TWI510005B - 用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器，尤指涉及一種操作在玻色-愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation,BEC)狀態下之被動式光中繼器，特別係指控制由熱態極子(thermal polariton)至凝聚態極子(condensed polariton)之相轉變，讓信號整體控制在極子熱分解溫度、極子非線性飽和密度與共振腔長度所圍成之耦合區間內之BEC之狀態下，使原本之多模雷射信號轉換成單模雷射信號輸出者。
在乙太網路中，由於實體線路之限制，兩端點間最多僅能傳送100公尺遠之距離，因此要對兩端點間例如本端主機與遠端主機之連接，或者係對多個乙太網路之接連時，常常需要增設中繼器(Repeater)來維持訊號之傳送以維持網路連線之連續。
一般習知技術係採用數位信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)作為中繼器，如第4圖所示，其利用DSP將多模光纖輸入信號作數位信號處理，將複雜之多模光纖信號轉換成近乎單模光纖信號輸出，惟其缺點係相當耗電且成本較高，導致無法加以量產並使用於資料中心之光學鏈結系統。故，一般習用
者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種操作在BEC狀態下，控制由熱態極子至凝聚態極子之相轉變，讓信號整體控制在極子熱分解溫度、極子非線性飽和密度與共振腔長度所圍成之耦合區間內之BEC之狀態下，使原本之多模雷射信號轉換成單模雷射信號輸出之被動式光中繼器。
本發明之次要目的係在於，提供一種使用極子雷射而可達成高效、高速且便宜之資料中心光學鏈結技術，可使傳輸之信號幾乎沒有犧牲任何信號之品質。
為達以上之目的，本發明係一種用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器，係包括一垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)，用以產生一多模雷射信號，該多模雷射信號並發射入一第一多模光纖內；一中繼器(Repeater)，係經由該第一多模光纖與該垂直共振腔面射型雷射連接，用以轉換自該垂直共振腔面射型雷射所發射且傳播通過該第一多模光纖之多模雷射信號為一單模雷射信號，該單模雷射信號並發射入一第二多模光纖內；以及一光偵測器(Photo Detector,PD)，係經由該第二多模光纖與該中繼器連接，用以感測該單模雷射信號。
於本發明上述實施例中，該第一多模光纖與該中繼器之間更具有一第一透鏡，使該第一多模光纖經過該第一透鏡聚焦後，耦合到該中繼器，再透過一第二透鏡轉出至該第二多模光纖。
於本發明上述實施例中，該第二透鏡與該第二多模光纖之間更具有一光柵，使其經過該光柵轉換光路徑來調整光訊號時間軸上長度後，再透過一第三透鏡轉出至該第二多模光纖。
於本發明上述實施例中，該中繼器係具有一微共振腔結構，其包括一基板；以及一極子共振腔(Polariton Cavity)，係具p-n接面(p-n junction)之結構，包含一設置於該基板上之第一布拉格反射鏡，該第一布拉格反射鏡包含數對交替鍍層；一設置於該第一布拉格反射鏡上之半波長(λ/2)腔體；一設置於該半波長腔體上之第二布拉格反射鏡，該第二布拉格反射鏡包含數對交替鍍層；及數個分佈設置於該第一布拉格反射鏡上、該半波長腔體上與該第二布拉格反射鏡上之量子井；其中，該多模雷射信號係以45°角輸入至該微共振腔結構，經過該極子共振腔可使該多模雷射信號轉換為該單模雷射信號並由該微共振腔結構正面反射輸出。
於本發明上述實施例中，該極子共振腔係以鄰近該基板之最底部鍍層為n+摻雜層，以相對該最底部鍍層之最頂部鍍層為p+摻雜層。
於本發明上述實施例中，該極子共振腔係以鄰近該基板之最底部鍍層為p+摻雜層，以相對該最底部鍍層之最頂部鍍層為n+摻雜層。
於本發明上述實施例中，該第一、二布拉格反射鏡係包含交替鍍有多層砷化鋁(AlAs)層與砷化鋁鎵(GaAlAs)層，構成數對交替鍍層。
於本發明上述實施例中，該半波長腔體係包含鍍有多層AlAs層。
於本發明上述實施例中，該量子井為多片式量子井結構，係從氮化銦鎵(InGaN)量子井、氮化鋁鎵(AlGaN)量子井、GaAlAs量子井、砷化鎵(GaAs)量子井、及砷化銦鎵(InGaAs)量子井中中擇其一。
於本發明上述實施例中，該中繼器係為被動式中繼器，係使用BEC將多模雷射信號轉換成單模雷射信號。
於本發明上述實施例中，該中繼器係控制由熱態極子至凝聚態極子之相轉變，讓信號整體控制在極子熱分解溫度、極子非線性飽和密度與共振腔長度所圍成之耦合區間內之BEC之狀態下，使原本之多模雷射信號轉換成單模雷射信號輸出。
1‧‧‧垂直共振腔面射型雷射
11‧‧‧第一多模光纖
12‧‧‧第二多模光纖內
13‧‧‧第一透鏡
14‧‧‧第二透鏡
15‧‧‧光柵
16‧‧‧第三透鏡
2‧‧‧中繼器
21‧‧‧基板
22‧‧‧極子共振腔
221‧‧‧第一布拉格反射鏡
2211‧‧‧交替鍍層
222‧‧‧半波長腔體
223‧‧‧第二布拉格反射鏡
2231‧‧‧交替鍍層
224‧‧‧量子井
3‧‧‧光偵測器
4a‧‧‧實線
4b、4c‧‧‧虛線
第1圖，係本發明用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器結構示意圖。
第2圖，係本發明中繼器之微共振腔結構示意圖。
第3圖，係本發明之極子相變示意圖。
第4圖，係習知技術採用數位信號處理器作為中繼元件之示意圖。
請參閱『第1圖』所示，係本發明用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器結構示意圖。如圖所示：本發明係一種用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器，係包括一垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)1、一中
繼器(Repeater)2、及一光偵測器(Photo Detector,PD)3所構成。
上述所提之垂直共振腔面射型雷射1係用以產生一多模雷射信號，該多模雷射信號並發射入一第一多模光纖11內。
該中繼器2係經由該第一多模光纖11與該垂直共振腔面射型雷射1連接，用以轉換自該垂直共振腔面射型雷射1所發射且傳播通過該第一多模光纖11之多模雷射信號為一單模雷射信號，該單模雷射信號並發射入一第二多模光纖內12。
該光偵測器3係經由該第二多模光纖12與該中繼器2連接，用以感測該單模雷射信號。
上述第一多模光纖11與該中繼器2之間更具有一第一透鏡13，使該第一多模光纖11經過該第一透鏡13聚焦後，耦合到該中繼器2，再透過一第二透鏡14轉出至該第二多模光纖12；若光路徑中間需要轉彎來調整光訊號時間軸上長度，則僅需配置一光柵15再經過一第三透鏡16後，耦合到後面需要接續之第二多模光纖12再輸出至該光偵測器3。
如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器。
請參閱『第2圖』所示，係本發明中繼器之微共振腔結構示意圖。如圖所示：上述中繼器2係具有一微共振腔結構，於一具體實施例中，其包括一基板21，於該基板上21具有一p-n接面(p-n junction)結構之極子共振腔(Polariton Cavity)22，該極子共振腔22包含一設置於該基板21上之第一布拉格反射
鏡221，該第一布拉格反射鏡221包含交替鍍有多層砷化鋁(AlAs)層與砷化鋁鎵(GaAlAs)層，構成數對四分之一波長(λ/4)之GaAlAs/AlAs交替鍍層2211；一設置於該第一布拉格反射鏡221上之半波長(λ/2)腔體222，其包含鍍有多層AlAs層；一設置於該半波長腔體222上之第二布拉格反射鏡223，該第二布拉格反射鏡223包含交替鍍有多層砷化鋁層與砷化鋁鎵層，構成數對λ/4波長之GaAlAs/AlAs交替鍍層2231；及數個分佈設置於該第一布拉格反射鏡221上、該半波長腔體222上與該第二布拉格反射鏡223上之量子井224，該量子井224為多片式量子井結構，係從氮化銦鎵(InGaN)量子井、氮化鋁鎵(AlGaN)量子井、GaAlAs量子井、砷化鎵(GaAs)量子井、及砷化銦鎵(InGaAs)量子井中中擇其一，本實施例中係以三層四片GaAs量子井為例。
上述極子共振腔22係以鄰近該基板21之最底部鍍層為n+摻雜層，以相對該最底部鍍層之最頂部鍍層為p+摻雜層(如本實施例)；亦或，可以鄰近該基板21之最底部鍍層為p+摻雜層，以相對該最底部鍍層之最頂部鍍層為n+摻雜層。
當運用時，多模雷射信號係以45°角輸入至該微共振腔結構，經過該極子共振腔22可使該該多模雷射信號轉換為單模雷射信號並由該微共振腔結構正面反射輸出。
請參閱『第3圖』所示，係本發明之極子相變示意圖。如圖所示：本發明所提之中繼器係為被動式中繼器，係使用玻色-愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation,BEC)將多模雷射信號轉換成單模雷射信號，其結構之極子相變圖如圖所示。固體曲線
標記從熱態極子(thermal polariton)至凝聚態極子(condensed polariton)之相轉變，圖中垂直虛線表示極子熱分解溫度；水平虛線表示極子非線性飽和密度；實線則為共振腔長度。在假設每一反節點有四片量子井之情況下，以共振腔長度大於4 λ0/nc之實線4a與虛線4b、4c為例，在水平虛線4b以下之極子非線性飽和密度與垂直虛線4c以左之極子熱分解溫度，以及共振腔長度大於4 λ0/nc之實線4a以上所圍成之耦合區，即為達成操作在BEC狀態下之條件，藉以控制由熱態極子至凝聚態極子之相轉變，讓信號整體控制在極子熱分解溫度、極子非線性飽和密度與共振腔長度所圍成之耦合區間內之BEC之狀態下，使原本之多模雷射信號轉換成單模雷射信號輸出。
藉此，通過本發明簡單之共振腔體設計指標後，可讓系統進入非常強耦合區，從而進一步增加波長(λ)，降低下極子之能量(ELP)，並減少激子元件之Hopfield係數(α)。實際結果顯著地提高在以GaAs為基礎之光學微共振腔之激子極子之飽和度與熱解離極限，因此在室溫極子凝聚之觀察變得容易。
綜上所述，本發明係一種用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器，可有效改善習用之種種缺點，係操作在玻色-愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation,BEC)狀態下，控制由熱態極子(thermal polariton)至凝聚態極子(condensed polariton)之相轉變，讓信號整體控制在極子熱分解溫度、極子非線性飽和密度與共振腔長度所圍成之耦合區間內之BEC之狀態下，使原本之多模雷射信號轉換成單模雷射信號輸出，藉此提供使用極子雷射而可達成高效、高速且便宜之資料中心光學鏈結技術，可使傳
輸之信號幾乎沒有犧牲任何信號之品質，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧垂直共振腔面射型雷射
11‧‧‧第一多模光纖
12‧‧‧第二多模光纖內
13‧‧‧第一透鏡
14‧‧‧第二透鏡
15‧‧‧光柵
16‧‧‧第三透鏡
2‧‧‧中繼器
3‧‧‧光偵測器
Claims (9)
- 一種用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器，係包括：一垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)，用以產生一多模雷射信號，該多模雷射信號並發射入一第一多模光纖內；一中繼器(Repeater)，係經由該第一多模光纖與該垂直共振腔面射型雷射連接，用以轉換自該垂直共振腔面射型雷射所發射且傳播通過該第一多模光纖之多模雷射信號為一單模雷射信號，該單模雷射信號並發射入一第二多模光纖內；以及一光偵測器(Phot Detector,PD)，係經由該第二多模光纖與該中繼器連接，用以感測該單模雷射信號；其中，該第一多模光纖與該中繼器之間更具有一第一透鏡，使該第一多模光纖經過該第一透鏡聚焦後，耦合到該中繼器，再透過一第二透鏡轉出至該第二多模光纖。
- 依申請專利範圍第2項所述之用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器，其中，該第二透鏡與該第二多模光纖之間更具有一光柵，使其經過該光柵轉換光路徑來調整光訊號時間軸上長度後，再透過一第三透鏡轉出至該第二多模光纖。
- 依申請專利範圍第1項所述之用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器，其中，該中繼器係具有一微共振腔結構，其包括：一基板；以及一極子共振腔(Polariton Cavity)，係具p-n接面( p-njunction)之結構，包含一設置於該基板上之第一布拉格反射鏡，該第一布拉格反射鏡包含數對交替鍍層；一設置於該第一布拉格反射鏡上之半波長(λ/2)腔體；一設置於該半波長腔體上之第二布拉格反射鏡，該第二布拉格反射鏡包含數對交替鍍層；及數個分佈設置於該第一布拉格反射鏡上、該半波長腔體上與該第二布拉格反射鏡上之量子井；其中，該多模雷射信號係以45°角輸入至該微共振腔結構，經過該極子共振腔可使該多模雷射信號轉換為該單模雷射信號並由該微共振腔結構正面反射輸出。
- 依申請專利範圍第3項所述之用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器，其中，該極子共振腔係以鄰近該基板之最底部鍍層為n+摻雜層，以相對該最底部鍍層之最頂部鍍層為p+摻雜層。
- 依申請專利範圍第3項所述之用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器，其中，該極子共振腔係以鄰近該基板之最底部鍍層為p+摻雜層，以相對該最底部鍍層之最頂部鍍層為n+摻雜層。
- 依申請專利範圍第3項所述之用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器，其中，該第一、二布拉格反射鏡係包含交替鍍有多層砷化鋁(AlAs)層與砷化鋁鎵(GaAlAs)層，構成數對交替鍍層。
- 依申請專利範圍第3項所述之用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器，其中，該半波長腔體係包含鍍有多層AlAs層。
- 依申請專利範圍第3項所述之用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器，其中，該量子井為多片式量子井結構，係從氮化銦鎵(InGaN)量子井、氮化鋁鎵(AlGaN)量子井、GaAlAs量子井、砷化鎵(GaAs)量子井、及砷化銦鎵(InGaAs)量子井中中擇其一。
- 依申請專利範圍第1項所述之用於多模態光纖通訊之被動式光中繼器，其中，該中繼器係為被動式中繼器，係使用玻色-愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation,BEC)將多模雷射信號轉換成單模雷射信號。
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