對於光通訊主動元件包含哪些元件眾說紛紜。在本文的定義是指元件在運作功能時，有涉及到光電或電光轉換，主要包括光收發模組（光源與檢光器）及光放大器。因此，文中先分別介紹目前該兩大產業的現況，並個別說明未來發展。

光收發模組

由於低損失的光纖、體積小且易量產的半導體雷射等元件相繼被發明及其製作技術的改良，使光通訊網路能實際鋪設於網路上。即便是先進國家的光纖網路已鋪設完善，但在公眾網路中仍必須要接上傳統電話雙絞銅線或有線電視的同軸電纜線（尤其是在接取網路的部份），而在區域網路必須要轉換為電腦所能處理的電訊號。

另一方面，由於光纖網路中僅藉光訊號處理網路中路由或交換還沒有真正到達成熟階段。而光通訊網路中監測系統最後也必須要轉為電訊號才可供系統判讀。因此，目前仍有許多地方必須仰賴電轉光、光轉電的元件，以供訊號在光及電的形式間做轉換。而做此轉換功能的元件即為「光收發模組」。

光收發模組主要包括光源、檢光器。所以，其運用光源、檢光器、電子元件及模組構裝的技術。

光源（Light Source）

通訊用光源是用於將要發射的電訊號轉換成光訊號，目前能夠滿足主要有半導體雷射（LD，Laser Diode）及發光二極體（LED，Light Emitting Diode）兩大類。

LD與LED

一般而言，LD的輸出功率高、調變速度快、頻譜窄、發光角度集中，但價格昂貴，適合配合單模光纖用在中、長途的寬頻電信傳輸，而LED的輸出功率較低、響應速度較慢、頻譜較寬、發光角度較廣，但價格便宜、使用容易且耐用，適合配合漸變型多模光纖，用在短程的數據傳輸。

目前應用於光纖通訊的LD，主要有FP（Fabry-Perot）LD、分佈回饋式單頻 （DFB，Distributed FeedBack）LD、布拉格反射式（DBR，Distributed Bragg Reflection）LD及垂直共振腔面射型雷射（VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser）。而適於用來做於光纖通訊的LED結構有面射型（Surface Emitting LED）及邊射型（Edge-Emitting LED）兩種。

檢光器（Detector）

檢光器是用於將接收的光訊號轉換成電訊號，用於光纖通訊用檢光器主要有PIN二極體和崩潰（APD，Avalanche PhotoDide）二極體二種。

收發模組構裝（Package）技術

無論是光源或檢光器的晶粒（Chip），都必須再經固定位置及打線（Wire Bonding）（除Flip-Chip封裝外），再作精密光學對準、電路組裝及外殼封裝等步驟後才可使用。

構裝技術的重點在確保光源的光能有效率的耦合進入光纖，或光纖的傳送光能有效的進入檢光器。且在傳輸模組會有自動溫度及光功率的控制功能元件（如TE Cooler），而在接收模組則會有電子式的前置及後置放大器。此外，還有調變/解調變、加/解碼等功能IC電路，因此，若工作頻率在高頻時需注意電磁波干擾（EMI）及散熱等問題。

比較成熟的封裝方式流程，如(圖一)，為先將LD、LED（或PD）先作TO-CAN封裝；再將TO-CAN與承接光纖連接器（Connector）的承接座（Receptacle）或光纖引線（Pigtail）組立成光次模組（OSA，Optical Sub-Assembly）；再將OSA（承接座式）銲接於電路板（ESA，Electric Sub-Assembly），其上有驅動IC等必要的電子元件，加上做EMI遮蔽（Shield）用的金屬封蓋，最後蓋上外殼就完成了整個模組封裝過程。當然，限於篇幅僅顯示眾多種類的模組之一類。

《圖一 TO-CAN封裝的流程》

＜資料來源：PIDA整理＞

各領域封裝

就通訊用LD的TO-CAN封裝而言，標準是有4根pin腳，但在傳輸速率超過10GHz以上就不適合了，而由於在其他領域（如：CD-ROM讀寫頭）運用已久，因此封裝技術上算是成熟。在高速傳輸時，尤其是超過10GHz（包含10GHz），就要應用蝴蝶式（Butterfly）封裝，通常其模組都會含有TE Cooler等控溫元件。還有雙排pin腳排列的DIL（Dual In-Line），以及僅需8根 pin腳的Min DIL。

國內廠商目前仍以TO-CAN封裝的產品為主，在未來朝向10 GHz的產品發展時，相信目前已有廠商已在蝴蝶式（Butterfly）封裝上作了許多研發的努力。

封裝瓶頸

而在整個模組封裝製作上，最難的是光源與光纖的對準及固定。以對準而言，若有1至2微米的偏移，則光源與光纖的耦合（Couple）效率損失將超過50%，尤其對單模光纖的對準要求更為嚴苛，所以如何對準而將耦合損失降至最低是一大挑戰，因而，就成本上分析，封裝佔整體模組成本的六至九成，而就封裝製程中，對準又佔有九成的成本。

至於光源的固定而言，其要求為光源與光纖的耦合效率在長時間有不隨環境變化而超過標準的可靠度，以常用於固定LD的黏膠、軟銲，以及雷射焊接的三種固定方式作比較，由於雷射焊接（Laser Welding）具有較高可靠度及較適合量產自動化的特性。因此在做自動化構裝機台大都應用雷射焊接，不過對於影響生產良率的銲後位移（Post-Weld Shiftt）及因待銲物材料膨脹係數、熔點不同，以及內含雜質過高等影響整體構裝可靠度的缺陷（Defect）問題都是影響產品品質的主因。如(圖二)。

《圖二 蝴蝶式封裝中光纖與LD間的對準》

＜資料來源：Newport＞

光纖加速市場成長

隨著用戶端光纖化比率的提高，開拓了光收發模組的新市場。都會/接取網路及光纖區域網路成為光主動元件市場成長之動力。其中尤以應用於都會網路10G傳輸速度的產品成長速度最快。全球市場金額在2000年將近64億美元，較前一年大幅成長40％，在今年受整體網路成長衰退，預計是呈持平表現，在經一段時間的庫存消耗後，2002年至2004年應有年平均成長20％的成長趨勢。如(圖三)。

《圖三 全球光收發模組市場》

＜資料來源：Electronic / IGI 2001 / PIDA整理＞

國內廠商於近年才投入光收發模組研發及生產，且面臨進入障礙高的技術挑戰。而幾乎所有的關鍵元件，如通訊用LD、EDFA中的Pump Laser模組等，必須仰賴進口，再行組裝。大多數使用FP LD作為光源，近年來亦有廠商使用適合在DWDM系統中應用的DFB LD及成本較低的VCSEL。

國內生產光收發模組相關元件及模組廠商，多以下游模組封裝為主。包含:光環、嘉信、前鼎、台達電、得訊光電、冠德、鴻亞、聯亞、鴻海、全新、國聯、捷耀等。

當然，其中亦有若干廠商是以上游磊晶製程、晶粒製程，中游TO CAN封裝、光次組件（OSA）組裝為主，或上下游兼有製作。區域光纖網路的預期成長，帶來廠商對面射型雷射（VCSEL）及小型化（SFF）光收發模組的興趣。2001年，預估國內會有廠商自製的面射型雷射磊晶晶片試產品出現。而在SFF的光收發模組產業，已有廠商加入相關聯盟，或接獲國際大廠代工訂單，且已有產品出貨（如LC或VF-45型的SFF）。

由於光收發模組逐漸步入成熟階段，價格快速滑落，國外大廠生產意願降低。因此，是國內廠商的機會。尤其，接近用戶端的產品，性能要求較低適合國內發展。未來，產品將由目前的155M朝向2.5G及10G為主。封裝方式，亦希望由TO-CAN轉為適合Laser Array封裝且更可靠及省成本的Flip-Chip方式。

而在面臨成本下降的壓力，適度的簡化元件數目，已降低構裝的風險及成本亦是趨勢。以(圖四)為例，利用精密的塑膠模具射出一兼具承接、透鏡，以及反射鏡面功能的承接座。此外，亦有結合波長多工器（WDM）以直接連接光纖，在單一光纖中傳輸多條單向或雙向的傳輸。

《圖四　具三合一功能承接座的模組剖面圖》

除了降低光學元件的數目外，將III-V族的各類的發光及檢光元件與矽為主要材料的電子功能元件結合在同一基材的光電積體電路（Opto-Electronic Integrated Circuit；OEIC），過去主要由於兩類材料的晶格常數不同，導致結合時會造成晶格移位及材料破損等問題而無法突破其技術障礙。

砷化鎵的研發

但在今年9月份，摩托羅拉（Motorola）公司宣稱其實驗室已成功地在矽晶圓基材上長出一層鈦酸鍶（STO）的結晶材料以解決前述問題，如(圖五)。目前該實驗室已可在12吋矽晶圓上開發出砷化鎵（GaAs）的功率放大器（Power Amplifier），並已可將其實際用於行動電話中。

《圖五 鈦酸鍶的結晶材料以解決晶格常數匹配問題》

＜資料來源：Motorola＞

磷化銦的研發

該實驗室正在開發在矽晶圓上開發出磷化銦（InP），即「InP on Silicon」，如果技術達成熟階段，則在需要光電或電光轉換及訊號處理的光主動元件產業勢必將產生一大革命。

以光收發模組而言，LD、PIN、Driver IC，以及TIA等分離式的光電元件就可在一片矽晶圓上作出，量產性更好，且矽基材的散熱能力也較GaAs的好，節省成本上的投資，亦降低了元件的尺寸，以及提高組裝的量率。而就目前已生產傳統「純」矽晶圓為主的國內IC製造廠而言，如：聯電、台積電、華邦電等，也不啻為新的市場機會。

雖然2000年的光收發模組國內產值僅佔全球市場的千分之一，正代表在未來仍有很大的成長空間，但須避免只發展低階產品，尤其目前產品雖仍有不錯的利潤，但價格持續在下跌。因此，如何在降低成本情況下，又要提高生產良率，並投入下一代產品的研發成為目前廠商面臨的挑戰。

光放大器

光放大器是在不經光電轉換的狀況下，直接將光訊號加以放大，其優點在於網路升級以增加傳輸速率和不同傳輸格式時不必像中繼器一樣需要更換。光放大器主要分成三大類：

光纖放大器（Optical Fiber Amplifier；OFA）

OFA是在光纖摻雜稀土族元素，其特性包括低非線性係數，低衰減耦合係數，與光信號的極性無關和有非常寬的透明頻帶。其中，摻鉺光纖放大器（EDFA，Erbium-Doped Fiber Amplifier）由摻鉺光纖、分波多工器、泵激雷射（Pump Laser）模組、光隔離器及光耦合器組成，如(圖六)。其技術已成熟，是目前運用最廣的光放大器。

《圖六 EDFA功能圖示》

半導體光放大器（Semiconductor Optical Amplifier；SOA）

結構類似於前文所提的FP-LD，只是其結構端面非全反射面，依據端面反射率與操作條件可分為：FP放大器（FPA）、注入式鎖模放大器（JLA），以及行波放大器（TWA）。SOA的好處在於易和其他光元件和光波導整合，而且消耗較低電力，因此較為經濟。

拉曼放大器（Raman Amplifier；RA）

Raman光放大器是利用泵激光源和光纖原子間的非線性交互作用所產生的Stoke line達到放大功能。而其特色在不需要如光纖放大器中需要一段特殊的摻鉺光纖，而其放大的媒介即是做為傳輸訊號的一般光纖本身。所以是屬於分散式放大，因而可減低非線性效應（如：四波混頻），因此在DWDM系統中可允許較密的波長間隔。

另一方面，因可藉由改變不同波長的泵激光源的組合（不同波長的多工，或同一波長，但不同偏振方向的結合），可達到在任意波段進行光訊號放大，所以，對於朝向更多波段傳輸的光通訊網路而言，極具吸引力。

光纖放大器由於能同時使多波長訊號無須作光電光轉換即可放大，可以說EDFA是使DWDM系統得以實現的關鍵因素。隨著DWDM網路系統的快速成長，刺激其市場成長快速。除了長距離傳輸中為補償光波在傳輸中所損耗的能量，亦應用於需做分光的網路系統中，以避免分光後線路中的訊號能量過低，所以當光纖網路系統向用戶端發展，大量的運用分歧器（Spilter）時就需使用光放大器（如運用於接取網路的PON系統）。在2000年達44億美元，同樣受到大環境影響，在2001年預估會是停滯狀態，其後會以每年平均21％的成長率，而達到2004年的80億美元規模。

光纖拉曼放大器由於具有較寬的工作波長範圍及較低的雜訊影響。近幾年來備受關注，目前在長途網路傳輸上是與EDFA搭配使用，未來可望在長途骨幹網路中取代EDFA，但由於其是以分散式放大。所以可預估，未來在都會/接取網路應仍是以EDFA為主。另外，需使用超過1瓦（W）以上輸出功率的泵激光源亦是其缺點之一。

至於SOA，目前有S/N比低和輸出功率不高等缺點，因此它的性能有待提高。CIBC World Market預測，SOA市場可望於2001年開始起飛，預計2004年達到2億美元的規模。如(圖七)。

《圖七 全球光纖放大器市場》

＜資料來源：ElectroniCast / IGI 2001 / PIDA整理＞

除上述三類主要的光放大器種類外，今年OFC展中亦出現有廠商展出，強調適用於都會型網路，利用平面光波導原理，類似將EDFA一些功能元件集積在一片基材上。至於國內廠商對光放大器的發展是以EDFA為主，東盈光電、新怡力，以及隆磐皆有產品出貨，是以用於有線電視（CATV）及電信系統使用之EDFA為主，使用於DWDM系統的產品佔較低比率。

未來DWDM系統的比例應會增加，並朝向多波段（band）、動態增益控制及保持增益平坦的品質需求作提升，亦有廠商宣稱已有L-band及C＋L-band 的EDFA模組產品正式出貨。

至於EDFA的材料及人工成本如(圖八)所示，在EDFA次系統中，光偵測器、光被動元件（包含：光隔離器、980/1550WDM、1480/1550WDM）均有許多國內的被動元件廠商可提供；摻鉺光纖則有卓越一家已出貨；電子元件有相關電子元件及系統廠商可提供。目前只剩下需要高功率輸出及波長穩定需求的泵激雷射是國內缺乏可自行生產的元件，此亦是提供LD及模組廠商所要努力的方向。

《圖八 EDFA成本分析》

＜資料來源：IGI 2001 / PIDA整理＞

結語

相較於光通訊被動元件而言，主動元件對於整個光通訊網路的運作更具關鍵地位。就產品的技術門檻而言，也較高，且亦需搭配電子元件的設計。就因其進入障礙高，因此雖受到此波全球不景氣影響，但由於供需失調的情況較光被動元件好，庫存壓力也較減緩。

面對未來，網路服務業者在整個網路頻寬瓶頸的都會及接取網路將積極佈建光纖網路的市場需求潛力下，亦是國內廠商一展身手的機會。不論是光傳接模組或光放大器，其基本元件都將包含各式的光被動元件，而都會或接取網路應用市場對元件成本成本下降的基本要求將進一步把元件整合，或甚至運用平面波導技術將所有元件作在同一基材上，利用半導體製程以達到今日IC製造的量產規模。或許到那天再區分是光通訊主動元件抑或是被動元件就真的沒有意義了。