光纖通訊組件與模塊技術(shù)之最新發(fā)展趨勢

1、光纖通訊訊組件與與模塊技技術(shù)之最最新發(fā)展展趨勢一、前言言目前以全全球而言言，光通通訊產(chǎn)業(yè)業(yè)的產(chǎn)值值已經(jīng)占占全球光光電產(chǎn)業(yè)業(yè)產(chǎn)值的的1/44，與顯顯示器、影像相相關(guān)產(chǎn)品品、及光光儲存產(chǎn)產(chǎn)品鼎足足而立，是光電電產(chǎn)業(yè)的的四個主主要支柱柱。全球球光電產(chǎn)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值值在19999年年是18855億億美元，所以光光通訊產(chǎn)產(chǎn)業(yè)目前前的規(guī)模模大約是是接近5500億億美元的的規(guī)模。至于在在光通訊訊產(chǎn)業(yè)中中，依產(chǎn)產(chǎn)品或技技術(shù)的層層次大致致可分為為組件與與材料、模塊與與構(gòu)裝、設(shè)備與與系統(tǒng)這這三個層層次。在在圖一中中我簡單單列出了了每個層層次的一一些主要要技術(shù)或或產(chǎn)品，這些技技術(shù)或產(chǎn)產(chǎn)品其實實也正是是這一兩兩年來全全球競

2、相相發(fā)展的的方向。圖一：光光通訊關(guān)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)與產(chǎn)品品最近光通通訊技術(shù)術(shù)的發(fā)展展方向還還可以簡簡單地以以圖二中中的兩個個趨勢來來描述：圖二：光光通訊技技術(shù)發(fā)展展趨勢在其中所所謂的DDWDMM技術(shù)指指的是在在同一光光纖中同同時傳播播多個光光波長很很接近（1000GHZZ或更小?。┑念l頻道（假假定一個個波長代代表一個個頻道）之技術(shù)術(shù)，如此此一來不不需要增增加光纖纖就可以以把總傳傳輸容量量一直倍倍增下去去，這樣樣才有辦辦法滿足足Intternnet上上每9個月傳傳輸容量量需求就就增加一一倍的盛盛況。而而要充分分實現(xiàn)及及利用這這種DWWDM概概念，就就必須發(fā)發(fā)展出很很多新的的DWDDM組件件、模塊塊、及

3、設(shè)設(shè)備系統(tǒng)統(tǒng)，也必必須發(fā)展展能夠有有效管理理這么多多個光波波長頻道道的網(wǎng)絡(luò)絡(luò)管理技技術(shù)，所所以就有有很多技技術(shù)研發(fā)發(fā)上的工工作需要要完成。在DWWDM系系統(tǒng)中所所需要的的關(guān)鍵組組件與模模塊可以以從圖三三的示意意圖中看看出：圖三：DDWDMM系統(tǒng)示示意圖基本上其其中最主主要的組組件及模模塊包括括：被動組件件及模塊塊：波長長多任務(wù)務(wù)/解多任任務(wù)器、擷取器器、色散散補償裝裝置、光光學(xué)開關(guān)關(guān)等。主動組件件及模塊塊：DWWDM光光傳接模模塊、光光放大器器、可調(diào)調(diào)頻/選頻光光源等。最有趣的的是，可可以用來來制作這這些組件件及模塊塊的技術(shù)術(shù)竟然有有許多種種，而且且常是全全新的技技術(shù)，且且各有優(yōu)優(yōu)劣，所所以就

4、成成了百家家爭鳴，大家一一起到廟廟會擺攤攤的盛況況。至于在光光纖局域域網(wǎng)絡(luò)及及擷取網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上的的應(yīng)用需需求則又又稍有不不同，在在此發(fā)展展的重點點倒不在在于DWWDM的的技術(shù)，因為目目前多半半的局域域網(wǎng)絡(luò)及及擷取網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)都還還沒有發(fā)發(fā)展到這這種程度度，所需需的總傳傳輸率還還不像在在都會網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)或傳傳輸網(wǎng)絡(luò)絡(luò)中那么么高。譬譬如目前前最熱門門的Oppticcal Ethhernnet，1Gbb/s的的傳輸標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)早已已制訂，10GGb/ss標(biāo)準(zhǔn)目目前正制制訂中1，從這里里也可看看出其實實局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的傳傳輸速率率已經(jīng)與與骨干或或傳輸網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中單單一頻道道的傳輸輸速率差差不多了了。對光光纖局域域網(wǎng)絡(luò)及及擷取網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

5、的發(fā)發(fā)展而言言最關(guān)鍵鍵的因素素是成本本，只有有成本低低到一般般的使用用者負(fù)擔(dān)擔(dān)得起才才能夠廣廣被采用用，這也也是為什什么在方方面大家家的重點點都擺在在如何制制作出便便宜但又又高速的的光傳接接模塊上上面。在以下的的篇幅里里我就來來根據(jù)上上述的分分類方式式敘述一一下有哪哪些有趣趣的光通通訊組件件及模塊塊技術(shù)，順便也也提一下下其工作作原理。二、光通通訊被動動組件及及模塊技技術(shù)DWDMM光通訊訊被動組組件及模模塊中最最基本的的就是DDWDMM光波長長多任務(wù)務(wù)/解多任任務(wù)器，它的功功能正是是要來將將各種不不同波長長的光合合并到同同一光纖纖(多任務(wù)務(wù))或分開開到不同同光纖(解多任任務(wù))。因為為DWDDM的

6、頻頻道間距距很小(1000GHzz或甚至至50GGHz)，所以以需要窄窄頻(nnarrrow-bannd)、平頭(flaat-ttop)、陡裙裙(stteepp-skkirtt)的濾濾波器才才能勝任任這種多多任務(wù)/解多任任務(wù)的任任務(wù)。要要制作這這種波長長多任務(wù)務(wù)/解多任任務(wù)器可可以有多多種技術(shù)術(shù)可用，包括光光學(xué)鍍膜膜、全光光纖式組組件、數(shù)數(shù)組光波波導(dǎo)組件件、傳統(tǒng)統(tǒng)繞射式式光柵等等。其中中光學(xué)鍍鍍膜式的的波長多多任務(wù)/解多任任務(wù)器目目前仍是是最成熟熟的技術(shù)術(shù)，其架架構(gòu)大致致如下圖圖所示：2圖四：光光學(xué)鍍膜膜式DWWDM波波長多任任務(wù)/解多任任務(wù)器其中的關(guān)關(guān)鍵組件件之一是是光學(xué)鍍鍍膜式濾濾鏡。要要

7、制作符符合DWWDM要要求的濾濾鏡，鍍鍍膜的層層數(shù)必須須高達(dá)1100多多層，每每層的厚厚度約11/4波波長，采采3個共振振腔的結(jié)結(jié)構(gòu)來達(dá)達(dá)到平頭頭與陡裙裙的要求求，每層層的厚度度必須非非常準(zhǔn)確確，所以以制作中中需要有有實時且且精準(zhǔn)的的厚度監(jiān)監(jiān)控裝置置。33第二種制制作DWWDM波波長多任任務(wù)/解多任任務(wù)器的的方法是是數(shù)組光光波導(dǎo)組組件（AAWG）4，其結(jié)結(jié)構(gòu)如圖圖五中所所示。其其原理也也非常有有趣，入入射光經(jīng)經(jīng)過第一一段接合合處因繞繞射而分分布地入入射于中中間的數(shù)數(shù)組光波波導(dǎo)，光光經(jīng)過數(shù)數(shù)組光波波導(dǎo)傳到到另一端端，不同同頻率的的光會有有不同變變化率的的線性相相位改變變，這種種線性相相位改變變會

8、使不不同頻率率的光經(jīng)經(jīng)第二段段接合處處重新聚聚焦于輸輸出端的的某一光光波導(dǎo)中中，其原原理就像像是所謂謂的數(shù)組組天線，輻射光光的方向向可以藉藉由控制制數(shù)組天天線的線線性相位位變化來來改變。所以如如果在輸輸出端制制作數(shù)組組波導(dǎo)，適當(dāng)選選擇波導(dǎo)導(dǎo)的間距距與中央央數(shù)組光光波導(dǎo)的的長度變變化率即即可使頻頻道間距距為一定定值的頻頻道剛好好聚焦入入射于輸輸出端的的光波導(dǎo)導(dǎo)數(shù)組之之中，從從而達(dá)到到DWDDM多任任務(wù)/解多任任務(wù)的功功能。圖五：數(shù)數(shù)組光波波導(dǎo)組件件式DWWDM波波長多任任務(wù)/解多任任務(wù)器第三種制制作DWWDM波波長多任任務(wù)/解多任任務(wù)器的的方法是是全光纖纖式組件件，這類類組件又又可分為為兩大類類

9、：光纖纖光柵式式組件及及串接光光纖干涉涉儀式組組件，俱俱如圖六六所示。圖六：光光纖式DDWDMM組件光纖光柵柵組件系系直接在在光纖核核心中直直接用UUV光感感應(yīng)出周周期性折折射系數(shù)數(shù)光柵，透過布布拉格繞繞射的效效應(yīng)可以以制作出出窄頻反反射式濾濾波器。圖七：光光纖光柵柵制作技技術(shù)不過因為為是在一一維光纖纖中的反反射式濾濾波器，所以反反射光同同入射光光無法簡簡單地分分開，必必須使用用旋光器器（ciircuulattor）或是使使用光纖纖干涉儀儀的架構(gòu)構(gòu)，否則則會有很很大的光光損耗。至于串串接光纖纖干涉儀儀式組件件則是直直接利用用串接式式unbbalaanceed MMachh-Zeehndder光

10、光纖干涉涉儀來制制作具有有周期性性穿透頻頻譜的濾濾波器，藉由適適當(dāng)選擇擇光纖干干涉儀兩兩臂的長長度差，可以達(dá)達(dá)到窄頻頻、平頭頭及陡裙裙的要求求。而且且由于MMachh-Zeehndder光光纖干涉涉儀是兩兩個輸出出端的組組件，而而且兩輸輸出端的的頻譜剛剛好互補補，所以以可以來來制作所所謂的DDWDMM交錯器器（Innterrleaaverr），可可以用來來把奇數(shù)數(shù)與偶數(shù)數(shù)頻道分分開或合合并，如如此頻道道間距可可提高一一倍，從從而可使使較便宜宜的光學(xué)學(xué)鍍膜式式DWDDM波長長多任務(wù)務(wù)/解多任任務(wù)器也也可用于于50GGHz的的頻道間間距。這這是因為為光學(xué)鍍鍍膜式DDWDMM濾鏡可可達(dá)到的的頻道間間

11、距到1100GGHz就就已經(jīng)很很困難制制造，更更不用說說50GGHz頻頻道間距距，利用用DWDDM交錯錯器（IInteerleeaveer）是是克服這這種困難難的最有有效方法法。串接接式光纖纖干涉儀儀是制作作DWDDM交錯錯器的一一種可行行方法而而已，尚尚有利用用串接式式bullk光學(xué)學(xué)干涉儀儀的方法法，這是是目前最最熱門的的DWDDM被動動組件之之一。5其它可用用來制作作波長多多任務(wù)/解多任任務(wù)器的的方法還還包括利利用傳統(tǒng)統(tǒng)繞射光光柵66、或或是利用用新型全全像式光光柵等方方法，研研究人員員還特別別針對傳傳統(tǒng)繞射射光柵的的架構(gòu)發(fā)發(fā)展出被被動式溫溫度補償償?shù)姆椒ǚ?，可以以克服?dāng)當(dāng)環(huán)境溫溫度改變

12、變時光柵柵周期也也會改變變的困境境，使得得所制作作出的波波長多任任務(wù)/解多任任務(wù)器可可以有很很大的溫溫度工作作范圍。其實前前面說的的全光纖纖式及數(shù)數(shù)組光波波導(dǎo)組件件式DWWDM波波長多任任務(wù)/解多任任務(wù)器也也有溫度度效應(yīng)的的問題，必須有有配合的的溫度補補償技術(shù)術(shù)才能成成為實用用的組件件。大概概只有光光學(xué)鍍膜膜式的波波長多任任務(wù)/解多任任務(wù)器可可以不需需要擔(dān)心心溫度補補償?shù)膯枂栴}，因因為其溫溫度系數(shù)數(shù)很小，不會造造成困擾擾。這個DWWDM波波長多任任務(wù)/解多任任務(wù)器的的例子正正好驗證證我一開開始所說說的有趣趣觀察，有多種種技術(shù)可可用來達(dá)達(dá)到某一一功能，而且各各有優(yōu)缺缺點（如如光學(xué)鍍鍍膜式利利于小

13、數(shù)數(shù)目頻道道數(shù)的應(yīng)應(yīng)用且不不需溫度度補償，AWGG利于大大數(shù)目頻頻道數(shù)的的應(yīng)用但但制作不不易，全全光纖式式利于超超窄頻道道間距的的應(yīng)用且且成本便便宜，傳傳統(tǒng)繞射射光柵式式利于制制作但體體積較難難縮小等等），于于是各家家公司各各有擅長長，各自自發(fā)展看看好的技技術(shù)來互互相競爭爭。在光通訊訊技術(shù)中中像這樣樣例子至至少還有有兩個，一個是是光學(xué)開開關(guān)技術(shù)術(shù)，一個個是色散散補償技技術(shù)。目目前可以以用來制制作光學(xué)學(xué)開關(guān)的的技術(shù)至至少有：(1)機械式式；(22)光學(xué)學(xué)微機電電式（OOptiicall MEEMS，其中所所使用的的MEMMS技術(shù)術(shù)又可分分為buulk MEMMS或是是surrfacce MMEM

14、SS，surrfacce MMEMSS中又可可有多種種不同架架構(gòu)）；(3)光波導(dǎo)導(dǎo)式（又又可分為為Eleectrro-OOptiic LLiNbbO3 waavegguidde, Theermaal- opttic Sillicaa orr Poolymmer wavveguuidee，Theermaal- bullblee Siilicca wwaveeguiide等等多種）。77可以以用來達(dá)達(dá)到光色色散補償償?shù)募夹g(shù)術(shù)至少有有：(11)色散散補償光光纖；(2)光光纖光柵柵；(33)雙模模光纖長周期期光纖光光柵式模模態(tài)轉(zhuǎn)換換器；(4)VVirttuall Immagee Arrrayy式的bu

15、ulk-opttic 架構(gòu)。8到目前前為止這這些技術(shù)術(shù)仍然都都有公司司用來發(fā)發(fā)展他們們的產(chǎn)品品，雖說說可能有有的較成成熟，有有的較不不成熟，但至少少是互有有優(yōu)略，都有機機會。三、光通通訊主動動組件及及模塊技技術(shù)在主動組組件及模模塊這方方面，幾幾個最主主要的發(fā)發(fā)展重點點包括：(1)表面輻輻射雷射射（VEESELL）技術(shù)術(shù)；(22)光傳傳接模塊塊技術(shù)；(3)光放大大器技術(shù)術(shù)；(44)可調(diào)調(diào)頻或可可選頻雷雷射。以以下我就就依此次次序來作作介紹。表面輻射射雷射是是光通訊訊用雷射射光源的的一種（圖八）：圖八：光光通訊雷雷射光源源發(fā)展趨趨勢其結(jié)構(gòu)系系如圖九九所示，因為共共振腔很很短，可可以達(dá)到到單縱模模輸

16、出，所以可可以有窄窄頻寬；輸出光光是垂直直的出射射，所以以可以oon-wwafeer ttestt；輻射射光的模模態(tài)較對對稱，所所以較易易耦合進(jìn)進(jìn)光纖；由于以以上的特特性，不不論是組組件制程程或構(gòu)裝裝的成本本都較邊邊射型雷雷射為低低。這也也是為什什么8550nmm的VESSEL目目前幾乎乎完全取取代邊射射型雷射射被用于于短距離離（幾百百公尺）高速率率（1GGb/ss到10GGb/ss）的數(shù)數(shù)據(jù)傳輸輸連結(jié)。不過目目前長波波長VEESELL（13000nmm或15550nmm）尚未未有成熟熟的產(chǎn)品品9，所以以在此二二通訊的的波段仍仍以邊射射型雷射射（Faabryy-Peerott及DFBB）為主主

17、。可以以預(yù)期的的是一但但長波長長VESSEL技技術(shù)能夠夠成熟，通訊波波段的雷雷射光源源應(yīng)會有有革命性性的改變變。圖九：VVCSEEL組件件示意圖圖至于光傳傳接模塊塊的發(fā)展展趨勢則則如圖十十所示：圖十：光光傳接模模塊發(fā)展展趨勢要采用何何種技術(shù)術(shù)則是要要看這個個光傳接接模塊是是要用在在怎樣的的系統(tǒng)中中。有些些應(yīng)用（如骨干干網(wǎng)絡(luò)）需要很很高的質(zhì)質(zhì)量（高高調(diào)變速速度、單單頻、準(zhǔn)準(zhǔn)確的中中心波長長等等），有些些的應(yīng)用用（如ooptiicall Ettherrnett）則在在意低成成本、小小體積（如Smmalll-Foorm-Facctorr）等。目前短短距離以以使用LLED及及8500nm VCSSEL

18、雷雷射為主主，稍長長距離使使用13300nnm FFP雷射射，更長長距離則則使用DDFB雷雷射（113000nm或或15550nmm），DWWDM則則以15550nnm DDFB雷雷射為主主。目前的光光放大器器技術(shù)主主要仍以以摻鉺光光纖放大大器為主主，可以以是在CC-baand，或是在在L-bbandd，可以以是簡單單型的單單頻道光光放大器器模塊，也可以以是具備備增益平平坦化及及動態(tài)增增益控制制的復(fù)雜雜光放大大器次系系統(tǒng)。半半導(dǎo)體光光放大器器具有低低成本的的優(yōu)點，不過因因載子生生命時間間較短，所以非非線性效效應(yīng)很大大，不適適合用來來同時放放大太多多波長。不過到到很適合合來發(fā)展展非線性性光信號號

19、處理技技術(shù)，如如所謂的的optticaal 33R技術(shù)術(shù)（Ree-ammpliicattionn, RRe-ttimiing, Ree-shhapiing），也就就是直接接在光學(xué)學(xué)的層次次以電子子技術(shù)所所難以企企及的高高速來直直接作信信號的重重生。另另一類光光放大器器則為RRamaan光放放大器,這種光光放大器器是利用用光纖的的Ramman效效應(yīng)來達(dá)達(dá)到光放放大的效效果，所所以需要要一個高高功率激激發(fā)光源源。其好好處是光光放大的的波段可可以由激激發(fā)光源源的波長長來決定定，且是是分布式式光放大大器，可可以降低低光纖中中信號的的peaak iinteensiity，從而降降低信號號傳輸所所看到的的

20、非線性性效應(yīng)。不過其其缺點是是激發(fā)光光源所需需的功率率頗高，所以價價格還是是很貴。圖十一：光放大大器最后，在在新型主主動組件件及模塊塊這方面面，目前前還不是是很成熟熟的技術(shù)術(shù)要算是是可調(diào)頻頻或可選選頻雷射射或模塊塊了。目目前最成成熟的可可調(diào)頻或或可選頻頻激光技技術(shù)要屬屬利用ssamppledd grratiing DBRR結(jié)構(gòu)之之半導(dǎo)體體雷射，這是利利用兩個個錯開的的sammpleed ggrattingg DBBR結(jié)構(gòu)構(gòu)來選頻頻，或是是利用一一個saamplled graatinng DDBR結(jié)結(jié)構(gòu)配合合垂直耦耦合的光光波導(dǎo)結(jié)結(jié)構(gòu)來選選頻或調(diào)調(diào)頻。這這些雷射射有很快快的調(diào)頻頻或選頻頻速率，不

21、過需需要同時時控制多多個注入入電流才才能精確確地來達(dá)達(dá)到選頻頻的功能能。也有有人正在在利用MMEMSS技術(shù)來來發(fā)展可可調(diào)頻式式VCSSEL組組件，配配合未來來長波長長VCSSEL技技術(shù)的進(jìn)進(jìn)展，這這種可調(diào)調(diào)頻式VVCSEEL組件件應(yīng)該會會越來越越具潛力力。110四、結(jié)論論限于本文文的篇幅幅我只能能快速地地敘述一一些光通通訊主被被動組件件及模塊塊的發(fā)自自展趨勢勢，最后后我還希希望傳達(dá)達(dá)給各位位讀者以以下的看看法：目前光纖纖通訊應(yīng)應(yīng)用上的的需求必必須靠組組件及模模塊上的的突破才才能滿足足。新型光纖纖通訊組組件及模模塊技術(shù)術(shù)目前還還是多家家爭鳴的的局面，很多新新的或較較學(xué)術(shù)性性的想法法正一步步步地落

22、落實為實實用的組組件及模模塊技術(shù)術(shù)。臺灣過去去在光纖纖通訊組組件及模模塊技術(shù)術(shù)上的發(fā)發(fā)展在學(xué)學(xué)術(shù)上多多半只是是研究而而未真正正落實于于應(yīng)用，在產(chǎn)業(yè)業(yè)上則大大多仍著著重于第第三波地地制造市市場需求求量大的的組件及及模塊而而多半未未能真正正進(jìn)行第第一波甚甚至第二二波的研研發(fā)。（注：此此處第一一波、第第二波、及第三三波的比比喻是聞聞之于賈賈心樂博博士，我我覺得很很生動，故特此此志之）值此光纖纖通訊產(chǎn)產(chǎn)業(yè)起飛飛之際，如果做做得到的的話，如如何結(jié)合合產(chǎn)官學(xué)學(xué)研各界界的努力力來掌握握這波的的機會應(yīng)應(yīng)是我們們這些從從事相關(guān)關(guān)技術(shù)研研究或研研發(fā)的人人員之責(zé)責(zé)任。我們應(yīng)該該還有機機會。五、參考考資料及及補充說說

23、明有興趣的的讀者可可以進(jìn)入入到IEEEE的的網(wǎng)站， HYPERLINK htttp:/wwww.iieeee.orrghtttp:/wwww.ieeee.oorg，由之可可連結(jié)到到IEEEE 8802.3z 標(biāo)準(zhǔn)制制訂的網(wǎng)網(wǎng)頁，在在上面可可以找到到很多關(guān)關(guān)于Oppticcal Ethhernnet的的數(shù)據(jù)，或是直直接到 HYPERLINK /groups/802/3/ hhttpp:/grooupeer.iieeee.orrg/ggrouups/8022/3/瀏覽。國內(nèi)有工工研院光光電所在在發(fā)展此此種模塊塊技術(shù)，有興趣趣的讀者者可以到到其網(wǎng)站站逛逛。 HYPERLINK htttp:/wwww.ooes.itrri.oorg.twhhttpp:/wwww.oees.iitrii.orrg.ttw。關(guān)于光學(xué)學(xué)鍍膜技技術(shù)的中中文參考考數(shù)據(jù)，可以參參見李正正中教授授所著之之薄膜膜光學(xué)與與鍍膜技技術(shù)一一書，藝藝軒圖書書出版。最早