邁向高速傳輸時代　光通訊應用水漲船高

1、邁向高速傳輸時代光通訊應用水漲船高    文陳乃塘隨著光通訊的距離縮短，加上從化合物半導體實現(xiàn)光器件，到可以采用硅(Si)系半導體來實現(xiàn)，光通訊的應用空間已能從框體外的連接逐步滲透到框體內部、線路板之間，甚至芯片與芯片之間的配線等。應用的空間從長距離上的應用往下延伸到高性能服務器、路由器等通訊機器，甚至有機會滲透到手機等產品。光傳送的發(fā)光器件及受光器件的開發(fā)影響，過去的化合物半導體已開始采用親合性高Si材料的CMOS技術，來加速開發(fā)光器件或是光導文陳乃塘 隨著光通訊的距離縮短，加上從化合物半導體實現(xiàn)光器件，到可以采用硅(Si)系半導體來

2、實現(xiàn)，光通訊的應用空間已能從框體外的連接逐步滲透到框體內部、線路板之間，甚至芯片與芯片之間的配線等。應用的空間從長距離上的應用往下延伸到高性能服務器、路由器等通訊機器，甚至有機會滲透到手機等產品。 光傳送的發(fā)光器件及受光器件的開發(fā)影響，過去的化合物半導體已開始采用親合性高Si材料的CMOS技術，來加速開發(fā)光器件或是光導波線路，進而節(jié)省成本。談到電氣配線會引發(fā)聯(lián)想的問題包括了靜電防護(ESD)、電磁干擾(EMI)、傳送速度、傳輸距離、頻帶限制、訊號串音、阻抗匹配、訊號延遲等，且訊號線也較過去的線路體積大。而光配線最主要的問題，都圍繞在轉換新系統(tǒng)時成本高、光器件貴、驅動器與調制器線路多、

3、配線難以彎曲、壽命與信賴性等議題上。 然而，上述刻板印象已逐漸減少中，光纖到戶(FTTH)的出現(xiàn)，至少可將發(fā)光、受光器件對應到1Gbit/s傳輸速度，并將價格拉低，且銳角彎曲的廉價玻璃光纖目前也已經出現(xiàn)，加上使用樹脂制作的光波長多重分合器件等提案陸續(xù)發(fā)表的情況分析，光傳送的總體費用可望逐步接近電氣傳送，而廠商也開始認真檢討產品框體內利用光傳送的技術的可行性。 透過光傳輸解決速度/干擾問題 手機液晶面板到處理器之間的傳送速度須大于400Mbit/s，若采光傳送其傳送速度及小型化將可兩立并順帶解決EMI問題，尤其折迭式手機的鉸鏈(Hinge)空間有限，其導入光傳送就合

4、乎邏輯；且未來手機將朝4G前進，既有的電氣傳送接口將無法滿足，若增加通道將不符手機小型化要求，且EMI將是大問題。 過去薄膜層狀光導波路都須以光刻蝕(Photo-lithography)手法制作，且TAT(Total Around Time)就需要數(shù)個小時，制造裝置費時又昂貴，因此各廠開始提出各種方案克服這項問題。目前歐姆龍(Omron)已發(fā)展出1毫米幅、0.15毫米厚度的薄膜層狀光導波線路，由于受光發(fā)光器件價格下降，可藉由改善光導波路的制程進而降低成本；SPICA (Stacked Polymer Optical IC/Advanced Tech-nology)系奧姆龍所開發(fā)的制造

5、方法(圖1)，大幅度減少工程數(shù)量，且同樣的工程也制造了FTTH的光分路器(Splitter)。富士全錄(Xerox)利用該公司在復印機上所利用的PDMS(Poly-Dimethylsiloxane)的硅膠鑄型制造工程，開發(fā)出LAMM(Large-Area Advanced Micro Molding)的工法(圖2)。PDMS的材料費用相當?shù)土静恍枰?，不會有廢料的問題，比起光刻蝕的制造工程至少低五分之一。其它如道康寧(DowCorning)、三井化學等化學系制造商，都有進行薄膜狀或是片狀的光導波路的開發(fā)(表1)，便宜且特性佳的光導波路將成為未來應用之一。 圖1SPICA制造工

6、程示意圖 圖2LAMM制造示意圖表1各類型光導波路制造方法比較若是應用于基干網絡大型服務器、路由器或背板應用(Backplane)等，利用光傳送將能確保高容量傳送、LSI、連接器端子數(shù)少及成本低等優(yōu)勢。 對于服務器、路由器來說，背板的總傳送容量始終是關注的焦點，以因特網而言，其數(shù)據(jù)流通量的發(fā)展迅速，到了2010年電氣傳送能否跟上應用于背板基干路由器的處理速度仍意見分歧；眾多說法為，到了2010年超越4Tbit/s的機會很高，而解決的對策不外乎增加配線的數(shù)量。 以背板廣泛使用每一個傳輸通道3.125Gbit/s的XAUI來說，若要提供1.2Tbit/s能力，開關用途

7、的適配卡連接器端子數(shù)將超越兩千；且現(xiàn)實用在連接器的插拔也有困難點。雖然IEEE 802.3ap(Backplane Ethernet)可提供10Gbit/s串行接口達成總容量1.2Tbit/s不是問題，但若眺望2010年，到時每一個傳輸巷道所需的傳送速度須達到40Gbit/s的水平時，電氣傳送能否實現(xiàn)將是個大問號。 光配線應用浮出臺面 雖然目前廠商試作的機器已經完成，但基于上述緣故，通訊設備或服務器廠商對于背板應用的觀點，多致力于光配線的研究開發(fā)。其中最被質疑的瓶頸仍在于費用及產品使用信賴度，雖然FTTH將帶來1Gbit/s傳送速度與發(fā)光、受光器件的價格降低，但對于10Gb

8、it/s前后的激光器或是光電二極管價格居高不下，更別提40Gbit/s等級的器件，因此以量制價才有希望在未來讓更多應用產生。 采用任何新技術前抱持信賴性的懷疑，是因為過去曾經發(fā)生的案例，富士通將光傳送應用于超高速、超高密度的領域，其850nm波長的VCSEL發(fā)生“頓死”現(xiàn)象，換言之，突然發(fā)生熱暴走而停止機能，雖然此問題后來逐漸理清，卻埋下不小的陰影。因此光通訊要邁入實用化還須時間與經驗的累積，若要在框體內采光傳送技術，還須同時解決連接器及器件規(guī)格化的問題，才能確立量產技術力求克服成本低與高整合。 從其它層面來看，光傳送所要求的精確度比電氣傳送要高，且彼此裝置間要能容易連接就

9、是就是一項重要技術；此外，核心與核心的直接面對場合中，位置相合的誤差也僅允許5微米(m)的程度；而一般光的通路，光導波路的核心直徑多模約是50納米，單模則是數(shù)微米10微米，因此，約核心十分之一的精確度為必要，也讓線路板間的光配線市場以多模為主。 2005年6月日本的線路板工業(yè)協(xié)會(JPCA)，就采用NEC與Fujikura所開發(fā)的PETIT光連接器規(guī)格，且LSI芯片與芯片間，或芯片內部的接續(xù)，更已跨越10Gbit/s以上門坎解決RC的延遲。此外，英特爾(Intel)于2004年IDF中也提出“硅光”的概念(圖3)，并將光電器件整合到LSI。目前英特爾、NEC、麻省理工學院等產業(yè)或學界，都在角逐所謂Ge on Si型的光電二極管，其動作頻率為10G29GHz，器件的面積尺寸可低于0.5平方微米以下，要達到40GHz以上也有可能。圖3英特爾硅光的構想概念圖表2Luxtera收發(fā)器器件表就Si系調制器而言，2005年春季英特爾及Luxtera已發(fā)表10GHz