光传输模块产业发展现况

 

张璇

 

虽然业界多认为全球光通讯产业从2001 持续到2002 年间仍处于阴霾期，至少必须等到2003年年底才会有明显复苏，不过，在光通讯景气从谷底翻身时，势必带动整体产业的成长，因此包括光传输模块等关键性组件，仍然是深具潜力的产品。

 

网络架构一般可区分为长途（Long Haul）/骨干（Backbone）网络、都会网络（Metropolitan Area Network；MAN）以及接取网络（Access Network）三部分。在长途/骨干网络部分，由于过去两年电信服务业者的大量投资，已建置了相当充裕，甚至是多余的频宽。而从接取端来说，局域网络的频宽在过去几年已由以太网络（Ethernet）升级至高速以太网络（Fast Ethernet），甚至Gigabit Ethernet频宽也将逐渐普及；相对于骨干网络以及局域网络的发展而言，都会/接取网络频宽增加的速度远远落于两者之后。

 

研究机构Lehman Brothers估计过去五年，骨干网络频宽成长幅度达320倍，局域网络频宽亦成长100倍，然而在都会/接取网络部分却仅成长16倍，显示目前在整体网络架构中，都会/接取网络可以说是主要的瓶颈，同时也是未来几年光纤网络布建的重点。

 

而为解决都会网络的瓶颈，过去主要应用在骨干网络上的高密度分波多任务（DWDM）技术将逐渐进入都会网络，另一方面，在局域网络中广泛应用且高度成熟的以太网络技术，也将透过光传输介质，进入接取及都会网络市场。因此在未来几年中，都会及接取网络建设的兴起将是带动光通讯组件需求的主力市场，尤其是光传输模块。

 

光传输模块技术朝朝向10Gbps发展

 

在光通讯领域中，光传输模块（Transceiver）的主要功能是将光讯号转换为电讯号，并将电讯号转换成为光讯号，目前产品速度已达到2.5Gbps，为因应未来网络传输朝影音视讯等庞大的信息传递，甚至在网络上观看电影，因此业者已经朝向10Gbps发展。

 

而光传输模块分为单模光传输模块与多模光传输模块，在整体产品架构上则包括光学次模块（Optical Subassembly；OSA）及电子次模块（Electrical Subassembly；ESA）两大部分，首先磊晶部分是以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、砷化铟镓（InGaAs）等作为发光与检光材料，利用有机金属气相沉积法（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition；MOCVD）等方式，制成磊晶圆。在芯片制程中，则将磊晶圆，制成雷射二极管。随后将雷射二极管，搭配滤镜、金属盖等组件，封装成TO can（Transmitter Outline can），再将此TO can与陶瓷套管等组件，封装成光学次模块（OSA）。最后再搭配电子次模块（ESA），电子次模块内部包含传送及接收两颗驱动IC，用以驱动雷射二极管与检光二极管，如此结合即组成光传输模块。

 

关键组件－光发射与光接收组件

 

此外，光学次模块又可细分为光发射次模块（Transmitter Optical Subassembly ；TOSA）与光接收次模块（Receiver Optical Subassembly ；ROSA）。

 

一般光发射组件可分为雷射二极管与发光二极管二大类，在雷射二极管部分可分成Fabry－Perot Laser（F-P），工作波长以1310nm为主，速度约2.5Gbps；分布回馈式雷射（Distributed Feedback Laser；DFB ）以1550nm为主，速度可达到2.5G到10Gbps，另外垂直共振腔面射型雷射（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser；VCSEL），工作波长则以850nm为主，虽然VCSEL速度目前可达到3.125Gbps，不过因其共振腔非常短，输出功率约1mW较F-P雷射及DFB雷射低。而发光二极管（LED）工作波长则以850 nm及1310nm居多，但因为速度慢，只到622Mbps，加上波峰宽，传输距离较短。

 

从上述资料可见，各种光发射组件的工作波长多为850nm、1310nm、1550nm三种，这是因为光纤在不同波长有不同的衰减值，而在850nm、1310nm、1550nm有较低之衰减值，因此光通讯都是以这三个波长作为工作波长。

 

至于光接收组件之功能是将接收光讯号，并转换成电讯号。一般是由检光二极管（Photodiode）为主，工作波长也是以850、1310、1550nm为主。在光接收组件产品中，可再分为PN二极管（PIN Photodiode）、累增崩溃二极管（Avalanche Photodetector；APD）。PIN二极管因所需偏压低，只需5V，且温度敏感度相对低，所以价格较便宜。而APD二极管效能高虽高，但受温度影响大，加上需要高的偏压，价格较贵。至于光传输模块的应用上，则可分为单模光传输模块与多模传输模块。

 

模块的应用领域

 

	单模光传输模块		多模光传输模块
传输媒介	单模光纤		多模光纤
发光源	DFB、DBR	F-P	VCSEL/LED
工作波长	1550nm	1310nm、1550nm	850nm、1310nm
速度（bps）	2.5～10G	155M～2.5G	100/155M、2.5G
应用范围	长途网络、都会网路、海缆网络、DWDM等	接取网络（FTTB、FTTH）、局域网络（Gigabit/10G Ethernet...）	局域网络 （Fast/Gigabit/10G Ethernet、Fiber Channel...）

 

资料来源：资策会MIC，2002年6月

 

光传输模块市场走过网络泡沫化

 

光通信设备包括三部分：光纤光缆、光传输设备和光器件。随着网络运用的普及与发达，由于网络普及带来信息量大增，而光传输模块可以使光纤的传输更有效率。可视为光纤信息通讯系统装置核心的光传输模块，其需求也随之成长中。从96年开始，电信服务业者看好市场前景，而拥有通讯网路的业者，积极的布建光纤网络以因应未来可能不足的频宽，尤其1999及2000年间长途电信公司(IXC)大规模布建长途骨干(Long-Haul)光纤网络。

 

另一方面，掺铒光纤放大器(EDFA)成功达到商用阶段，使得业界可利用DWDM技术在同一根光纤上同时传输多条光波讯号，藉此倍增频宽容量。而全球电信自由化则是进一步推波助澜，使得市场的新进竞争者希望在迅速扩大的市场中，能分食到一杯羹。

 

而光传输模块则因为在光纤传输的信息中担负多重化、分岔，将电信号变换成光信号等工作，为光传输系统的核心组件。利用光波多重分割(WDM)可以比较简单构建高速大容量的网络，因而其需求也随之扩大当中，业者便开始大量生产。

 

根据先前RHK的市场调查，以光传输模块为中心的光组件市场1999年全世界为50亿美元，至2003年预估将增为2000亿美元。着眼于光纤网络的发展将带动光传输产业的发展，相关业者先前便已动作频频，如大厂的美JDS Uniphase并购美E Tech；美Lucent Technologies、加拿大Notel Network等大厂也都因光传输部门的分离而缩小；日本的NEC则与美Web Splitter Technology公司缔结含共同开发在内的合作关系，整体产业充满着掌声荣景。

 

但是不成熟的网络商业环境及经营模式，造成网络泡沫，同时整体经济亦转趋衰退，整体产业骨牌效应展开。99、2000年所布建的长途骨干(Long-Haul)光纤网络提供过剩的频宽，至少有9成的dark fiber未被利用，被迫大幅砍削投资兴建网络计画，以致业界囤积的设备或组件产品无法销售。整个上下游光通讯厂商面临市场需求减少的困境。

 

由于业界大幅拓展产能，再加上光纤网络运用并未如预期的顺利成长，以致光传输产业面临前所未有的冲击，2000年全球光传输模块产值约为38亿美元，但2001年产值又因产能过剩及景气影响，整体产值大幅缩减到22亿美元，衰退幅度高达42%。

 

光通讯的整体主体架构是建立在光纤网络之上，而据统计，2001年全年光纤的总需求量为1,250 万公里，2002年最多只有1,000万公里，同比下降20%以上。价格方面下滑更为严重，据估计，2001年光纤的平均价格为400 - 600元/芯公里，2002年仅为130 - 200元/芯公里，下降一半以上，行业平均利润受到严重冲击。相对而言，光传输设备和光器件的市场价格亦是下降，光就光传输模块市场而言，2002年仍因需求仍不振，以致整体产业并未出现预期的成长，一般预估至少要等到2003年底，整体光通讯产业因光纤网络的大量运用，才会进而促成光传输模块出现景气复苏的迹象。

 

国内市场的商机与挑战

 

由于国内发展光通讯产业已成为全民共识，优惠招商条件、广大市场诱因、完整光电基础科学，与充沛人力，已让各国业者难以抗绝。尤其在中国北京申奥成功后，铺设光纤网络便成为通讯改造工程的最佳解决方案，因此政府也积极进行光纤网络布建，虽然以国内的市场量而言，等于是光通讯业者聚焦的最大市场，但为扶植当地业者，政府已明令，只要当厂商有能力供应产品，便需优先采用，以国家力量来带动产业发展，因此国内已培植出通讯系统及设备业商，于对这二项产业的外商而言，已造成相当大的威胁。

 

以往北美市场积极拓建光纤网络，因此成为业者积极抢攻的最大市场，但随着多年的布建，目前北美的光纤网络发展已到了一定的程度，短期内难有大幅度的成长，因此若以全球区域别来观察大陆光纤通讯产业，相对于北美市场，目前国内各地电信业者对于光纤之需求仍高，但相对于三年前光纤丝难求之现象，目前已缓和许多。

 

不过，以政府对于基础建设需求，与国内本身潜在市场预估，至少2003年之前应不至于出现如北美的饱和情况，需求成长仍高。根据PIDA报告，国内光通讯产值未来每年将以25.8%成长，至2005年产值将超过100亿美元，反观台湾光通讯虽是成长最快的产业之一，但就PIDA预估，至2003年产值还不到8亿美元。

 

全球光主动组件市场预估                                                     单位:百万美元

 

年度	1999	2000	2001	2002	2003	2004
光收发模块	4554	6376	6376	7652	9410	12700
成长率	--	40%	0%	20%	23%	35%
光放大器	3549	4437	4437	5324	6550	7991
成长率	--	25%	0%	20%	23%	22%

 

资料来源: ElectroniCast/IGI/PIDA

 

光传输模块的未来发展

 

光传输模块未来发展，主要集中在光源与封装两大方向。在光源的发展方向上，朝向高速、高密度等方向发展由2.5Gbps，朝向10Gbps，甚至是 40Gbps发展。而在封装之方向上，则是往小体积低价等方向发展。

 

由于用户多集中「寸土寸金」的都会区中，对这些业者而言，希望占同固定空间的电信及网络设备能提供更多功能，也就表示设备所能提供传输的埠数越多越好。就设备制造商而言，能将更多的收发模块放在同一张PCB上，亦能降低设计及制造的成本，因此将光收发模块的体积缩小有其市场需求。另方面，过去光纤网络系统的成本较铜缆系统高。直到最近，相关组件的开发趋于成熟，占整个系统建置总成本较大的光收/发模块，价格持续下降。而目前在市场使用的主要有两大类小型化光收/发模块，一为Min-DIL封装，另一则为SFF封装。

 

此外，目前在市场出现的小型化光收发模块及连接器种类有LC、MT-RJ、VF-45、MU、MTP，以及FJ等。LC为Lucent Connect，为Lucent Tech.公司的前身贝尔实验室(Bell Lab.)所开发，有HITACHI、IBM，以及Sumitomo等大公司支持。MT-RJ则由AMP、Fujikura，Siecor及U.S. Conec所共同开发，已获得HP及Molex等公司支持。VF-45，或称为Volition，则是由3M、Corning及Siemens共同开发，目前有Infineon、 Cisco等公司支持。

 

高密度多波道(Multi-Channel)模块

 

在光纤通讯系统朝客户端发展，最大的问题还是在组件成本过高。因此，许多厂商纷纷努力开发低价适用的组件。其中应用平行光数据传输(parallel optical data link)方式可满足接取网络中多用户连接所需的高频宽。

 

平行光数据传输是线路上的点对点直接以平行光讯号传输，而讯号不用在中途作平行/序列(parallel/serial)的转换。如此，可利用光的高频宽及不受电磁波影响等优点，亦可同时用不同的光纤并行传输高速的光讯号。在应用上，不仅可以用在通讯设备上背板(back plane)的板对板(board-to-board)传输，亦可用于LAN内高阶服务器中多处理器(multi processor)与周边装置(如：内存)间作chip对chip的高速传输，以解决目前电传输遇到的传输瓶颈。

 

应用在平行光数据传输系统的多波道光收发模块，主要的关键组件为发射端的LD数组(LD Array)及接收端的PD数组(PD Array)。一但LD Array的良率更为提升时，整体光收发模块价格下降，促使平行光数据传输系统使用更为普遍。

 

全球光传输厂商现况

 

在全球光通讯组件产业方面，2000年全球光通讯组件产值约为99亿美元，但是受到电信公司倒闭以及缩减资本支出的影响下，至2001年全球光通讯组件产值，大幅缩减到54亿美元，衰退幅度高达45%，整体市场低迷可见一般。

 

2001年全球光传输模块厂商之市场占有率

 

 

资料来源：Fuji Chimera（2002/1）

 

而在光传输模块厂商变化部分，JDS-Uniphase为最大的厂商。而JDS-Uniphase在2002初并购IBM的光传输模块部门，此部门是以局域网络之光传输模块产品为主。而JDS-Uniphase藉由并购，将由过去擅长的通讯领域跨入计算机网络领域。

 

在台湾光传输模块厂商方面，以嘉信跨入时间早，并采取垂直整合策略，从上游磊晶整合到下游之光传输模块。而后来进入之厂商，如前鼎、台达电等，则从中游次模块与下游模块之组装切入，另外，致力于通讯集成电路的世纪民生，开发产品包括以太网络3合1单芯片(SOC)、集线器(Hub)、交换器(Switch)、以及支持480Mbps的高速传输通用序列汇排流(USB2.0)和快速连网装置(Internet Access)等并，提供针对各种频率前端收发模块所需的前级放大器(Pre-Amp)、后级放大器(Post-Amp)、及发光二极管(LED)、雷射二极管(LD)和垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)之驱动放大器等各项关键零组件。

 

VCSEL厂商概况

 

目前VCSEL磊芯片、晶粒的主要供应厂商有Honeywell、Mitel、EPI、Infineon等，台湾已有砷化镓磊晶业者纷纷跨足VCSEL上游磊晶与晶粒研发或量产，如全新、国联、博达、晶谊等，虽然这些厂商多已具相当的磊晶经验，但VCSEL制程瓶颈颇多，业者仍需克服材料、制程和良率等问题，并顺利取得认证及客户信赖。

 

对于台湾厂商而言，VCSEL仍属新兴技术，初期多以中、下游封装测试及模块组装为主，相关厂商有光环、得迅、前鼎、冠德、捷耀等，国外厂家有Agilent、Honeywell、AMP等，均已推出采用850nm VCSEL设计的光纤收发模块，甚至Honeywell已新发表出2.5Gbps的传输模块产品。不过，整体而言，台湾厂商在光传输模块领域，已经逐渐建立起完整的产业结构链。2001年台湾光传输模块产品总产值约为93.6百万美元，2002年上半年台湾光主动组件产值达到30.7百万美元。整体产值较2001年上半年的80.7百万美元，大幅衰退62%，不过却较2002年下半年的16.9百万美元，成长81.7%。

 

台湾光纤组件技术概况

 

产品项目	EDFA	DWDM	光收发模块	VCSEL	OEIC
台湾技术	频道数>16	频道数4-8 频宽200GHz	量产100Mbps 雏形1.25Gbps	无量产	无雏形
国际技术	频道数>32	频道数80 频宽50GHz	量产2.5Gbps 雏形10Gbps	量产2.5Gbps 雏形10Gbps 研发1310nm	Monolithic光接收器 Micro-assembly AWG
技术差距	2-3年	2-3年	2年	2年	3年

 

资料来源:ITIS IEK 2001.6