光通訊方法概論

在整個光通訊產業發展的過程當中，主要有三種技術可以成為光通訊網路的解決方案，第一個就是以常見之各種光通訊元件為核心的全光(All Fiber)技術，也有人稱之為FO(Fiber Optical)；第二個是利用機械結構與製程將光通訊元件微小化的微機電(Micro-electrical Mechanical System;MEMS)技術，也有人稱之為MO(Micro-Optical)；第三個主要是將光通訊元件積體化，成為光學積體電路的平面光波電路(Planner Lightwave Current;PLC)技術，也有人稱之為IO(Integrate Optical)。三種技術各有優點，也有各自的發展障礙。

全光纖技術:

第一種全光纖技術的概念是發展以光纖等元件為主的光通訊系統。換言之就是利用光纖、光耦合器、光連接器等元件結合成為我們所需要的光通訊網路。其優勢在於發展時間長，技術相對成熟，各種產品的發展也已經有許多廠商的投入。但是它的缺點就是每一種需求都需要一種元件，產品種類太多，造成網路設置不易控制，生產也不容易改良成為全自動生產的生產線。

微機電技術:

第二種技術是最近相當熱門的微機電技術。它的概念是利用半導體製程，製作出一系列超微小型機械結構，例如齒輪、輪軸甚至馬達等等。優點就是在光通訊網路當中，不需要不斷將光訊號轉換成為電訊號，進而提昇了系統的穩定性。此外，微機電元件的連接方式是直接利用一系列的透鏡與反射鏡，讓光訊號在各元件間做傳遞，因此也不需要利用傳統的耦合方式(如燒熔)，將各種元件連接，因為只要一次連接，就會造成訊號的損失(Lose)。而更有意義的是，因為它是利用半導體製程，所以產品量產可能性大幅提高。但是缺點就是因為它的體積小，所以不適合用原來成熟的製程技術與材料，所有產品必須重新開發，而且正因為它是利用半導體製程，所有的元件都跟細菌一樣大，所以成品的穩定性受到更嚴苛的考驗。而微機電除了可以應用在光通訊上，也可以應用在生物技術上，所以許多微機電研發計劃同時發展各種領域的應用。在國內外，現在少有商品化產品出現。華新麗華的微機電工廠將於2001年9月份於楊梅落成啟用。

半導體製程技術

《圖一》

第三種方法也是利用半導體製程，生產一系列光通訊產品。而與微機電系統不同之處是微機電是純粹的機械結構，而光學積體電路不僅是機械結構，它可能是利用某種光波導路(Waveguide)，將光訊號做適當的處理，與積體電路(IC)相當類似，所以才被稱之為平面光波電路。它的優勢是可能被大量生產，而且元件體積最小，不僅預期生產成本更低，也因為它超越了純粹的機械結構，所以產品表現也會更好。缺點與微機電技術類似，發展時間較短，大部分材料與生產技術都不成熟，還有待進一步的研究與開發。但是在DWDM等產品上，已經有許多利用平面光波電路技術的產品正在銷售當中。亞銳、光炬、上詮、鴻海與旺錸都計劃要投入這個的領域，但目前實際推出產品的公司則相當少。工業技術研究院在這三種技術方面都已經投入許多研究能量，相信假以時日對我國整體產業競爭力的提昇，必然產生相當程度的助益。

光通訊元件簡介

整個光通訊系統當中包括了各種光通訊元件，許多機構對於光通訊元件的分類大多以主動元件與被動元件的二分法為主，分類的依據則是元件作用時，外界有無需要供給能量。所以，需要輸入電流的發光源、摻鉺光纖放大器等元件被歸類在主動元件，不需要輸入能量就可以發揮作用的光纖、光耦合器或光隔絕器等被歸類在被動元件。但是如果採取這樣的分類方法，會讓某些特定元件無法被歸類到任何一類，例如摻鉺光纖放大器當中的摻鉺光纖，它是摻雜了一些鉺元素的光纖，應該被歸類在被動元件，但是如果要它發揮放大的作用，必須要注入以雷射為主的能量，這樣一來又符合了主動元件的要件。在此建議參考電子零組件的分類方式，將光通訊元件區分為光主動元件、光被動元件、光機構元件與光功能元件等五類。而由於光通訊產業的特性，另外獨立一個分類：次系統元件。

《圖二》

「次系統元件」:

「次系統元件」並非由材料直接加工獲得，而是需要組合許多元件之後，整體才能發揮作用。它包含了光放大器(Er-Doping Fiber Amplifier)、光加減多工器(Optical Add-Drop Multiplexing)、波長多工器(Wave Division Multiplexing)與光收發模組(Transceiver)等元件。每一種元件都使用了許多同樣的元件。如果我們看波長多工器，可以發現所使用的元件包括了合分波裝置的薄膜(Thin Film Filter)、光纖光柵(Fiber Bragg Grating)或平面光波導(Array Waveguide Grating)。而光放大器則包括了高功率的雷射(Pump Laser)與特殊光纖(如摻鉺光纖等)等兩個主要的元件。至於光收發模組則有光發射器(Transmitter)、光接收器(Receiver)與其他IC元件等。除此之外，不論是光放大器、加減多工器、波長多工器與光收發模組，都需要連接器或印刷電路板等等的機構元件。這些元件組合起來才能發揮應有的功能。

其他四種光通訊元件

所謂「主動元件」乃指在電路中由外部獲得能量供給時，可以發揮放大、振盪、整流等主動機能的零組件，包含了光衰減器(Attenuator)、光調變器(Modulator)與特殊光纖。「被動元件」則是其本身無法參與電子運動，而需藉由補充、連結主動元件而運作的零組件，如光纖(Optical Fiber)、光纜(Optical Cable)、光纖光柵、光波導、準直器(Collimator)、薄膜、光耦合器(Coupler)、光隔絕器(Isolator)與光循環器(Circulator)等。「功能元件」是指用以產生電氣、機械或磁氣訊號，及彼此間變換之轉換器等零組件而言，例如光發射器與光接收器等等。「機構元件」則為一種輔助性零組件，可以發揮主動、被動與功能元件的特性，如光連接器(Connector)與光切換器(Switch)屬之。

在此要強調，分類方法終究只是為了研究方便，原本不需太過贅述，但是各研究機構公佈數據的時候，會因為定義的不同而造成結果有所不同，例如：某研究機構公佈我國「主動元件」的年產值就有可能與另一個研究機構所公佈的主動元件年產值不同，這是我們引用研究資料時必須特別小心的，必須了解其定義方式與包含種類。

三種光通訊方法下的DWDM

早期光通訊發展的時候，利用一特定波長光線代表一種資訊。但是光纖只能同時通過一束光源，頻寬終究有不夠的一天，所以人們又想到利用合波與分波的概念，讓一段光纖當中可以同時通過數道光源，就可以代表數種資料，光纖的頻寬也就可以在瞬間擴增數倍。所謂分波的概念簡單的說就如同太陽光的白色光線可以被三菱鏡分成紅、橙、黃、綠、藍、靛與紫七種波長的光線。合波則是把七種資料，分別用七種波長的光線代表，混合後就成為一道如同太陽光一般的白色光線。在這個時候，白色光線可以經由光纖順利傳遞到遠方，到達目的地後再利用三菱鏡分開還原成為七道光線，如此一來就可以達成頻寬擴充七倍的效果。而我們常常在商品展覽上面聽到某廠商的DWDM有16個Channel，代表的就是該產品可以將光線區分成為16種波長，換言之就是將光纖原有的頻寬擴充成為16倍。

在DWDM所扮演的角色最主要就是訊號的分離與合成。基於這樣的需求，目前有許多方案可以滿足這樣的需求，主要幾種方案包括了薄膜(Thin Film)(圖一)，光纖光柵(Fiber Bragg Gratting)、平面光波導(Array Waveguide)(圖二)與微機電式(圖三)。四種所具備的特性與元件各自不同。一般薄膜式的DWDM生產技術較簡單，價格也比較低廉，但是產品的表現比其他兩種差，只能用在100GHz以上的Channel Spaceing與16個channel以下的產品。光纖光柵的生產技術屬於專利需要授權，加上必須搭配光迴旋器使用，所以價格也比較高。平面光波導的技術企圖利用平面光波電路技術，將元件製作成為一種平面光波導，可以開發出通道數相當多的產品，2001年3月Alcatel就推出了256個channel的產品。

我國光通訊廠商的發展契機

我國光通訊產業在發展過程當中，先從進入障礙較低的被動元件著手，之後才切入主動元件領域。產值也從1998年的1億6千萬美元成長到2000年的3億美元，預期2004年將會成長到6億9千萬美元。雖然成長快速，但是我國業者也面臨到幾個發展問題，第一、在低附加價值產品方面，大陸人工費用低廉，基礎科學人才充沛，許多生產高勞力密集產品如光耦合器的廠商，已將生產基地轉移到大陸。第二，在關鍵零組件方面，日本長期以來掌握了許多關鍵零組件，如漸變式透鏡(Grin Lens)與套圈等，雖然我國已有業者能夠生產部分關鍵零組件，但整體壓力仍然存在。第三，在次系統元件方面，北美地區技術領先，不斷開發出表現更優異的產品，對我國元件規格的品質要求日益增加，但價格卻不斷要求降價，對我國廠商的生產管理形成挑戰。我國光通訊產業應當要藉著引進北美模組技術以及日本關鍵零組件技術，快速擴充成為生產線，先利用我國優異的生產管理能力提昇品質、提昇良率並降低生產成本，而後再到中國大陸設置生產基地擴大產能，如此才能夠在全球光通訊供應鏈當中扮演重要的技術轉運與運籌管理地位，提昇我國產業競爭力，開創另一個光電產業的新契機。

《圖三》