光纤通讯组件与模块技术之最新发展趋势

1、光纤通讯讯组件与与模块技技术之最最新发展展趋势一、前言言目前以全全球而言言，光通通讯产业业的产值值已经占占全球光光电产业业产值的的1/44，与显显示器、影像相相关产品品、及光光储存产产品鼎足足而立，是光电电产业的的四个主主要支柱柱。全球球光电产产业产值值在19999年年是18855亿亿美元，所以光光通讯产产业目前前的规模模大约是是接近5500亿亿美元的的规模。至于在在光通讯讯产业中中，依产产品或技技术的层层次大致致可分为为组件与与材料、模块与与构装、设备与与系统这这三个层层次。在在图一中中我简单单列出了了每个层层次的一一些主要要技术或或产品，这些技技术或产产品其实实也正是是这一两两年来全全球竞

2、相相发展的的方向。图一：光光通讯关关键技术术与产品品最近光通通讯技术术的发展展方向还还可以简简单地以以图二中中的两个个趋势来来描述：图二：光光通讯技技术发展展趋势在其中所所谓的DDWDMM技术指指的是在在同一光光纤中同同时传播播多个光光波长很很接近（1000GHZZ或更小小）的频频道（假假定一个个波长代代表一个个频道）之技术术，如此此一来不不需要增增加光纤纤就可以以把总传传输容量量一直倍倍增下去去，这样样才有办办法满足足Intternnet上上每9个月传传输容量量需求就就增加一一倍的盛盛况。而而要充分分实现及及利用这这种DWWDM概概念，就就必须发发展出很很多新的的DWDDM组件件、模块块、及

3、设设备系统统，也必必须发展展能够有有效管理理这么多多个光波波长频道道的网络络管理技技术，所所以就有有很多技技术研发发上的工工作需要要完成。在DWWDM系系统中所所需要的的关键组组件与模模块可以以从图三三的示意意图中看看出：图三：DDWDMM系统示示意图基本上其其中最主主要的组组件及模模块包括括：被动组件件及模块块：波长长多任务务/解多任任务器、撷取器器、色散散补偿装装置、光光学开关关等。主动组件件及模块块：DWWDM光光传接模模块、光光放大器器、可调调频/选频光光源等。最有趣的的是，可可以用来来制作这这些组件件及模块块的技术术竟然有有许多种种，而且且常是全全新的技技术，且且各有优优劣，所所以就

4、成成了百家家争鸣，大家一一起到庙庙会摆摊摊的盛况况。至于在光光纤局域域网络及及撷取网网络上的的应用需需求则又又稍有不不同，在在此发展展的重点点倒不在在于DWWDM的的技术，因为目目前多半半的局域域网络及及撷取网网络都还还没有发发展到这这种程度度，所需需的总传传输率还还不像在在都会网网络或传传输网络络中那么么高。譬譬如目前前最热门门的Oppticcal Ethhernnet，1Gbb/s的的传输标标准早已已制订，10GGb/ss标准目目前正制制订中1，从这里里也可看看出其实实局域网网络的传传输速率率已经与与骨干或或传输网网络中单单一频道道的传输输速率差差不多了了。对光光纤局域域网络及及撷取网网络

5、的发发展而言言最关键键的因素素是成本本，只有有成本低低到一般般的使用用者负担担得起才才能够广广被采用用，这也也是为什什么在方方面大家家的重点点都摆在在如何制制作出便便宜但又又高速的的光传接接模块上上面。在以下的的篇幅里里我就来来根据上上述的分分类方式式叙述一一下有哪哪些有趣趣的光通通讯组件件及模块块技术，顺便也也提一下下其工作作原理。二、光通通讯被动动组件及及模块技技术DWDMM光通讯讯被动组组件及模模块中最最基本的的就是DDWDMM光波长长多任务务/解多任任务器，它的功功能正是是要来将将各种不不同波长长的光合合并到同同一光纤纤(多任务务)或分开开到不同同光纤(解多任任务)。因为为DWDDM的

6、频频道间距距很小(1000GHzz或甚至至50GGHz)，所以以需要窄窄频(nnarrrow-bannd)、平头(flaat-ttop)、陡裙裙(stteepp-skkirtt)的滤滤波器才才能胜任任这种多多任务/解多任任务的任任务。要要制作这这种波长长多任务务/解多任任务器可可以有多多种技术术可用，包括光光学镀膜膜、全光光纤式组组件、数数组光波波导组件件、传统统绕射式式光栅等等。其中中光学镀镀膜式的的波长多多任务/解多任任务器目目前仍是是最成熟熟的技术术，其架架构大致致如下图图所示：2图四：光光学镀膜膜式DWWDM波波长多任任务/解多任任务器其中的关关键组件件之一是是光学镀镀膜式滤滤镜。要要

7、制作符符合DWWDM要要求的滤滤镜，镀镀膜的层层数必须须高达1100多多层，每每层的厚厚度约11/4波波长，采采3个共振振腔的结结构来达达到平头头与陡裙裙的要求求，每层层的厚度度必须非非常准确确，所以以制作中中需要有有实时且且精准的的厚度监监控装置置。33第二种制制作DWWDM波波长多任任务/解多任任务器的的方法是是数组光光波导组组件（AAWG）4，其结结构如图图五中所所示。其其原理也也非常有有趣，入入射光经经过第一一段接合合处因绕绕射而分分布地入入射于中中间的数数组光波波导，光光经过数数组光波波导传到到另一端端，不同同频率的的光会有有不同变变化率的的线性相相位改变变，这种种线性相相位改变变会

8、使不不同频率率的光经经第二段段接合处处重新聚聚焦于输输出端的的某一光光波导中中，其原原理就像像是所谓谓的数组组天线，辐射光光的方向向可以藉藉由控制制数组天天线的线线性相位位变化来来改变。所以如如果在输输出端制制作数组组波导，适当选选择波导导的间距距与中央央数组光光波导的的长度变变化率即即可使频频道间距距为一定定值的频频道刚好好聚焦入入射于输输出端的的光波导导数组之之中，从从而达到到DWDDM多任任务/解多任任务的功功能。图五：数数组光波波导组件件式DWWDM波波长多任任务/解多任任务器第三种制制作DWWDM波波长多任任务/解多任任务器的的方法是是全光纤纤式组件件，这类类组件又又可分为为两大类类

9、：光纤纤光栅式式组件及及串接光光纤干涉涉仪式组组件，俱俱如图六六所示。图六：光光纤式DDWDMM组件光纤光栅栅组件系系直接在在光纤核核心中直直接用UUV光感感应出周周期性折折射系数数光栅，透过布布拉格绕绕射的效效应可以以制作出出窄频反反射式滤滤波器。图七：光光纤光栅栅制作技技术不过因为为是在一一维光纤纤中的反反射式滤滤波器，所以反反射光同同入射光光无法简简单地分分开，必必须使用用旋光器器（ciircuulattor）或是使使用光纤纤干涉仪仪的架构构，否则则会有很很大的光光损耗。至于串串接光纤纤干涉仪仪式组件件则是直直接利用用串接式式unbbalaanceed MMachh-Zeehndder光

10、光纤干涉涉仪来制制作具有有周期性性穿透频频谱的滤滤波器，藉由适适当选择择光纤干干涉仪两两臂的长长度差，可以达达到窄频频、平头头及陡裙裙的要求求。而且且由于MMachh-Zeehndder光光纤干涉涉仪是两两个输出出端的组组件，而而且两输输出端的的频谱刚刚好互补补，所以以可以来来制作所所谓的DDWDMM交错器器（Innterrleaaverr），可可以用来来把奇数数与偶数数频道分分开或合合并，如如此频道道间距可可提高一一倍，从从而可使使较便宜宜的光学学镀膜式式DWDDM波长长多任务务/解多任任务器也也可用于于50GGHz的的频道间间距。这这是因为为光学镀镀膜式DDWDMM滤镜可可达到的的频道间间

11、距到1100GGHz就就已经很很困难制制造，更更不用说说50GGHz频频道间距距，利用用DWDDM交错错器（IInteerleeaveer）是是克服这这种困难难的最有有效方法法。串接接式光纤纤干涉仪仪是制作作DWDDM交错错器的一一种可行行方法而而已，尚尚有利用用串接式式bullk光学学干涉仪仪的方法法，这是是目前最最热门的的DWDDM被动动组件之之一。5其它可用用来制作作波长多多任务/解多任任务器的的方法还还包括利利用传统统绕射光光栅66、或或是利用用新型全全像式光光栅等方方法，研研究人员员还特别别针对传传统绕射射光栅的的架构发发展出被被动式温温度补偿偿的方法法，可以以克服当当环境温温度改变

12、变时光栅栅周期也也会改变变的困境境，使得得所制作作出的波波长多任任务/解多任任务器可可以有很很大的温温度工作作范围。其实前前面说的的全光纤纤式及数数组光波波导组件件式DWWDM波波长多任任务/解多任任务器也也有温度度效应的的问题，必须有有配合的的温度补补偿技术术才能成成为实用用的组件件。大概概只有光光学镀膜膜式的波波长多任任务/解多任任务器可可以不需需要担心心温度补补偿的问问题，因因为其温温度系数数很小，不会造造成困扰扰。这个DWWDM波波长多任任务/解多任任务器的的例子正正好验证证我一开开始所说说的有趣趣观察，有多种种技术可可用来达达到某一一功能，而且各各有优缺缺点（如如光学镀镀膜式利利于小

13、数数目频道道数的应应用且不不需温度度补偿，AWGG利于大大数目频频道数的的应用但但制作不不易，全全光纤式式利于超超窄频道道间距的的应用且且成本便便宜，传传统绕射射光栅式式利于制制作但体体积较难难缩小等等），于于是各家家公司各各有擅长长，各自自发展看看好的技技术来互互相竞争争。在光通讯讯技术中中像这样样例子至至少还有有两个，一个是是光学开开关技术术，一个个是色散散补偿技技术。目目前可以以用来制制作光学学开关的的技术至至少有：(1)机械式式；(22)光学学微机电电式（OOptiicall MEEMS，其中所所使用的的MEMMS技术术又可分分为buulk MEMMS或是是surrfacce MMEM

14、SS，surrfacce MMEMSS中又可可有多种种不同架架构）；(3)光波导导式（又又可分为为Eleectrro-OOptiic LLiNbbO3 waavegguidde, Theermaal- opttic Sillicaa orr Poolymmer wavveguuidee，Theermaal- bullblee Siilicca wwaveeguiide等等多种）。77可以以用来达达到光色色散补偿偿的技术术至少有有：(11)色散散补偿光光纤；(2)光光纤光栅栅；(33)双模模光纤长周期期光纤光光栅式模模态转换换器；(4)VVirttuall Immagee Arrrayy式的bu

15、ulk-opttic 架构。8到目前前为止这这些技术术仍然都都有公司司用来发发展他们们的产品品，虽说说可能有有的较成成熟，有有的较不不成熟，但至少少是互有有优略，都有机机会。三、光通通讯主动动组件及及模块技技术在主动组组件及模模块这方方面，几几个最主主要的发发展重点点包括：(1)表面辐辐射雷射射（VEESELL）技术术；(22)光传传接模块块技术；(3)光放大大器技术术；(44)可调调频或可可选频雷雷射。以以下我就就依此次次序来作作介绍。表面辐射射雷射是是光通讯讯用雷射射光源的的一种（图八）：图八：光光通讯雷雷射光源源发展趋趋势其结构系系如图九九所示，因为共共振腔很很短，可可以达到到单纵模模输

16、出，所以可可以有窄窄频宽；输出光光是垂直直的出射射，所以以可以oon-wwafeer ttestt；辐射射光的模模态较对对称，所所以较易易耦合进进光纤；由于以以上的特特性，不不论是组组件制程程或构装装的成本本都较边边射型雷雷射为低低。这也也是为什什么8550nmm的VESSEL目目前几乎乎完全取取代边射射型雷射射被用于于短距离离（几百百公尺）高速率率（1GGb/ss到10GGb/ss）的数数据传输输连结。不过目目前长波波长VEESELL（13000nmm或15550nmm）尚未未有成熟熟的产品品9，所以以在此二二通讯的的波段仍仍以边射射型雷射射（Faabryy-Peerott及DFBB）为主主

17、。可以以预期的的是一但但长波长长VESSEL技技术能够够成熟，通讯波波段的雷雷射光源源应会有有革命性性的改变变。图九：VVCSEEL组件件示意图图至于光传传接模块块的发展展趋势则则如图十十所示：图十：光光传接模模块发展展趋势要采用何何种技术术则是要要看这个个光传接接模块是是要用在在怎样的的系统中中。有些些应用（如骨干干网络）需要很很高的质质量（高高调变速速度、单单频、准准确的中中心波长长等等），有些些的应用用（如ooptiicall Ettherrnett）则在在意低成成本、小小体积（如Smmalll-Foorm-Facctorr）等。目前短短距离以以使用LLED及及8500nm VCSSEL

18、雷雷射为主主，稍长长距离使使用13300nnm FFP雷射射，更长长距离则则使用DDFB雷雷射（113000nm或或15550nmm），DWWDM则则以15550nnm DDFB雷雷射为主主。目前的光光放大器器技术主主要仍以以掺铒光光纤放大大器为主主，可以以是在CC-baand，或是在在L-bbandd，可以以是简单单型的单单频道光光放大器器模块，也可以以是具备备增益平平坦化及及动态增增益控制制的复杂杂光放大大器次系系统。半半导体光光放大器器具有低低成本的的优点，不过因因载子生生命时间间较短，所以非非线性效效应很大大，不适适合用来来同时放放大太多多波长。不过到到很适合合来发展展非线性性光信号号

19、处理技技术，如如所谓的的optticaal 33R技术术（Ree-ammpliicattionn, RRe-ttimiing, Ree-shhapiing），也就就是直接接在光学学的层次次以电子子技术所所难以企企及的高高速来直直接作信信号的重重生。另另一类光光放大器器则为RRamaan光放放大器,这种光光放大器器是利用用光纤的的Ramman效效应来达达到光放放大的效效果，所所以需要要一个高高功率激激发光源源。其好好处是光光放大的的波段可可以由激激发光源源的波长长来决定定，且是是分布式式光放大大器，可可以降低低光纤中中信号的的peaak iinteensiity，从而降降低信号号传输所所看到的的

20、非线性性效应。不过其其缺点是是激发光光源所需需的功率率颇高，所以价价格还是是很贵。图十一：光放大大器最后，在在新型主主动组件件及模块块这方面面，目前前还不是是很成熟熟的技术术要算是是可调频频或可选选频雷射射或模块块了。目目前最成成熟的可可调频或或可选频频激光技技术要属属利用ssamppledd grratiing DBRR结构之之半导体体雷射，这是利利用两个个错开的的sammpleed ggrattingg DBBR结构构来选频频，或是是利用一一个saamplled graatinng DDBR结结构配合合垂直耦耦合的光光波导结结构来选选频或调调频。这这些雷射射有很快快的调频频或选频频速率，不

21、过需需要同时时控制多多个注入入电流才才能精确确地来达达到选频频的功能能。也有有人正在在利用MMEMSS技术来来发展可可调频式式VCSSEL组组件，配配合未来来长波长长VCSSEL技技术的进进展，这这种可调调频式VVCSEEL组件件应该会会越来越越具潜力力。110四、结论论限于本文文的篇幅幅我只能能快速地地叙述一一些光通通讯主被被动组件件及模块块的发自自展趋势势，最后后我还希希望传达达给各位位读者以以下的看看法：目前光纤纤通讯应应用上的的需求必必须靠组组件及模模块上的的突破才才能满足足。新型光纤纤通讯组组件及模模块技术术目前还还是多家家争鸣的的局面，很多新新的或较较学术性性的想法法正一步步步地落

22、落实为实实用的组组件及模模块技术术。台湾过去去在光纤纤通讯组组件及模模块技术术上的发发展在学学术上多多半只是是研究而而未真正正落实于于应用，在产业业上则大大多仍着着重于第第三波地地制造市市场需求求量大的的组件及及模块而而多半未未能真正正进行第第一波甚甚至第二二波的研研发。（注：此此处第一一波、第第二波、及第三三波的比比喻是闻闻之于贾贾心乐博博士，我我觉得很很生动，故特此此志之）值此光纤纤通讯产产业起飞飞之际，如果做做得到的的话，如如何结合合产官学学研各界界的努力力来掌握握这波的的机会应应是我们们这些从从事相关关技术研研究或研研发的人人员之责责任。我们应该该还有机机会。五、参考考资料及及补充说说

23、明有兴趣的的读者可可以进入入到IEEEE的的网站， HYPERLINK htttp:/wwww.iieeee.orrghtttp:/wwww.ieeee.oorg，由之可可连结到到IEEEE 8802.3z 标准制制订的网网页，在在上面可可以找到到很多关关于Oppticcal Ethhernnet的的数据，或是直直接到 HYPERLINK /groups/802/3/ hhttpp:/grooupeer.iieeee.orrg/ggrouups/8022/3/浏览。国内有工工研院光光电所在在发展此此种模块块技术，有兴趣趣的读者者可以到到其网站站逛逛。 HYPERLINK htttp:/wwww.ooes.itrri.oorg.twhhttpp:/wwww.oees.iitrii.orrg.ttw。关于光学学镀膜技技术的中中文参考考数据，可以参参见李正正中教授授所著之之薄膜膜光学与与镀膜技技术一一书，艺艺轩图书书出版。最早