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在光通讯领域中,光传输模组(Transceiver)扮演着承先启后之重要角色,其主要功能是将光讯号转换为电讯号,或者将电讯号转换成为光讯号。目前产品速度已达到2.5Gbps,并朝向10Gbps发展。
虽然全球光通讯产业阴霾,从2001持续到2002年,预计2003年底才会有明显复苏。但是光传输模组,因属关键性元件,仍被视为深具潜力之产品。因而吸引台湾厂商纷纷投入该领域。因此本文将就光传输模组之产业、技术与产品作一分析。
光传输模组产品
光传输模组在产品类别上,分为单模光传输模组与多模光传输模组。其中单模传输模组精密度高,价格较贵。而整体产品架构,皆如(图一)所示,可分为光学次模组(Optical Subassembly;OSA)以及电子次模组(Electrical Subassembly;ESA)两大部分。两者在成本结构上,以155Mbps产品为例,所占比例约为7:3。
《图一 光传输模组产品架构图〈资料来源:资策会MIC,2002年6月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P1.gif) |
而光学次模组又可细分为光发射次模组(Transmitter Optical Subassembly ;TOSA)与光接收次模组(Receiver Optical Subassembly ;ROSA)。两者之差异在于,TOSA是用雷射二极体或发光二极体来发光成为光讯号,而ROSA则是由检光二极体做感测光讯号之动作,两者再搭配相关机构元件,如陶磁套管(Ferrule)、袖管(Sleeve)构成次模组。其中因雷射二极体价格高于检光二极体,所以TOSA价格高于ROSA。
在电子次模组(ESA)部分,则由传送驱动IC以及接收驱动IC所组成,用以驱动雷射二极体与检光二极体。以传送驱动IC为例,则包括有雷射二极体驱动电路、温控电路。而接收IC则有放大电路、时脉电路等。最后在外部接头上,则依不同需求,选择不同之连接器,包括SC、ST等。
由于光学元件所占成本比例高,进一步分析光学元件,其整个产业结构链,如(图二)所示,首先在磊晶部分,是以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、砷化铟镓(InGaAs)等作为发光与检光材料,利用有机金属气相沉积法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition;MOCVD)等方式,制成磊晶圆。
《图二 光传输模组之上游相关产业〈资料来源:资策会MIC,2002年6月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P2.gif) |
在晶片制程中,则将磊晶圆,利用蚀刻、切割、抛光、打线等制程,将磊晶片制成雷射二极体。随后将雷射二极体,搭配滤镜、金属盖等元件,封装成TO can(Transmitter Outline can),再将此TO can与陶瓷套管等元件,经过雷射焊接等制程,封装成光学次模组(OSA)。最后再搭配电子次模组(ESA),组成光传输模组。
关键元件技术
发光与光接收元件
在发光元件部分,由于光通讯之目的在于传送长距离之讯号,而距离远近的关键之一在于光纤。由于光纤在不同波长有不同的衰减值,如(图三)所示,光纤在850nm、1310nm、1550nm有较低之衰减值,因此光通讯是以此三波长作为工作波长。
在此波长下决定了所需之发光元件。一般发光元件可分为雷射二极体与发光二极体。而雷射二极体中可分成费布力-佩若雷射(Fabry-Perot Laser;FP),工作波长以1310nm为主,分布回馈式雷射(Distributed Feedback Laser;DFB )则以1550nm为主,与垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser;VCSEL),工作波长则以850nm为主。而发光二极体(LED)工作波长则以850 nm及1310nm居多。
《图三 光通讯光纤频谱衰减图与各种光源之应用〈资料来源:资策会MIC,2002年6月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P3.gif) |
各种发光元件的速度亦不同。 F-P雷射,速度约2.5Gbps,而DFB雷射则可达到2.5G到10Gbps。两者功率在数mW到数十mW。而VCSEL速度目前可达到3.125Gbps,不过因其共振腔非常短,输出功率约1mW左右。至于LED则因速度慢,大多只到622Mbps,加上波峰宽,传输距离较短。
光接收元件之功能是将接收光讯号,并转换成电讯号。一般是由检光二极体(Photodiode)来做,工作波长也是以850、1310、1550nm为主。在光接收元件产品中,可再分为PN介面二极体(PIN Photodiode)、累增崩溃二极体(Avalanche Photodetector;APD)等。材料则是以砷化镓(GaAs)、砷化铟镓(InGaAs)、磷化铟(InP)等为主。
其中PIN二极体因所需偏压低,只需5V,且温度敏感度相对低,所以价格较便宜。而APD二极体则是效能高,但因受温度影响大,需要加上温控电路,同时需要高的偏压,所以价格较贵。
光学次模组(OSA)
光学次模组(OSA)方面,制程顺序上分为TO can、发射次模组(TOSA)与接收次模组(ROSA)。以技术难度来看,单模的TOSA,因精密较高,技术较复杂。多模的TOSA光学次模组,在构装技术上与ROSA相似,其技术较为简单。
此领域之制程关键在于提高耦合效率,亦即让发光源准确射进光纤芯内。而影响耦合效率之关键有:雷射二极体封装成TO can、TO can与陶瓷元件之对光等制程。
在TO can部分,是将雷射二极体(LD)加装金属封盖。由于光源相当小,而光纤孔径又细,如单模光纤只有9μm,所以若对光不准,容易造成光讯号之损失。因此通常需加装镜片放大光源,一般有球镜(Ball lens)、渐变折射率镜片(GRIN lens)等,其中GRIN lens 虽价格较高,但耦合效率较高。而TO can规格上,依大小不同而有TO-58、TO-46等规格。
在光学次模组(OSA)方面,涉及到将TO can与陶瓷元件之封装对光。以单模TOSA 为例,因精密度高,需用雷射焊接系统(Laser Welding System)来焊接金属壳。在此制程中,是经由自动对光程式,与单模光纤耦合,到一定角度时,便用雷射光焊接住。目前提供雷射焊接系统厂商有Newport、Suruga Seikei。
光传输模组之市场与应用
在全球光传输模组产业方面, 2000年全球光传输模组产值约为38亿美元,但到2001年产值大幅缩减到22亿美元,衰退幅度高达42%。而2002年仍不乐观,因为需求仍不振,元件市场机制仍重整下,预计2003年才会有复苏迹象。
《图四 全球光传输模组产值 单位:百万美元〈资料来源:资策会MIC,2002年6月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P4.gif) |
在光传输模组之应用上,如(表一)所示,可约略分为单模光传输模组与多模传输模组。单模光传输模组,搭配单模光纤,应用在通讯领域为主。多模光传输模组,则是用多模光纤作为传输媒介,用在短距离的网路为主。
其中单模光传输模组方面,目前主流产品为2.5Gbps,并往10Gbps发展。以F-P为光源之光传输模组,速度在2.5Gbps以下,传输距离较短,可用在都会光纤网路。而以DFB为光源之光传输模组,因DFB为单频雷射,传输速度高,距离长,主要用在长途光纤网路。
表一 光传输模组之应用领域
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单模光传输模组 |
多模光传输模组 |
传输媒介 |
单模光纤 |
多模光纤 |
发光源 |
DFB、DBR |
F-P |
VCSEL/LED |
工作波长 |
1550nm |
1310那么、1550那么 |
850那么、1310那么 |
速度(bps) |
2.5~10G |
155M~2.5G |
100/155M、2.5G |
应用范围 |
长途网路、都会网
路、海缆网路、DWDM等 |
接取网路(FTTB、
FTTH)、区域网路
(Gigabit/10G Ethernet...) |
区域网路 (Fast/Gigabit/10G Ethernet、Fiber Channel...) |
资料来源:资策会MIC,2002年6月
多模光传输模组产品,则有LED与VCSEL等,其中LED速度较慢,VCSEL则可达到Gigabit以上之速度。多模光传输模组的应用市场主要是短距离之区域网路,包括有乙太网路(Ethernet)、光纤通道(Fiber Channel)等领域。
而随着网际网路的应用日渐频繁,多媒体服务将陆续出现。对于频宽的需求将更为强烈,使乙太网路由现在的10/100Mbps,往Gigabit Ethernet,甚至是10G Ethernet发展。在此趋势下,VCSEL具有速度高、价格低等优势,将可能会主导区域光纤网路市场。
全球光通讯元件厂商现况
在全球光通讯元件产业方面, 2000年全球光通讯元件产值约为99亿美元,但是受到电信公司倒闭以及缩减资本支出的影响下,至2001年全球光通讯元件产值,大幅缩减到54亿美元,衰退幅度高达45%,整体市场低迷可见一般。
在全球光通讯元件厂商之变化中,如(图五)所示,可发现几个现象,首先在一线元件厂商中,主要有JDS-Uniphase、Agere、Nortel,其中JDS-Uniphase虽然占有率略有提升,不过财报上之亏损数字仍持续扩大。显现大厂因规模大支出高,在需求不振下,加剧财务之恶化。
而Nortel元件部门,则受到Nortel本身光通讯设备占有率下滑影响,其元件之市场占有率大幅下滑,并促使Nortel在2002年6月宣布进一步裁员,以求在2002年第四季达到损益平衡。
《图五 2000~2001全球光通讯元件厂商市场占有率〈资料来源:资策会MIC,2002年6月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P5.gif) |
其次在二线元件厂商方面,如Agilent、Alcatel等厂商则是略有上升,甚至一些小厂商纷纷抢得部分市场。显现出国际光通讯元件领域,专业的元件厂商已逐渐取得一定的地位,由过去的垂直整合,走向垂直分工模式,其原因在于在景气寒冬的影响下,国际设备大厂将更专注在本身核心竞争上,亦即更专注在设备领域。
进一步分析光传输模组厂商之变化,如(图六)所示,JDS-Uniphase是最大之厂商。而JDS-Uniphase在2002初并购IBM之光传输模组部门,此部门是以区域网路之光传输模组产品为主。而JDS-Uniphase藉由并购,将由过去擅长的通讯领域跨入电脑网路领域。
《图六 2001年全球光传输模组厂商之市场占有率〈资料来源:Fuji Chimera(2002/1);资策会MIC整理,2002年6月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P6.gif) |
台湾厂商概况
在台湾光传输模组厂商方面,如(图七)所示,其中嘉信跨入时间早,并采取垂直整合策略,从上游磊晶整合到下游之光传输模组。而后来进入之厂商,如前鼎、台达电等,则从中游次模组与下游模组之组装切入。
而今虽然光通讯产业陷入修正期,但因前景仍看好,所以也吸引磊晶厂商,逐步跨入光通讯磊晶领域,包括手机GaAs晶片之磊晶厂、LED磊晶厂等。利用本身既有的MOCVD设备生产雷射二极体之磊晶圆。整体而言,台湾厂商在光传输模组领域,已经逐渐建立起完整的产业结构链。
《图七 台湾光传输模组厂商体系〈资料来源:资策会MIC,2002年6月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P7.gif) |
台湾光传输模组产品,如(图八)所示。 2001年台湾总产值约为93.6百万美元,2002年上半年台湾光主动元件产值达到30.7百万美元。整体产值较2001年上半年的80.7百万美元,大幅衰退62%,不过却较2002年下半年的16.9百万美元,成长81.7%。
进一步分析产品之产值比例,传统单模155Mbps仍是占较高比例,不过在双向光传输模组(Bi-Directional Transceiver;Bi-Di)更呈现出爆量成长,其主要需求来自于日本光纤到户市场。
《图八 2001年台湾光传输模组产品产值与产品分布〈资料来源:资策会MIC,2002年8月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P8.gif) |
多模产品方面,在低速的100、155Mbps产品,需求除了来自传统的Fast Ethernet外,新的需求则是欧洲光纤到家所带动。在高速产品方面,因Gigabit Ethernet持续成长,使GBIC出货量有所提升。另外在Fibre Channel则因储存光纤网路需求,不止产量稳定成长,同时也由1Gbps往2Gbps的发展,预估下半年的量将会超越1Gbps之产品。
产品之未来发展方向
在未来之发展方面,主要集中在光源与封装两大方向。在光源的发展方向上,朝向高速、高密度等方向发展。而在封装之方向上,则往小体积、被动对光、与低价发展。
在高速方面,则是由2.5Gbps,朝向10Gbps,甚至是 40Gbps发展。在光源方面,因为到达10Gbps以上之速度时,将超过现在雷射二极体本身调变之极限,所以需搭配外部调变器,来提高光讯号源之频率。因此可选择方式之一是用DFB雷射,搭配铌酸锂(LiNbO3)的外部调变器,或是朝向电吸收调变雷射(Electro-absorption Modulated Integrated Laser Diode,EMILD)发展,亦即将DFB雷射与电吸收式调变器整合成单一元件。
在40Gbps的传输模组,因为速度高,对于温度、电感等问题更敏感。所以在封装考虑上,则可能不采取传统的双插线形式(Dual in Line),而是采取蝴蝶形式(Butterfly)。其下方为散热装置,插线在两侧,且线较短,电感较低,因此较不会影响到讯号。
不过在40Gbps领域,由于速度高,尚有其他更麻烦的问题需考虑,如模态色散(Chromatic dispersion)、极化模态色散(Polarization-mode dispersion,PMD)等问题。以PMD为例,因光讯号是有方向性的,具有正交之模态,因此耦合进光纤内,到达接受端变会有色散问题,此问题在低速并不严重,但是到40Gbps之高速时,便会相当严重,加上光有方向性是本身天生之特性,因此更难以克服。
在高密度方面,目前光传输模组为双光纤形式,采一收一发方式,不过未来光传输模组则可能走向矩阵(Array)方式,让多条光纤并排,透过光平面波导滤片之耦合,与雷射二极体矩阵连接,其中雷射二极体则可能采用VCSEL作为光源。
在封装制程之发展方面,首先朝向小型化发展,因此在接头外型上,则搭配小型连接器,包括有LC、MT-RJ等。其次在被动耦光方面,目的在自动对光,以降低耦光之成本,目前有朝向被动自动耦光,此技术已经应用在多模产品,因为多模产品精准度要求较低,而单模产品则尚未成熟。其次则是利用V-Grooved技术,直接将光纤放在V型凹槽内,进行对光动作,目前仍在发展中。
最后低价方面,主要针对光纤到户市场,因为其对成本敏感度较高,所以提出一些解决方案,主要有双向光传输模组(Bi-Direction Transceiver ),传统光传输模组为双条光纤,而双向光传输模组则是只有一条光纤,但发射与接收光则是不同波长,通常发射光讯号为1550nm,而接收光讯号则是1310nm,以区隔不同讯号。
结论:
在光传输模组产品之未来趋势,在通讯领域中,都会与长途光纤网路仍将以2.5Gbps为主。同时会因现今市场不佳下,使电信公司保守经营延缓10Gbps之世代交替。而低阶的155、622Mbps,则是以接取网路为主要市场,其发展则取决于各国光纤到户市场之变化。
在区域领域里,随着区域网路速度需求不断提升,乙太网路将从过去的铜绞线时代,逐渐走向光纤乙太网路(Optical Ethernet)发展。预估2002年Gigabit Ethernet将因需求增加、价格下滑因素扩大市场,2003年将进入发展期,亦成为多模光传输模组之潜在市场。
而因景气寒冬,反而加速产能外包(Outsourcing)之趋势,突破长久以来的垂直分工体系。设备大厂将更专注设备领域,而元件大厂势必更专注在核心产品上,使光通讯元件走向垂直分工时代。在此产能外包趋势下,将中低阶产品之产能外包到亚太地区,提供台商填满闲置产能的机会,并逐步建立起产能规模。
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