快速成長的數據網路亟需一個更大、可靠、高效、快捷的數據傳輸環境，因而牽動半導體業者全力投入發展更強大的技術，以替代傳統的銅電纜。隨著訊號傳輸速度達到每通道超過10Gbit/s，市場對導入新世代高速連結技術的需求已迫在眉睫。
因應網路環境的變化，自2007年起，主動光纖電纜(AOC)做為新世代數據傳輸的替代方案已逐漸被世人所知。這些輕便的光纜電纜可同時傳輸四路光纖訊號，同時保留與傳統電纜一樣的電接口，使AOC技術可在1～100公尺傳輸距離內保持訊號完整性。由於光纖具有質量更輕，彎曲特性更好，誤碼率(BER)優於銅電纜的優點，因而被大量製造，並率先應用於數據中心和伺服器群，傳輸乙太網路和InfiniBand訊號。
除了資料中心傳輸網路以外，AOC在消費電子領域也得到愈來愈廣泛的應用，如高畫質多媒體介面(HDMI)、第三代通用序列匯流排(USB 3.0)及Thunderbolt等，愈來愈多的高速電路以及光通訊解決方案供應商，已開始研發製造各種類型的AOC，並持續吸引更多公司投入此一市場，包括TE、安華高(Avago)、Finisar、Centera、Molex及康寧(Corning)皆已開始量產傳輸速率達56Gbit/s及116Gbit/s的AOC，有助建構新興雲端產業的骨幹網路。
AOC協助克服高速網路建置阻礙
隨著AOC的應用日益普遍，如何大量、有效率的生產，以及加速測試這些高速光纜，已成為相關產品供應商目前最頭疼的問題。為此，MultiLane SAL近期即發表最新AOC測試驗證系統，透過整合所有相關測試硬體及簡單容易操作的使用者介面軟體，可執行一系列性能測試，以確保AOC符合40G/100G乙太網路的標準。
AOC與傳統高速電纜傳輸線的主要區別是傳輸媒介，傳統電纜用銅線傳輸訊號；而AOC則透過光纖傳輸訊號，並保留傳統電介面接頭。使用光纖可避免傳統電纜傳輸中的電磁干擾問題，即磁場中的導體產生感應電流，對傳輸訊號造成噪聲干擾的現象，此外，其另一大優勢是在不犧牲高速訊號完整性的情況下，支援比其他媒介更長的傳輸距離。
整體而言，光纖電纜優於其他傳統電纜的誤碼率BER 10?15特性，非常適用於各種有線網絡到達終端機房時的傳輸介面，同時提供纜線數據安全、不導電且不會過熱的價值。
AOC須由四個主要的零件組成，首先是高密度電接頭，光纜兩頭的連接頭可有很多種形式，以實現各種功能。例如QSFP+接頭形式用在數據中心和伺服器群，HDMI接頭形式用在消費電子類產品。第二部分為長度1～100公尺的多通道光纖排線電纜(可以是多模光纖或者單模光纖)。
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| 圖1 AOC系統結構圖 |
至於串連電纜與設備的部分則須導入全雙工AOC光收發模組，一個光收發模組是在光纖的任意一端(或兩端都有)加兩個光電和電光轉換元件。同時還須採用MPO光纖連接器，並將其固定在AOC外殼中，將其中的光纖保護起來；透過以上即可構成完整的AOC傳輸系統(圖1)。
VCSEL方案兼具高效能與低成本
AOC光轉電的介面(或電轉換成光)則可藉由兩種技術實現，不同的AOC開發製造商會選擇不同的方案，這兩種技術所使用的雷射光源都是在半導體材料基板上堆疊所構成。
第一種AOC技術是利用矽光學技術，將資料載在光訊號中透過電流的轉換傳輸，大家熟知的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程技術，其透過邊射型雷射(Edge Emitting Laser, EEL)電流轉換成光源發射傳送訊號，須使用一個校正過的光學透鏡將1,310奈米(nm)波長的光聚合在元件附近傳送。而EEL是由晶圓材料構成，可經由空氣和晶圓材料兩者之間高折射率的差異，將訊號平行傳輸到元件層和出口側。
第二種技術是垂直共振腔面射型雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)。該技術利用雷射陣列將外層電子引入一個很薄的區域來模擬量子隧道響應，耦合光纜來傳輸訊號，所產生的電流將被引入到高反射率的反射鏡及分布式布拉格反射鏡；布拉格反射鏡能將訊號固定在介質中垂直振盪在一個垂直於表面的方向，使光只經由包裹的圓形光束輸出開口逸出至表面，形成在光纖壁較低的頻率反射。
VCSEL技術由於具備較高性能、較低成本及功耗，已被視為15G高速傳輸O/E方案的首選。其低位準電流特性有利實現高密度的雷射列陣，再加上光是以垂直方向出射的，小的發散角和圓形對稱的遠、近場分布使其與光纖的耦合很容易，而無需復雜昂貴的光束整形系統。
VCSEL可降低成本的原因還包括晶片到組裝過程中，都可進行測試；而CMOS收發器只能在成品階段測試，產品的不合格率就會更高。由於VCSEL製造良率更高，遂能降低生產成本。雖然AOC技術可採用各種各樣的標準波長，藉由低電流傳輸訊號的VCSEL則選擇850奈米波長，因光纖開口只有1～1.5波長厚，使用這波長相對容易維持穩定。
然而，當傳輸訊號向上到達15G的速度時，目前VCSEL技術的適用性在業界存有爭議，因此新的VCSEL波長可望向上增加至1,300奈米，以因應高速需求並兼容850奈米雷射的優點。
AOC設計首重抖動與眼圖波形
前面介紹的是AOC的一些普遍特性，根據不同的功能和標準，AOC可分成不同的連接方式，以因應各種廣泛用途(Infiniband、SAS、PCI或乙太網路標準，網絡交換機或數據中心)，有助帶動光纖通訊產業總體市場的發展逐漸向上。AOC連接方式分類如下：
-Small Form Factor Pluggable Plus(SFP+)：1×10G(每通道10Gbit/s速度)
-zSFP：1×25G
-CXP：12×10G or 12×12.5G
-Quad Small Form Pluggable(QSFP)：4×10G standard, 4×14G FDR
-CX4：4×5G
-Mini-SAS：4×12G
-iPass：8×8G
100G光學引擎的出現使收發模組廠商可以生產並建立完整的100G互連產業供應鏈系統。由於數據中心每個機架可包含四十八到六十個伺服器，因此480G～600G的傳輸速度即創造對100G連接速度的要求，而zQSFP具有四個通道，每個通道提供25G的傳輸速度，同時保留與QSFP模組一樣的大小尺寸，被認為是AOC的下一個發展方向。
訊號在以高達10Gbit/s的速度通過傳輸介質後，必須保證其訊號完整性，不合格的AOC可能造成過熱，產生異常的抖動或扭曲的眼圖。其中，抖動是傳輸的數位訊號在時間軸方向上的波動，會降低訊號的Phase Margin，造成誤差，也就是一般所說的雜訊。眼圖測量就是接收到的訊號與時間的圖形，縱座標為訊號強度，用電壓表示；橫坐標為時間，用單位區間(Unit Interval, UI)，也就是一個訊號變化波形所占用的時間來表示。
眼圖波形是用編碼格式取樣，以實現訊號發生抖動的分析。在數據中心傳統的高速傳輸，如可插拔收發模組，嵌入式光模組，快速傅立葉轉換(FFT)晶片和Mez卡，已有更加嚴格的測試要求，因此AOC在生產階段也要通過一系列測試，以確保在使用階段保持良好性能。
在量產方面，AOC須通過的第一個測試就是確認電壓，電流和功率。使用過程中超過額定值會導致過熱，甚至融化，損壞AOC插槽口，因此四個象限測試(4 Corner Test)是必須的。所謂四象限測試，就是輸入電壓與訊號振幅的四種組合下測量，以確保在最低與最高電壓和溫度下都能保持性能。
下一步則須確認AOC的電子式可清除可編程唯讀記憶體(EEPROM)資料。EEPROM資料為設備(此處為AOC)內部的數據存儲器，當設備插拔後數據不會丟失。按慣例此文件記錄製造商名稱，型號和序列號，一旦EEPROM文件被確認，這些資料將被複製保存。
緊接著係AOC測試中最精密的部分，包含抖動測量在內的眼圖測量。眼圖和誤碼率測量包含一系列的參數和數值屬性，它們都要規定範圍之內，以確保AOC有相應的功能。
值得一提的是，應用於網路的AOC是按照各種規格標準製造的，包括40G乙太網路、FDR和QDR。主要區別是每個通道傳輸速度，40G乙太網路的QDR AOC有四個通道，每個通道傳輸10G訊號；FDR的AOC也是四個通道，每個通道的速度是14G，這種差異導致對它們的眼圖參數和抖動也有不同要求。
AOC測試須結合多元儀器
表1～3列出應用於40G乙太網路、QDR和FDR AOC的各種參數要求，包括輸入和輸出的規格(以上所有X軸的單位都是UI，轉化成秒只須把UI值乘上訊號周期(1/bit rate)。AOC測量須透過多通道誤碼率分析儀(BERT)、取樣示波器(Sampling Scope)與AOC測試板，分別接在AOC兩端進行測試，確保能同時提供上行和下行的功能(圖2)。
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| 圖2 AOC測試架構圖 |
多通道誤碼率測試儀的規格要求為具備四個以上PPG輸出，且數據傳輸速率可達到每個通道15Gbit/s或28Gbit/s，執行誤碼率和J2/J9測試。目前業界的PPG已能提供包含四個平行的Tx訊號輸出通道，每個通道有獨立的低抖動訊號產生器。此外，訊號振幅和數據傳輸速率亦可根據待測AOC的要求做調整。
多通道取樣示波器則須自動執行高精度的眼圖測量和分析，以確定訊號發射器和接收器性能。例如MultiLane四通道20GHz取樣示波器即具有完整的Under-sampling技術並搭配全面性的程式開發函式庫，可有效幫助眼圖測量、抖動分析和NRZ碼的處理。
除此之外，符合各項AOC規格的測試板也是必備元素，從而進行資料讀和寫的操作。相關測試板不僅須符合四個象限測試最基本的需求，並須測試待測物電流、電壓和消耗功率，並配備溫度感測器測量環境溫度；新一代的方案還可利用電壓調整功能，調整待測樣品的輸入電壓在3.15伏特(V)，3.3伏特和3.45伏特，同時改變輸出訊號振幅。現階段，AOC測試板更已導入熱電致冷技術(TEC)，可使插入接口的連接頭快速升降溫，確保AOC在寬溫度範圍內保持良好功能。
AOC的量測挑戰裡，還有四個象限測試及須建立AOC連接頭的溫度升高時，眼圖參數對應的變化關係，兩個主要眼圖特性參數須確定這種關係，峰對峰值時脈抖動(Jitter p-p)和眼高(Eye High)。當量測溫度與峰對峰值時脈抖動的關係時，會對收發模組連接頭持續加熱；另一方面，眼高與溫度的關係是通過加熱接收端得到，只是加熱發射端是無效的，因為數據在接收端進行光電轉換時會被時脈還原電路重整，而無法觀測到其變化。
圖3所得數據顯示，AOC訊號的峰對峰值時脈抖動會隨著溫度的升高而呈線性的增加。圖4資訊則顯示，隨著接收模組溫度的升高，眼高整體上呈近似線性遞減的關係，而第一個和第二個數據偏離線性關係比較多。另外一個執行的測試時完整的四個象限測試，在固定的溫度下，改變輸入電壓和訊號幅度，觀察AOC的消耗功率，眼高和峰對峰值時脈抖動(表4)。
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| 圖3 峰對峰值抖動與模組溫度的關係 |
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| 圖4 眼高與模組溫度的關係 |
(本文作者任職於MultiLane)