光纤通讯组件与模块技术之最新发展趋势

光纤通讯组件与模块技术之最新发展趋势一、前言目前以全球而言，光通讯产业的产值已经占全球光电产业产值的1/4，与显示器、影像相关产品、及光储存产品鼎足而立，是光电产业的四个主要支柱。全球光电产业产值在1999年是1855亿美元，所以光通讯产业目前的规模大约是接近500亿美元的规模。至于在光通讯产业中，依产品或技术的层次大致可分为组件与材料、模块与构装、设备与系统这三个层次。在图一中我简单列出了每个层次的一些主要技术或产品，这些技术或产品其实也正是这一两年来全球竞相发展的方向。图一：光通讯关键技术与产品最近光通讯技术的发展方向还可以简单地以图二中的两个趋势来描述：图二：光通讯技术发展趋势在其中所谓的DWDM技术指的是在同一光纤中同时传播多个光波长很接近（100GHZ或更小）的频道（假定一个波长代表一个频道）之技术，如此一来不需要增加光纤就可以把总传输容量一直倍增下去，这样才有办法满足Internet上每9个月传输容量需求就增加一倍的盛况。而要充分实现及利用这种DWDM概念，就必须发展出很多新的DWDM组件、模块、及设备系统，也必须发展能够有效管理这么多个光波长频道的网络管理技术，所以就有很多技术研发上的工作需要完成。在DWDM系统中所需要的关键组件与模块可以从图三的示意图中看出：图三：DWDM系统示意图基本上其中最主要的组件及模块包括：（1）被动组件及模块：波长多任务/解多任务器、撷取器、色散补偿装置、光学开关等。（2）主动组件及模块：DWDM光传接模块、光放大器、可调频/选频光源等。最有趣的是，可以用来制作这些组件及模块的技术竟然有许多种，而且常是全新的技术，且各有优劣，所以就成了百家争鸣，大家一起到庙会摆摊的盛况。至于在光纤局域网络及撷取网络上的应用需求则又稍有不同，在此发展的重点倒不在于DWDM的技术，因为目前多半的局域网络及撷取网络都还没有发展到这种程度，所需的总传输率还不像在都会网络或传输网络中那么高。譬如目前最热门的OpticalEthernet，1Gb/s的传输标准早已制订，10Gb/s标准目前正制订中[1]，从这里也可看出其实局域网络的传输速率已经与骨干或传输网络中单一频道的传输速率差不多了。对光纤局域网络及撷取网络的发展而言最关键的因素是成本，只有成本低到一般的使用者负担得起才能够广被采用，这也是为什么在方面大家的重点都摆在如何制作出便宜但又高速的光传接模块上面。在以下的篇幅里我就来根据上述的分类方式叙述一下有哪些有趣的光通讯组件及模块技术，顺便也提一下其工作原理。二、光通讯被动组件及模块技术DWDM光通讯被动组件及模块中最基本的就是DWDM光波长多任务/解多任务器，它的功能正是要来将各种不同波长的光合并到同一光纤(多任务)或分开到不同光纤(解多任务)。因为DWDM的频道间距很小(100GHz或甚至50GHz)，所以需要窄频(narrow-band)、平头(flat-top)、陡裙(steep-skirt)的滤波器才能胜任这种多任务/解多任务的任务。要制作这种波长多任务/解多任务器可以有多种技术可用，包括光学镀膜、全光纤式组件、数组光波导组件、传统绕射式光栅等。其中光学镀膜式的波长多任务/解多任务器目前仍是最成熟的技术，其架构大致如下图所示：[2]图四：光学镀膜式DWDM波长多任务/解多任务器其中的关键组件之一是光学镀膜式滤镜。要制作符合DWDM要求的滤镜，镀膜的层数必须高达100多层，每层的厚度约1/4波长，采3个共振腔的结构来达到平头与陡裙的要求，每层的厚度必须非常准确，所以制作中需要有实时且精准的厚度监控装置。[3]第二种制作DWDM波长多任务/解多任务器的方法是数组光波导组件（AWG）[4]，其结构如图五中所示。其原理也非常有趣，入射光经过第一段接合处因绕射而分布地入射于中间的数组光波导，光经过数组光波导传到另一端，不同频率的光会有不同变化率的线性相位改变，这种线性相位改变会使不同频率的光经第二段接合处重新聚焦于输出端的某一光波导中，其原理就像是所谓的数组天线，辐射光的方向可以藉由控制数组天线的线性相位变化来改变。所以如果在输出端制作数组波导，适当选择波导的间距与中央数组光波导的长度变化率即可使频道间距为一定值的频道刚好聚焦入射于输出端的光波导数组之中，从而达到DWDM多任务/解多任务的功能。图五：数组光波导组件式DWDM波长多任务/解多任务器第三种制作DWDM波长多任务/解多任务器的方法是全光纤式组件，这类组件又可分为两大类：光纤光栅式组件及串接光纤干涉仪式组件，俱如图六所示。图六：光纤式DWDM组件光纤光栅组件系直接在光纤核心中直接用UV光感应出周期性折射系数光栅，透过布拉格绕射的效应可以制作出窄频反射式滤波器。图七：光纤光栅制作技术不过因为是在一维光纤中的反射式滤波器，所以反射光同入射光无法简单地分开，必须使用旋光器（circulator）或是使用光纤干涉仪的架构，否则会有很大的光损耗。至于串接光纤干涉仪式组件则是直接利用串接式unbalancedMach-Zehnder光纤干涉仪来制作具有周期性穿透频谱的滤波器，藉由适当选择光纤干涉仪两臂的长度差，可以达到窄频、平头及陡裙的要求。而且由于Mach-Zehnder光纤干涉仪是两个输出端的组件，而且两输出端的频谱刚好互补，所以可以来制作所谓的DWDM交错器（Interleaver），可以用来把奇数与偶数频道分开或合并，如此频道间距可提高一倍，从而可使较便宜的光学镀膜式DWDM波长多任务/解多任务器也可用于50GHz的频道间距。这是因为光学镀膜式DWDM滤镜可达到的频道间距到100GHz就已经很困难制造，更不用说50GHz频道间距，利用DWDM交错器（Interleaver）是克服这种困难的最有效方法。串接式光纤干涉仪是制作DWDM交错器的一种可行方法而已，尚有利用串接式bulk光学干涉仪的方法，这是目前最热门的DWDM被动组件之一。[5]其它可用来制作波长多任务/解多任务器的方法还包括利用传统绕射光栅[6]、或是利用新型全像式光栅等方法，研究人员还特别针对传统绕射光栅的架构发展出被动式温度补偿的方法，可以克服当环境温度改变时光栅周期也会改变的困境，使得所制作出的波长多任务/解多任务器可以有很大的温度工作范围。其实前面说的全光纤式及数组光波导组件式DWDM波长多任务/解多任务器也有温度效应的问题，必须有配合的温度补偿技术才能成为实用的组件。大概只有光学镀膜式的波长多任务/解多任务器可以不需要担心温度补偿的问题，因为其温度系数很小，不会造成困扰。这个DWDM波长多任务/解多任务器的例子正好验证我一开始所说的有趣观察，有多种技术可用来达到某一功能，而且各有优缺点（如光学镀膜式利于小数目频道数的应用且不需温度补偿，AWG利于大数目频道数的应用但制作不易，全光纤式利于超窄频道间距的应用且成本便宜，传统绕射光栅式利于制作但体积较难缩小等），于是各家公司各有擅长，各自发展看好的技术来互相竞争。在光通讯技术中像这样例子至少还有两个，一个是光学开关技术，一个是色散补偿技术。目前可以用来制作光学开关的技术至少有：(1)机械式；(2)光学微机电式（OpticalMEMS，其中所使用的MEMS技术又可分为bulkMEMS或是surfaceMEMS，surfaceMEMS中又可有多种不同架构）；(3)光波导式（又可分为Electro-OpticLiNbO3waveguide,Thermal-opticSilicaorPolymerwaveguide，Thermal-bulbleSilicawaveguide等多种）。[7]可以用来达到光色散补偿的技术至少有：(1)色散补偿光纤；(2)光纤光栅；(3)双模光纤＋长周期光纤光栅式模态转换器；(4)VirtualImageArray式的bulk-optic架构。[8]到目前为止这些技术仍然都有公司用来发展他们的产品，虽说可能有的较成熟，有的较不成熟，但至少是互有优略，都有机会。三、光通讯主动组件及模块技术在主动组件及模块这方面，几个最主要的发展重点包括：(1)表面辐射雷射（VESEL）技术；(2)光传接模块技术；(3)光放大器技术；(4)可调频或可选频雷射。以下我就依此次序来作介绍。表面辐射雷射是光通讯用雷射光源的一种（图八）：图八：光通讯雷射光源发展趋势其结构系如图九所示，因为共振腔很短，可以达到单纵模输出，所以可以有窄频宽；输出光是垂直的出射，所以可以on-wafertest；辐射光的模态较对称，所以较易耦合进光纤；由于以上的特性，不论是组件制程或构装的成本都较边射型雷射为低。这也是为什么850nm的VESEL目前几乎完全取代边射型雷射被用于短距离（几百公尺）高速率（1Gb/s到10Gb/s）的数据传输连结。不过目前长波长VESEL（1300nm或1550nm）尚未有成熟的产品[9]，所以在此二通讯的波段仍以边射型雷射（Fabry-Perot及DFB）为主。可以预期的是一但长波长VESEL技术能够成熟，通讯波段的雷射光源应会有革命性的改变。图九：VCSEL组件示意图至于光传接模块的发展趋势则如图十所示：图十：光传接模块发展趋势要采用何种技术则是要看这个光传接模块是要用在怎样的系统中。有些应用（如骨干网络）需要很高的质量（高调变速度、单频、准确的中心波长等等），有些的应用（如opticalEthernet）则在意低成本、小体积（如Small-Form-Factor）等。目前短距离以使用LED及850nmVCSEL雷射为主，稍长距离使用1300nmFP雷射，更长距离则使用DFB雷射（1300nm或1550nm），DWDM则以1550nmDFB雷射为主。目前的光放大器技术主要仍以掺铒光纤放大器为主，可以是在C-band，或是在L-band，可以是简单型的单频道光放大器模块，也可以是具备增益平坦化及动态增益控制的复杂光放大器次系统。半导体光放大器具有低成本的优点，不过因载子生命时间较短，所以非线性效应很大，不适合用来同时放大太多波长。不过到很适合来发展非线性光信号处理技术，如所谓的optical3R技术（Re-amplication,Re-timing,Re-shaping），也就是直接在光学的层次以电子技术所难以企及的高速来直接作信号的重生。另一类光放大器则为Raman光放大器,这种光放大器是利用光纤的Raman效应来达到光放大的效果，所以需要一个高功率激发光源。其好处是光放大的波段可以由激发光源的波长来决定，且是分布式光放大器，可以降低光纤中信号的peakintensity，从而降低信号传输所看到的非线性效应。不过其缺点是激发光源所需的功率颇高，所以价格还是很贵。图十一：光放大器最后，在新型主动组件及模块这方面，目前还不是很成熟的技术要算是可调频或可选频雷射或模块了。目前最成熟的可调频或可选频激光技术要属利用sampledgratingDBR结构之半导体雷射，这是利用两个错开的sampledgratingDBR结构来选频，或是利用一个sampledgratingDBR结构配合垂直耦合的光波导结构来选频或调频。这些雷射有很快的调频或选频速率，不过需要同时控制多个注入电流才能精确地来达到选频的功能。也有人正在利用MEMS技术来发展可调频式VCSEL组件，配合未来长波长VCSEL技术的进展，这种可调频式VCSEL组件应该会越来越具潜力。[10]四、结论限于本文的篇幅我只能快速地叙述一些光通讯主被动组件及模块的发自展趋势，最后我还希望传达给各位读者以下的看法：目前光纤通讯应用上的需求必须靠组件及模块上的突破才能满足。（1）新型光纤通讯组件及模块技术目前还是多家争鸣的局面，很多新的或较学术性的想法正一步步地落实为实用的组件及模块技术。（2）台湾过去在光纤通讯组件及模块技术上的发展在学术上多半只是研究而未真正落实于应用，在产业上则大多仍着重于第三波地制造市场需求量大的组件及模块而多半未能真正进行第一波甚至第二波的研发。（注：此处第一波、第二波、及第三波的比喻是闻之于贾心乐博士，我觉得很生动，故特此志之）（3）值此光纤通讯产业起飞