在語音、數據及無線通訊服務愈趨發達的今日，在近端的資料擷取，可透過Bluetooth或Wireless LAN（如802.11a、b、g）的通訊協定傳輸。遠距方面，可結合基地台透過GPRS、WCDMA的系統聯繫，但是，當資料連結到基地台甚至是資訊服務業者後，就必須藉由纜線的方式，將四面八方而來的資料分送各地，一旦使用者增加或加入多媒體相關的資訊，系統的負荷就會增加，對於頻寬需求就會愈高，而目前解決寬頻問題最普遍的方案，就是採用光纖為主軸的網路，它的優勢在於高頻寬、損耗低及所佔空間小。

以高頻寬為例說明，若以波長1550nm的光當作載波，其頻率為：（C為光速，速度為）因此換算光在真空中的頻率約為193000GHz，若我們僅使用其千分之一的頻寬，就有約200GHz，只是目前現階段光通訊的用途仍以高速資料傳輸媒介及延伸距離為主，而未有全光路的資料處理系統，因此實際上，仍遷就於光電轉換（如光收發器）的速度。

《圖一　光纖應用網路架構示意圖〈註：都會、長距採光纖形式，而在用戶端則為有線的SONET、xDSL、GB Ethernet或無線的傳輸〉》

光通訊發展歷程

光通訊主要應用在電信網路、有線電視及數據傳輸方面，而在電信方面的應用是最早的，例如越洋的通信，因其高容量及可靠度的優點，並可以在長距離（600km以上需要中繼器，最大可達9000km）傳輸時載上數以萬計的通話信號，因而有效的提昇通話負載量及品質的問題。有線電視方面，因所需求的頻寬較高，每個頻道所需的影像頻寬約為6MHz（聲音頻道約為8KHz），以光纖傳遞類比影像訊號，可以達到一百個以上的頻道，其中包括聲音、影像及互動的數據傳輸。

而數據通信（Data communication），則是現在熱門的話題，隨著資訊時代的來臨，網際網路需要大量的頻寬來傳遞多媒體的資訊，從短距離（1～500m）的Gigabit網路卡、LAN，到中距離（1～20km）的MAN以至於長距離（60～600km以上）的越洋光纜都需要光纖的大容量來解決頻寬不足的問題，近年來，因Internet的盛行及遠距教學等實施，對於數據通訊的需求每年以倍數成長，而光纖通信系統架構則是最佳的選擇。

無論是數據或語音資料，最後仍需做光電的轉換以利用戶端使用，但以現階段光纖網路骨幹舖設的程度而言，長距離光纜在1997～2000年光通訊市場一片大好時已做了相當充裕、甚至是多餘的架設，因此在短期內，長距光纖的需求量並不高，而接下來，便是都會區與短距的接取端以及光儲存系統的建設，這正是現今較缺乏的，這就好像高速公路的交通一樣，速度要作整體的提昇，不然仍有些路段為瓶頸，還是會造成交通的堵塞，但若使所有通路都建構成全光纖網路，就能有效解決頻寬不足的問題。

此外，長距及都會區對元件要求的規格相去甚遠，從實際上的應用來說，長距離光纖及元件往往要越洋舖設，一旦架設後要修復所需的成本相當的高，在設計之初，就要謹慎的考慮穩定性、未來發展空間等，因此主要以規格導向，加上舖設長距光纜大部分為規模相當大的電信業者，對於元件規格上較易統一，如ITU的DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）規格等，而以都會區接取端及光儲存來說，它比較接近用戶端，使用者較考慮的是建構的成本，加上投入的資本門檻相對較低，自是百家爭鳴的必爭之地，相對而言，重視的就是價格。

此外，因為各種領域的應用不同，如電信相容的SONET/SDH協定、區域網路的乙太網路架構，加上傳輸速度的差異，也會使光收發模組及光纖型態有所差異，整體而言，它比較傾向於客製的規格，因此主、被動元件供應商要具有相當大的彈性才行。

以光被動元件而言，只需考慮到實體層的架構，主要鎖定在光波長、能量的特性，大部分都是純光學元件的架構，重視的是機械加工的精度及光學元件的技術，較不需要電路的架構，在低階的元件上如跳接線、耦合器等入門較容易。

《圖二　長距離光纖多通道分波多工通訊架構圖》

全光纖網路硬體架構

以(圖二)DWDM長距離光纖通訊來說明各元件所扮演的角色，從圖左方的光發送模組將各波段的信號載波利用合波器（Multiplexer）匯入同一條光纖作傳輸，因長距離光纖傳輸會有損耗，因此到一定的距離以上就必須用放大器來作訊號增益的工作，常用的有摻鉺光纖放大器（EDFA）或半導體光纖放大器（Semiconductor Optical Amplifier；SOA）等，其中若有其他節點對資料作上傳下載的動作，就需要光塞取（Add-Drop）模組來配合對某個特定波長做資料存取的動作，其後便是使用分波器Demultiplexer將各波長匯入指定的接收端做解調的動作。

其中合波／分波多工器可分離或結合不同波長的波，主要有陣列式波導AWG、布拉格光纖光柵FBG、薄膜濾片TFF等，此外，並有使用熔拉（Fusion）的方式做成的被動元件，如區分1310nm及1550nm波長的WDM，在光纖中能區分不同波長間距（Channel Spacing）的間隔器（Interleaver）及大量用在通路連結及監測系統的光耦合器（Coupler）、衰減器（Attenuator），以及穩定雷射光源及光纖放大器的光隔絕器（Isolator）等。

對於都會型光網系統，可以想像是一個迷你的長距光纖網路架構，其使用元件與長距通訊大同小異，只是規格較鬆，在短距LAN方面，用到的僅只熔拉型的WDM或耦合器等被動元件。

而被動元件的角色，在於扮演如何將各光纖通道做耦合、分離及切換的動作，它本身並不會重新組合資料或產生能量增益，因此幾乎全部是純光學的元件，對人工的依賴性最大，也最不易使產線自動化。元件設計又有分為能量及波長分工兩類，而又以後者的技術門檻較高，它主要應用在分波多工的系統中，其中光纖光纜、光纖跳接線、光耦合器、光隔絕器、光開關、光衰減器等屬於能量分工的元件，而分波多工薄膜濾波器（Thin Film Filter）、陣列波導（Array Waveguide Grating）、間隔器、微機電光切換器等，則屬於較高階的波長分工元件。

在製作的流程上，大致可分為元件預作-->元件篩選-->進料檢驗-->模組封裝-->出貨檢驗等幾部分，而濾波器等較高階產品在製程時較需要控制其品質及良率，相對元件篩選上利用到自動化的機會較多，在下游工廠中，進料檢驗也會需要自動化量測，因為模組封裝的成本較高，因此需要對元件作嚴格的把關，其後就是模組的封裝部分，需要搭配光學機構等將光纖與元件作校準（Alignment）的動作，最後就是出貨前的最終測試，在被動元件生產流程中，校準佔了相當大比例的工作，而自動化設備，無不朝此一方向發展，因此在不同產線的測試站中，就有相對應的自動化機構設計。

被動元件範例

我們以目前台灣多家廠商投入的介電質薄膜濾片（TFF Dielectric Thin Film Filter）為例作說明，顧名思義，濾片就是在一片玻璃基板上面鍍上介電材質的薄膜，使其達到對波長選擇的能力，依不同製程有分為高通、低通、帶通等數種，而設計上又有可以使鄰近通道回絕率較高的Edge型態等，它的製作方式主要是利用蒸鍍（Vapor deposition）的方式將高低不同折射率的介電材質依不同的排列組合鍍於玻璃基板上，其中高折射材質主要有銻氧化物（如TiO2、Ti2O5等），而低折射率材質主要為矽氧化物（如SiO2），不同折射率的材質在邊界處產生多光束反射而會對某波長產生建設性及破壞性的干涉效應，如(圖三)所示。

《圖三　介電材質薄膜濾片工作原理示意圖》

因此適當的控制薄膜厚度及排列組合，便會產生干涉效應而造成某些特定波長光源的穿透或是反射現象，進而能達到濾波的效果。一般來說，製作200GHz（1.6nm）通道間距的濾片，就需要約100層左右的薄膜組合，而100GHz（0.8nm）甚至特殊的通道便需要更多層的組合來達成對波寬的選擇性，當然，層數越多就會造成良率的下降，如此一來，良率與成本的控制將是一個相當大的挑戰。(圖四)是以薄膜濾片所組成的分工濾波器模組示意圖，我們可以觀察到若要能分離出四個通道，則至少必須使用三個濾片，若是一對十六通道的分波器，就必須要15個不同的濾片來達成，因此，對於多通道數的封裝會因體積大且成本高而較不合適，但對通道數較少的CWDM（Coarse WDM）模組而言，就有相當大的競爭優勢。

《圖四　使用薄膜濾片所組成的分波多器示意圖〈註：若有四個不同波長通道的訊號進入，當進入第一片濾片A時，將特定的第一通道訊號取出，而2、3、4的訊號則繼續前進，接下來再經過B、C濾片，最後將四個不同波長訊號獨立出來〉》

量測參數介紹

在介紹完被動元件的特徵後，接下來是對量測參數作一定義，被動元件在通訊領域中的地位扮演著輔助的角色，其目的是盡量不使信號在傳輸的過程中造成失真，如在高頻示波器中量測主動元件信號完整性（Signal Integrity）的眼圖，如(圖五)所示，因此，量測參數可分為能量及失真兩大類來探討。

《圖五　高頻示波器中的眼圖〈註：詳細定義請參閱本專欄（1）～（４）主動元件文章〉》

能量方面

插入損失

所謂的插入損失（Insertion Loss；I.L.）定義是當能量通過元件時，所造成能量衰減的程度，因被動元件本身不提供能量的增益，因此通過元件後能量比入射前的能量小，一般而言，被動元件在使用的波段上會要求盡量減少能量的損耗，以利後方的光接收器能有效的將信號解調出來，從各元件的插入損失相關參數就可以，估計出整個系統或次系統的能量預算（Power Budget），如(公式一)，單位以dB來表示。

《公式一》

反射損失

當光行進時遇到任何的斷面或是折射率不連續的地方，例如接觸空氣介質（air gap）、光源端未接齊（misalignment）時，就會造成反射，若端面是兩個以上，因折射率不連續之故，則會產生二次或三次以上的反射現象，這種現象在光源若為高同調性雷射如DFB時尤須注意，因雷射同調性強，因此在短距離內，元件內部產生兩次以上的反射時會產生干涉的效應，造成消光比（Extinction Ratio；ER）變差，進而影響通訊品質。

一般來說，反射在通訊中主要會產生兩個問題，第一是反射光源產生的雜訊會抑制系統傳輸的訊噪比（Signal to Noise Ratio；S/N），第二是反射能量會造成雷射共振腔體內部光源端的不穩定，某些時候會使得雷射本身產生的相對雜訊值（Relative Intensity Noise；RIN）增加，在做訊號調變時這種現象是不希望發生的，例如在CATV類比調變對振幅能量較敏感的系統中，需要採用反射損失較小的架構，而有斜角的APC（Angled Physical Contact）形態跳接線來減少反射量，反射損耗（Return Loss；RL）的定義如(公式二)，它是入射信號與第一次反射信號的比值，其值越大表示越不易在端面上產生反射。

《公式二》

偏極化損失

當光穿透過元件時，會產生一定程度的插入損失，但對雷射光而言，其極化程度較高，在光纖及元件內傳輸的過程中，因光纖彎曲、溫度影響而會使極化狀態產生改變，但各極化狀態下在元件內所產生的插入損失會有所不同，因這種改變是不可預期的，所以會造成插入損失的不確定性，我們稱為偏極化損失（Polarization Dependent Loss；PDL），如(公式三)。

《公式三》

失真方面

色散失真

不同波長的光在真空中行進的速度是相同的，但當進入介質時，會取決於介質的特性而造成傳輸速度上的差異，而這種不同波長在速度上的延遲便會造成信號失真，我們稱之為色散，例如白光穿透三菱鏡時，紫光速度較紅光快，當從空氣進入折射率較高的介質時，速度較快的光波造成的散色角較大，因而在穿透三菱鏡後造成分色的光譜，同樣道理，我們可以想像不同顏色的光進入光纖時，例如藍色光較紅色光速度快，因此若有一個數位調變的脈衝波從左方進入，最後會因載波速度的不一致而造成訊號失真，稱作色散失真（Chromatic Dispersion；CD），如(圖六)右下方所示。

《圖六　光纖內部的色散示意圖》

為了減低及估計整個系統的失真情形，這時我們就必須要量測它並加以補償，一般在估計色散的極限與調變速度的公式，如(公式四)。

《公式四》

一般單模光纖色散值約為數十ps（nm×km），代表每公里、不同間隔波長的失真比例。因此在長距離、高傳輸速度如10Gbps以上的通訊系統中，色散效應就會明顯地影響解調訊號的正確性。但色散現象屬於較穩定的值，因此可以採用補償的方式補救，一般採用漸變式布拉格光纖光柵（Fiber Bragg Grating；FBG）或一段色散情形恰與一般光纖相反的反色散式光纖（Reverse Dispersion Fiber）作補償。

偏極化模態失真

以光纖為例，內部核心層（Core）理想的情形下應是圓形對稱的，但實際上可能會因製程誤差或缺陷造成核心層為偏向非常微小的橢圓的型態，因此，這種不對稱性可視為是一種雙折射晶體（birefrigent），在使用熔拉時，情況會更明顯，如(圖七)所示。當雷射光源耦合入光纖中，偏極狀態與橢圓的長軸相同時，光波所需走的時間較長而稱為慢軸（Slow Axis），若偏極狀態與橢圓的短軸相同時，光波所需走的時間較短而稱為快軸（Fast Axis），在做通訊時，快慢軸的極化光就會因為速度不一而產生時間差。

實際上在做訊號傳輸時，我們無法精確的知道光的極化狀態相對光纖是快軸或慢軸，且光纖內部快慢軸也不是維持一致性的（如光纖彎曲或溫度變化），兩軸之間的傳輸的速度會有些許差異，這個差異會在高速資料傳輸時造成信號延遲失真，我們稱為偏極化模態失真（Polarization Dependent Loss；PMD），它的單位與色散失真一樣是秒。

《圖七　偏極化模態失真示意圖》

小結

從目前光纖舖設架構來看，主動元件如光收發模組及光放大器在目前都會區仍有發展的空間，但若長距離通訊市場沒有起色，則利潤較高的高階被動元件需求量勢必減少，在目前市場反應中，低階產品的被動元件或許還有生存的機會，但要面臨僧多粥少的競爭壓力，因此，說目前是被動元件接單的寒冬一點也不為過，而解套的方法唯有市場將庫存消耗完畢及網路通訊市場有起色後獲利空間才會逐漸回穩，目前階段，則要厚植實力及成本控制，以利景氣復甦時能有再次發展的機會。

（作者為台灣安捷倫科技技術顧問）

下期預告：下一期本刊將繼續針對詳細規格定義及如何搭配儀器自動化量測作一深入說明，敬請期待！