光纤通信的重要性

由于光纤的超高频宽，低损耗及不受电磁波干扰的特性，使得光纤通信已成为有线通信的主流，也是未来发展的趋势。近年来，不论是企业界或个人对于网际网路的依赖都愈来愈高，庞大且复杂的重要资讯都必须透过电脑来处理、储存和传送，而如此快速成长的资讯量必须更仰赖高速光纤网路，才能解决网路频宽不足的问题。在未来的光纤到家(Fiber-To-The-Home,FTTH)及光纤到社区(Fiber-To-The-Curb,FTTC)等资讯网路的需求将逐渐的普遍化，而光纤通信相关产品也将有着更广大的市场。当然，可以高速调变的雷射二极体(Laser Diode,LD)及高速响应的光二极体(Photo Diode,PD)技术的迅速进展(图一)，更使得光纤通信必成为可快速传输庞大资讯量的最佳选择。

《图一 雷射二极管及光二极管在光纤通讯中扮演高速调变角色》

光纤通信的关键零组件

任一光纤通信系统的终端所处理的都是电信号，因此，在发射端必须有一个光传输模组(Optical Transmitter Module,TX)将电信号转换成光信号并耦合入光纤内传输，当光信号到达接收端后，经由光接收模组(Optical Receiver Module,RX)将光信号转换成电信号。所以，任一光纤通信的端点都必须包含一对光传输和光接收模组以负责信号的发射(电转光)和接收(光转电)，当然，在光信号经由光纤的传输过程中，有时候也需要做适当的分光、光信号的取出和加入及放大等安排。

由以上可知，光纤通信的关键性零组件可概分成主动元组件(如光传输和接收模组)，功能元件(如光调变器、光开关切换器、光纤放大器等)及被动元件(如光纤、光纤接头、光耦合器、光分波合波器等)三大类。其中，在任何光纤通信系统上属绝对必要之组件有光纤、光纤接头及光传输－接收模组。

光纤通讯主动元组件的分类

光传输－接收模组可依传输信号的种类分成类比(Analog)与数位(Digital)两类，亦可依用途分成：

1.长途通信(Telecommunication)：

如同步光纤网路(SONET)标准，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.数据通信(Data Communication)：

适用于电脑通信网路，如125Mb/S的光纤分散式数据介面(Fiber Distributed Data Interface, FDDI)和1Gb/S的超高速乙太网路(Ethernet)。

3.影音传输：

适用于闭路电视(CCTV)的10 MHZ及有线电视(CATV)的550MHZ。

光传输－接收模组因信号种类、用途、传输距离和成本的考虑等，在元件材料、电路设计、机构设计、制作流程及测试条件等均有不一样的选择考量，如光传输模组内光源的选择有LED、FP LD、VCSEL LD与DFB LD，光接收模组内光侦测器可选择Si或InGaAs材料及PIN或PIN-TIA或APD的结构，在与光纤联结的部份可选择单模光纤(SMF)或多模光纤(MMF)之接头式(Receptacle)或引线式(Pigtail)，对于机构外体可选择金属或塑胶。

研制光纤通讯主动元组件之考量

在研制光传输－接收模组时，通常可分成光学组件、电路组件，模组机构及模组测试等部份，以下将分别做简要的说明：

元件的选择：

原则上为了使用上的方便及成本的考量(图二)，在光源部份若可以用LED的则不用LD，在侦测器部份可以用PIN的则不用APD；通常在小于2公里以内的区域网路，若传输速率约在100Mb/S，则可以选用LED；若是1Gb/S的超高速乙太网路，则可选用850nm VCSEL LD配合MMF；对于远距离和高速率者，可选择1310nm FP LD或1550nm DFB LD。一般光侦测器都选用PIN和前级放大器做在一起的PIN-TIA，以期光接收模组有较好的特性。

《图二 降低成本将成为台湾发展光纤通讯主动组件的契机》

光学组件(OSA,Optical Sub Assembly):

不论是LD、LED和PIN的晶粒(Chip)并不能够直接的使用，通常必须先做固定和打线(Wire Bonding)后才能提供电信号，而且必须进一步做精密的光学对准和构装，才能够确保光源的光功率很有效率的耦合进入光纤内，以便进行传送，而光纤端的光功率也要很有效率的耦合到光侦测器上。为了得到一个稳定的耦合效率及使用上的方便，通常制作成易于和光纤结合的接头式或引线式模组，在制作LD和SMF间的模组时，因为其横向容忍度(Transverse Tolerance)小于±2μm，因此，在经过0.1um解析度平移台的对准后，必须采用雷射焊接来做固定，而对于VCSEL、LED和PIN与MMF间的模组，因为横向的容忍度颇大，所以在对准后就可用胶(Epoxy)来进行固定。

电路组件与模组构装：

类比传输－接收模组考虑的重点在于工作范围内有很好的线性反应及信号杂讯比，而数位传输－接收模组即在于经传输后，在接收端有正确的数据信号(0或1 )，即误码率(Bit Error Rate,BER)愈低愈好。在传输模组通常会做自动光功率和温度的控制，而接收模组则会有前级和后级放大器及自动增益控制等。

光传输－接收模组的构装，在频率愈高时必须做好线路阻抗匹配、电磁波干扰避免及注意接地是否良好，通常可以使用多层板以达较好的接地与阻抗匹配控制。另外，光学组件与电路组件间的接脚焊接时，接脚不宜太长，并避免焊接时形成的杂散电容。

光电特性测试

下文将对接头式、引线式的LD、和PIN及数位传输－接收模组中比较重要的光电特性测试项目做简单的说明。

(1)接头式／引线式雷射二极体：

(a)追踪误差(Tracking Error)：LD本身一直是在自动光功率控制下工作，所以其输出​​光功率是固定的，此时去量测不同的温度(-40℃~+85℃)下之光纤端的输出功率，并与25℃时之光功率相比较，若有超过±10%的误差，即表示光学组件构装时出了问题，这是验证接头式和引线式模组制程技术的最直接方式。

(b)光功率－驱动电流曲线(LI Curve)：给予LD的电流由0逐渐增加，每次增加0.25mA，测量对应于各驱动电流之光纤端的输出光功率，即可绘出LI曲线，由此曲线上可以得知临界电流(Threshold Current)及是否有Kink的现象，此现象对类比传输的影响非常重要。

(C)上升时间和下降时间(Rise Time And Fall Time)：给予LD一个脉冲电流，而看光波的脉波波形之振幅由达到稳定后之最大值之10%增加到90%所需之时间称为上升时间，由90%降至10%所需时间称为下降时间，此参数决定了LD的最高调变速率。

(2)接头式和引线式光二极体：

(a)响应性曲线(Responsivity Curve)：给予PIN的光功率由小逐渐加大，则可看出光功率(mw)转换成电流(mA)的比例，亦可看出其线性度和饱和功率。

(b)暗电流(Dark Current)：没有入射光时，给予PIN逆向5V偏压，侧其逆向电流值即为暗电流，此值会限制了PIN的敏感性(Sensitivity)。

(RC)上升时间和下降时间:给予PIN一个光脉波,由其电流的脉波波形可以得到上升和下降时间,此值决定了PIN的最高反应速率。

(3)数位传输－接收模组：

(a)眼图(Eye Pattern)测试：此项测试可表现出模组信号波形之上升时间、下降时间、相闪(Jitter)、消光比(Extinction Ratio)及是否合乎标准规范之图罩(Mask )范围标准。

(b)灵敏度、误码率和传输速率(Data Rate)测试：针对光接收模组的光电特性，最重要的测试项目是灵敏度，它是光接收模组所能感测的最小入射光强度。此特性必须指明在何种传输速率及造成何种程度误码率下，才是完整而有意义的描述。

光纤通讯的发展趋势

由于网际网路的日益普及，使得人们对高速的宽频网路的需求日益殷切，尤其是对光纤到家更是充满了期待，但是在人们享受高速和宽频的网路时，他们也希望这会是普遍化和低价的网路，也是人人皆享受得起的高品质服务，因此，光纤通信的技术发展就是朝着人类的愿望：高速、宽频、普遍化和低廉的方向。一般而言，铺设光纤是光纤通信最重要的成本之一，在不用新铺设光纤下，光纤通信业者和研发人员提议了一些做法。

更高速的光传输－接收模组技术

如Gb/S的Ethernet Tx/Rx及SONET OC-48，和OC-192的2.5Gb/S和10Gb/S Tx/Rx，前者采用VCSEL，而后者选用DFB LD并做温度控制和反射光的隔离，在LD的调变上利用电吸收调变(Electro Absorption Modulation)及外调式的电光调变器(Electro-Optical Modulator)，但是，愈高速的Tx/Rx问题愈多，制作愈困难，成本也愈高，且总会有个速率的极限，以目前的国外厂商技术大多集中在2.5Gb/S和10Gb/S Tx/Rx上(图三)。

《图三 国内厂商将可推出更高速读2.5Gbps光传接模块》

高密度光分合波器系统(DWDM System)

光纤的频宽是相当大的，而在一般的光纤通信系统中并未好好善用光纤的超大频宽特性，在发展中的DWDM系统，是将波长在1550nm附近且各波长间只有微小差异的数个光传输模组，经由DWDM混合后进入同一条光纤来传送，到达目的地后再由DWDM将各个不同波长的光信号分开至相对应的光接收模组上。若每个TX的传输速率是2.5GB/S，则8个通道(Channel)的DWDM将可传20Gb/S的速率，而用DWDM系统来提高传输速率和容量的方式，可以不用新铺光纤，又可以不必发展困难度甚高的超高速光传输－接收模组，可说是符合高速、宽频和低价的最有潜力的通信系统。 (本文作者现任职前鼎光电总经理)