研究方法

目前一般雙工次模組的傳送端，都是採用光通訊雷射模組與本體固定 後，再與光纖端接頭或跳線作雷射銲接製程以固定接合，雷射銲接製程因 金屬材料吸收雷射的光能，將之轉換成熱能，而材料因熱能而熔化並且瞬 間冷凝，型態上的變化會產生不少熱力，銲後位移改變了光纖原本最佳的 位置，耦光效率因此下降而難以控制，為此封裝上考慮到銲後位移的影響，

首要工作即希望能再提高更大的耦光效率，而使得在受到銲後位移影響 後，發射模組仍能保持合乎需求條件的耦光效率或光功率，因此在本研究 方法中除利用光學設軟體找出適當的雷射封裝的偏移距離相對應其斜角度 光纖進行耦合效率評估之外，更以實際的封裝實驗作數值比對，期能補償 銲接錯位時所造成的功率損失，以提高製程光耦合效率，以期日後能朝更 具產業效率及競爭力之製程技術邁進。

圖 1-1 貝爾之光電話

圖 1-2 通訊服務之變化

圖 1-3 光纖通信之大容量化

圖 1-4 BOSA 製作之實驗架構圖

第二章光通訊網路與光收發模組簡介

2.2 被動光網路 PON(Passive Optical Networks)介紹

無源光纖網路（passive optical network）又稱被動式光纖網路，

為光纖通訊網路的一種，其特色為不用電源就可以完成訊號處理，就像

家裡的鏡子，不需要電就能反射影像，除了終端設備需要用到電以外，

其中間的節點則以精緻小巧的光纖元件構成。屬於「點對多」的網路架 構，在「電信機房中心」(CO) 設有「光纖線路終端機」(optical line terminal；OLT)輸出光信號後，透過被動式裝置－並非運用電力裝備去 作分離訊號動作，而是用波束分離器替代(「光纖分歧器」(passive optical splitter；POS) )將光束頻寬切割成多個光頻分送給多個用戶 端「光纖網路終端機」(ONT)，每個「光纖分歧器」可將光頻切割成 16、

32 或 64 個光頻，若欲提升用戶端的光頻需求，可減少「光纖分歧器」(POS) 對光束頻寬的切割數。被動光網路主體架構如圖 2-2 所示。

2.2.1 被動光網路 PON(Passive Optical Networks)的標準 1.ITU-T G.983

(1)APON (非同步傳輸模式 PON， ATM Passive Optical Network). 這是第一種被動式光網路標準，他基於 ATM，主 要用於商業應用。

(2)BPON (寬頻 PON，Broadband Passive Optical Network) 這是一個基於 APON 的標準.這個標準增加了對 WDM，動態和 IEEE/EFM 標準。 802.3ah 標準現在是 IEEE 802.3 標準的一

部分. 現在大約有一千五百萬正在使用的 EPON 埠。 2008 年，中國大力發展 EPON 技術。據估算，截止至 2008 年底，

中國總共有 200 萬個 EPON 安裝用戶。

 ITU-T G.984

 GPON (千兆 PON，Gigabit Passive Optical Network) 這 是 BPON 標準的發展。GPON 支持更高的速率，增強的安全性 和可選擇的第二層協議(ATM， GEM， Ethernet). 在 2008 年 中旬，弗萊森電訊已經安裝了 80 萬條線. 英國電信（British Telecom）和美國電話電報公司（AT&T ）正在進行高級試驗。

其他一些公司如獨立光網路有限公司（Independent fibre networks LTD）正和服務提供商如 See the Light 合作提供 更高速的 GPON 連接和光纖到戶（FTTH-fibre to the home)。

 IEEE P802.3av

 RFoG (RFoverGlass)是一個 SCTE 的介面實踐分委員會 標準，應用於有波長計劃兼容數據 PON 解決方案的點對多點 (P2MP)操作，例如 EPON，GEPON or 10GigEPON. RFoG 提供

了一個光纖到戶 PON（FTTH PON）就像不一定要選擇或者部 署 PON 的 MSOs 架構

2.2.2 EPON(Ethernet Passive Optical Network)的網路架構 EPON 是一種基於被動式光纖網路架構(Passive Optical Network，PON) 的乙太網路傳輸技術(如圖 2-3)，它採用在一根光纖上以波分多工

(Wavelength Division Multiplex，WDM)技術實現點對多點雙向通信，

將乙太傳輸協定引進接取網路，完成一個從端點到端點、單一傳輸技術 的寬頻網路環境，而免於處理各種不同協定間之轉換，同時順應了下世 代網路(Next Generation Network，NGN)IP 化之發展趨勢。

EPON 系統基本上由局端設備(Optical Line Terminal，OLT)、遠端設 備(Optical Network Unit，ONU)和被動式的光分歧器(Passive Optical Splitter)組成。在傳輸速率及傳輸距離上，EPON 可以支援 1.25Gbps 對 稱速率，最大傳輸距離可達 20 公里，分歧器之分歧數量以 1：16 居多，

但目前技術上則已達 1：32。至於在光波長的運用上，EPON 使用了 1310nm、1490nm 及 1550nm 三個波長，其中 1310nm 波長係負責承載由 ONU 端往 OLT 端傳送的上傳數據資料，而 1490nm 波長則係負責承載由 OLT 端 往 ONU 端傳送的下傳數據資料，另外 1550nm 波長就負責承載 CATV 的類 比電視頻道。

在 OLT 端，WDM 負責在下傳(由 OLT 端往 ONU 端傳送)方向將 1490nm 及 1550nm 這 2 個波長耦合到單模光纖(Single Mode Fiber)上，同時也 負責在上傳(由 ONU 端往 OLT 端傳送)方向將 1310nm 這個波長耦合給 OLT 的光模組(Optical Transceiver)接收。

OLT 至 ONU 下行方向，是以點對多(P2MP)的方式進行廣播

(Broadcast)，並交由用戶接收端擷取所需的訊號，此特性促使其容易提 供 video multicast/broadcast 的服務。OLT 至後端(局端)在上行方向，

則提供 Gigabit Ethernet 網路介面連接。為了支援其它通行的協定，OLT 還可支援 ATM、FR 以及 OC3/12/48/192 等速率的 SDH/SONET 的介面標準。

在 EPON 的網管方面，OLT 是主要的控制中心，實現網路管理的主要功能。

在 ONU 端，WDM 負責在下傳(由 OLT 端往 ONU 端傳送)方向將 1490nm 及 1550nm 這 2 個波長分別耦合給 ONU 的光模組(Optical Transceiver) 及 CATV Receiver 模組，同時也負責在上傳(由 ONU 端往 OLT 端傳送)方 向將 1310nm 這個波長耦合到單模光纖上。

至於 ONU 上行傳輸的處理方式則十分複雜。ONU 上行傳輸是以點對點 (P2P)方式，按照 OLT 中的控制機制進行，採用分時多工(Time Division Multiplex，TDM)協定，此協定對每個 ONU 分配專用的傳輸時槽(Time Slot)，可以防止來自不同 ONU 的數據傳輸產生碰撞。

乙太網路以成熟的區域網路(LAN)應用逐漸往都會網路(MAN)、廣域網 路(WAN)應用邁進，隨著其技術發展可以升級到 10Gbps，使得 EPON 系統 擁有相對成本低、維護簡單、容易擴展、易於升級的優勢，更因 Ethernet all the way，消除了 WAN 與 LAN 網路上 ATM 和 IP 協定的轉換，對於向 全 IP 網路過渡是一個很好的選擇。

2.3 光收發模組（Optical Transceiver Module）介紹

光收發模組組成的主要元件包含光元件（雷射、光二極體）、IC（光 元件控制）與機構元件（組成光次模組等機構），其技術涵蓋了光電、電 子、物理等領域，而光電訊號轉換的品質決定了整個光通訊資料傳輸的 品質，詳細架構可參考圖 2-4。光收發器包含了電／光

（Electrical/Optical，EO）訊號轉換的光發射模組（Optical

Transmitter Module）， 將電訊號型態的資料轉換為相對應之光訊號，

藉由光纖為傳輸媒界傳遞資料；另一模組則是光／電

（Optical/Electrical，OE）訊號轉換的光接收模組（Optical Receiver Module），將接收自光纖之光訊號轉換為電訊號型態，而光電訊號轉換模 (Optical Transceivermodule)最主要的工作。

2.4 光收發次模組 OSA (Optical Sub-assembly)

光收發次模組，主要分為發射端與接收端兩種封裝形式(如圖 2-6)，為 光電之主動元件，負責光電訊號的轉換，依後端的電路設計調整其光電 性能，其製作流程及結構，可參照圖 2-7 光主動元件製程圖。

2-4-1 光發射次模組 TOSA(Transmitter Optical Sub-assembly) 光傳輸模組 TOSA(Transmitter Optical Sub-assembly)為光傳輸資料 處理之大門，負責將處理完後之資訊透過發射端將電的信號轉變為光的 訊號然後啟動光發射元件傳出光訊號，經由光纖輸送到各地。半導體雷 射對溫度變化相當敏感，封裝時需考慮散熱或溫度控制的問題。目前常

見的封裝是將雷射固於定圓型封裝座(圖 2-8)上並利用封蓋密封，製作成 為 TO56(圖 2-9)。再將 TO56 封裝座插入同軸式(coaxial)光纖接頭或插 座式(receptacle)光纖連接器；雷射所發出的光經由封蓋的視窗或透鏡 進入光纖接頭內的柱狀透鏡再耦合到光纖中，之後使用雷射銲接來組成 光發射次模組 TOSA(圖 2-10)。

2-4-2 光接收次模組 ROSA(Receiver Optical Sub-assembly)

光接收模組 ROSA(Receiver Optical Sub-assembly)是收集光纖傳回 的光訊號，然後轉成電的訊號，以完成資訊之溝通。常見的封裝是將光 敏二極體(PD Chip)固於定圓型封裝座(2-11)上並利用封蓋密封，製作成 為 TO46(如圖 2-12)。TO46 封裝座完成後插入同軸插座式(receptacle) 光纖連接器與 TOSA 之封裝方式類似。之後利用膠封方式來組成光接收次

2-5 雙工次模組(Bi-directional optical sub-assembly)介紹

雙向傳輸光學次模組 BOSA，是應用在被動光纖網路(PON)中的一個關 鍵器件，模組之主要功能是分別以不同波長光訊號，分別以發射或接收 之方式將用戶端資料上傳至網路，或將網路上之資料下載至用戶端。依 功能劃分，BOSA 又可分為 Diplexer 和 Triplexer 兩種類型。其中，

Diplexer 常被直接稱為 BOSA。由一個光發射器和一個光接收器組成以 提供雙向通訊能力。用於用 EPON 戶端（ONU）時，採用 1310 nm 波長傳 送、1490 nm 接收。應用於機房(OLT)時則反之。外觀上，有分插座式 BOSA 或是跳線型 BOSA，依實際應用不同而有所差異(如圖 2-14，2-15)。在結 構上，雙工次模組主要由插座型光纖接頭(或跳線型接頭)、雷射二極體

LD)及發光二極體(Light Emitting Diode， LED)。一般而言，LD 的輸 出功率高、調變速度快、頻譜窄、發光角度集中，但缺點是價格昂貴，

因此較適合配合單模光纖用在中、長途的寬頻電信傳輸；而 LED 的輸 出

1897 年法國科學家法布里（Charles Fabry）與珀羅（Alfred Perot）

發明的光學共振干涉儀是，也稱為「光學共振腔」或「Fabry-Perot 共

(3)垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL)

垂直腔表面放射雷射 (Vertical cavity surface emitting laser，

VCSELs)在光通訊系統、光聯繫及平 行的光信號作用方面上，由於具有

率的偵測器。

2-5-5 金屬粉末射出成形 MIM(Metal Powder Injection Molding)MIM 不鏽鋼本體

如圖 2-19，主要提供雷射二極體 LD(Laser Diode)， 光感測二極體 PT(Pin Tia)， 45°濾波片(45°Filter)， 0°濾波片(0°Filter)等元件之 固定的本體，因需結合多個光學元件功能於其中，其結構以及尺寸設計 及加工穩定性都將容易影響傳輸的特性。因應雷射銲接製程，一般材質 上的選用，都是找含碳量較低之不繡鋼，常用的不鏽鋼材質有 SUS316，

SUS304 等，目前本體製作方式，因應設計方式的需求，一般使用車加工 或金屬粉末射出成形兩種，以成本考量使用金屬粉末射出成形。

2-5-6 Z 軸調整環

如圖 2-20，主要目的為提供光纖跳線(或金屬連接座)與本體間的聯接 固定，Z 軸調整環提供了光學 Z 軸上的自由度，與 XY 軸平面的耦光平面，

當在空間上找到適當的耦光位置後，開始進行在本體與光纖跳線的雷射 銲接固定。

Z 軸調整環

光纖跳線

圖 2-1 光通訊產業/產品結構圖

圖 2-2 被動光網路架構圖

圖 2-3：EPON 網路架構

圖 2-4 光收發模組架構圖

圖 2-5 光電訊號轉換模組方塊圖

圖 2-6 光收發模組組合圖

圖 2-7 光主動元件製程圖

圖 2-8 光發射端 TO56 封裝

圖 2-9 TO56 圖 2-10 光發射次模組(TOSA)

圖 2-11 光接收端 TO46 封裝