光纤通讯元件与模组技术之最新发展趋势.docx

光纖通訊元件與模組技術之最新發展趨勢賴映杰交通大學光電所暨工研院光電所e-mail: yclaicc.nctu.edu.tw摘要隨著光纖通訊產業的蓬勃發展，新型光纖通訊元件與模組的推出也越來越多，而其中所應用的物理原理也很多采多姿。本文將隨興介紹光纖通訊關鍵元件與模組技術的一些新的發展趨勢，也會順便說明這些元件及模組裏面所運用的光學或物理原理。一、前言目前以全球而言，光通訊產業的產值已經占全球光電產業產值的1/4，與顯示器、影像相關產品、及光儲存產品鼎足而立，是光電產業的四個主要支柱。全球光電產業產值在1999年是1855億美元，所以光通訊產業目前的規模大約是接近500億美元的規模。至於在光通訊產業中，依產品或技術的層次大致可分為元件與材料、模組與構裝、設備與系統這三個層次。在圖一中我簡單列出了每個層次的一些主要技術或產品，這些技術或產品其實也正是這一兩年來全球競相發展的方向。圖一：光通訊關鍵技術與產品最近光通訊技術的發展方向還可以簡單地以圖二中的兩個趨勢來描述：圖二：光通訊技術發展趨勢在其中所謂的DWDM技術指的是在同一光纖中同時傳播多個光波長很接近（100GHZ或更小）的頻道（假定一個波長代表一個頻道）之技術，如此一來不需要增加光纖就可以把總傳輸容量一直倍增下去，這樣才有辦法滿足Internet上每9個月傳輸容量需求就增加一倍的盛況。而要充分實現及利用這種DWDM概念，就必須發展出很多新的DWDM元件、模組、及設備系統，也必須發展能夠有效管理這麼多個光波長頻道的網路管理技術，所以就有很多技術研發上的工作需要完成。在DWDM系統中所需要的關鍵元件與模組可以從圖三的示意圖中看出：圖三：DWDM系統示意圖基本上其中最主要的元件及模組包括：（1） 被動元件及模組：波長多工/解多工器、擷取器、色散補償裝置、光學開關等。（2） 主動元件及模組：DWDM光傳接模組、光放大器、可調頻/選頻光源等。最有趣的是，可以用來製作這些元件及模組的技術竟然有許多種，而且常是全新的技術，且各有優劣，所以就成了百家爭鳴，大家一起到廟會擺攤的盛況。至於在光纖區域網路及擷取網路上的應用需求則又稍有不同，在此發展的重點倒不在於DWDM的技術，因為目前多半的區域網路及擷取網路都還沒有發展到這種程度，所需的總傳輸率還不像在都會網路或傳輸網路中那麼高。譬如目前最熱門的Optical Ethernet，1Gb/s的傳輸標準早已制訂，10Gb/s標準目前正制訂中1，從這裏也可看出其實區域網路的傳輸速率已經與骨幹或傳輸網路中單一頻道的傳輸速率差不多了。對光纖區域網路及擷取網路的發展而言最關鍵的因素是成本，只有成本低到一般的使用者負擔得起才能夠廣被採用，這也是為什麼在方面大家的重點都擺在如何製作出便宜但又高速的光傳接模組上面。在以下的篇幅裏我就來根據上述的分類方式敘述一下有哪些有趣的光通訊元件及模組技術，順便也提一下其工作原理。二、光通訊被動元件及模組技術DWDM光通訊被動元件及模組中最基本的就是DWDM光波長多工/解多工器，它的功能正是要來將各種不同波長的光合併到同一光纖(多工)或分開到不同光纖(解多工)。因為DWDM的頻道間距很小(100GHz或甚至50GHz)，所以需要窄頻(narrow-band)、平頭(flat-top)、陡裙(steep-skirt)的濾波器才能勝任這種多工/解多工的任務。要製作這種波長多工/解多工器可以有多種技術可用，包括光學鍍膜、全光纖式元件、陣列光波導元件、傳統繞射式光柵等。其中光學鍍膜式的波長多工/解多工器目前仍是最成熟的技術，其架構大致如下圖所示：2圖四：光學鍍膜式DWDM波長多工/解多工器其中的關鍵元件之一是光學鍍膜式濾鏡。要製作符合DWDM要求的濾鏡，鍍膜的層數必須高達100多層，每層的厚度約1/4波長，採3個共振腔的結構來達到平頭與陡裙的要求，每層的厚度必須非常準確，所以製作中需要有即時且精準的厚度監控裝置。3第二種製作DWDM波長多工/解多工器的方法是陣列光波導元件（AWG）4，其結構如圖五中所示。其原理也非常有趣，入射光經過第一段接合處因繞射而分佈地入射於中間的陣列光波導，光經過陣列光波導傳到另一端，不同頻率的光會有不同變化率的線性相位改變，這種線性相位改變會使不同頻率的光經第二段接合處重新聚焦於輸出端的某一光波導中，其原理就像是所謂的陣列天線，輻射光的方向可以藉由控制陣列天線的線性相位變化來改變。所以如果在輸出端製作陣列波導，適當選擇波導的間距與中央陣列光波導的長度變化率即可使頻道間距為一定值的頻道剛好聚焦入射於輸出端的光波導陣列之中，從而達到DWDM多工/解多工的功能。圖五：陣列光波導元件式DWDM波長多工/解多工器第三種製作DWDM波長多工/解多工器的方法是全光纖式元件，這類元件又可分為兩大類：光纖光柵式元件及串接光纖干涉儀式元件，俱如圖六所示。圖六：光纖式DWDM元件光纖光柵元件係直接在光纖核心中直接用UV光感應出週期性折射係數光柵，透過布拉格繞射的效應可以製作出窄頻反射式濾波器。圖七：光纖光柵製作技術不過因為是在一維光纖中的反射式濾波器，所以反射光同入射光無法簡單地分開，必須使用旋光器（circulator）或是使用光纖干涉儀的架構，否則會有很大的光損耗。至於串接光纖干涉儀式元件則是直接利用串接式unbalanced Mach-Zehnder光纖干涉儀來製作具有週期性穿透頻譜的濾波器，藉由適當選擇光纖干涉儀兩臂的長度差，可以達到窄頻、平頭及陡裙的要求。而且由於Mach-Zehnder光纖干涉儀是兩個輸出端的元件，而且兩輸出端的頻譜剛好互補，所以可以來製作所謂的DWDM交錯器（Interleaver），可以用來把奇數與偶數頻道分開或合併，如此頻道間距可提高一倍，從而可使較便宜的光學鍍膜式DWDM波長多工/解多工器也可用於50GHz的頻道間距。這是因為光學鍍膜式DWDM濾鏡可達到的頻道間距到100GHz就已經很困難製造，更不用說50GHz頻道間距，利用DWDM交錯器（Interleaver）是克服這種困難的最有效方法。串接式光纖干涉儀是製作DWDM交錯器的一種可行方法而已，尚有利用串接式bulk光學干涉儀的方法，這是目前最熱門的DWDM被動元件之一。5其他可用來製作波長多工/解多工器的方法還包括利用傳統繞射光柵6、或是利用新型全像式光柵等方法，研究人員還特別針對傳統繞射光柵的架構發展出被動式溫度補償的方法，可以克服當環境溫度改變時光柵週期也會改變的困境，使得所製作出的波長多工/解多工器可以有很大的溫度工作範圍。其實前面說的全光纖式及陣列光波導元件式DWDM波長多工/解多工器也有溫度效應的問題，必須有配合的溫度補償技術才能成為實用的元件。大概只有光學鍍膜式的波長多工/解多工器可以不需要擔心溫度補償的問題，因為其溫度係數很小，不會造成困擾。這個DWDM波長多工/解多工器的例子正好驗證我一開始所說的有趣觀察，有多種技術可用來達到某一功能，而且各有優缺點（如光學鍍膜式利於小數目頻道數的應用且不需溫度補償，AWG利於大數目頻道數的應用但製作不易，全光纖式利於超窄頻道間距的應用且成本便宜，傳統繞射光柵式利於製作但體積較難縮小等），於是各家公司各有擅長，各自發展看好的技術來互相競爭。在光通訊技術中像這樣例子至少還有兩個，一個是光學開關技術，一個是色散補償技術。目前可以用來製作光學開關的技術至少有：(1)機械式；(2)光學微機電式（Optical MEMS，其中所使用的MEMS技術又可分為bulk MEMS或是surface MEMS，surface MEMS中又可有多種不同架構）；(3)光波導式（又可分為Electro-Optic LiNbO3 waveguide, Thermal- optic Silica or Polymer waveguide，Thermal- bulble Silica waveguide等多種）。7可以用來達到光色散補償的技術至少有：(1)色散補償光纖；(2)光纖光柵；(3)雙模光纖長週期光纖光柵式模態轉換器；(4)Virtual Image Array式的bulk-optic 架構。8到目前為止這些技術仍然都有公司用來發展他們的產品，雖說可能有的較成熟，有的較不成熟，但至少是互有優略，都有機會。三、光通訊主動元件及模組技術在主動元件及模組這方面，幾個最主要的發展重點包括：(1)表面輻射雷射（VESEL）技術；(2)光傳接模組技術；(3)光放大器技術；(4)可調頻或可選頻雷射。以下我就依此次序來作介紹。表面輻射雷射是光通訊用雷射光源的一種（圖八）：圖八：光通訊雷射光源發展趨勢其結構係如圖九所示，因為共振腔很短，可以達到單縱模輸出，所以可以有窄頻寬；輸出光是垂直的出射，所以可以on-wafer test；輻射光的模態較對稱，所以較易耦合進光纖；由於以上的特性，不論是元件製程或構裝的成本都較邊射型雷射為低。這也是為什麼850nm的VESEL目前幾乎完全取代邊射型雷射被用於短距離（幾百公尺）高速率（1Gb/s到10Gb/s）的資料傳輸連結。不過目前長波長VESEL（1300nm或1550nm）尚未有成熟的產品9，所以在此二通訊的波段仍以邊射型雷射（Fabry-Perot及DFB）為主。可以預期的是一但長波長VESEL技術能夠成熟，通訊波段的雷射光源應會有革命性的改變。圖九：VCSEL元件示意圖至於光傳接模組的發展趨勢則如圖十所示：圖十：光傳接模組發展趨勢要採用何種技術則是要看這個光傳接模組是要用在怎樣的系統中。有些應用（如骨幹網路）需要很高的品質（高調變速度、單頻、準確的中心波長等等），有些的應用（如optical Ethernet）則在意低成本、小體積（如Small-Form-Factor）等。目前短距離以使用LED及850nm VCSEL雷射為主，稍長距離使用1300nm FP雷射，更長距離則使用DFB雷射（1300nm或1550nm），DWDM則以1550nm DFB雷射為主。目前的光放大器技術主要仍以摻鉺光纖放大器為主，可以是在C-band，或是在L-band，可以是簡單型的單頻道光放大器模組，也可以是具備增益平坦化及動態增益控制的複雜光放大器次系統。半導體光放大器具有低成本的優點，不過因載子生命時間較短，所以非線性效應很大，不適合用來同時放大太多波長。不過到很適合來發展非線性光信號處理技術，如所謂的optical 3R技術（Re-amplication, Re-timing, Re-shaping），也就是直接在光學的層次以電子技術所難以企及的高速來直接作信號的重生。另一類光放大器則為Raman光放大器,這種光放大器是利用光纖的Raman效應來達到光放大的效果，所以需要一個高功率激發光源。其好處是光放大的波段可以由激發光源的波長來決定，且是分佈式光放大器，可以降低光纖中信號的peak intensity，從而降低信號傳輸所看到的非線性效應。不過其缺點是激發光源所需的功率頗高，所以價格還是很貴。圖十一：光放大器最後，在新型主動元件及模組這方面，目前還不是很成熟的技術要算是可調頻或可選頻雷射或模組了。目前最成熟的可調頻或可選頻雷射技術要屬利用sampled grating DBR結構之半導體雷射，這是利用兩個錯開的sampled grating DBR結構來選頻，或是利用一個sampled grating DBR結構配合垂直耦合的光波導結構來選頻或調頻。這些雷射有很快的調頻或選頻速率，不過需要同時控制多個注入電流才能精確地來達到選頻的功能。也有人正在利用MEMS技術來發展可調頻式VCSEL元件，配合未來長波長VCSEL技術的進展，這種可調頻式VCSEL元件應該會越來越具潛力。10四、結論限於本文的篇幅我只能快速地敘述一些光通訊主被動元件及模組的發自展趨勢，最後我還希望傳達給各位讀者以下的看法：目前光纖通訊應用上的需求必須靠元件及模組上的突破才能滿足。（1） 新型光纖通訊元件及模組技術目前還是多家爭鳴的局面，很多新的或較學術性的想法正一步步地落實為實用的元件及模組技術。（2） 台灣過去在光纖通訊元件及模組技術上的發展在學術上多半只是研究而未真正落實於應用，在產業上則大多仍著重於第三波地製造市場需求量大的元件及模組而多半未能真正進行第一波甚至第二波的研發。（註：此處第一波、第二波、及第三波的比喻是聞之於賈心樂博士，我覺得很生動，故特此誌之）（3） 值此光纖通訊產業起飛之際，如果做得到的話，如何結合產官學研各界的努力來掌握這波的機會應是我們這些從事相關技術研究或研發的人員之責任。（4） 我們應該還有機會。五、參考資料及補充說明1 有興趣的讀者可以進入到IEEE的網站，http:/www.ieee.org，由之可連結到IEEE 802.3z 標準制訂的網頁，在上面可以找到很多關於Optical Ethernet的資料，或是直接到http:/grouper.ieee.org/groups/802/3/ 瀏覽。2 國內有工研院光電所在發展此種模組技術，有興趣的讀者可以到其網站逛逛。http:/www.oes.itri.org.tw。3 關於光學鍍膜技術的中文參考資料，可以參見李正中教授所著之薄膜光學與鍍膜技術一書，藝軒圖書出版。4 最早發展AWG元件的要以美國的Lucent及日本的NTT為主，要製作AWG元件需要很精確的平面光波導製程技術，目前也已有代工製程公司出現。5 發展全光纖式Interleaver要以美國Wavesplitter這家公司最有名，推出bulk-optic式的Interleaver則有E-TeK (現在已是JDS-U的一部分)、NEWFOCUS、OPLINK等公司。6 法國的Photonetics公司有這樣的prototype產品。7 利用MEMS 式moveable mirrors或rotating mirrors來製作大型的matrix optical switch是一大熱門題目，不過切換速度只能到ms的程度。EO LiNbO3 waveguide switch大概是目前可達到sub-microsecond的光開關技術，未來要作Optical Packet Switching非要有如此快的Optical Switch才行。 8 色散補償光纖是較成熟的技術，而且可以同時補償一整個band，其他的方法則多只針對單一波長。不過其他的方法有可能可以製作出可調式色散補償器，可以針對應用來調整色散大小。9 國外已有實驗室發展出初步的長波長VESEL元件，不過仍很不成熟。10 關於這類新型光通訊元件或模組技術的最新發展，每年在美國舉辦的 Optical Fiber Communication (OFC) 國際會議是最佳的資料來源。