寬頻的應用近年來快速成長，包括無線通訊、數位電視的傳輸及網際網路等，都需要以更大的頻寬才能滿足其需求，光纖通訊網路將是滿足這些寬頻需求的最佳解決方案。

現代通訊網路傳輸技術的發展在1980年代中期以後，骨幹網路（Backbone Network）及區域網路（Regional Network）所鋪設的傳輸系統幾乎全被以SONET/SDH為主的光纖傳輸系統所取代，目前光纖網路正往用戶端發展，光纖到家（FTTH）已成為近年來最熱門的發展趨勢，而另一重要的趨勢為10G乙太網路技術的出現，由於乙太網路使用人口眾多，結合乙太網路與光纖通訊所發展出來的10G乙太網路技術，將為未來通訊網路帶來重大變革。此外，由於光纖特性的不斷發展，同時雷射光源與光電（Opto-electronic）驅動元件技術也進步神速，促使分波多工技術（Wavelength Division Multiplexing；WDM）的技術廣泛應用於通訊網路中。早期WDM光通訊技術的應用大多集中在骨幹網路（Backbone Network），提供點對點的網路連接。隨著網路應用需求的增加，WDM的技術逐漸應用在都會網路（MAN）、區域網路（LAN）甚至接取網路（Access Network）中。[1]

光通訊主動元件與模組

在過去幾年，光通訊主動元件的焦點在1.25Gbps乙太光傳接模組技術的開發與低價位的光放大器技術的發展，確定未來的產品走向會朝都會型的DWDM系統以及LAN的高速方向發展。在光傳接模組上，臺灣廠商的出貨主要集中在155Mbps的光傳接模組，且已具有開發Gigabit Ethernet光傳接模組的產品能力，目前已投入之製造廠商有前鼎、嘉信、得迅、鴻海、億光、冠德、台達電、旺錸、鴻亞和心光通等，整體產值部份已有大幅成長。以區域網路設備而言，在Gigabit乙太網路卡方面，則有友訊、智邦、百訊等臺灣大廠開始積極投入。光通訊用IC部份尚在開發階段，只有世紀民生、我想科技等公司積極投入發展，但目前只限於155至622Mbps速率的雷射二極體驅動IC及接收端的後級放大器。

應用於光通訊的晶片種類

隨著DWDM或是10 Gigabit乙太網路的普及化，因而使得雷射及光電元件的應用將有大幅地成長，例如半導體雷射，雷射驅動晶片及光電調變器晶片，電多工器和解多工器晶片等。這是可以被預期在兩年後時，光通訊系統晶片的市場將會超過20億以上。

如(圖一)的IEEE 302.3ae任務小組制訂出的乙太網路資料連結層與實體層的整個架構規範，並與電腦網路OSI層相對應比較。其中三個實體層包括：

• (1)PMD單元，即包含光傳送模組與光接收模組且可將兩者合併起來稱為光傳收模組（Optical Transceiver）﹔



• (2)PMA單元：接收來自PMD單元的串列資料將其解串列化（Deserialize）後成為並列化資料；



• (3)之後傳給PCS單元將資料作編碼處理。[2]

光通訊用晶片主要分為兩類，為實體層晶片（physical layer IC）和資料連結層晶片（data link layer IC），實體層晶片的製程技術包含CMOS、GaAs HBT、BiCMOS、InP MESFET/PHEMT、矽鍺晶片、InP HBT，目前這方面晶片主要的供應廠商有Maxim、Vitesse、Intel、Agilent、Analog、IDT、Infineon、Sony等，比較高階的晶片則是針對SONET OC192或10G乙太網路系統的應用而開發，由於晶片操作頻率達到GHz以上，所以晶片價格大都超過USD 30以上。

《圖一　網路架構規範 [2]》

＜圖一縮寫字說明註解＞

縮寫字	說 明	縮寫字	說 明
OSI	Open system interconnections 電腦系統連結	MAC	Medium access control 媒體存取控制1.35
GMII	Gb/s media independent interface 媒體獨立介面	MDI	Medium dependent interface 媒體相依介面
PCS	Physical coding sublayer 實體編碼子系統	PMA	Physical medium attachment 實體媒體附著
PLS	Physical layer signaling 實體層信號	PMD	Physical medium dependent 實體媒體相依
MII	Medium independent interface 媒體獨立介面

雷射驅動晶片及電光調變器驅動晶片（Laser driver IC；modulator IC）

為能夠製作出符合規範之光傳送模組，此類晶片需有以下特性：偏壓電流與調變電流需足夠以調變雷射，且能達到規定的明滅比，其中DFB雷射可能需要調變電流60mA以上，而VCSEL雷射因差分斜率較高，較小調變電流即可達到所需的明滅比。

雷射驅動電路須根據不同之雷射來選用，其上升與下降時間（波形振幅由20％變化到80％之間）能符合該傳輸位元率的規範，也就是頻寬需要夠大。此外，依應用的不同，此驅動電路有時需具有自動功率控制功能、電流監視、自動斷流功能。而輸出波形的隨機抖動與決定性抖動值必須儘可能降低。[3]

轉阻放大器（Transimpedance Amplifiers IC）

由於轉阻放大器具有寬的動態範圍、高靈敏度、高頻寬以及較低的熱擾動電流（即較低的相對雜訊），因此是最常使用來當光接收器的前置放大器（preamplifier）的電路類型，(圖二)為轉阻放大器之電路示意圖，轉阻放大器的頻寬主要決定於回授電阻值及雜散電容值。[3]~[6]

後級（或稱限幅）放大器（Post or limiting amplifier IC）

限幅放大器主要的功能是將前端轉阻放大器傳送過來之小訊號放大至一定的準位，(圖三)為PIN-TIA與限幅放大器連接圖。透過限幅放大器正確的將訊號放大再輸出。輸入電壓是否大於臨界電壓可由限幅放大器上的訊號偵測（signal detect）腳位來判斷，依不同限幅放大器有不同的輸出位準。就數位訊號而言，限幅放大器對接收訊號有波形整形的功效，可減少波形失真，並降低雜訊對訊號的影響。

《圖二　理想轉阻放大器之電路示意圖》

《圖三　PIN-TIA與限幅放大器連接圖》

限幅放大器之重要特性包括：

多工器/解多工器（Mux/demux）或稱串列式/解串列晶片（SerDes）

多工器晶片主要是轉換4或是16位元資料，將多個速率為155Mbps、622Mbps的並列埠資料轉成一個串列埠資料，也就是使用分時多工技術（TDM），將多個低傳輸位元率的訊號合併以數倍或數十倍的位元率傳送。此晶片為高速數位電路的介面處理裝置，可以接受單端的LVPECL資料輸入，然後形成差動式的資料及時脈輸出，至於解多工器則是相反的作用，目前多數是將多工器電路與解多工器電路結合在一晶片中，還可藉由整合一個鎖相迴路電路，可以達到時脈產生與同步的目的。

通常對多工器的訊號抖動有嚴格要求，也就是越小越好，但對訊號抖動的容忍度越高越好。甚至必須可以支持多重速率的選擇，未來晶片的趨勢為結合資料與時脈回復（CDR）及時脈整合（CMU）單元。[4]~[6]

資料與時脈回復晶片（Clock and data recovery IC）

在系統應用上，接收器通常需要適用於一個較寬廣的頻率範圍，而數位訊號的完整重現需仰賴時脈回復單元，以取得正確的時脈訊號及決策的取樣點，提供回復原始的資料。為適應輸入訊號的可能變動，此單元需可以動態的修改對訊號電壓和相位的取樣點位置，以避免取樣訊號眼形圖的不對稱失真情形時，得到錯誤的資料與時脈，而且允許有附加電路提供相關的誤碼率數值量測。[4]~[6]

控制與監視訊號晶片

當光纖傳送的資料速率達到10Gbps的情況時，色散效應會導致訊號波形變寬而發生碼際干擾的現象，因而減小訊號傳送的距離與降低接收的訊號品質，所以在接收部分前端加入一個色散補償晶片（electronic dispersion compensation；EDC）是必要的。一般接收端對訊號品質的監視包含前向錯誤校正晶片（Forward Error Correction），前向糾錯包含多種不同技術，如區塊碼（Block code）、迴旋碼（convolutional code）、渦輪碼（Turbo code）、低集成度機偶校驗證編碼（LDPC Code）等等。在光纖通訊極高速應用下，Reed Solomon碼常被採用。Reed Solomon碼是以符號率（symbol rate）執行，在FEC晶片的IC設計上，由於FEC編碼/解碼操作過程中的特性，如頻寬與成本等，所以此類晶片設計存在著許多挑戰。[4]~[6]

光通訊晶片未來趨勢

由於不需溫控的DFB雷射技術、光發射與光接收模組（TOSA/ROSA）封裝的技術之發展與多工解多工晶片的進步，在設計不同網路架構如區域網路、都會型和核心網路的網路設備時，可熱插拔式的光模組已逐漸被採用於光介面模組上。

多源協定（multisource agreements；MSA）中已經清楚地定義可熱插拔式的光介面模組，必須提供傳輸速率從155 Mbps/sec到10 Gbps/sec，傳輸距離從600公尺（very-short-reach；VSR）到80公里（long-reach；LR），可支援同軸電纜和不同型式的光纖。活動式可插拔的設計，可增加傳輸埠數量，降低消耗功率，縮短元件的製程時間和透過標準化增加競爭力，以降低系統成本。目前MSA已發展出四種主要的10G乙太網路和OC-192光介面模組的規格：XENPAK、XPAK、X2和XFP。[7]

在MSA制定的10-Gbit/sec光介面模組方面，至今一般可見的是300-pin光傳送接收模組，也稱作transponder。請參考(圖四)[8]，各個元件的整合發展成300-pin MSA 光傳送接收模組。在接收路徑中，解多工器和時脈回復電路整合成單一晶片，轉阻放大器晶片通常也與檢光二極體整合在一起，在發射路徑中，多工器、時脈整合電路形成一個晶片，通常在光設備中會包含一些附屬的裝置如光訊號控制和監視電路（雷射偏壓電流和溫度的控制），控制數位訊號的品質（如加入FIFOs 和 filters 以控制訊號抖動程度）。目前光通訊晶片製造廠以慢慢地朝向這樣的晶片整合目標邁進，目前市面上以英特爾和英飛淩發展的最快速，(圖五)為一個MSA光傳送接收模組的實體圖[8]。

結語

以臺灣廠商在光通訊元件製造上的量產經驗及相關技術能力，配合其產品商品化的速度以及生產管理經驗，與大陸各次產品市場之生產環境相較來看，光通訊元件及Gigabit乙太網路設備將是臺灣廠商最具競爭優勢及市場機會的產品，未來臺灣廠商持續成長的關鍵在於能否持續降低生產成本，提高本身的價格競爭力。臺灣應把握住其在光元件製造上的優勢，採取策略聯盟的競爭或合作關係，同時加強其與國際廠商的技術研發合作的機會，以爭取未來全球市場蓬勃發展的廣大商機。（作者曹恆偉為台大系統晶片中心研究教授；李三良為台科大電子系教授；林淑娟為台科大電子系助理）

《圖四 300-pin 10Gbps的光傳送接收模組》

《圖五 一個300-pin SFF MSA 光傳送接收模組的實體圖。》

＜資料來源＞

[1] Joseph C. Palais, "Fiber Optic Communications", Chap 1-5.

[2] Agilent 5988-2566EN "Fiber Optic Technical Training Manual", page 26, 27..

[3] 蘇德龍, "百億位元乙太網路光傳收模組之研製", Chap3-1.

[4] http://www.maxim-ic.com/Fiber.cfm.

[5] http://www.vitesse.com/products/byapplication.php

[6] http://www.analog.com

[7] James Doscher , "New 10-Gbit/sec ICs support emerging optical interfaces", Lightwave December, 2002

[8] Jon Anderson, Rich Zoccolillo, "Evolutionary trends in pluggable optical modules", Lightwave January, 2004.