宽频的应用近年来快速成长，包括无线通讯、数位电视的传输及网际网路等，都需要以更大的频宽才能满足其需求，光纤通讯网路将是满足这些宽频需求的最佳解决方案。

现代通讯网路传输技术的发展在1980年代中期以后，骨干网路（Backbone Network）及区域网路（Regional Network）所铺设的传输系统几乎全被以SONET/SDH为主的光纤传输系统所取代，目前光纤网路正往用户端发展，光纤到家（FTTH）已成为近年来最热门的发展趋势，而另一重要的趋势为10G乙太网路技术的出现，由于乙太网路使用人口众多，结合乙太网路与光纤通讯所发展出来的10G乙太网路技术，将为未来通讯网路带来重大变革。此外，由于光纤特性的不断发展，同时雷射光源与光电（Opto-electronic）驱动元件技术也进步神速，促使分波多工技术（Wavelength Division Multiplexing；WDM）的技术广泛应用于通讯网路中。早期WDM光通讯技术的应用大多集中在骨干网路（Backbone Network），提供点对点的网路连接。随着网路应用需求的增加，WDM的技术逐渐应用在都会网路（MAN）、区域网路（LAN）甚至接取网路（Access Network）中。 [1]

光通讯主动元件与模组

在过去几年，光通讯主动元件的焦点在1.25Gbps乙太光传接模组技术的开发与低价位的光放大器技术的发展，确定未来的产品走向会朝都会型的DWDM系统以及LAN的高速方向发展。在光传接模组上，台湾厂商的出货主要集中在155Mbps的光传接模组，且已具有开发Gigabit Ethernet光传接模组的产品能力，目前已投入之制造厂商有前鼎、嘉信、得迅、鸿海、亿光、冠德、台达电、旺铼、鸿亚和心光通等，整体产值部份已有大幅成长。以区域网路设备而言，在Gigabit乙太网路卡方面，则有友讯、智邦、百讯等台湾大厂开始积极投入。光通讯用IC部份尚在开发阶​​段，只有世纪民生、我想科技等公司积极投入发展，但目前只限于155至622Mbps速率的雷射二极体驱动IC及接收端的后级放大器。

应用于光通讯的晶片种类

随着DWDM或是10 Gigabit乙太网路的普及化，因而使得雷射及光电元件的应用将有大幅地成长，例如半导体雷射，雷射驱动晶片及光电调变器晶片，电多工器和解多工器晶片等。这是可以被预期在两年后时，光通讯系统晶片的市场将会超过20亿以上。

如(图一)的IEEE 302.3ae任务小组制订出的乙太网路资料连结层与实体层的整个架构规范，并与电脑网路OSI层相对应比较。其中三个实体层包括：

• (1)PMD单元，即包含光传送模组与光接收模组且可将两者合并起来称为光传收模组（Optical Transceiver）﹔



• (2)PMA单元：接收来自PMD单元的串列资料将其解串列化（Deserialize）后成为并列化资料；



• (3)之后传给PCS单元将资料作编码处理。 [2]

光通讯用晶片主要分为两类，为实体层晶片（physical layer IC）和资料连结层晶片（data link layer IC），实体层晶片的制程技术包含CMOS、GaAs HBT、BiCMOS、InP MESFET/PHEMT、矽锗晶片、InP HBT，目前这方面晶片主要的供应厂商有Maxim、Vitesse、Intel、Agilent、Analog、IDT、Infineon、Sony等，比较高阶的晶片则是针对SONET OC192或10G乙太网路系统的应用而开发，由于晶片操作频率达到GHz以上，所以晶片价格大都超过USD 30以上。

《图一 网络架构规范 [2]》

＜图一缩写字说明注解＞

缩写字	说 明	缩写字	说 明
OSI	Open system interconnections 电脑系统连结	MAC	Medium access control 媒体存取控制1.35
GMII	Gb/s media independent interface 媒体独立介面	MDI	Medium dependent interface 媒体相依介面
PCS	Physical coding sublayer 实体编码子系统	PMA	Physical medium attachment 实体媒体附着
PLS	Physical layer signaling 实体层信号	PMD	Physical medium dependent 实体媒体相依
MII	Medium independent interface 媒体独立介面

雷射驱动晶片及电光调变器驱动晶片（Laser driver IC；modulator IC）

为能够制作出符合规范之光传送模组，此类晶片需有以下特性：偏压电流与调变电流需足够以调变雷射，且能达到规定的明灭比，其中DFB雷射可能需要调变电流60mA以上，而VCSEL雷射因差分斜率较高，较小调变电流即可达到所需的明灭比。

雷射驱动电路须根据不同之雷射来选用，其上升与下降时间（波形振幅由20％变化到80％之间）能符合该传输位元率的规范，也就是频宽需要够大。此外，依应用的不同，此驱动电路有时需具有自动功率控制功能、电流监视、自动断流功能。而输出波形的随机抖动与决定性抖动值必须尽可能降低。 [3]

转阻放大器（Transimpedance Amplifiers IC）

由于转阻放大器具有宽的动态范围、高灵敏度、高频宽以及较低的热扰动电流（即较低的相对杂讯），因此是最常使用来当光接收器的前置放大器（preamplifier）的电路类型，(图二)为转阻放大器之电路示意图，转阻放大器的频宽主要决定于回授电阻值及杂散电容值。 [3]~[6]

后级（或称限幅）放大器（Post or limiting amplifier IC）

限幅放大器主要的功能是将前端转阻放大器传送过来之小讯号放大至一定的准位，(图三)为PIN-TIA与限幅放大器连接图。透过限幅放大器正确的将讯号放大再输出。输入电压是否大于临界电压可由限幅放大器上的讯号侦测（signal detect）脚位来判断，依不同限幅放大器有不同的输出位准。就数位讯号而言，限幅放大器对接收讯号有波形整形的功效，可减少波形失真，并降低杂讯对讯号的影响。

《图二 理想转阻放大器之电路示意图》

《图三 PIN-TIA与限幅放大器连接图》

限幅放大器之重要特性包括：

多工器/解多工器（Mux/demux）或称串列式/解串列晶片（SerDes）

多工器晶片主要是转换4或是16位元资料，将多个速率为155Mbps、622Mbps的并列埠资料转成一个串列埠资料，也就是使用分时多工技术（TDM），将多个低传输位元率的讯号合并以数倍或数十倍的位元率传送。此晶片为高速数位电路的介面处理装置，可以接受单端的LVPECL资料输入，然后形成差动式的资料及时脉输出，至于解多工器则是相反的作用，目前多数是将多工器电路与解多工器电路结合在一晶片中，还可藉由整合一个锁相回路电路，可以达到时脉产生与同步的目的。

通常对多工器的讯号抖动有严格要求，也就是越小越好，但对讯号抖动的容忍度越高越好。甚至必须可以支持多重速率的选择，未来晶片的趋势为结合资料与时脉回复（CDR）及时脉整合（CMU）单元。 [4]~[6]

资料与时脉回复晶片（Clock and data recovery IC）

在系统应用上，接收器通常需要适用于一个较宽广的频率范围，而数位讯号的完整重现需仰赖时脉回复单元，以取得正确的时脉讯号及决策的取样点，提供回复原始的资料。为适应输入讯号的可能变动，此单元需可以动态的修改对讯号电压和相位的取样点位置，以避免取样讯号眼形图的不对称失真情形时，得到错误的资料与时脉，而且允许有附加电路提供相关的误码率数值量测。 [4]~[6]

控制与监视讯号晶片

当光纤传送的资料速率达​​到10Gbps的情况时，色散效应会导致讯号波形变宽而发生码际干扰的现象，因而减小讯号传送的距离与降低接收的讯号品质，所以在接收部分前端加入一个色散补偿晶片（electronic dispersion compensation；EDC）是必要的。一般接收端对讯号品质的监视包含前向错误校正晶片（Forward Error Correction），前向纠错包含多种不同技术，如区块码（Block code）、回旋码（convolutional code）、涡轮码（Turbo code ）、低集成度机偶校验证编码（LDPC Code）等等。在光纤通讯极高速应用下，Reed Solomon码常被采用。 Reed Solomon码是以符号率（symbol rate）执行，在FEC晶片的IC设计上，由于FEC编码/解码操作过程中的特性，如频宽与成本等，所以此类晶片设计存在​​着许多挑战。 [4]~[6]

光通讯晶片未来趋势

由于不需温控的DFB雷射技术、光发射与光接收模组（TOSA/ROSA）封装的技术之发展与多工解多工晶片的进步，在设计不同网路架构如区域网路、都会型和核心网路的网路设备时，可热插拔式的光模组已逐渐被采用于光介面模组上。

多源协定（multisource agreements；MSA）中已经清楚地定义可热插拔式的光介面模组，必须提供传输速率从155 Mbps/sec到10 Gbps/sec，传输距离从600公尺（very-short -reach；VSR）到80公里（long-reach；LR），可支援同轴电缆和不同型式的光纤。活动式可插拔的设计，可增加传输埠数量，降低消耗功率，缩短元件的制程时间和透过标准化增加竞争力，以降低系统成本。目前MSA已发展出四种主要的10G乙太网路和OC-192光介面模组的规格：XENPAK、XPAK、X2和XFP。 [7]

在MSA制定的10-Gbit/sec光介面模组方面，至今一般可见的是300-pin光传送接收模组，也称作transponder。请参考(图四)[8]，各个元件的整合发展成300-pin MSA 光传送接收模组。在接收路径中，解多工器和时脉回复电路整合成单一晶片，转阻放大器晶片通常也与检光二极体整合在一起，在发射路径中，多工器、时脉整合电路形成一个晶片，通常在光设备中会包含一些附属的装置如光讯号控制和监视电路（雷射偏压电流和温度的控制），控制数位讯号的品质（如加入FIFOs 和filters 以控制讯号抖动程度）。目前光通讯晶片制造厂以慢慢地朝向这样的晶片整合目标迈进，目前市面上以英特尔和英飞凌发展的最快速，(图五)为一个MSA光传送接收模组的实体图[8]。

结语

以台湾厂商在光通讯元件制造上的量产经验及相关技术能力，配合其产品商品化的速度以及生产​​管理经验，与大陆各次产品市场之生产环境相较来看，光通讯元件及Gigabit乙太网路设备将是台湾厂商最具竞争优势及市场机会的产品，未来台湾厂商持续成长的关键在于能否持续降低生产成本，提高本身的价格竞争力。台湾应把握住其在光元件制造上的优势，采取策略联盟的竞争或合作关系，同时加强其与国际厂商的技术研发合作的机会，以争取未来全球市场蓬勃发展的广大商机。 （作者曹恒伟为台大系统晶片中心研究教授；李三良为台科大电子系教授；林淑娟为台科大电子系助理）

《图四 300-pin 10Gbps的光传送接收模块》

《图五 一个300-pin SFF MSA 光传送接收模块的实体图。》

＜资料来源＞

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

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

[3] 苏德龙, "百亿位元乙太网路光传收模组之研制", 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.