在语音、数据及无线通信服务愈趋发达的今日，在近端的数据撷取，可透过Bluetooth或Wireless LAN（如802.11a、b、g）的通讯协议传输。远距方面，可结合基地台透过GPRS、WCDMA的系统联系，但是，当数据链路到基地台甚至是信息服务业者后，就必须藉由缆线的方式，将四面八方而来的数据分送各地，一旦用户增加或加入多媒体相关的信息，系统的负荷就会增加，对于带宽需求就会愈高，而目前解决宽带问题最普遍的方案，就是采用光纤为主轴的网络，它的优势在于高带宽、损耗低及所占空间小。

以高带宽为例说明，若以波长1550nm的光当作载波，其频率为：（C为光速，速度为）因此换算光在真空中的频率约为193000GHz，若我们仅使用其千分之一的带宽，就有约200GHz，只是目前现阶段光通讯的用途仍以高速数据传输媒介及延伸距离为主，而未有全光路的数据处理系统，因此实际上，仍迁就于光电转换（如光收发器）的速度。

《图一 光纤应用网络架构示意图〈注：都会、长距采光纤形式，而在客户端则为有线的SONET、xDSL、GB Ethernet或无线的传输〉》

光通讯发展历程

光通讯主要应用在电信网络、有线电视及数据传输方面，而在电信方面的应用是最早的，例如越洋的通信，因其高容量及可靠度的优点，并可以在长距离（600km以上需要中继器，最大可达9000km）传输时载上数以万计的通话信号，因而有效的提升通话负载量及质量的问题。有线电视方面，因所需求的带宽较高，每个频道所需的影像带宽约为6MHz（声音频道约为8KHz），以光纤传递模拟影像讯号，可以达到一百个以上的频道，其中包括声音、影像及互动的数据传输。

而数据通信（Data communication），则是现在热门的话题，随着信息时代的来临，因特网需要大量的带宽来传递多媒体的信息，从短距离（1～500m）的Gigabit网络卡、LAN，到中距离（1～20km）的MAN以至于长距离（60～600km以上）的越洋光缆都需要光纤的大容量来解决带宽不足的问题，近年来，因Internet的盛行及远距教学等实施，对于数据通讯的需求每年以倍数成长，而光纤通信系统架构则是最佳的选择。

无论是数据或语音数据，最后仍需做光电的转换以利客户端使用，但以现阶段光纤网络骨干铺设的程度而言，长距离光缆在1997～2000年光通讯市场一片大好时已做了相当充裕、甚至是多余的架设，因此在短期内，长距光纤的需求量并不高，而接下来，便是都会区与短距的接取端以及光储存系统的建设，这正是现今较缺乏的，这就好像高速公路的交通一样，速度要作整体的提升，不然仍有些路段为瓶颈，还是会造成交通的堵塞，但若使所有通路都建构成全光纤网络，就能有效解决带宽不足的问题。

此外，长距及都会区对组件要求的规格相去甚远，从实际上的应用来说，长距离光纤及组件往往要越洋铺设，一旦架设后要修复所需的成本相当的高，在设计之初，就要谨慎的考虑稳定性、未来发展空间等，因此主要以规格导向，加上铺设长距光缆大部分为规模相当大的电信业者，对于组件规格上较易统一，如ITU的DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）规格等，而以都会区接取端及光储存来说，它比较接近客户端，用户较考虑的是建构的成本，加上投入的资本门坎相对较低，自是百家争鸣的必争之地，相对而言，重视的就是价格。

此外，因为各种领域的应用不同，如电信兼容的SONET/SDH协议、局域网络的以太网络架构，加上传输速度的差异，也会使光收发模块及光纤型态有所差异，整体而言，它比较倾向于客制的规格，因此主、被动组件供货商要具有相当大的弹性才行。

以光被动组件而言，只需考虑到物理层的架构，主要锁定在光波长、能量的特性，大部分都是纯光学组件的架构，重视的是机械加工的精度及光学组件的技术，较不需要电路的架构，在低阶的组件上如跳接线、耦合器等入门较容易。

《图二 长距离光纤多信道分波多任务通讯架构图》

全光纤网络硬件架构

以(图二)DWDM长距离光纤通讯来说明各组件所扮演的角色，从图左方的光发送模块将各波段的信号载波利用合波器（Multiplexer）汇入同一条光纤作传输，因长距离光纤传输会有损耗，因此到一定的距离以上就必须用放大器来作讯号增益的工作，常用的有掺铒光纤放大器（EDFA）或半导体光纤放大器（Semiconductor Optical Amplifier；SOA）等，其中若有其他节点对数据作上传下载的动作，就需要光塞取（Add-Drop）模块来配合对某个特定波长做数据存取的动作，其后便是使用分波器Demultiplexer将各波长汇入指定的接收端做解调的动作。

其中合波／分波多任务器可分离或结合不同波长的波，主要有数组式波导AWG、布拉格光纤光栅FBG、薄膜滤片TFF等，此外，并有使用熔拉（Fusion）的方式做成的被动组件，如区分1310nm及1550nm波长的WDM，在光纤中能区分不同波长间距（Channel Spacing）的间隔器（Interleaver）及大量用在通路链接及监测系统的光耦合器（Coupler）、衰减器（Attenuator），以及稳定雷射光源及光纤放大器的光隔绝器（Isolator）等。

对于都会型光网系统，可以想象是一个迷你的长距光纤网络架构，其使用组件与长距通讯大同小异，只是规格较松，在短距LAN方面，用到的仅只熔拉型的WDM或耦合器等被动组件。

而被动组件的角色，在于扮演如何将各光纤信道做耦合、分离及切换的动作，它本身并不会重新组合数据或产生能量增益，因此几乎全部是纯光学的组件，对人工的依赖性最大，也最不易使产线自动化。组件设计又有分为能量及波长分工两类，而又以后者的技术门坎较高，它主要应用在分波多任务的系统中，其中光纤光缆、光纤跳接线、光耦合器、光隔绝器、光开关、光衰减器等属于能量分工的组件，而分波多任务薄膜滤波器（Thin Film Filter）、数组波导（Array Waveguide Grating）、间隔器、微机电光切换器等，则属于较高阶的波长分工组件。

在制作的流程上，大致可分为组件预作--组件筛选--进料检验--模块封装--出货检验等几部分，而滤波器等较高阶产品在制程时较需要控制其质量及良率，相对组件筛选上利用到自动化的机会较多，在下游工厂中，进料检验也会需要自动化量测，因为模块封装的成本较高，因此需要对组件作严格的把关，其后就是模块的封装部分，需要搭配光学机构等将光纤与组件作校准（Alignment）的动作，最后就是出货前的最终测试，在被动组件生产流程中，校准占了相当大比例的工作，而自动化设备，无不朝此一方向发展，因此在不同产线的测试站中，就有相对应的自动化机构设计。

被动组件范例

我们以目前台湾多家厂商投入的介电质薄膜滤片（TFF Dielectric Thin Film Filter）为例作说明，顾名思义，滤片就是在一片玻璃基板上面镀上介电材质的薄膜，使其达到对波长选择的能力，依不同制程有分为高通、低通、带通等数种，而设计上又有可以使邻近信道回绝率较高的Edge型态等，它的制作方式主要是利用蒸镀（Vapor deposition）的方式将高低不同折射率的介电材质依不同的排列组合镀于玻璃基板上，其中高折射材质主要有锑氧化物（如TiO2、Ti2O5等），而低折射率材质主要为硅氧化物（如SiO2），不同折射率的材质在边界处产生多光束反射而会对某波长产生建设性及破坏性的干涉效应，如(图三)所示。

《图三 介电材质薄膜滤片工作原理示意图》

因此适当的控制薄膜厚度及排列组合，便会产生干涉效应而造成某些特定波长光源的穿透或是反射现象，进而能达到滤波的效果。一般来说，制作200GHz（1.6nm）信道间距的滤片，就需要约100层左右的薄膜组合，而100GHz（0.8nm）甚至特殊的信道便需要更多层的组合来达成对波宽的选择性，当然，层数越多就会造成良率的下降，如此一来，良率与成本的控制将是一个相当大的挑战。(图四)是以薄膜滤片所组成的分工滤波器模块示意图，我们可以观察到若要能分离出四个信道，则至少必须使用三个滤片，若是一对十六信道的分波器，就必须要15个不同的滤片来达成，因此，对于多信道数的封装会因体积大且成本高而较不合适，但对信道数较少的CWDM（Coarse WDM）模块而言，就有相当大的竞争优势。

《图四 使用薄膜滤片所组成的分波多器示意图〈注：若有四个不同波长信道的讯号进入，当进入第一片滤片A时，将特定的第一信道讯号取出，而2、3、4的讯号则继续前进，接下来再经过B、C滤片，最后将四个不同波长讯号独立出来〉》

量测参数介绍

在介绍完被动组件的特征后，接下来是对量测参数作一定义，被动组件在通讯领域中的地位扮演着辅助的角色，其目的是尽量不使信号在传输的过程中造成失真，如在高频示波器中量测主动组件信号完整性（Signal Integrity）的眼图，如(图五)所示，因此，量测参数可分为能量及失真两大类来探讨。

《图五 高频示波器中的眼图〈注：详细定义请参阅本专栏（1）～（４）主动组件文章〉》

能量方面

插入损失

所谓的插入损失（Insertion Loss；I.L.）定义是当能量通过组件时，所造成能量衰减的程度，因被动组件本身不提供能量的增益，因此通过组件后能量比入射前的能量小，一般而言，被动组件在使用的波段上会要求尽量减少能量的损耗，以利后方的光接收器能有效的将信号解调出来，从各组件的插入损失相关参数就可以，估计出整个系统或次系统的能量预算（Power Budget），如(公式一)，单位以dB来表示。

《公式一》

反射损失

当光行进时遇到任何的断面或是折射率不连续的地方，例如接触空气介质（air gap）、光源端未接齐（misalignment）时，就会造成反射，若端面是两个以上，因折射率不连续之故，则会产生二次或三次以上的反射现象，这种现象在光源若为高同调性雷射如DFB时尤须注意，因雷射同调性强，因此在短距离内，组件内部产生两次以上的反射时会产生干涉的效应，造成消光比（Extinction Ratio；ER）变差，进而影响通讯质量。

一般来说，反射在通讯中主要会产生两个问题，第一是反射光源产生的噪声会抑制系统传输的讯噪比（Signal to Noise Ratio；S/N），第二是反射能量会造成雷射共振腔体内部光源端的不稳定，某些时候会使得雷射本身产生的相对噪声值（Relative Intensity Noise；RIN）增加，在做讯号调变时这种现象是不希望发生的，例如在CATV模拟调变对振幅能量较敏感的系统中，需要采用反射损失较小的架构，而有斜角的APC（Angled Physical Contact）形态跳接线来减少反射量，反射损耗（Return Loss；RL）的定义如(公式二)，它是入射信号与第一次反射信号的比值，其值越大表示越不易在端面上产生反射。

《公式二》

偏极化损失

当光穿透过组件时，会产生一定程度的插入损失，但对雷射光而言，其极化程度较高，在光纤及组件内传输的过程中，因光纤弯曲、温度影响而会使极化状态产生改变，但各极化状态下在组件内所产生的插入损失会有所不同，因这种改变是不可预期的，所以会造成插入损失的不确定性，我们称为偏极化损失（Polarization Dependent Loss；PDL），如(公式三)。

《公式三》

失真方面

色散失真

不同波长的光在真空中行进的速度是相同的，但当进入介质时，会取决于介质的特性而造成传输速度上的差异，而这种不同波长在速度上的延迟便会造成信号失真，我们称之为色散，例如白光穿透三菱镜时，紫光速度较红光快，当从空气进入折射率较高的介质时，速度较快的光波造成的散色角较大，因而在穿透三菱镜后造成分色的光谱，同样道理，我们可以想象不同颜色的光进入光纤时，例如蓝色光较红色光速度快，因此若有一个数字调变的脉冲波从左方进入，最后会因载波速度的不一致而造成讯号失真，称作色散失真（Chromatic Dispersion；CD），如(图六)右下方所示。

《图六 光纤内部的色散示意图》

为了减低及估计整个系统的失真情形，这时我们就必须要量测它并加以补偿，一般在估计色散的极限与调变速度的公式，如(公式四)。

《公式四》

一般单模光纤色散值约为数十ps（nm×km），代表每公里、不同间隔波长的失真比例。因此在长距离、高传输速度如10Gbps以上的通讯系统中，色散效应就会明显地影响解调讯号的正确性。但色散现象属于较稳定的值，因此可以采用补偿的方式补救，一般采用渐变式布拉格光纤光栅（Fiber Bragg Grating；FBG）或一段色散情形恰与一般光纤相反的反色散式光纤（Reverse Dispersion Fiber）作补偿。

偏极化模态失真

以光纤为例，内部核心层（Core）理想的情形下应是圆形对称的，但实际上可能会因制程误差或缺陷造成核心层为偏向非常微小的椭圆的型态，因此，这种不对称性可视为是一种双折射晶体（birefrigent），在使用熔拉时，情况会更明显，如(图七)所示。当雷射光源耦合入光纤中，偏极状态与椭圆的长轴相同时，光波所需走的时间较长而称为慢轴（Slow Axis），若偏极状态与椭圆的短轴相同时，光波所需走的时间较短而称为快轴（Fast Axis），在做通讯时，快慢轴的极化光就会因为速度不一而产生时间差。

实际上在做讯号传输时，我们无法精确的知道光的极化状态相对光纤是快轴或慢轴，且光纤内部快慢轴也不是维持一致性的（如光纤弯曲或温度变化），两轴之间的传输的速度会有些许差异，这个差异会在高速数据传输时造成信号延迟失真，我们称为偏极化模态失真（Polarization Dependent Loss；PMD），它的单位与色散失真一样是秒。

《图七 偏极化模态失真示意图》

小结

从目前光纤铺设架构来看，主动组件如光收发模块及光放大器在目前都会区仍有发展的空间，但若长距离通讯市场没有起色，则利润较高的高阶被动组件需求量势必减少，在目前市场反应中，低阶产品的被动组件或许还有生存的机会，但要面临僧多粥少的竞争压力，因此，说目前是被动组件接单的寒冬一点也不为过，而解套的方法唯有市场将库存消耗完毕及网络通讯市场有起色后获利空间才会逐渐回稳，目前阶段，则要厚植实力及成本控制，以利景气复苏时能有再次发展的机会。

（作者为台湾安捷伦科技技术顾问）

下期预告：下一期本刊将继续针对详细规格定义及如何搭配仪器自动化量测作一深入说明，敬请期待！