迈向高速传输时代　光通讯应用水涨船高

文．陈乃塘
 

随着光通讯的距离缩短，加上从化合物半导体实现光器件，到可以采用硅(Si)系半导体来实现，光通讯的应用空间已能从框体外的连接逐步渗透到框体内部、线路板之间，甚至芯片与芯片之间的配线等。应用的空间从长距离上的应用往下延伸到高性能服务器、路由器等通讯机器，甚至有机会渗透到手机等产品。
 
光传送的发光器件及受光器件的开发影响，过去的化合物半导体已开始采用亲合性高Si材料的CMOS技术，来加速开发光器件或是光导波线路，进而节省成本。谈到电气配线会引发联想的问题包括了静电防护(ESD)、电磁干扰(EMI)、传送速度、传输距离、频带限制、讯号串音、阻抗匹配、讯号延迟等，且讯号线也较过去的线路体积大。而光配线最主要的问题，都围绕在转换新系统时成本高、光器件贵、驱动器与调制器线路多、配线难以弯曲、寿命与信赖性等议题上。 

然而，上述刻板印象已逐渐减少中，光纤到户(FTTH)的出现，至少可将发光、受光器件对应到1Gbit/s传输速度，并将价格拉低，且锐角弯曲的廉价玻璃光纤目前也已经出现，加上使用树脂制作的光波长多重分合器件等提案陆续发表的情况分析，光传送的总体费用可望逐步接近电气传送，而厂商也开始认真检讨产品框体内利用光传送的技术的可行性。 

透过光传输解决速度/干扰问题 

手机液晶面板到处理器之间的传送速度须大于400Mbit/s，若采光传送其传送速度及小型化将可两立并顺带解决EMI问题，尤其折迭式手机的铰链(Hinge)空间有限，其导入光传送就合乎逻辑；且未来手机将朝4G前进，既有的电气传送接口将无法满足，若增加通道将不符手机小型化要求，且EMI将是大问题。 

过去薄膜层状光导波路都须以光刻蚀(Photo-lithography)手法制作，且TAT(Total Around Time)就需要数个小时，制造装置费时又昂贵，因此各厂开始提出各种方案克服这项问题。目前欧姆龙(Omron)已发展出1毫米幅、0.15毫米厚度的薄膜层状光导波线路，由于受光发光器件价格下降，可藉由改善光导波路的制程进而降低成本；SPICA (Stacked Polymer Optical IC/Advanced Tech-nology)系奥姆龙所开发的制造方法(图1)，大幅度减少工程数量，且同样的工程也制造了FTTH的光分路器(Splitter)。富士全录(Xerox)利用该公司在复印机上所利用的PDMS(Poly-Dimethylsiloxane)的硅胶铸型制造工程，开发出LAMM(Large-Area Advanced Micro Molding)的工法(图2)。PDMS的材料费用相当低廉，根本不需要基板，不会有废料的问题，比起光刻蚀的制造工程至少低五分之一。其它如道康宁(Dow Corning)、三井化学等化学系制造商，都有进行薄膜状或是片状的光导波路的开发(表1)，便宜且特性佳的光导波路将成为未来应用之一。

 
图1　SPICA制造工程示意图

 
图2　LAMM制造示意图

表1　各类型光导波路制造方法比较

若是应用于基干网络大型服务器、路由器或背板应用(Backplane)等，利用光传送将能确保高容量传送、LSI、连接器端子数少及成本低等优势。 

对于服务器、路由器来说，背板的总传送容量始终是关注的焦点，以因特网而言，其数据流通量的发展迅速，到了2010年电气传送能否跟上应用于背板基干路由器的处理速度仍意见分歧；众多说法为，到了2010年超越4Tbit/s的机会很高，而解决的对策不外乎增加配线的数量。 

以背板广泛使用每一个传输通道3.125Gbit/s的XAUI来说，若要提供1.2Tbit/s能力，开关用途的适配卡连接器端子数将超越两千；且现实用在连接器的插拔也有困难点。虽然IEEE 802.3ap(Backplane Ethernet)可提供10Gbit/s串行接口达成总容量1.2Tbit/s不是问题，但若眺望2010年，到时每一个传输巷道所需的传送速度须达到40Gbit/s的水平时，电气传送能否实现将是个大问号。 

光配线应用浮出台面 

虽然目前厂商试作的机器已经完成，但基于上述缘故，通讯设备或服务器厂商对于背板应用的观点，多致力于光配线的研究开发。其中最被质疑的瓶颈仍在于费用及产品使用信赖度，虽然FTTH将带来1Gbit/s传送速度与发光、受光器件的价格降低，但对于10Gbit/s前后的激光器或是光电二极管价格居高不下，更别提40Gbit/s等级的器件，因此以量制价才有希望在未来让更多应用产生。 

采用任何新技术前抱持信赖性的怀疑，是因为过去曾经发生的案例，富士通将光传送应用于超高速、超高密度的领域，其850nm波长的VCSEL发生“顿死”现象，换言之，突然发生热暴走而停止机能，虽然此问题后来逐渐理清，却埋下不小的阴影。因此光通讯要迈入实用化还须时间与经验的累积，若要在框体内采光传送技术，还须同时解决连接器及器件规格化的问题，才能确立量产技术力求克服成本低与高整合。 

从其它层面来看，光传送所要求的精确度比电气传送要高，且彼此装置间要能容易连接就是就是一项重要技术；此外，核心与核心的直接面对场合中，位置相合的误差也仅允许5微米(μm)的程度；而一般光的通路，光导波路的核心直径多模约是50纳米，单模则是数微米～10微米，因此，约核心十分之一的精确度为必要，也让线路板间的光配线市场以多模为主。 

2005年6月日本的线路板工业协会(JPCA)，就采用NEC与Fujikura所开发的PETIT光连接器规格，且LSI芯片与芯片间，或芯片内部的接续，更已跨越10Gbit/s以上门坎解决RC的延迟。此外，英特尔(Intel)于2004年IDF中也提出“硅光”的概念(图3)，并将光电器件整合到LSI。目前英特尔、NEC、麻省理工学院等产业或学界，都在角逐所谓「Ge on Si」型的光电二极管，其动作频率为10G～29GHz，器件的面积尺寸可低于0.5平方微米以下，要达到40GHz以上也有可能。

图3　英特尔硅光的构想概念图

表2　Luxtera收发器器件表

就Si系调制器而言，2005年春季英特尔及Luxtera已发表10GHz动作的器件(表2)，Luxtera于2007年发表的硅光技术与英特尔于2007年IDF发表40Gbit/s的光监测器，都将ft遮断频率提升五百倍。实现硅光剩下的课题就是难以用Si来实现的电流驱动发光器件，由于该类器件的开发突破不易，硅光初步应用大致上将成为芯片毋需发光源的频率分配为主。