光纖通訊元件與模組技術(shù)之最新發(fā)展趨勢(shì)

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1、光纖通訊元件與模組技術(shù)之最新發(fā)展趨勢(shì)賴映杰交通大學(xué)光電所暨工研院光電所e-mail:yclai@cc.nctu.edu.tw[摘要]隨著光纖通訊產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，新型光纖通訊元件與模組的推出也越來越多，而其中所應(yīng)用的物理原理也很多采多姿。本文將隨興介紹光纖通訊關(guān)鍵元件與模組技術(shù)的一些新的發(fā)展趨勢(shì)，也會(huì)順便說明這些元件及模組裏面所運(yùn)用的光學(xué)或物理原理?！?05■物理雙月刊（廿三卷二期）2001年4月一、前言目前以全球而言，光通訊產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值已經(jīng)占全球光電產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的1/4，與顯示器、影像相關(guān)產(chǎn)品、及光儲(chǔ)存產(chǎn)品鼎足而立，是光電產(chǎn)業(yè)的四個(gè)主要支柱。全球光電產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在1999年

2、是1855億美元，所以光通訊產(chǎn)業(yè)目前的規(guī)模大約是接近500億美元的規(guī)模。至於在光通訊產(chǎn)業(yè)中，依產(chǎn)品或技術(shù)的層次大致可分為元件與材料、模組與構(gòu)裝、設(shè)備與系統(tǒng)這三個(gè)層次。在圖一中我簡(jiǎn)單列出了每個(gè)層次的一些主要技術(shù)或產(chǎn)品，這些技術(shù)或產(chǎn)品其實(shí)也正是這一兩年來全球競(jìng)相發(fā)展的方向。圖一：光通訊關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)品最近光通訊技術(shù)的發(fā)展方向還可以簡(jiǎn)單地以圖二中的兩個(gè)趨勢(shì)來描述：圖二：光通訊技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)■305■物理雙月刊（廿三卷二期）2001年4月在其中所謂的DWDM技術(shù)指的是在同一光纖中同時(shí)傳播多個(gè)光波長(zhǎng)很接近（100GHZ或更小）的頻道（假定一個(gè)波長(zhǎng)代表一個(gè)頻道）之技術(shù)，如此一來不

3、需要增加光纖就可以把總傳輸容量一直倍增下去，這樣才有辦法滿足Internet上每9個(gè)月傳輸容量需求就增加一倍的盛況。而要充分實(shí)現(xiàn)及利用這種DWDM概念，就必須發(fā)展出很多新的DWDM元件、模組、及設(shè)備系統(tǒng)，也必須發(fā)展能夠有效管理這麼多個(gè)光波長(zhǎng)頻道的網(wǎng)路管理技術(shù)，所以就有很多技術(shù)研發(fā)上的工作需要完成。在DWDM系統(tǒng)中所需要的關(guān)鍵元件與模組可以從圖三的示意圖中看出：圖三：DWDM系統(tǒng)示意圖基本上其中最主要的元件及模組包括：（1）被動(dòng)元件及模組：波長(zhǎng)多工/解多工器、擷取器、色散補(bǔ)償裝置、光學(xué)開關(guān)等。（2）主動(dòng)元件及模組：DWDM光傳接模組、光放大器、可調(diào)頻/選頻光源等。最

4、有趣的是，可以用來製作這些元件及模組的技術(shù)竟然有許多種，而且常是全新的技術(shù)，且各有優(yōu)劣，所以就成了百家爭(zhēng)鳴，大家一起到廟會(huì)擺攤的盛況。至於在光纖區(qū)域網(wǎng)路及擷取網(wǎng)路上的應(yīng)用需求則又稍有不同，在此發(fā)展的重點(diǎn)倒不在於DWDM的技術(shù)，因?yàn)槟壳岸喟氲膮^(qū)域網(wǎng)路及擷取網(wǎng)路都還沒有發(fā)展到這種程度，所需的總傳輸率還不像在都會(huì)網(wǎng)路或傳輸網(wǎng)路中那麼高。譬如目前最熱門的OpticalEthernet，1Gb/s的傳輸標(biāo)準(zhǔn)早已制訂，10Gb/s標(biāo)準(zhǔn)目前正制訂中[1]，從這裏也可看出其實(shí)區(qū)域網(wǎng)路的傳輸速率已經(jīng)與骨幹或傳輸網(wǎng)路中單一頻道的傳輸速率差不多了。對(duì)光纖區(qū)域網(wǎng)路及擷取網(wǎng)路的發(fā)展而言最關(guān)

5、鍵的因素是成本，只有成本低到一般的使用者負(fù)擔(dān)得起才能夠廣被採用，這也是為什麼在方面大家的重點(diǎn)都擺在如何製作出便宜但又高速的光傳接模組上面。在以下的篇幅裏我就來根據(jù)上述的分類方式敘述一下有哪些有趣的光通訊元件及模組技術(shù)，順便也提一下其工作原理。二、光通訊被動(dòng)元件及模組技術(shù)DWDM光通訊被動(dòng)元件及模組中最基本的就是DWDM光波長(zhǎng)多工/解多工器，它的功能正是要來將各種不同波長(zhǎng)的光合併到同一光纖(多工)或分開到不同光纖(解多工)。因?yàn)镈WDM的頻道間距很小(100GHz或甚至50GHz)，所以需要窄頻(narrow-band)、平頭(flat-top)、陡裙(steep-

6、skirt)的濾波器才能勝任這種多工/解多工的任務(wù)。要製作這種波長(zhǎng)多工/解多工器可以有多種技術(shù)可用，包括光學(xué)鍍膜、全光纖式元件、陣列光波導(dǎo)元件、傳統(tǒng)繞射式光柵等。其中光學(xué)鍍膜式的波長(zhǎng)多工/解多工器目前仍是最成熟的技術(shù)，其架構(gòu)大致如下圖所示：[2]圖四：光學(xué)鍍膜式DWDM波長(zhǎng)多工/解多工器■305■物理雙月刊（廿三卷二期）2001年4月其中的關(guān)鍵元件之一是光學(xué)鍍膜式濾鏡。要製作符合DWDM要求的濾鏡，鍍膜的層數(shù)必須高達(dá)100多層，每層的厚度約1/4波長(zhǎng)，採3個(gè)共振腔的結(jié)構(gòu)來達(dá)到平頭與陡裙的要求，每層的厚度必須非常準(zhǔn)確，所以製作中需要有即時(shí)且精準(zhǔn)的厚度監(jiān)控裝置。[3]

7、第二種製作DWDM波長(zhǎng)多工/解多工器的方法是陣列光波導(dǎo)元件（AWG）[4]，其結(jié)構(gòu)如圖五中所示。其原理也非常有趣，入射光經(jīng)過第一段接合處因繞射而分佈地入射於中間的陣列光波導(dǎo)，光經(jīng)過陣列光波導(dǎo)傳到另一端，不同頻率的光會(huì)有不同變化率的線性相位改變，這種線性相位改變會(huì)使不同頻率的光經(jīng)第二段接合處重新聚焦於輸出端的某一光波導(dǎo)中，其原理就像是所謂的陣列天線，輻射光的方向可以藉由控制陣列天線的線性相位變化來改變。所以如果在輸出端製作陣列波導(dǎo)，適當(dāng)選擇波導(dǎo)的間距與中央陣列光波導(dǎo)的長(zhǎng)度變化率即可使頻道間距為一定值的頻道剛好聚焦入射於輸出端的光波導(dǎo)陣列之中，從而達(dá)到DWDM多工/解

8、多工的功能