打造綠色網路環境　關鍵元件節能效果影響鉅

依據圖1數據顯示，能源耗損的計算不單單僅靠設備總消耗作分析；應該計算每個用戶對於設備或相關網路的消耗關係。由此發現相對高耗能的核心網路設備每位用戶僅占0.1瓦(W)，在都會網路設備中每位用戶則占1瓦；在接取設備卻是每位用戶占10瓦之能源消耗；同時，在家庭區域網路中，若含點對點(Peer To Peer)更高達每位用戶22瓦之能耗量。基於此項數據的發現，必須開始審慎地評估在用戶及接取端關鍵元件耗能的探討，並以改善節能作為主要研究和探討的項目。

資料來源：A Systematic Approach, Eco white paper, Alcatel-Lucent Bell Labs., Nov. 2009 連結大圖:圖1 網路架構與耗能之關係

以目前熱門的光纖到家系統超高速被動式光纖網路(GPON)為例，如圖2(1)代表著光線路終端(OLT)局端設備功率分析資料，其中最耗功率者為負責處理控制及資訊流量訊務的介接工作介面(IWF)占29%，其次是關鍵晶片(GPON MAC)本身占28%；直流轉換占16%、光電模組元件占14%(OEO及BM＋SerDes)，最後為主板晶片(OBC)的13%。另外，在用戶端ONT設備中，影像光電轉換及電子元件等功耗占30%、訊務資料交換占17%、GPON電光模組占16%、其他則分別是關鍵晶片的15%、無線區域網路(Wi-Fi)的13%和語音的9%。扣除關鍵晶片及由系統業者自行設計有關協定層應用的現場可編程閘陣列(FPGA)或系統單晶片(SoC)，占據OLT及光纖網路終端(ONT)重要的耗能元件即是光電模組，因此也是本篇欲探討的重點。

資料來源：Alcatel-Lucent Bell Labs., 2009 圖2 OLT及ONT功率耗損分析

剖析節能關鍵元件

在光電模組中，主要的構成單元可以分為發射器(Transmitter)和接收器(Receiver)兩大項，以下將針對各別項目的耗能作說明：

發射器區分三類型

以下列舉三種基本的發射器類型，分別為直接調變器(Directly Modulated Transmitters, DMT)、電致吸收光調變器(Electroabsorption Modulators, EAM)，以及電光調變雷射(Electrooptic Modulators, EOM)。三者皆包括高速率的多工器(MUX)與高速驅動電路(Driver)，相關功率消耗如下列說明：

在直接調變發射器方面，半導體雷射是電子與光子相互作用，並進行能量直接轉換的元件。圖3即是雷射輸出光功率與驅動電流的關係曲線示意圖，當驅動電流密度大於I_t時，就開始發射雷射，此時光譜線寬度和輻射方向將明顯變窄，雷射強度將隨電流的增加而呈現線性的增長；而直接調變發射器即是利用雷射線性增益區的特性進行調變的發射器，當訊號由Bias Tee輸入，和雷射驅動電流整合而結合在一起時，以訊號的高低變化掌控雷射的輸出功率，來控制雷射光輸出的光強度，其中直接調變發射器的總功率損耗P_direct可以表示為：

資料來源：Green Optical Communications–Part II, Energy Limitations in Networks, IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, 2010 圖3 半導體雷射器的輸出特性及DMT架構下之功耗說明

P_MUX假設為多工器的功率損耗加上P_direct假設為驅動器的驅動功率，再加上平均雷射電壓Vl_laser和電流I_laser的乘積。

第二種是電致吸收光調變器。電致吸收光調變器是利用外加電場去改變材料的吸收常數，一般由射頻(RF)正弦電壓驅動，並透過反向偏壓大小來調變材料的吸收常數。如圖4所示的工作原理，隨著反向偏壓的增加，電致吸收光調變器對於光功率的吸收以接近於指數的形式增加，同時僅讓很少的光功率能穿透調變器輸出。

資料來源：Green Optical Communications–Part II, Energy Limitations in Networks, IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, 2010 圖4 EAM工作原理及EMA架構下之功耗說明

這裡假設驅動功率為P_driver、調變電壓為V_mod、調變負載阻抗為Z_mod，通常會對輸入阻抗進行阻抗匹配，即可得C_mod或Z₀等於Z_mod，以達到調變效能和速度的最佳化。

而根據調變材料吸收常數的不同，電致吸收光調變器又區分為集總式電極形式調變器(Lumped Modulator)和行波式電極形式調變器(Traveling-wave Modulator)，其功率損耗的計算方式又有所不同，以下將分別作說明。

‧	低阻抗源集總調變器
	資料來源：Green Optical Communications–Part II, Energy Limitations in Networks, IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, 2010 圖5 低阻抗源集總調變器架構 圖5是一個簡單的驅動電路模型，假設驅動電路的阻抗很低，可視為裡想的電壓源，此架構因為Cmod充放電的時間很短，因此調變器能夠高速地運行。然而，要達成這種理想配置，低阻抗驅動電路必須十分靠近調變器，最好是設置在同一塊電路板裡，假使驅動電路和調變器間有任何線路連接，便會產生電感和電容，進而影響調變效能。

‧	透過傳輸線提供驅動電壓的集總調變器
	要解決低阻抗源集總調變器問題的方法，即是在驅動電路和調變器間使用阻抗匹配的傳輸線連接，如圖6所示，假如驅動電路的輸入阻抗RS和Z0阻抗匹配，調變器的電容Cmod非常小，則負載端的阻抗便由RL決定。透過阻抗匹配的負載電阻，可以降低反射並優化頻率響應，並透過戴維寧等效可以推得驅動電壓為2Vmod，由於電壓需求和負載阻抗增加，這種調變方式的功率轉換效率比第一種調變器差。

資料來源：Green Optical Communications–Part II, Energy Limitations in Networks, IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, 2010 圖6 傳輸線驅動電壓集總調變器架構

‧	行波式調變器
	RC充放電的時間對行波式調變器的影響較小，所以在相同的速度表現要求下，行波式的主動區可以做的比集總式元件要來得長，並藉此降低驅動電壓的大小，其架構如圖7所示。

資料來源：Green Optical Communications–Part II, Energy Limitations in Networks, IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, 2010 圖7 行波式調變器架構

電致吸收光調變器的總功率損耗，可以概略用以下公式表達：

................((1)

................(2)

其中P_driver根據調變器的形式不同，產生不同的計算方式。低阻抗源集總調變架構的驅動功率適用公式(1)，而傳輸線驅動電壓集總調變器與行波式調變器架構的驅動功率則是以公式(2)計算。

至於第三種電光調變器，是利用外加電場去改變材料的折射係數，使光的相位有所改變，因此電光調變器是一種光相位調變器。圖8使用兩個非歸零差分相移鍵控(NRZ DPSK)調變驅動器埠口的發射器，若是使用歸零差分相移鍵控(RZ DPQSK)調變器，則其驅動器埠口則可能會多達六個，而形成較高的能耗。

資料來源：Green Optical Communications–Part II, Energy Limitations in Networks, IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, 2010 圖8 電光調變器架構

其中電光調變器的總功率損耗可以表示為：

這裡的r是指驅動器埠口數目，而P_driver則由以下公式計算出：

列舉三種接收器

接收器主要包括光二極體、偏壓電路、接收端、時脈與資料回復電路和解多工電路，以下列舉三種基本的接收器類型：

資料來源：Green Optical Communications–Part II, Energy Limitations in Networks, IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, 2010 圖9 (1)單端型傳輸線連結光二極體接收器、(2)平衡型傳輸線連結光二極體接收器、(3)單端轉阻放大器接收器架構

如圖9所示，分別為(1)單端型傳輸線連結光二極體接收器、(2)平衡型傳輸線連結光二極體接收器、(3)單端轉阻放大器接收器，其中(1)和(2)前端都另外接有一段EDFA前行放大器，(3)因為已經有轉阻放大器了，所以不需要另外進行放大。

(1)型和(2)型的傳輸線的輸入阻抗為Z₀，並與前端並聯的R_S和後面時脈與資料回復電路/解多工電路(CDR/DEMUX)進行阻抗匹配，這種配置方式光二極體和電路間有一段距離也沒關係，只須透過一段低損耗阻抗匹配的傳輸線連接兩端即可。(3)型因為沒有傳輸線，光二極體的設置位置必須非常靠近放大器，這裡的放大器是低輸入阻抗的轉阻放大器(TIA)，其內部阻抗R_in遠小於50歐姆，如此一來可以降低RC效應並增加頻寬，同時V_in為輸入解多工電路的電壓。

此三種接收器的光二極體都是反向且電壓為V_Bias，輸入電壓的峰對峰值為，CR/DEMUX電路的耗能為P_CDR/DEMUX，而TIA的功率損耗則為P_AMP。假設光二極體的光電轉換效率為R，如此一來，偏壓電路的總功率損耗可由這個式子來表示：

這裡的P₁和P₂是輸入光二極體的平均光功率。而峰對峰電壓值的表示式為：

此處的P₁^p-p和P₂^p-p是輸入光二極體的峰對峰值光功率。假設P₁=P₁^p-p/2，P₂=P₂^p-p/2，則可以對應出以下兩式：

在(1)和(3)的架構中，P₂和P₂^p-p皆為0。因此，接收器的總功率損耗可以表示為：

這裡的

是指摻鉺光纖放大器EDFA的功率損耗，η_preamp是摻鉺光纖的電功率轉換效率。在(1)和(2)當中，由於沒有轉阻放大器，所以P_AMP值為0。相對地，在(3)中沒有在前向接上摻鉺光纖放大器，所以P_preamp為0。

設定節能改善目標

依據前述的技術說明，試著由2010年所提供在40Gbit/s速率的能耗來比較在2020年時對於100Gbit/s要求的表現分析，並分別針對發射器和接收器之節能目標作說明：

推論發射器節能目標

表1說明直接調光發射器、至電吸收光調變發射器及電光調變發射器的耗能對照表，並根據目前發展的程度，推論出2020年各種發射器的耗能降低目標。其中有著如下的發現：

‧	多工器耗能與其具備分路的多寡頗有關係
	舉例來說，4:1的40Gbit/s MUX之功率損耗約為0.33瓦；但16:1的MUX卻會達到大約2.8瓦。本文中以8:1 MUX的平均功率損耗10pJ作為其功率損耗的標準，目前已經有研究出利用雙載子互補式金氧半導體(BiCMOS)技術製成的100Gbit/s MUX/DEMUX電路耗能約為20pJ，因此提出利用矽鍺(SiGe)技術將有機會達到2pJ低功率損耗的目標。

‧	直調部分
	垂直腔面發射雷射器(VCSEL)的雷射功率損耗和其驅動器的功率損耗分別為358fJ和212fJ，不過最近有許多奈米共振腔(Nanocavity)光發射器的實驗，預計可以達到10fJ等級的低耗能。

‧	外調部分
	依據先前介紹的發射器類型不同，驅動器的基本耗能需求也不同。不過由於現在的驅動器功率轉換效率很差，幾乎都須要輸入25pJ甚至50pJ來驅動其電路，遠高於調變器和驅動器實際所需的功率，導致多數的能量都浪費在這裡。

目前的改善方式以電路設計改良為主，譬如使用分布式放大器，目前已經有實驗證實出透過180奈米(nm)的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)分布放大器，可以將驅動器的輸入功率降至約6.5pfJ，假如未來10年內轉換效率能夠提升至50%，則EAM驅動器的輸入功率最低可降為DMT型的驅動器需求50fJ的兩倍，也就是100fJ；EOM也可降為1.6pJ的兩倍，大約3pJ。

透過表1分析的同時，可以看出直接調變發射器具備功率損耗最低、配置簡單以及成本較低等優點，就能量轉換效率而言是最好的調變方式，不過由於直接調變容易產生啁啾(Chirp)效應，所以難以提高速率，因此目前高速光通訊多數式使用外部調變的方式。然而，近幾年直接調變在研究上有不少突破，未來相當有可能成為發射器的主要調變方式。

對於外部調變EAM和EOM部分，相對在EAM具備較佳之特性，包含因為EOM需要較多的驅動器埠口、EAM的耗能較低，加上EAM比EOM有著較大的頻寬，體積小且可與其他半導體元件整合以及調變能力較佳等優點，因此前景較佳。對於功率損耗改善的幅度表現而言，以EAM的縮小至四十五倍最為可觀，直調的十九倍次之，再來為EOM的八倍則為最難改善功率損耗的發射器調變方式。

訂立接收器節能目標

表2說明在圖9(1)(2)電路中，當峰對峰電壓值為0.5伏特，偏壓電壓為2伏特，得到轉換效率為0.73瓦/安培，同時阻抗Z0為50歐姆，且EDFA的電功轉換效率為1%時，總輸入功率為14毫瓦(mW)，因此得到總功率損耗為1.4瓦。假如EDFA的電功轉換效率可以提升至10%，則總功率損耗可以降為157毫瓦，也就是大約1.6pJ。

在圖9(3)的分析中，因為沒有前向放大器，輸入功率僅須要比圖9(1)和(2)輸入功率14毫瓦還要少10～20dB，因此其總功率損耗幾乎都集中在TIA上。以目前的40Gbit/s TIA的耗能來說，大約是145毫瓦(也就是約3.6pJ)，若是使用CMOS技術則可降低致1.9pJ，由此判斷至2020年100Gbit/s的TIA功率損耗預計可降至0.5pJ。對比之下，使用轉阻放大器的接收器擁有較低的功率損耗，目前的接收器大多使用這種型式的接收器。

節能網路/應用服務時勢所趨

本文中試圖由網路中的關鍵元件「光電模組」來探討並提出耗能改善的方案，面對不同的網路設備或架構類型，皆具備著不一樣的關鍵元件等待去研究及提出節能因應之道。但無論如何，節能的網路及應用服務已是重要的趨勢，關鍵在於，進行元件、架構或產品甚至於網路之規畫及設計時，必須同時考量此一重要因素。