邁向高速傳輸時代 光通訊應用水漲船高

2008-01-15
隨著光通訊的距離縮短,加上從化合物半導體實現光元件,到可以採用矽(Si)系半導體來實現,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,甚至晶片與晶片之間的配線等。應用的空間從長距離上的應用往下延伸到高性能伺服器、路由器等通訊機器,甚至有機會滲透到手機等產品。
光傳送的發光元件及受到光元件的開發影響,過去的化合物半導體已開始採用親合性高Si材料的CMOS技術,來加速開發光元件或是光導波線路,進而節省成本。談到電氣配線會引發聯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時成本高、光元件貴、驅動器與調變器線路多、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,光纖到府(FTTH)的出現,至少可將發光、受光元件對應到1Gbit/s傳輸速度,並將價格拉低,且銳角彎曲的廉價玻璃光纖目前也已經出現,加上使用樹脂製作的光波長多重分合元件等提案陸續發表的情況研判,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於400Mbit/s,若採光傳送其傳送速度及小型化將可兩立並順帶解決EMI問題,尤其折疊式手機的鉸鏈(Hinge)空間有限,其導入光傳送就合乎邏輯;且未來手機將朝4G前進,既有的電氣傳送介面將無法滿足,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蝕刻(Photo-lithography)手法製作,且TAT(Total Around Time)就需要數個小時,製造裝置費時又昂貴,因此各廠開始提出各種方案克服這項問題。目前歐姆龍(Omron)已發展出1毫米幅、0.15毫米厚度的薄膜層狀光導波線路,由於受光發光元件價格下降,可藉由改善光導波路的製程進而降低成本;SPICA (Stacked Polymer Optical IC/Advanced Tech-nology)系歐姆龍所開發的製造方法(圖1),大幅度減少工程數量,且同樣的工程也製造了FTTH的光分歧器(Splitter)。富士全錄(Xerox)利用該公司在影印機上所利用的PDMS(Poly-Dimethylsiloxane)的矽膠鑄型製造工程,開發出LAMM(Large-Area Advanced Micro Molding)的工法(圖2)。PDMS的材料費用相當低廉,根本不需要基板,不會有廢料的問題,比起光蝕刻的製造工程至少低五分之一。其他如道康寧(Dow Corning)、三井化學等化學系製造商,都有進行薄膜狀或是片狀的光導波路的開發(表1),便宜且特性佳的光導波路將成為未來應用之一。

點圖放大
圖1 SPICA製造工程示意圖

圖2 LAMM製造示意圖

表1 各類型光導波路製造方法比較
製造方法 SPICA複製法
(Omron)

LAMM工法
(富士Xerox)

光蝕刻
基板 玻璃基板 矽(Si)晶圓
TAT(製造時間) 數分鐘 30~40分鐘 3小時以上
傳導損失(波長850毫米) 0.1dB/cm 0.06dB/cm 0.1dB/cm
核心/包覆境界的凹凸 約80毫米 低於60毫米 依據材質而定
光學端面的研磨 不要 不要 必要
最小彎的半徑 1毫米 1~2毫米 依據材質而定
與當前費用成本之比 未評估 低於五分之一 1

若是應用於基幹網路大型伺服器、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、連接器端子數少及成本低等優勢。  

對於伺服器、路由器來說,背板的總傳送容量始終是關注的焦點,以網際網路而言,其資料流通量的延展迅速,到了2010年電氣傳送能否跟上應用於背板基幹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,開關用途的介面卡連接器端子數將超越兩千;且現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串列介面達成總容量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的水準時,電氣傳送能否實現將是個大問號。  

光配線應用浮出檯面  

雖然目前廠商試作的機器已經完成,但基於上述緣故,通訊裝置或伺服器業者對於背板應用的觀點,多致力於光配線的研究開發。其中最被質疑的瓶頸仍在於費用及產品使用信賴度,雖然FTTH將帶來1Gbit/s傳送速度與發光、受光元件的價格降低,但對於10Gbit/s前後的雷射元件或是光電二極體價格居高不下,更別提40Gbit/s等級的元件,因此以量制價才有希望在未來讓更多應用產生。  

採用任何新技術前抱持信賴性的懷疑,是因為過去曾經發生的案例,富士通將光傳送應用於超高速、超高密度的領域,其850奈米波長的VCSEL發生「頓死」現象,換言之,突然發生熱暴走而停止機能,雖然此問題後來逐漸釐清,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,若要在框體內採光傳送技術,還須同時解決連接器及元件規格化的問題,才能確立量產技術力求克服成本低與高整合。  

從其他層面來看,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(μm)的程度;而一般光的通路,光導波路的核心直徑多模約是50奈米,單模則是數微米~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協會(JPCA),就採用恩益禧(NEC)與Fujikura所開發的PETIT光連接器規格,且LSI晶片與晶片間,或晶片內部的接續,更已跨越10Gbit/s以上門檻解決RC的延遲。此外,英特爾(Intel)於2004年IDF中也提出「矽光」的概念(圖3),並將光電元件整合到LSI。目前英特爾、恩益禧、麻省理工學院等產業或學界,都在角逐所謂「Ge on Si」型的光電二極體,其動作頻率為10G~29GHz,元件的面積尺寸可低於0.5平方微米以下,要達到40GHz以上也有可能。

圖3 英特爾矽光的構想概念圖

表2 Luxtera收發器元件表
接續特性 / 連接技術 10Gbase-T 光模組 CMOS Photonics
消費電力 10瓦 3瓦 1瓦
實裝密度
延遲
傳送距離 <100公尺 300公尺 >300公尺
成本費用

就Si系調變器而言,2005年春季英特爾及Luxtera已發表10GHz動作的元件(表2),Luxtera於2007年發表的矽光技術與英特爾於2007年IDF發表40Gbit/s的光檢知器,都將ft遮斷頻率提升五百倍。實現矽光剩下的課題就是難以用Si來實現的電流驅動發光元件,由於該類元件的開發突破不易,矽光初步應用大致上將成為晶片毋需發光源的時脈分配為主。

本站使用cookie及相關技術分析來改善使用者體驗。瞭解更多

我知道了!