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在光通訊領域中,光傳輸模組(Transceiver)扮演著承先啟後之重要角色,其主要功能是將光訊號轉換為電訊號,或者將電訊號轉換成為光訊號。目前產品速度已達到2.5Gbps,並朝向10Gbps發展。
雖然全球光通訊產業陰霾,從2001持續到2002年,預計2003年底才會有明顯復甦。但是光傳輸模組,因屬關鍵性元件,仍被視為深具潛力之產品。因而吸引台灣廠商紛紛投入該領域。因此本文將就光傳輸模組之產業、技術與產品作一分析。
光傳輸模組產品
光傳輸模組在產品類別上,分為單模光傳輸模組與多模光傳輸模組。其中單模傳輸模組精密度高,價格較貴。而整體產品架構,皆如(圖一)所示,可分為光學次模組(Optical Subassembly;OSA)以及電子次模組(Electrical Subassembly;ESA)兩大部分。兩者在成本結構上,以155Mbps產品為例,所佔比例約為7:3。
《圖一 光傳輸模組產品架構圖〈資料來源:資策會MIC,2002年6月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P1.gif) |
而光學次模組又可細分為光發射次模組(Transmitter Optical Subassembly ;TOSA)與光接收次模組(Receiver Optical Subassembly ;ROSA)。兩者之差異在於,TOSA是用雷射二極體或發光二極體來發光成為光訊號,而ROSA則是由檢光二極體做感測光訊號之動作,兩者再搭配相關機構元件,如陶磁套管(Ferrule)、袖管(Sleeve)構成次模組。其中因雷射二極體價格高於檢光二極體,所以TOSA價格高於ROSA。
在電子次模組(ESA)部分,則由傳送驅動IC以及接收驅動IC所組成,用以驅動雷射二極體與檢光二極體。以傳送驅動IC為例,則包括有雷射二極體驅動電路、溫控電路。而接收IC則有放大電路、時脈電路等。最後在外部接頭上,則依不同需求,選擇不同之連接器,包括SC、ST等。
由於光學元件所佔成本比例高,進一步分析光學元件,其整個產業結構鏈,如(圖二)所示,首先在磊晶部分,是以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、砷化銦鎵(InGaAs)等作為發光與檢光材料,利用有機金屬氣相沈積法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition;MOCVD)等方式,製成磊晶圓。
《圖二 光傳輸模組之上游相關產業〈資料來源:資策會MIC,2002年6月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P2.gif) |
在晶片製程中,則將磊晶圓,利用蝕刻、切割、拋光、打線等製程,將磊晶片製成雷射二極體。隨後將雷射二極體,搭配濾鏡、金屬蓋等元件,封裝成TO can(Transmitter Outline can),再將此TO can與陶瓷套管等元件,經過雷射焊接等製程,封裝成光學次模組(OSA)。最後再搭配電子次模組(ESA),組成光傳輸模組。
關鍵元件技術
發光與光接收元件
在發光元件部分,由於光通訊之目的在於傳送長距離之訊號,而距離遠近的關鍵之一在於光纖。由於光纖在不同波長有不同的衰減值,如(圖三)所示,光纖在850nm、1310nm、1550nm有較低之衰減值,因此光通訊是以此三波長作為工作波長。
在此波長下決定了所需之發光元件。一般發光元件可分為雷射二極體與發光二極體。而雷射二極體中可分成費布力-佩若雷射(Fabry-Perot Laser;F-P),工作波長以1310nm為主,分布回饋式雷射(Distributed Feedback Laser;DFB )則以1550nm為主,與垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser;VCSEL),工作波長則以850nm為主。而發光二極體(LED)工作波長則以850 nm及1310nm居多。
《圖三 光通訊光纖頻譜衰減圖與各種光源之應用〈資料來源:資策會MIC,2002年6月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P3.gif) |
各種發光元件的速度亦不同。F-P雷射,速度約2.5Gbps,而DFB雷射則可達到2.5G到10Gbps。兩者功率在數mW到數十mW。而VCSEL速度目前可達到3.125Gbps,不過因其共振腔非常短,輸出功率約1mW左右。至於LED則因速度慢,大多只到622Mbps,加上波峰寬,傳輸距離較短。
光接收元件之功能是將接收光訊號,並轉換成電訊號。一般是由檢光二極體(Photodiode)來做,工作波長也是以850、1310、1550nm為主。在光接收元件產品中,可再分為PN介面二極體(PIN Photodiode)、累增崩潰二極體(Avalanche Photodetector;APD)等。材料則是以砷化鎵(GaAs)、砷化銦鎵(InGaAs)、磷化銦(InP)等為主。
其中PIN二極體因所需偏壓低,只需5V,且溫度敏感度相對低,所以價格較便宜。而APD二極體則是效能高,但因受溫度影響大,需要加上溫控電路,同時需要高的偏壓,所以價格較貴。
光學次模組(OSA)
光學次模組(OSA)方面,製程順序上分為TO can、發射次模組(TOSA)與接收次模組(ROSA)。以技術難度來看,單模的TOSA,因精密較高,技術較複雜。多模的TOSA光學次模組,在構裝技術上與ROSA相似,其技術較為簡單。
此領域之製程關鍵在於提高耦合效率,亦即讓發光源準確射進光纖芯內。而影響耦合效率之關鍵有:雷射二極體封裝成TO can、TO can與陶瓷元件之對光等製程。
在TO can部分,是將雷射二極體(LD)加裝金屬封蓋。由於光源相當小,而光纖孔徑又細,如單模光纖只有9μm,所以若對光不準,容易造成光訊號之損失。因此通常需加裝鏡片放大光源,一般有球鏡(Ball lens)、漸變折射率鏡片(GRIN lens)等,其中GRIN lens 雖價格較高,但耦合效率較高。而TO can規格上,依大小不同而有TO-58、TO-46等規格。
在光學次模組(OSA)方面,涉及到將TO can與陶瓷元件之封裝對光。以單模TOSA 為例,因精密度高,需用雷射焊接系統(Laser Welding System)來焊接金屬殼。在此製程中,是經由自動對光程式,與單模光纖耦合,到一定角度時,便用雷射光焊接住。目前提供雷射焊接系統廠商有Newport、Suruga Seikei。
光傳輸模組之市場與應用
在全球光傳輸模組產業方面, 2000年全球光傳輸模組產值約為38億美元,但到2001年產值大幅縮減到22億美元,衰退幅度高達42%。而2002年仍不樂觀,因為需求仍不振,元件市場機制仍重整下,預計2003年才會有復甦跡象。
《圖四 全球光傳輸模組產值 單位:百萬美元〈資料來源:資策會MIC,2002年6月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P4.gif) |
在光傳輸模組之應用上,如(表一)所示,可約略分為單模光傳輸模組與多模傳輸模組。單模光傳輸模組,搭配單模光纖,應用在通訊領域為主。多模光傳輸模組,則是用多模光纖作為傳輸媒介,用在短距離的網路為主。
其中單模光傳輸模組方面,目前主流產品為2.5Gbps,並往10Gbps發展。以F-P為光源之光傳輸模組,速度在2.5Gbps以下,傳輸距離較短,可用在都會光纖網路。而以DFB為光源之光傳輸模組,因DFB為單頻雷射,傳輸速度高,距離長,主要用在長途光纖網路。
表一 光傳輸模組之應用領域
|
單模光傳輸模組 |
多模光傳輸模組 |
傳輸媒介 |
單模光纖 |
多模光纖 |
發光源 |
DFB、DBR |
F-P |
VCSEL/LED |
工作波長 |
1550nm |
1310nm、1550nm |
850nm、1310nm |
速度(bps) |
2.5~10G |
155M~2.5G |
100/155M、2.5G |
應用範圍 |
長途網路、都會網
路、海纜網路、DWDM等 |
接取網路(FTTB、
FTTH)、區域網路
(Gigabit/10G Ethernet...) |
區域網路 (Fast/Gigabit/10G Ethernet、Fiber Channel...) |
資料來源:資策會MIC,2002年6月
多模光傳輸模組產品,則有LED與VCSEL等,其中LED速度較慢,VCSEL則可達到Gigabit以上之速度。多模光傳輸模組的應用市場主要是短距離之區域網路,包括有乙太網路(Ethernet)、光纖通道(Fiber Channel)等領域。
而隨著網際網路的應用日漸頻繁,多媒體服務將陸續出現。對於頻寬的需求將更為強烈,使乙太網路由現在的10/100Mbps,往Gigabit Ethernet,甚至是10G Ethernet發展。在此趨勢下,VCSEL具有速度高、價格低等優勢,將可能會主導區域光纖網路市場。
全球光通訊元件廠商現況
在全球光通訊元件產業方面, 2000年全球光通訊元件產值約為99億美元,但是受到電信公司倒閉以及縮減資本支出的影響下,至2001年全球光通訊元件產值,大幅縮減到54億美元,衰退幅度高達45%,整體市場低迷可見一般。
在全球光通訊元件廠商之變化中,如(圖五)所示,可發現幾個現象,首先在一線元件廠商中,主要有JDS-Uniphase、Agere、Nortel,其中JDS-Uniphase雖然佔有率略有提升,不過財報上之虧損數字仍持續擴大。顯現大廠因規模大支出高,在需求不振下,加劇財務之惡化。
而Nortel元件部門,則受到Nortel本身光通訊設備佔有率下滑影響,其元件之市場佔有率大幅下滑,並促使Nortel在2002年6月宣布進一步裁員,以求在2002年第四季達到損益平衡。
《圖五 2000~2001全球光通訊元件廠商市場佔有率〈資料來源:資策會MIC,2002年6月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P5.gif) |
其次在二線元件廠商方面,如Agilent、Alcatel等廠商則是略有上升,甚至一些小廠商紛紛搶得部分市場。顯現出國際光通訊元件領域,專業的元件廠商已逐漸取得一定的地位,由過去的垂直整合,走向垂直分工模式,其原因在於在景氣寒冬的影響下,國際設備大廠將更專注在本身核心競爭上,亦即更專注在設備領域。
進一步分析光傳輸模組廠商之變化,如(圖六)所示,JDS-Uniphase是最大之廠商。而JDS-Uniphase在2002初併購IBM之光傳輸模組部門,此部門是以區域網路之光傳輸模組產品為主。而JDS-Uniphase藉由併購,將由過去擅長的通訊領域跨入電腦網路領域。
《圖六 2001年全球光傳輸模組廠商之市場佔有率〈資料來源:Fuji Chimera(2002/1);資策會MIC整理,2002年6月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P6.gif) |
台灣廠商概況
在台灣光傳輸模組廠商方面,如(圖七)所示,其中嘉信跨入時間早,並採取垂直整合策略,從上游磊晶整合到下游之光傳輸模組。而後來進入之廠商,如前鼎、台達電等,則從中游次模組與下游模組之組裝切入。
而今雖然光通訊產業陷入修正期,但因前景仍看好,所以也吸引磊晶廠商,逐步跨入光通訊磊晶領域,包括手機GaAs晶片之磊晶廠、LED磊晶廠等。利用本身既有的MOCVD設備生產雷射二極體之磊晶圓。整體而言,台灣廠商在光傳輸模組領域,已經逐漸建立起完整的產業結構鏈。
《圖七 台灣光傳輸模組廠商體系〈資料來源:資策會MIC,2002年6月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P7.gif) |
台灣光傳輸模組產品,如(圖八)所示。2001年台灣總產值約為93.6百萬美元,2002年上半年台灣光主動元件產值達到30.7百萬美元。整體產值較2001年上半年的80.7百萬美元,大幅衰退62%,不過卻較2002年下半年的16.9百萬美元,成長81.7%。
進一步分析產品之產值比例,傳統單模155Mbps仍是佔較高比例,不過在雙向光傳輸模組(Bi-Directional Transceiver;Bi-Di)更呈現出爆量成長,其主要需求來自於日本光纖到戶市場。
《圖八 2001年台灣光傳輸模組產品產值與產品分佈〈資料來源:資策會MIC,2002年8月〉》 ![](/art/2002/10/051325113518/P8.gif) |
多模產品方面,在低速的100、155Mbps產品,需求除了來自傳統的Fast Ethernet外,新的需求則是歐洲光纖到家所帶動。在高速產品方面,因Gigabit Ethernet持續成長,使GBIC出貨量有所提升。另外在Fibre Channel則因儲存光纖網路需求,不止產量穩定成長,同時也由1Gbps往2Gbps的發展,預估下半年的量將會超越1Gbps之產品。
產品之未來發展方向
在未來之發展方面,主要集中在光源與封裝兩大方向。在光源的發展方向上,朝向高速、高密度等方向發展。而在封裝之方向上,則往小體積、被動對光、與低價發展。
在高速方面,則是由2.5Gbps,朝向10Gbps,甚至是 40Gbps發展。在光源方面,因為到達10Gbps以上之速度時,將超過現在雷射二極體本身調變之極限,所以需搭配外部調變器,來提高光訊號源之頻率。因此可選擇方式之一是用DFB雷射,搭配鈮酸鋰(LiNbO3)的外部調變器,或是朝向電吸收調變雷射(Electro-absorption Modulated Integrated Laser Diode,EMILD)發展,亦即將DFB雷射與電吸收式調變器整合成單一元件。
在40Gbps的傳輸模組,因為速度高,對於溫度、電感等問題更敏感。所以在封裝考慮上,則可能不採取傳統的雙插線形式(Dual in Line),而是採取蝴蝶形式(Butterfly)。其下方為散熱裝置,插線在兩側,且線較短,電感較低,因此較不會影響到訊號。
不過在40Gbps領域,由於速度高,尚有其他更麻煩的問題需考慮,如模態色散(Chromatic dispersion)、極化模態色散(Polarization-mode dispersion,PMD)等問題。以PMD為例,因光訊號是有方向性的,具有正交之模態,因此耦合進光纖內,到達接受端變會有色散問題,此問題在低速並不嚴重,但是到40Gbps之高速時,便會相當嚴重,加上光有方向性是本身天生之特性,因此更難以克服。
在高密度方面,目前光傳輸模組為雙光纖形式,採一收一發方式,不過未來光傳輸模組則可能走向矩陣(Array)方式,讓多條光纖並排,透過光平面波導濾片之耦合,與雷射二極體矩陣連接,其中雷射二極體則可能採用VCSEL作為光源。
在封裝製程之發展方面,首先朝向小型化發展,因此在接頭外型上,則搭配小型連接器,包括有LC、MT-RJ等。其次在被動耦光方面,目的在自動對光,以降低耦光之成本,目前有朝向被動自動耦光,此技術已經應用在多模產品,因為多模產品精準度要求較低,而單模產品則尚未成熟。其次則是利用V-Grooved技術,直接將光纖放在V型凹槽內,進行對光動作,目前仍在發展中。
最後低價方面,主要針對光纖到戶市場,因為其對成本敏感度較高,所以提出一些解決方案,主要有雙向光傳輸模組(Bi-Direction Transceiver ),傳統光傳輸模組為雙條光纖,而雙向光傳輸模組則是只有一條光纖,但發射與接收光則是不同波長,通常發射光訊號為1550nm,而接收光訊號則是1310nm,以區隔不同訊號。
結論:
在光傳輸模組產品之未來趨勢,在通訊領域中,都會與長途光纖網路仍將以2.5Gbps為主。同時會因現今市場不佳下,使電信公司保守經營延緩10Gbps之世代交替。而低階的155、622Mbps,則是以接取網路為主要市場,其發展則取決於各國光纖到戶市場之變化。
在區域領域裡,隨著區域網路速度需求不斷提升,乙太網路將從過去的銅絞線時代,逐漸走向光纖乙太網路(Optical Ethernet)發展。預估2002年Gigabit Ethernet將因需求增加、價格下滑因素擴大市場,2003年將進入發展期,亦成為多模光傳輸模組之潛在市場。
而因景氣寒冬,反而加速產能外包(Outsourcing)之趨勢,突破長久以來的垂直分工體系。設備大廠將更專注設備領域,而元件大廠勢必更專注在核心產品上,使光通訊元件走向垂直分工時代。在此產能外包趨勢下,將中低階產品之產能外包到亞太地區,提供台商填滿閒置產能的機會,並逐步建立起產能規模。
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