光通讯词典

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光收发模组

光收发模组中的零组件包含：发光源（半导体雷射LD或LED）或受光检光器（PIN／APD二极体）、驱动电路、放大电路、连接器及外壳，因此牵涉的技术包含光学、电子、机械等领域。其中的LD又可分为3类：分布回馈型、F-P型、及垂直共振腔面射型（Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode；就是VCSEL），前两类的雷射皆由晶粒的侧面发光，VCSEL则由晶粒的表面发光。LD输出功率较高、速度快、发光度集中，但成本却较高，较适合配合单膜光纤用在长途通信上。

在检光器部份，PIN二极体的成本比APD低廉，但灵敏度高、反应迅速。适用于短波长的PIN多用Silicon为材料，而长波通讯或高频操作时，就须用InGaAs或GaAs为材料；而APD二极体的增益受温度影响极大，因此常必须在电路设计时，作温度补偿，反而增加系统设计的复杂度。

另外发光及受光元件的晶粒大小仅约0.5mm×0.5mm，为便于与光纤耦合，须将晶粒作适当的构装，由于LD对温度的变化相当敏感，因此构装时必须考虑散热或温度控制的问题。若以传输速率来分，光收发模组的规格以1.25Gbps为目前主流，售价约在100多美金左右（另有低速的155Mbps及高速的10Gbps）。另一个区分光收发模组产品规格，则是功率大小及接收灵敏度的高低，但这部份并无统一规格，而是次系统厂商依据其产品所订。

光收发模组的生产无法完全自动化生产，人工比重高。全球知名的光收发模组厂商有HP、Lucent、Infineon等。另外，为配合光纤到桌及光纤区域网路的发展趋势，市场上也出现Small Form Factor（SFF）的光收发模组，较有名的有Lucent的LC、3M阵营的VF45（3M、Infineon等发起）、AMP阵营的MT RJ（HP、AMP等发起）。

垂直共振腔面射型雷射

在光收发模组中，曾经谈过发光源中的雷射二极管，可分为：F-P型、分布回馈型（DFB）、VCSEL三类。

DFB LD适用于长途通讯或骨干通讯上，而F-P型则较适用于中距离通讯，而目前将要形成趋势的光纤区域网路，则有可能让VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode）崭露头角。VCSEL的共振腔正好垂直与晶片表面，因此让激发出的雷射光也垂直与晶片表面，与一般由侧面发光的雷射二极体不同，另外VCSEL先天上的特性（垂直腔）让其在晶圆阶段就可以整片地进行测试，不像其他边射型LD或LED必须等到制成二极体时，才能一个一个测试，因此VCSEL可以有压低成本的优势。再者，一般LD（因从侧边发光）须复杂精准的镜头（lens）去与其他光学元件耦合，无形中增加了生产光收发模组时的困难度，而VCSEL的雷射光呈圆锥状，不须复杂的光学设计就可进行光耦合动作，也让光收发模组的生产流程更加简单。

目前区域网路的主流是Fast Ethernet（125Mbps）及Gigabit Ethernet（1.25Gbps），在Gigabit Ethernet的传送标准中，多膜光纤使用的是850nm及1.3μm的波长，而在单膜则是1.3μm的波长，而在Fast Ethernet多膜光纤系统中，多使用1.3μm的LED，但LED反应速度慢，不利于将传输速度提升至Gigabit级，因此给了VCSEL很大的发挥空间。

目前，已知HP（即独立出去的Agilent）、Honeywell、AMP等已经推出采用850nm VCSEL设计的光纤收发器。而国外VCSEL磊晶片的提供者包含：Honeywell、EPI、Infineon等，用VCSEL设计的光收发模组则有Agilent、AMP、Honeywell等




AWG阵列波导光栅

AWG是作成DWDM中的另一种方式。一组特定长度排列的光波导形成的光栅，使用具有分波的能力。主要用在高密度波长多工／解多工器（DWDM）的制作上。其原理为：先将光源（含多种波长之光调变讯号）经由分波元件分成数个至数十个振幅大致相等的子光源，再将这些子光源依序导入事先设计好长度的阵列波导中，使其各自拥有特定的输出相位，再经由多重输出耦合元件后，对于特定波长的光源将会在特定的位置形成建设性干涉而输出。如此即可将不同波长之光源（讯号）分配或撷取出来，而达到波长多工／解多工之目的。

AWG是第一个将平面波导线路（Planar Lightwave Circuit）技术应用于商品化的元件。其做法为在矽晶圆上沉积二氧化矽（SiO2）膜层，再利用微影制程（Photolithography）及反应式离子蚀刻法（Reactive Ion Etch）定义出阵列波导及分光元件等，接著在最上层覆以保护层即可完成。由于AWG使用与一般半导体相同的制程，在多通道数的制作成本与低通道数相差不多，但更适合量产，而且整合度（integration）较高，因此在多通道元件及日后发展上具有相当的潜力。





光放大器

光讯号在长距离通讯时必然会产生讯号衰减，因此在适当的距离必须加装光放大器或中继器，将讯号加以放大并继续传输。光放大器的使用原理是讯号在不经光╱电讯号转换下，直接将讯号加以放大。相较于中继器（regenerator），光放大器在网路升级时不必更换全部的系统，仅需作部份设备（通常是在terminal端）的更换即可，而且光放大器可以作多通道（multi-channel）的讯号放大，刚好可以配合DWDM系统使用。

光放大器主要分为：光纤放大器、半导体光放大器、拉曼放大器。光纤放大器利用掺稀土离子玻璃（石英等介质）的增益特性，在光纤中将光讯号直接放大，因其增益与讯号的偏极化无关，且具有极高的放大频宽，因此应用架构较简单。与中继器相比，光纤放大器让系统的升级更加简化，且可以配合WDM（分波多工器）的应用，来增加传输容量及距离。

掺稀土光纤放大器主要产品则有掺铒光纤放大器（EDFA）、掺镨光纤放大器（PDFA）。EDFA主要应用在1550nm频带上（光讯号在玻璃光纤内的传输，大多使用1310～1550nm的波段），由于其放大波段正处于单膜光纤的低损耗窗口，与现有光通讯系统的波长可相匹配，且EDFA具大输出功率、增益高、频带宽、杂讯低、对偏振不敏感、结构简单等特点，也是目前商业化极成功的光放大器产品，已经广泛应用于长途高速光纤系统、有线电视（cable TV）、海底光缆传输系统上。

PDFA则用于1310nm的频带，采用掺谱氟化光纤为放大介质，由于氟化光纤有易碎、水溶性的特点，必须克服材料上的问题，因此商业化进程较缓慢，使用也较有限。

EDFA国际大厂有Pirelli、Lucent、Nortel、NEC、JDS等。

光纤放大器主要由几个元件组成：掺稀土元素光纤（如掺铒或掺镨光纤）、分波多工器（WDM）、高功率泵激半导体雷射（pump laser）、光隔绝器、光耦合器等。其原理是掺铒或掺镨光纤外加强光雷射，作为泵激发源，把离子激发到受激态能阶，就达到讯号放大的目的，再经由WDM将讯号耦合进入光纤放大区段。

半导体光放大器（Semiconductor Optical Amplifier；简称SOA），其构造与原理近似雷射二极管，可应用于1310／1550nm两种波长，价格较低廉，且较易于和其他光元件及线路作整合（被JDSU购并的SDLI，已经成功地将多个SOA整合在单一晶片上，算是其中的佼佼者），让体积可以较小，但输出功率较低，及其增益与光的偏极化有关，反倒让其应用受阻，但一般相信在1310nm频带SOA可能对PDFA产生一定的取代效应，而在1550nm频带SOA反倒不如EDFA应用普及。