然自脈動頻率之 本紙尺度边用中a困家標準（CHS)TM規格（210x297公没） ι γ 81. 6. 10,0005¾ (i!) (請先閲讀背而之注悉事項#蜞窵木頁) 經濟部屮央榀準，而:工消伢合作社印51 Λ 6 _ Π 6_ 五、發明説明（1§ 影鬱，再次開始主控制時之偏移待性。 尤其，可以看出由於提昇背景RF頻譜上之80, 81於 170mA和174mA,其相對於背景RF頻譜82的增益電流Ig 173.5fflA,吸光比率下降亦能了解到在每痼頻率頻譜80, 81之於170mA和177mA,背景被偏移朝向5GHZ時鐘信號位置 的側邊，在該位置於缺少光輸入情況下，此特定增益電流 將使得S P - L D 1發射脈衝。 在圔8,對於在增益電流Ig 170mA和177mA時之RF頻譜 80, 81, SP-LD輸出不足以同步輸入，以完成可接受鎖定 到輸入R Z時鐘信號資料。 應注意，所測量鎖定範圍，以S P - L D 1的自然自脈動頻 率和輸入時鐘信號頻率間頻率徹分表示，當使用功率10ww 的輸入信號時，大約是50MHZ,或大約為輸入時鐘信號頻 率的1%。增加輸入信號的功率將增加頻率範圍，此範圍 係SP-LD1的輸出能鎖定到時鐘信號頻率。 光輸入信號到S P - L D 1的極性狀態變化，將獲致在S P -LD輸出同步之損失，或改變輸出時鐘信號功率。因此，同 步機制似手對極性不卺敏，至少在相關的輸入波長是如此 。選擇後者參數大約為1.56Wm，相一致於SP-LD1的法布 里-ffi羅模式。 希望使用與不同之法布里-珀羅楔式相一致的輸入波 長，將不影鎏這極性不靈敏度。 圖9 、 10和11,顯示SP-LD1的光頻譜特性，以表示當 鎖定或不鎖定輸入信號時之輸出脈衝波長分佈。如圔9所 18 本紙張尺度逍用中囷租家標準（以5)〒4規格（210x297公没） 81. 6. 10,000¾ (II) (請先間-背而之注意亊項#塥寫木頁) Λ 6 Π 6 經濟部屮央櫺準而β工消伢合作社印製 五、發明説明（1 g) 示，SP-LD1的輸出，當缺少任何輸入信號之自脈動時，包 含一序列的實質相等振幅之法布里-珀羅模式91。圖10所 示，到SP-LD1之輸入脈衝包含一波長峰值92，其中心頻率 相一致於SP-LD的法布里-珀羅楔式之一。圖11所示，SP-LD1的輸出，當鎖定到一値輸入信號，其包括如圖1〇所示 的一列脈衝，很清楚地具有一很主要的模式93,有趣的是 ,其不一致於輸入脈衝的中心波長。SP-LD1的其它法布里 -珀羅模式的振幅在鎖定情況下，相較之於圖9,大約是一 半。因此平均功率仍然固定，邊模式壓抑鑫6dB。（圖11a 和lib僅僅顯示相同的現象，亦即在SP-LD1鎖定輸出之主 要模式，在不同的波長解析度）。 使用圖1的配置，如上所述，實施測試評估全光學時 鐘信號恢復条統的錯誤率。因此，注入具有平均功率10 « W的5 G位元/秒光R Z資料，進入S P - L D 1 ,而獲得輸出脈 衝列，此列在5GHZ的重覆頻率下大約有50PS光脈衝。不同 之輸入資料型樣能嘗試以建立是否時鐘信號摘取糸統仍保 持同步於長字串的“零”資料時鐘信號。尤其，虛擬-隨 機-位元-序列（PRBS)資料型樣包含有27-1和231-1序列， 能分別地使用。 圖14和15顯示對於毎痼注人資料型樣，SP-LD輸出信 號的輸出脈衝RF頻譜。（圖14和15是相同結果曲線的有效 不同部份，圖14的中心在頻譜5GHZ處，而画15的中心在第 四諧波20GHZ處，每圖顯示二個重疊之資料型樣結果。 (請先閲請背而之注意事項再蜞寫木页) 本紙法尺度边用中®困家標準（CNS)T 4規格（210x297公浞） 81. 6. 10t000?fc (II) 19 200^4
Λ 6 Π G 經濟部屮央榀準局员工消"合作社印^ 五、發明説明（20) 對此二個PRBS資料型樣，在5GHZ有一個強時鐘信號分 量142(參看圖14)。並且諧波，這些142之一（參看圖15)是 在20GHZ。比較每値輸出脈衝重覆頻率此二資料塱樣之結 果，可以看到在每一雜訊層140, 141,其相關於在5GHZ峰 值和第四諧波20GHZ,或5GHZ時鐘信號輸出分量142的寬度 ，沒有太大的改變。此建議SP-LD1仍鎖定於輸入時鐘信號 在較長長度的連缅輸入“零”。（注意，在發送機單元7, RF放大器驅動LiNb〇3數據調變器的截止低頻是100KHZ。此 將産生光輸入資料信號於231-1處之低頻分量失真）。 於圖14和15所示之結果，與圖4所示之在SP-LD輸出 的鎖定時鐘信號的品質相一致，其指示振盪器的有效Q因 子超過5 X 108。 欲檢査從SP-LD1輸出之光時鐘信號同步，執行27-1資 料位元錯誤比率（B E R )測量。其結果示之於圖1 2。（未顯示 在2 3 1 - 1序列的測量，由於從檢測電子的低頻截斷産生實 際困難）。 經由接收器12,從發送器單元7提供錯誤率測試器 13資料（參看圖1),該發送器單元7檢査驗證儲存之資料 型樣。圖12顯示接收器12完成一個BER範圍所需之輸入功 率。因此，錯誤率測試器13和資料發送器單元7利用相同 時鐘信號8同步，而於光接收器12的有效輸入功率内沒有 觀察之錯誤層。亦即，當如所示畫在對數軸圖時，可以看 到輸入功率和位元錯誤tb率（B E R )間有線性關傺。 當BER測試器13同步於用SP-LD1的時鐘信號輸出的光 (請先閲讀背而之注意事項再塡寫木頁) 裝· 訂* 線· 本紙5良尺度逍用中a困家標準（CNS) TM規格（210X297公没） 20 81. 6. 10,000¾ (II) 料 Λ 6 _ Η 6 五、發明説明（2 1) 檢測所獲得之電子時鐘信號，一値錯誤層出現在大約10-12 的估計BER。 擇 選 望 期 之 從 用 使 於 由 號 信 鐘 時 的 —r Dn. 約 E 大 B fsja 可達 欲 者 諝 意 此 ο 償 補 度 敏 0 器 收 接 的 B d 器 送 發 於 對 ΪΙ3 相 率 功 入 輸 之 2 1X 器 收 接 至 加 增 須 必 率 功 入 輸 之 3 11 器 試 测 R E B 於 步 同 8 號 信 鐘 時 於 而 統 条 學 光 全 之 含 包 到 用 應 能 可 亦 俊 補 率 功 此
Bm文 5d下 法 方 和 源 來 能 可 之 少 減 其 論 討 步1 進 將 中 P S 至 用 使 度 溫 置 裝 V 7 1A 在 是 線 曲 R E B 此 到 意 注 應 B 5 7 1X 是 I 流 電 益 增 之 -L瞭 rif S 明 於全 對完 未 尚 由 理 之 層 誤 錯 1X 2 11 線 曲 R E β 在 出 輸 號 信 鐘 時 在 於 由 是 乎 似 但 溫 和 械 機 上 裝 安 的 (請先閲讀背而之注意肀項再项窍木頁) 裝· 現流 發電 為益 因增 是的 這D1 L ο - P 性 S 定至 穩 ， 不是 的但 度 ο 定不 而而 況 ， 情DA 合I 耦 入 輸 着 依 約 大 化 變 0 線· 變 改 ， 的化 質養 實何 有任 上之 性性 R R E E Β B 在 會 長 成 帶 邊 之增 譜 〇 頻量 F R 分 的變 出諝 輸它 LD其 P-之 譜 頻 料 資 於 相 出 輸 該 而 在 隨 伴 係 經濟部+央槛準局Α工消许合作社印31 流 〇 電差 益偏 增許 對容 許作 允操 將之 ，大 D1較 -L有 SP具 到合 率竊 功入 入輸 輸光 加和 度 溫 置 装 並 ，這 , 的起 期間引 週瞬會 的是値 秒源二 3 來有 約的統 大誤糸 逹錯之 到示示 能表所 可這 1 作 。圖 操的在 誤發 。 錯突低 無然很 ,自率 到是生 意誤發 注錯覆 應等重 該且 且並 可 用 使 7 元 單 器 送 發 先 首 ο 源 來 擾 干 頻 低 的 發 突 誤 錯整 些調 m: 理 處Η 多 去 線 遲 延 纖 光 長 米 ο ο 3 之 解 ο 流 料 資 本紙張尺度边用中國困家標準（CNS)IM規格（210x297公龙） 11 2 81. 6. 10,000張⑻ 經濟部中央榀準局A工消"合作社印製 Λ 6<r,〇〇b < ^_ n6_ 五、發明説明（22) 多工器10的下游，時鐘信號和資料對BER测試器13的相對 路徑延遲大約是100ns。這指示出在BER测試器13的時鐘信 號，發訊於大約500位元之上流資料。因此，在發送器單 元7延遲線上之慢熱效應，能引起於接收器12上之信號和 時鐘信號的相對同步漂移。 第二個可能之錯誤原因發生在SP-LD1。已注意到，小 心控制光輸人耦合到SP-LD1是需要的，以確保在SP-LD輸 出頻譜之RF分量的良好壓抑，此頻譜相關於資料調變分量 。進入法布里-珀羅裝置之光的相位是重要的，並且受到 振動和熱效應的影蜜。振動鑼合進人“ X Y Z ”位置，和熱 對流效應，將干擾SP-LD操作並且導致錯誤。改菩SP-LD1 的包裝將大幅地減低這些效應，並且獲得較佳之時鐘信號 穩定性。 圔13顯示，時間平均SP-LD時鐘信號RF功率頻譜，從 中心峰值5GHZ時鐘输出130在頻率上具有小的移位（少於 2KHZ)。這相位雜訊131，想是由於熱和振動效應，是接收 器卺敏度補償的原因。它僅僅産生25dB壓抑，在此最好具 有40d8壓抑。 在進一步之BER實驗，使用從SP-LD輸出導出的電子時 鐘信號，以驅動解多工器10。BER測試器13同步於發送器 單元時鐘信號8。因為長的光學和電子延遲，大小為100ns ,在時鐘信號摘取和輸入到解多工器1 0之間，需小心的調 整時鐘驅動器的相位。在光缕上熱效應使得此相位漂移， 導致BER性能週期的改變。但在-19dBm的接收器輸人能完 (請先閲讀背而之注意事項洱填寫木頁) 裝_ ,?r_ 線' 本紙5艮尺度逍用中a國家樣準（CNS)T4規格（210x297公犮） 22 81. 6. 10,000¾ (II) 經濟部屮央榀準局β工消伢合作社印製 ^00αϊ4 Λ 6 _ Π 6_ 五、發明説明（2 3) 成3Χ10_8的BER,如圖12上圓圈122所示。 可使用於圔1的時鐘倍號摘取糸統之SP-LD1特定形式 ,參考圖16a和16b,於此將說明之。裝置的L-I特性曲線， 在恒定吸收器偏壓下顥示一非線性門限。這裝置所具有的 操作待性，在本申請案中極為有用。尤其，因為如此之設 計，使裝置能自脈動於高資料速率時鐘信號摘取所需的頻 率範圍，包括5GHZ大小。 一般來說，SP-LD1基於標準埋入異質結構型式的雷射 ，這製造使用金羼有機蒸發相位晶體取向附生（MOVPE)技 術，其掲露在我們的歐洲專利申諳第87308402.4號的說明 書中。但是，SP-LD1不同於該專利說明書中所掲示者，它 是一値“雙接阑”裝置，在製造期間使用選擇之鋅擴散步 驟，其製程如下： SP-LD1基於一起始平面晶圓，其结構開始於此基底， 包括： a) 採硫雜質，η -基底101,所滲雜質大約1019cm_3; b) 滲硫雜質n-InP缓衝區層102,所滲雜質3X1018 cm-3, 2/Ltm厚； c) InGaAsP (等效波長1.57/i m)的四活性層103,未滲 雜質，0.15/uai厚； d )滲鋅雜質，p - I η P層1 0 4 ,所滲雜質5 X 1 0 1 7 c m _ 3 , 0 . 1 5 w m 厚； e ) I n G a A s P (等效波長1 . 1 m )的滲鋅雜質，p -四層 105,所滲雜質 5x1017cib·3, 0.2Wm厚；和 (請先閲讀背而之注意事項朴蜴窩木頁) 本紙尺度边用中a S家楳準（CNS) Τ4規格（210x297公设) 23 81. 6. 10,0005¾ (II) 經濟部屮央#準局cx工消许合作杜印51 Λ 6 _ Π 6_ 五、發明説明（2 4 f)滲鋅雜質，p-InP層106,所滲雜質5X1017CB_3, 0 . 0 5 w m 厚。 圖16a顯示完工後之SP-LD1的橫截面示意圖，層101到 106是格子配合並且形成一台面，而圖16b顯示完工後之 SP-LD的透視示意圖。 在製造上，於進行蝕刻台面之前，使用攝影刻印和蝕 刻法沈積和完成型樣，一層1000A厚的氮化矽。然後選擇 地鋅擴散此樣品，此擴散條件係以確保鋅雜質到達活性層 103但不超過它為原則。如此可避免移動P-n接合離開活性 層103,並且可因而保存出現於装置使用時之活性層的相 對高載子密度。 這選擇的鋅擴散只發生在樣品的進入區域，以成為完 工SP-LD1的吸收區域3。 在鋅擴散步驟後，製造後續著習知程序以産生埋入異 質結構雷射，此過程後績著阻塞層108, 109的過成長平台 蝕刻，將矽放置在平台的上表面上，除去矽，以及InP和 三材料InGaAs的接觸層107, 110的第二過成長。 然後三接觸層110成為型樣，使用矽，以産生一 IOmb 寬之片延伸於平台上，並且將樣品切溝。可以是矽製之電 子絶緣材料112,在三層材料片的每一面上，沈積和完成 型樣。這矽填在樣品的切溝，此後接觸噴鍍金屬粉111， 以做成一片接觸經絶緣層112到三接觸材料110。噴鍍金屬 粉111和三接觸層110利用習知化學蝕刻技術，産生一 10⑽ 寬的間隙1 4 ,該間隙1 4 一致於鋅擴散和非鋅擴散區域，亦 2 4 本紙張尺度边用中困K家標準（CNS)〒4規怙（2丨0父297公货） 81. 6. 10,000^ (H) (請先閲讀背而之注意事項再塥寫本頁) 裝- •可 線· 經濟部屮央櫺準局β工消评合作社印製 200讲 Λ 6_ η ο_ 五、發明説明（2 5) 即在完工裝置1上吸收區域3和增益區域3之間界面。這 獲得一隔絶阻抗在二傾區域2, 3有300或350歐姆。實際上 ，在樣品上同時製造有多痼SP-LD裝置1。 這SP-LD結構包括習知的修改“二接觸雷射”。其結 構一般係如由Barnsley et al所寫的，發表於波士頓1990 年11月，名為「全光學信號處理之時鐘信號恢復条統」一 文中，有詳細的說明和討論。這裝置發送脈衝的速度，一 般為裝置的長度，和在裝置的不同區域載子的再結合時間 的函數。在相同之一般型式裝置之脈衝速度的理論性討論 ，可在應用物理期刊，1985年由M. Ueno和R. Lang所發表 的論文中找到，均可引證作為本說明書的參考。 SP-LD1的整體長度典型地大約為250到500w m範圍， 所具有吸收區域3的長度典型地為25到40m m。合適的裝 置待定實施例示之如下： 對於自脈動在0.8到3.5GHZ的頻率範圍，裝置的整體 長度接近250和500wm,但二者具有40/im的吸收區域3是 合適的。對於自脈動在3.2到5.2GHZ的頻率範圍，裝置的 整體長度接近500w m和吸收區域25« m是合適的。 應注意到，一裝置具有60Wm長的吸收區域3則不能産 生自脈動。在此型式的2 -接觸脈動之自脈動機構，係增益 區域2的光輸出，當産生雷射，漂白吸收區域3利用光子 填充它。然後吸收區域3停止吸收，成為透通，其具有增 益段2停止産生雷射的效應。這具有效應之吸收區域3返 回到未漂白狀況，它回復到它的吸收特性曲線，並且增益 〔請先閲-背而之注意事項#埙寫木頁) 裝· ,1T- 線· 本尺度边用中國困家標準（WS) Τ 4規tM210x297公龙） 25 81. 6. 10,000張（11) 經濟部中央榣準扃员工消赀合作社印^ _______Π6_ 五、發明説明（2¾ 段3再次能夠發出雷射。吸收區域3的長度影耨此方式操 作容量。假如它太短，則不能如所需求的吸收。假如吸收 區域3太長了，則裝置未能發出雷射。這可能解釋裝置具 有60/zm長的吸收區域3則不能發出雷射的原因。 在裝置設計時，應記得間隙14的動作當成吸收區域。 因此，撰擇間隙14的寬度和吸收區域3的長度，不能相互 獨自決定。 在另種製造技術上，鋅擴散可發生在較後階段。亦即 ，在磷化絪107和三層110的接阑層的過成長後。在這階段 ,氮化矽能再次用攝影刻印法沈積和成型樣，並且使樣品 鋅擴散。 在鋅擴散後，將鋅擴散期間使用的氮化矽除去。三接 觸層110蝕刻出10α m寬之片於毎個平台上，切溝此樣品， 沈積並成型樣一絶綠層112(例如矽），以産生一具有金屬 接觸層111之片接觸到SP-LD,並且在金屬和三接觸層112 之間隙14,再次蝕刻在鋅擴散和非鋅擴散區域，亦即增益 和吸收區域2 , 3間之界面相一致位置。 上述之SP-LD1，利用其中一技術所製成，能一般地用 2 -接觸來說明，未覆蓋埋入異質結構雷射二極體，其在增 益和吸收區域2 , 3之間，在p -邊電子接觸，有一間隙1 4。 但是，區別增益和吸收區域2 , 3不僅利用表現之間隙1 4 , 並且利用選擇性之只讓鋅擴散進入吸收區域3。應注意到， 此二區域2 , 3間之絶緣電阻值大約為3 5 0歐姆，要少於不 用超量鋅之2 -接觸裝置之經驗值。 (請先閲讀背而之注意事項洱蜞寫本頁) 本紙5民尺度边用中SS家標準（CNS)TM規格（210x297公没） 26 81. ti. 10,000?fc (II) 經濟部屮央榀準局貝工消货合作社印Μ Λ ίί _ΙΜ5_ 五、發明説明（2 7) 上述S P - L D 1的操作只以5 G位元/秒資料來作說明。但 是，亦能用其它的輸入信號，例如高資料速率輸入信號， 或NRZ資料輸入信號來做說明。 圖17顯示由4値5G位元/秒RZ資料流時間多工所成的 20G位元/秒RZ資料流。這資料流在調變頻譜將不具有任 何5GHZ分量。但是，這是當各個通道將5G位元/秒通道正 確地以一舾1位元週期的1/4，例如對200PS(5G位元/秒） 位元週期和振幅的50PS,以時間分隔時之僅有情況。假如 這些通道用時間來調整，如此使它們不相等地分隔，亦即 利用52, 48, 53, 47PS個別地分隔通道，或使一個通道的 振幅較其它的通道振幅為大，那麼5GHZ的分量將存在於資 料頻譜中。只要通道間之非均勻不影锻糸統，並且在接收 器給予一補償，那麼可以使用SP-LD1行全光學時鐘信號恢 復。 參考圖18,顯示使用SP-LD1在輸入資料於20G位元/ 秒，行時鐘信號摘取，顯示SP-LD輸出同步之結果（用RF格 式顯示）。如圖17所示，20G位元/秒資料流注人SP-LD1, 調整以行5GHZ操作。雖然一寛峰值出現大約5GHZ頻率，但 不具光輸入的RF頻譜180顯示無同步。具有注入資料流， RF頻譜181清楚地顯示同步。亦即，出現一個強5G Η Z分量 182。但是，SP-LD輸出的RF頻譜亦顯示其它頻率分量。 輸入資料到S Ρ - L D 1並非必須是R Ζ。但是，重要的是輸 入到S Ρ - L D應有一時鐘信號分量。雖然N R Ζ資料沒有時鐘信 號分量，但是失真的資料能在調變頻譜上獲得産生之時鐘 (請先閲請背而之注意事項孙塡窍本頁) 裝· 線. 本紙51=•尺度边用中SH家樣準（CNS)甲4規格（210X297公没) 27 81. 6. 10,000張（Κ) 經濟部屮央榀準扃ΚΧ工消费合作社印製 五、發明説明（2 8) 信號分童。因此，假如NRZ資料通經一非線性光放大器（ NL〇A),在放大器輸出的資料頻譜包含一強時鐘信號分景， 並且這注人到SP-LD1的HRZ資料信號，将同步SP-LD输出， 並因而允許時鐘信號摘取。 上述之後者效應指示於圖19之HLOA 191和SP-LD1路徑 190之間。nl〇A的效應於光子技術書信3, 9第δ32-334頁（ 1991),題為“於半導體非線性光放大器用可飽和吸收之 時鐘信號摘取"一文中有詳細的討論。 在此所提及的配置通過，其中在NRZ資料能産生強時 胃信號分量，此在我們申請的國際專利第GB91/0203號中 有詳細的說明。 欲評估如圖19所示的配置，使用如圖20所示之實驗設 備，以産生如圖21到24所示之不同效能結果。 參考圃19, NRZ資料通過經由HLOA 191,其輸出包含 一強時鐘信號分量。這输出注人到SP-LD1,該SP-LD1的輸 出同步，而給予時鐘信號摘取。從一個3.2G位元/秒NRZ 信號之光時鐘信號恢復，可能使用到NL0A 191。參考圖 21到24,現在說明實驗配置和所完成的結果。 最近提出了多種直接從光資料中摘取時鐘信號的方法 。在這些方法中，其功能僅可能由於出現在調變頻譜中之 強時鐘信號分量，即所諝之返回至零（RZ)格式頻譜。可是 在本条統中，由於要求要有較低的条統頻寬，因此使用非 返回至零（MZ)格式資料較好。真正的NRZ在它的調變頻譜 中無包含時鐘信號分量，其對於先前光摘取技術的裝置出 (請先閲讀背而之注意事項#塡寫本頁) 本紙5Ϊ：尺度逍用中aa家標毕（CNS)甲4規格（210X297公址） 81. 6. 10,000¾ (11) 28 -〇〇5^λ Λ 6 _ η 6_ 五、發明説明（29) 現一個問題。在以下說明中將證明，從一個3 . 2 G位元/秒 NRZ 1010序列産生3.2GHZ光時鐘信號。 經濟部中央標準工消伢合作社印製 (請先閲讀背而之注意事項孙塡寫木頁) 這技術使用2 -接觸非線性半導體裝置，首先，對諝變 頻譜産生一時鐘信號分量，並且然後産生同步於輸入資料 之短光學時鐘信號脈衝。這半導體裝置是標準埋入異質結 構雷射二極髏，具有大約1.55WH1的雷射波長。如圖20所 示建立實驗。光資料（參看圖21a)利用外部調變之具有 1010···3·2G位元/秒OZ資料信號的l·555MmDFB雷射 192而獲得。此信號在使用一個3dB耦合器分開之前，利用 一餌放大器193放大這信號。一資料信號經一個可變的衰 減器195進入到10G位元/秒光接收器194,因而執行位元-錯誤-比率（B E R )測量（如下說明）。其它資料信號注入到 NL0A 191(—値溫度控制半導體MQW NL0A)。此NL0A 191具 有二獨立電子接觸段。較短段（〜35wm長）偏壓成可飽和 吸收區域（I〜0.5mA)。另一値段，435/iffl長，偏®於大約 95%雷射門限值而為一增益區。在NL0A 191的光纖上游 -11.5dBm的輸人功率，傺足夠於在NL0A内飽和吸收區域， 其獲得在上昇邊緣一値強釋放瞬態（參考圖21b)。脈衝型 狀的交變給資料調變頻譜一値強時鐘信號分量。在光檢測 NL0A輸出的RF調變頻譜上測量，指示NL0A 191的時鐘分量 下游是>35dB,要強於輸人資料頻譜（參考圖22a)。NL0A 1 9 1的操作位元率從L 1 0 Μ位元/秒到〜7 . 5 G位元/秒，因 此證明這時鐘信號分量産生技術的廣頻帶性質。此經過 NL0A 191之淨光纖-光纖增益是2dB。一値3mm光帶通濾波 本紙浪尺度边用中困Η家棋準(CHS) f 4規tM210 X 297公;Ϊ) 29 81. 6. 10,000?fc (!!) 經濟部+央榀準局β工消费合作杜印¾ 〇〇5V^ Λ 6___Π_£_ 五、發明説明（30) 器196減低從NL0A 191耦合進人SP-LD1之自發放射，並且 一光隔絶器191防止二裝置間迴饋。 SP-LD1僳一値大的，具有二獨立段之埋入異質結構裝 置。但是，在這裝置1中，短吸收段未接觸，而在吸收區 域中有高位準的鋅。這鋅縮短在區域内載子赛命時間，並 且獲得在GHZ頻率之自脈動。能利用改變至增益區域之DC 偏壓電流，如圖23所示，或利用改變裝置溫度，來變化脈 動頻率。溫度控制SP-LD1偏壓電流110. 2mA,其給一値 3.075GHZ的自然自脈動頻率。當波長對準於SP-LD的法布 里-珀羅模式之一，到SP-LD1的輸人功率是-12.2dBia,並 且調整輸入極性到TE。 在這配置中，輸入光信號移此峰值釋放頻率到3.2GHZ (參看圔22b和圖23),並且從SP-LD1的輸出脈衝變成鎖定 頻率和相位到輸入資料時鐘信號頻率。由於脈動頻率相依 於偏壓電流（參考圖23),鎖定依靠著受控制於土 0.2mA的 SP-LD偏壓。它亦相依於輸入功率和信號波長。但是，利 用變化到SP-LD1的DC偏壓，在這些參數的任何小改變均能 適應。結果光學時鐘信號由< 8 5 P S之脈衝組成（參考圔2 1 c ) ，其被一個3GHZ頻寬接收器198偵收，以産生適合於同步 BER接收器199之正弦波時鐘信號（參考圖21d)。這時鐘信 號RF頻譜，顯示時鐘信號功率和背景雜訊準位之間有45dB 的功率差，其相似於RZ資料所獲得的結果。 利用改變進入光接收器194上的功率，來進行接收資 料的BER測量。使用從型樣産生器200,或從摘取光時鐘信 (請先閲請背而之注意事項再堝寫本頁) 裝· 線· 本紙法尺度边用中S國家標準（CNS)TM規格（210x297公圯) 30 81. 6. 10,000?ΜΙ1) 經濟部中央榀準局员工消伢合作社印製 五、發明説明（31 號之一餾“涫行”時鐘信號，以完成同步，而其結果如圖 24所示，顯示有二組結果。當BER接收器199同步於從型樣 産生器之時鐘信號，觀察BER變化（如圖24利用線201顯示） ，對於10~9BER有-17.8dBm之接收器蛮敏度。當BER接收器 199同步於摘取之時鐘信號（如圈24線202所示），觀测到在 接收器卺敏度有0.2dB之改進。這所觀測到的萑敏度改良， 其理由目前並不明瞭，但相信是由於使用待定的實驗設置 所引起。當BER接收器199同步使用發送器時鐘信號，資料 落後時鐘信號約〜200ns (〜640位元）。但是，當使用摘取 時鐘信號，這相對地路徑延踁只有幾痼ns而已。因此，相 闋於資料的任何不穩定性將反應到摘取時鐘信號，而不在 於發送器時鐘信號。從圖24中亦可證實，有明顯的電壓錯 誤層，在較高信號輸入功率到光接收器。這原因尚未清楚 了解，但相信主要是由於在NL0A 191和SP-LD1的溫度效醮 ,所引起的相位錯誤，該錯誤能用穩定迴饋電路來消除。 另一個考廉的重點是，是否這技術能使用真ΉΚΖ資料 。欲探究此，可利用型樣産生器200産生一値27-1虛擬隨 機光學資料序列來達成。加到SP-LD1和NL0A 191的镉壓仍 相同，並且再次有一個>30dB的增加時鐘信號分量功率， 加到NL0A的NRZ調變頻譜下游。但是，摘取光時鐘信號， 會顯示明顯的〜40PS不穩定信號，並且對於SP-LD偏壓的 誤差要求更為嚴格。在所撿測時鐘信號的RF頻譜，時鐘信 號功率和雜訊層之間有較少之不同，在調變頻譜時鐘信號 頻率的每邊具有調變分量被壓抑到只有〜20dBe相信對於 3 1 本紙張尺度边用中01因家標毕(CNS) T <1規格(210x297公龙) Λ 6 Π 6 (請先閲讀背而之注意事項#蜞寫木頁) 81. 6. 10,000張（||) 丨0〇丄 ί ^ Λ 6 η 6
經濟部中央榀準局β工消伢合作社印M 五、發明説明（3 3 不要之頻率分量的不良抑制理由，係由於輸人到SP-LD1的 信號格式。在RZ資料和光-時間-分割-多工資料，光的“ 1 ”持鑲時間相似於從S P - L D 1自然放射脈衝時間。在Ο Z格 式不是如此，並且在輸入信號長列的“1” ，由於改變相 關於高速率激發發射的載子赛命時間，因此能循環移位脈 動頻率。因此，這效應在幾値撤撤秒時間内很快的反應成 共振頻率。 此效應能在圔23中清楚地看出。圖中顯示，當CW-12.2dBm信號以不同波長注入裝置時，SP-LD1的自然自脈 動頻率。這波長相依於脈動頻率，偽由於相依於在偏壓電 流上FP模式波長。自然SP-LD脈動頻率的掃描，由於輸入 信號功率，允許在資料頻譜上其它諏變分量共振於SP-LD1 。這獲得在時鐘倍號分量和其它諝變分量間在功率上的不 良對比，因此在輸出時鐘信號脈衝産生可觀察的顫動。此 假設部份地利用觀察確認，一較大釋放暫態到HLOA輸出脈 衝（參考圖21b),將獲得SP-LD輸出的較佳同步。對於223-1型樣亦可觀察到相等量的顫動。 因為LNOA 191産生時鐘信號分量到調變頻譜，相信光 功率相依於SP-LD脈衝頻率，其阻礙具有NRZ虛擬一隨機資 料之滿意操作。需進一步鎖定SP-LD輸出。假如進一步濾 波SP-LD輸出，以確保時鐘信號分量主導，則能獲得滿意 的操作。此利用例如相鎖迴路之電子技術就能做到，但這 將消除位元率不卺敏度。另一種選擇，但是更為複雜，其 方式是串聯二個SP-LD裝置，將它們的自然脈動頻率鎖定 (請先閲讀背而之it意事項#项寫本頁)
本紙5S：尺度逍用中as家楳半（CHS)T4規格（210X2町公没） 3 2 81. 6. 10,000¾ (II) 經濟部屮央櫺準局β工消"合作社印製 五、發明説明（3 3) 在一起。第一掴SP-LD粗略地濾波從NLOA输出調變頻譜濾 出時鐘信號分量，而第二健SP-LD區別從相鄰諝變分量之 時鐘信號頻率。欲使這種配置可行，須使得SP-LD的顫動 轉換和容許誤差性能良好。這種時鐘信號摘取配置的複雜 性，可利用整合2 -接觸裝置使用被動波導技術來容易達成 〇 但是，這種配置方式明顯證明全光學時鐘信號恢復從 3.2G位元/秒NRZ 1010···資料列，使用NLOA 191以産生遣 失時鐘信號分量，然後鎖定SP-LD1的輸出。所獲得的時鐘 信號是極端地單純和穩定，並且能使用於執行B E R測量。 画25顯示根據本發明使用時鐘信號恢復条統於全光學 信號處理之情形。利用時鐘信號恢復条統的配置，在此方 式包含圖1的時鐘信號摘取条統18,耦合接收於輸入路徑 11上之部份輸入資料信號，再次如圖1所示，但它具有輸 出耦合回主要資料信號的路徑2 5。S P - L D 1和資料信號的組 合時鐘信號输出，然後輸人到一餾門限裝置203,該門限 裝置檢測從S P - L D 1的時鐘信號脈衝和資料信號的“ 1 ”之 一致性。 適合於作成門限裝置203的裝置，是NL0A,其詳細說 明於名為“使用於快速光學開關之吸收非線性半導體放大 器〃 et al所寫的論文中，該篇論文於1990年 11月5日，於美國波斯頓在SPIE討論會上，討論光學制勤 開關等所發表，這篇論文亦融入於我們申請的國際專利第 GB91/02030號說明書中。 本紙5fc尺度逍用中8困家標準（[吣）114規格（210乂297公龙） 3 3 81. 6 . 10,000?)fc (I!) (請先閲讀背而之注意事項孙埸寫木頁) 經濟部屮央櫺準局β工消伢合作社印製 〇〇5、·η Λ 6 __Η 6_ 五、發明説明（34) 很明顯地，能使用SP-LD從在5G位元/秒資料速率的 光RZ資料中，産生同步光時鐘信號。所産生之光時鐘倍號 是穩定的，並且27-1和231-1的PRBS型樣獲得完全相同的 •信號。使用摘取時鐘信號的BER测量，當較之於使用糸統 發送器時鐘倍號8之測量，顯示有〇.5dB的超接收器蚕敏 度補償。但是，在測量上有明顯的雜訊層，並且BER依靠 锅合至SP-LD1的光輸入和增益電流Ig而定。相信這錯誤層 是慢熱效應和振動效應的结果。SP-LD1的良好包裝應對消 除此效應有幫助。 因為從上述型式的雷射二極體之自脈動頻率，能利用 簡單改變到增益區域2的DC電流來調整，而且可能容易且 快速地變換時鐘信號恢復電路的共振頻率。這是一個理想 的能操作多位元-速率之網路。其它之滲雜質二段雷射二 極體己發現其自脈動頻率從0.8GHZ到3.5GHZ。因此，在理 論上，此種雷射二極擇能作為時鐘信號恢復單元，操作於 完全頻率範圍從0.8GHZ到至少5.2GHZ。雷射結構之最佳化 .例如，滲雜質準位在吸牧區域3内，將來應可獲得甚至 更高的頻率操作。 根據本發明結構之光時鐘信號恢復單元，在ODTM糸統 ,使用於同步整合光和光纖解多工技術上，亦非常有用。 本發明的重要意義為，因為光門限開關操作可高達 5 G位元/秒，並且能和本發明的光時鐘信號恢復条統相組 合，因此在頻率5G位元/秒之全光學再産生展望上變得更 為可實現。 (請先閲請背而之注意事項#塡寫本頁) 裝- 訂- 線_ 本紙張尺度边用中困困家樣準（CHS) 4規格（210 X 29·/公设） 34 81. 6. 10,000張（11) 經濟部中央榣準扃β工消费合作社印3i Λ 6 ___Π6_ 五、發明説明（3 5) 本發明的實施例清楚地顯示有肋於長途光缕傳輸糸統 之色散問題的克服，並且發現其在將來之全光學高容量網 路上的主要應用。 雖然已對一特定之2 -接觸SP-LD作了說明，但使用於 本發明實施例之此型式SP-LD仍可作一些改變。例如，也 許發現最好使用一個DFB雷射。但是，一般來說，製造DFB 裝置要較昂貴，因此期望最好使用法布里-珀羅裝置。 如上述SP-LD的一個重要觀點，即在於使用雜質，在 本實施例說明中是使用鋅，以減低在吸收區域3相關於增 益區域2之載子壽命時間。其它技術之選擇壓抑亦可使用 ，這包括例如使用質子撞擊。可是，這也許在其它方面會 發現到有缺點，例如産生缺陷。這能傳播，和能預期將減 低裝置的赛命期間。但這並不認為鋅擴散將具有一可比較 效應，至少在加到某一濃度時。 而且，如上述之一種製造技術已加以使用，可以在不 同方式實施例擴散步驟。如所述，擴散步驟的目標，傺把 鋅帶人埋入異質结構雷射二極體，到活性層的準位而不低 於該準位，這只能在裝置的吸收區域3。 裝置的鋅濃度準位將影鎏SP-LD1的使用效能，例如自 脈動頻率，此於製造裝置時尤須記住。一般地，用以産生 一値使用在根據本發明糸统之SP-LD1的製造技術，也許包 含了除上述步驟以外的其它雜質擴散步驟，但其最終的結 果都是相同的。 SP-LD1的另一値待點，它亦能改變供應至吸收區域3 (請先閲讀背而之注意事項洱塡寫本頁) 裝· 訂_ 線- 本紙ifc尺度边用中as家標準（CHS)T4規格（210x297公:¾) 35 81. 6. 10,000¾ (II) Λ 6 Β 6 經濟部中央標準局A工消伢合作社印製 五、發明説明（3 6) 和增益區域2的偏壓。此對於SP-LD1具有InGaAsP製成的 帶 而 接 ， 直 構 有 結 具 置 份 裝 成 和 -V程 IV製 的 料 適 材 合 的 何 佳 任 最 。 , 用率 此。利頻 因層能號 。性術信 要活技鐘 重這此時 不成，的 並做外高 層能此更 性皆 於 活隙 用 • ·*......................裝.....玎.· . ·線 (請先閲請背而之注意事項#填寫本頁) 本紙5fc尺度通用中因國家標準（〇«5)'?4規格（210父297公没) 36 81. (J. 10,000¾ (11)