頻寬成長勢不可當　40Gbit/s光通訊應運而生

40Gbit/s光通訊將成下一代市場主流  

光纖具有極低的損失特性，每1公里的能量損失約是6.7%，相當於0.3dB/km，因此在彼此距離20公里左右的都會區之間可作無中繼的訊號傳輸。而光纖放大器(Amplifier)的問世，則使得本來損失就已相對輕微的光纖訊號得到補償，甚至可以橫越太平洋進行光通訊。  

如圖1所示透過光纖結合用戶A與電信公司，接著再利用設置在用戶A的光線迴路設備，將電腦與電話等數位訊號轉換成光訊號，設置在用戶B的光線迴路設備再將光訊號轉換成電氣訊號，設備之間全部使用光纖連結。

資料來源：Transistor Technology 圖1　光通訊網路的基本架構

光訊號無法直接變成數位訊號，必須先作光電轉換，其結果造成處理電氣訊號時產生的決定性相異特質差異，成為光線傳輸主要缺點。  

以圖1為例，光纖到府(FTTH)總局與路由器(Router)等各設備，都會使用電子電路與數位訊號處理技術，以進行訊號/噪訊(Signal/Noise, S/N)復原、路徑切換等處理，使光訊號轉換成電氣訊號，接著再轉換成光訊號的功能。  

為實現上述功能，必須使用光傳輸元件，各機器的輸出、入透過光傳輸元件，反覆使光線換成電氣訊號，再轉換成光訊號完成訊號傳輸作業。  

若仔細觀察生活周圍的數位化家電，可以發現其實近代人幾乎是在高頻寬通訊所衍生的環境中成長，如電腦的處理器速度已達數GHz、每個人所能存取的資料儲存空間也高達數Terabyte、家用影音設備更多半已能支援高畫質影音內容播放功能，這樣的大環境使得未來通訊需求的成長不可能停止。  

如圖2所示，國際電信通訊聯盟遠程通訊標準化組織(ITU－T)，每制定一個新標準，光傳輸元件的速率便提升約四倍，讓傳輸速度不斷朝高速化方向發展，例如2000年系統架構以2.5Gbit/s為主流，到了2008年卻被10Gbit/s取代，一般認為2010年40Gbit/s將成為市場主流。

資料來源：Transistor Technology 圖2　光通訊高速化的傳輸速度發展趨勢

光電訊號互轉為系統設計重點  

光纖內部只處理光線點滅訊號，以40Gbit/s為例，1秒內光線會點滅四百億次，由於光纖本身並不會限制光線的點滅速度，因此嚴格來說只有在橫越太平洋這類超長距離的案例中，才會出現光纖內部波形變鈍的現象，一般生活周圍程度的傳輸距離對光通訊訊號的影響非常小，反而是電氣轉換成光，以及光轉換成電氣時訊號很容易劣化，因此一般都要求光傳輸元件的高速化。  

圖3是光傳輸元件構成的高速光通訊基本架構，數位訊號處理電路輸出的電氣訊號，利用設置在送訊端元件輸入單元的驅動電路適當放大，再傳輸到發光元件，發光元件大多使用半導體雷射，透過發光元件將電流轉換成光線導入光纖。

資料來源：Transistor Technology 圖3　光傳輸元件構成的高速光通訊基本架構

經過光纖從遠方傳來的光訊號，利用光接收元件使其再度轉換成電氣訊號。這個微弱的電氣訊號利用設置在光接收元件附近的低噪訊放大電路放大後，變成具備充分振幅的電氣訊號，再輸出至數位訊號處理電路，進入下一處理單元進行作業。  

一般光纖鋪設的環境，通常是沿著大廈內部的地板或是牆壁埋設，都會之間則埋設在高速公路下方。鋪設作業必須花費驚人的工程費用，因此一旦鋪設後不希望作二次更換作業。  

如上所述，光纖本身沒有速度限制，傳送155Mbit/s與傳送40Gbit/s基本上都使用相同的光纖，傳送容量增加時只要提升送、收訊端的光線傳輸元件等級即可，因此未來光傳輸元件勢必追求更高速化性能，不會一直停留在40Gbit/s等級。 圖4a與圖4b是光傳輸元件的實際外觀，光傳輸元件的封裝尺寸為12毫米×18毫米×7.6毫米。2.5Gbit/s與10Gbit/s的光傳輸元尺寸幾乎完全相同。

資料來源：三菱電機 圖4　光傳輸元件架構

放大/轉換/發射　40Gbit/s光訊號發送三部曲  

電氣訊號的輸入單元設有直徑約3毫米的40Gbit/s寬頻驅動放大器(GPPO)用連接器。基於降低損失等考量，大多使用同軸纜線作為40Gbit/s電氣訊號所使用的導線。同軸纜線使用中心導體與圓筒上包覆導體之間的誘電體層傳輸訊號，訊號頻率一旦超過一定值時，電波在誘電體層內呈蛇行傳輸，該蛇行的電波路徑屬於高次模式，訊號若在高次模式傳輸時，40Gbit/s的波形會劣化，同時還會遮斷高次模式，因此隨著傳輸速度的提高，必須使用更細的同軸纜線，以及直徑更小的寬頻驅動放大器用連接器。  

圖5是訊號發射端元件，亦即調變器整合雷射二極體模組(Modulator Integrated LD Module)的內部結構，使用半導體雷射作為其光源，不過它並不是一般半導體雷射，而是將調變器與半導體雷射堆疊在單晶片上形成半導體元件，因此有如此稱呼。

資料來源：Transistor Technology 圖5　變調器積體半導體雷射模組的內部結構

圖5的半導體雷射模組是由光半導體元件、光纖、光學鏡片構成。此處所謂的光半導體元件與光纖，是指具備光學性定位功能的元件通稱。  

依照訊號流程，調變器整合雷射二極體模組會陸續進行訊號放大、訊號轉換以及將訊號輸出至光纖等動作。  

首先，在電氣訊號放大部分，40Gbit/s的電氣訊號會從從圖4左側的40Gbit/s寬頻驅動放大器(GPPO)用連接端子輸入。為了輸出電壓高低反相的差動訊號，在此模組中分別使用一個正相與反相的40Gbit/s寬頻驅動放大器用連接端子，將訊號送入模組內部，由於此訊號只有0.3伏特左右，因此使用模組內部的驅動晶片將訊號放大至3伏特。  

在電氣訊號完成放大動作後，會傳送到發光元件，再由發光元件將電氣訊號轉換成光訊號。這個動作主要是由變調器積體型雷射二極體進行。調變器整合雷射二極體的背面設有監控用光學二極體(Monitor Photo Diode, MPD)的受光元件，它會根據電流值監控調變器整合雷射二極體模組的發光狀態，適度調整它的發 光量。  

此外，為了使調變器整合雷射二極體模組維持一定溫度，模組內部還設有電子致冷器(Peltier Device)，透過設置在電子致冷器上方的熱敏阻元件(Thermistor)來檢測溫度，從外部控制調變器整合雷射二極體模組的溫度。  

電子致冷器可以使調變器整合雷射二極體模組維持一定溫度，不過周圍溫度上升時，水蒸氣凝結可能會造成電子電路發生短路危險，因此調變器整合雷射二極體模組必須呈乾燥狀態密封，避免電子致冷器與調變器整合雷射二極體模組陷入泡水危機。  

最後，在調變器整合雷射二極體模組前端射出雷射光線後，會透過準直鏡片(Collimate Lens)轉換成平行光束，再從封裝模組的窗口取出，然後通過模組外部的集光鏡片導入光纖內部。  

高低速半導體雷射模組架構各異  

圖6是光通訊用雷射二極體的構造，雷射二極體會隨著施加電流的增減，產生不同的光線強度。光通訊用雷射二極體還可進一步區分成直接調變半導體雷射，與調變器整合雷射二極體兩種。

資料來源：Transistor Technology 圖6　光通訊用雷射二極體構造圖

10Gbit/s以下低速光通訊，大多將驅動電路放大的電流訊號，直接提供給雷射二極體，達成光訊號轉換作業，類似這樣產生光訊號的發光二極體，稱作直接調變雷射二極體。

圖6(a)是直接調變雷射二極體的基本結構，如圖所示P型半導體與N型半導體的接合部位，利用半導體製程事先製作光導波路PN接合部位施加順向偏壓，激發光導波路內部的原子，在光導波路上方形成繞射光柵，只有符合該光柵定數的特定波長的光線會產生布拉格反射(Bragg Reflection)，亦即會接受光線的回饋作用。增幅媒質之中對特定波長的光線施加回饋時，會引發該波長的雷射振盪，此時以驅動電路放大的電氣訊號，會變成15～30mA左右的電流調變訊號，接著再直接調變雷射二極體的發光強度調變即可。  

直接調變雷射二極體會隨著雷射二極體內部流動的電流調變，雷射二極體的發光波長也隨著漂移。若訊號的速度更快的話，上述波長漂移在光纖內部會被轉換成波形歪斜，無法進行正常的光通訊，因此直接調變雷射二極體的通訊速度極限大約只有10Gbit/s左右。因此，當訊號速度超過10Gbit/s時，大多採用發光雷射二極體單元與光調變單元各別製成的調變器整合雷射二極體。  

圖6(b)是調變器整合雷射二極體的內部結構，如圖所示左側的雷射二極體與右側的調變器單元彼此分離，左側領域流入一定電流雷射二極體就會發光，雷射二極體產生的光線通過左側的調變器單元出射至外部。  

右側的調變器單元由於PN接合部位施加逆向偏壓，因此該部位發生光吸收現象。逆向偏壓以驅動電路放大後的訊號重疊，可以使光吸收量產生變化，當作調變光取出。  

類似這樣的調變器稱作電界吸收型光調變器(Electro Absorption Modulator, EAM)。此外，由於這種架構會將發光與調變隔離開來，因此調變時同樣可以抑制發光波長的漂移，以及光纖內部會的波形劣化等現象，它屬於長距離高速光通訊的調變方式，因此40Gbit/s以上的光通訊元件，大多採用調變器整合雷射二極體。  

調變器整合雷射二極體的驅動電路主要功能是將外部數位電路的訊號，放大到可以使調變器的光吸收特性變調要求的充分電壓，同時對調變器單元的光吸收特性施加偏壓電壓。  

小型化將為市場起飛關鍵  

由於這類電路的規模相當大，因此封裝時大多製成專用晶片。雖然驅動晶片呈單體結構，不過40Gbit/s寬頻驅動放大器連接端子，屬於特殊介面高頻專用封裝，因此這類元件通常造價不斐。  

為削減高單價封裝的使用數量，因此將驅動調變器的驅動晶片，與調變器整合雷射二極體元件收容在相同封裝內，除可減少封裝成本之外，還能夠大幅降低連接封裝之間的同軸纜線數量使系統整體小型化，對高速動作的系統性能提升有正面的效應，一般認為送訊端元件驅動晶片，未來可望成為市場主流。