光纖通信的重要性

由於光纖的超高頻寬，低損耗及不受電磁波干擾的特性，使得光纖通信已成為有線通信的主流，也是未來發展的趨勢。近年來，不論是企業界或個人對於網際網路的依賴都愈來愈高，龐大且複雜的重要資訊都必須透過電腦來處理、儲存和傳送，而如此快速成長的資訊量必須更仰賴高速光纖網路，才能解決網路頻寬不足的問題。在未來的光纖到家(Fiber-To-The-Home,FTTH)及光纖到社區(Fiber-To-The-Curb,FTTC)等資訊網路的需求將逐漸的普遍化，而光纖通信相關產品也將有著更廣大的市場。當然，可以高速調變的雷射二極體(Laser Diode,LD)及高速響應的光二極體(Photo Diode,PD)技術的迅速進展(圖一)，更使得光纖通信必成為可快速傳輸龐大資訊量的最佳選擇。

《圖一　雷射二極體及光二極體在光纖通訊中扮演高速調變角色》

光纖通信的關鍵零組件

任一光纖通信系統的終端所處理的都是電信號，因此，在發射端必須有一個光傳輸模組(Optical Transmitter Module,TX)將電信號轉換成光信號並耦合入光纖內傳輸，當光信號到達接收端後，經由光接收模組(Optical Receiver Module,RX)將光信號轉換成電信號。所以，任一光纖通信的端點都必須包含一對光傳輸和光接收模組以負責信號的發射(電轉光)和接收(光轉電)，當然，在光信號經由光纖的傳輸過程中，有時候也需要做適當的分光、光信號的取出和加入及放大等安排。

由以上可知，光纖通信的關鍵性零組件可概分成主動元組件(如光傳輸和接收模組)，功能元件(如光調變器、光開關切換器、光纖放大器等)及被動元件(如光纖、光纖接頭、光耦合器、光分波合波器等)三大類。其中，在任何光纖通信系統上屬絕對必要之組件有光纖、光纖接頭及光傳輸－接收模組。

光纖通信主動元組件的分類

光傳輸－接收模組可依傳輸信號的種類分成類比(Analog)與數位(Digital)兩類，亦可依用途分成：

1.長途通信(Telecommunication)：

如同步光纖網路(SONET)標準，其常用的有OC-3的155Mb/S，OC-12的622Mb/S，OC-48的2.5Gb/S及OC-192的10Gb/S)。

2.數據通信(Data Communication)：

適用於電腦通信網路，如125Mb/S的光纖分散式數據介面(Fiber Distributed Data Interface, FDDI)和1Gb/S的超高速乙太網路(Ethernet)。

3.影音傳輸：

適用於閉路電視(CCTV)的10MHZ及有線電視(CATV)的550MHZ。

光傳輸－接收模組因信號種類、用途、傳輸距離和成本的考慮等，在元件材料、電路設計、機構設計、製作流程及測試條件等均有不一樣的選擇考量，如光傳輸模組內光源的選擇有LED、FP LD、VCSEL LD與DFB LD，光接收模組內光偵測器可選擇Si或InGaAs材料及PIN或PIN-TIA或APD的結構，在與光纖聯結的部份可選擇單模光纖(SMF)或多模光纖(MMF)之接頭式(Receptacle)或引線式(Pigtail)，對於機構外體可選擇金屬或塑膠。

研製光纖通信主動元組件之考量

在研製光傳輸－接收模組時，通常可分成光學組件、電路組件，模組機構及模組測試等部份，以下將分別做簡要的說明：

元件的選擇：

原則上為了使用上的方便及成本的考量(圖二)，在光源部份若可以用LED的則不用LD，在偵測器部份可以用PIN的則不用APD；通常在小於2公里以內的區域網路，若傳輸速率約在100Mb/S，則可以選用LED；若是1Gb/S的超高速乙太網路，則可選用850nm VCSEL LD配合MMF；對於遠距離和高速率者，可選擇1310nm FP LD或1550nm DFB LD。一般光偵測器都選用PIN和前級放大器做在一起的PIN-TIA，以期光接收模組有較好的特性。

《圖二　降低成本將成為台灣發展光纖通訊主動元件的契機》

光學組件(OSA,Optical Subassembly)：

不論是LD、LED和PIN的晶粒(Chip)並不能夠直接的使用，通常必須先做固定和打線(Wire Bonding)後才能提供電信號，而且必須進一步做精密的光學對準和構裝，才能夠確保光源的光功率很有效率的耦合進入光纖內，以便進行傳送，而光纖端的光功率也要很有效率的耦合到光偵測器上。為了得到一個穩定的耦合效率及使用上的方便，通常製作成易於和光纖結合的接頭式或引線式模組，在製作LD和SMF間的模組時，因為其橫向容忍度(Transverse Tolerance)小於±2μm，因此，在經過0.1um解析度平移台的對準後，必須採用雷射焊接來做固定，而對於VCSEL、LED和PIN與MMF間的模組，因為橫向的容忍度頗大，所以在對準後就可用膠(Epoxy)來進行固定。

電路組件與模組構裝：

類比傳輸－接收模組考慮的重點在於工作範圍內有很好的線性反應及信號雜訊比，而數位傳輸－接收模組即在於經傳輸後，在接收端有正確的數據信號(0或1)，即誤碼率(Bit Error Rate,BER)愈低愈好。在傳輸模組通常會做自動光功率和溫度的控制，而接收模組則會有前級和後級放大器及自動增益控制等。

光傳輸－接收模組的構裝，在頻率愈高時必須做好線路阻抗匹配、電磁波干擾避免及注意接地是否良好，通常可以使用多層板以達較好的接地與阻抗匹配控制。另外，光學組件與電路組件間的接腳焊接時，接腳不宜太長，並避免焊接時形成的雜散電容。

光電特性測試

下文將對接頭式、引線式的LD、和PIN及數位傳輸－接收模組中比較重要的光電特性測試項目做簡單的說明。

(1)接頭式／引線式雷射二極體：

(a)追蹤誤差(Tracking Error)：LD本身一直是在自動光功率控制下工作，所以其輸出光功率是固定的，此時去量測不同的溫度(-40℃~+85℃)下之光纖端的輸出功率，並與25℃時之光功率相比較，若有超過±10%的誤差，即表示光學組件構裝時出了問題，這是驗證接頭式和引線式模組製程技術的最直接方式。

(b)光功率－驅動電流曲線(L-I Curve)：給予LD的電流由0逐漸增加，每次增加0.25mA，測量對應於各驅動電流之光纖端的輸出光功率，即可繪出L-I曲線，由此曲線上可以得知臨界電流(Threshold Current)及是否有Kink的現象，此現象對類比傳輸的影響非常重要。

(C)上升時間和下降時間(Rise Time And Fall Time)：給予LD一個脈衝電流，而看光波的脈波波形之振幅由達到穩定後之最大值之10%增加到90%所需之時間稱為上升時間，由90%降至10%所需時間稱為下降時間，此參數決定了LD的最高調變速率。

(2)接頭式和引線式光二極體：

(a)響應性曲線(Responsivity Curve)：給予PIN的光功率由小逐漸加大，則可看出光功率(mw)轉換成電流(mA)的比例，亦可看出其線性度和飽和功率。

(b)暗電流(Dark Current)：沒有入射光時，給予PIN逆向5V偏壓，側其逆向電流值即為暗電流，此值會限制了PIN的敏感性(Sensitivity)。

(C)上升時間和下降時間：給予PIN一個光脈波，由其電流的脈波波形可以得到上升和下降時間，此值決定了PIN的最高反應速率。

(3)數位傳輸－接收模組：

(a)眼圖(Eye Pattern)測試：此項測試可表現出模組信號波形之上升時間、下降時間、相閃(Jitter)、消光比(Extinction Ratio)及是否合乎標準規範之圖罩(Mask)範圍標準。

(b)靈敏度、誤碼率和傳輸速率(Data Rate)測試：針對光接收模組的光電特性，最重要的測試項目是靈敏度，它是光接收模組所能感測的最小入射光強度。此特性必須指明在何種傳輸速率及造成何種程度誤碼率下，才是完整而有意義的描述。

光纖通信的發展趨勢

由於網際網路的日益普及，使得人們對高速的寬頻網路的需求日益殷切，尤其是對光纖到家更是充滿了期待，但是在人們享受高速和寬頻的網路時，他們也希望這會是普遍化和低價的網路，也是人人皆享受得起的高品質服務，因此，光纖通信的技術發展就是朝著人類的願望：高速、寬頻、普遍化和低廉的方向。一般而言，舖設光纖是光纖通信最重要的成本之一，在不用新舖設光纖下，光纖通信業者和研發人員提議了一些做法。

更高速的光傳輸－接收模組技術

如Gb/S的Ethernet Tx/Rx及SONET OC-48，和OC-192的2.5Gb/S和10Gb/S Tx/Rx，前者採用VCSEL，而後者選用DFB LD並做溫度控制和反射光的隔離，在LD的調變上利用電吸收調變(Electro Absorption Modulation)及外調式的電光調變器(Electro-Optical Modulator)，但是，愈高速的Tx/Rx問題愈多，製作愈困難，成本也愈高，且總會有個速率的極限，以目前的國外廠商技術大多集中在2.5Gb/S和10Gb/S Tx/Rx上(圖三)。

《圖三　國內廠商將可推出更高速讀2.5Gbps光傳接模組》

高密度光分波合波器系統(DWDM System)

光纖的頻寬是相當大的，而在一般的光纖通信系統中並未好好善用光纖的超大頻寬特性，在發展中的DWDM系統，是將波長在1550nm附近且各波長間只有微小差異的數個光傳輸模組，經由DWDM混合後進入同一條光纖來傳送，到達目的地後再由DWDM將各個不同波長的光信號分開至相對應的光接收模組上。若每個TX的傳輸速率是2.5GB/S，則8個通道(Channel)的DWDM將可傳20Gb/S的速率，而用DWDM系統來提高傳輸速率和容量的方式，可以不用新舖光纖，又可以不必發展困難度甚高的超高速光傳輸－接收模組，可說是符合高速、寬頻和低價的最有潛力的通信系統。(本文作者現任職前鼎光電總經理)