三月_光通訊專題｜插拔式光通訊模組市場與技術發展概況(中)

• MCU : 負責軟體運行與執行數位診斷監控(DDM)工作，項目是根據SFF-8472協議所指定的蒐集工作溫度、工作電壓、接收端功率、發射端功率、雷射源偏置等五個參數資訊以判斷光通訊模組的運作狀況。光通訊模組用微控制器主要供應商是ADI和Silicon Labs。
• DSP : 當傳輸速率超過50 Gbit/s以上時會加劇光纖色散現象而嚴重影響訊號有效傳播距離與品質，靠傳統的光路補償元件進行補救之效果不佳，於是發展出可去除色散現象而完成載波頻偏估計與相位恢復的DSP，它強大的信號恢復能力可省去色散補償模組，使得長距離訊號傳輸鏈路設計更加簡單以降低成本。它由數位類比轉換器(DAC)、類比數位轉換器(ADC)、序列器/解除序列器(Ser/Des)、數位訊號處理單元構成，因運作機制複雜導致其成為功耗最高的零組件，如400 Gbit/s 光通訊模組的DSP功耗約為4W，占模組總量高達50%，以更先進製程生產是降低其功耗的重要手段，主要供應商是Broadcom、Credo、Cisco(Acacia)、Lumentum、Marvell(Inphi)、Maxlinear、NTT、MultiPhy。
• CDR : 負責從接收到訊號中提取出資料序列並恢復相對應的時序信號以還原具體資訊，當單通道訊號傳輸速率達到 25 Gbit/s 時，無論是接收和發射端都需要利用CDR將損耗訊號恢復出高品質資料，其主要工作是時鐘恢復和資料重定時而讓接收端與發射端訊號保持一致。它大致由鑒相器(PD)、電荷泵(CP)、環路濾波器、壓控振盪器(VCO)組成，頻寬是其性能的重要指標，主要影響光通訊模組的資料鎖定時間與抖動程度，若頻寬較大會讓光通訊模組的資料鎖定時間變短但是抖動程度變大，反之抖動程度變小但鎖定時間變長，甚至導致資料失鎖(Loss of lock)。主要供應商是Keysight Technologies、Marvell(Inphi)、Macom、Maxim、Renesas、Rohde & Schwarz、Semtech、Tektronix。
• LDD : 功能是將輸出訊號轉換成對應的調變信號以驅動雷射源發光。調變方式可分為外部調變(EML)和直接調變(DML)，前者將電路開關位於雷射源外，主要有電致吸收(EA)和馬赫-曾德爾(MZ)等兩種調變方式。EA是透過材料完成調變功能，而MZ是調變發射光相位，外部調變能夠有效解決雷射源之啁啾(Chirped pulse amplification, 縮寫: CPA)效應以用於長距離傳輸的骨幹網路。後者是利用電路直接控制驅動電流的開關，其優點是結構簡單、體積小與技術難度低，缺點是頻寬利用率較低且會出現啁啾效應而無法用於長距離傳輸。主要供應商是ADI/Maxim、Ams Osram、Coherent、Lumentum、Macom、Mitsubishi Electric、Texas Instruments、Intersil、IC-Haus、Microchip。傳輸距離較短的光通訊模組常使用CDR與LDD整合晶片，國內達發科技已推出400 Gbit/s光通訊模組用LDD與PAM4 DSP整合晶片。為提升訊號處理能力並降低能耗，目前800 Gbit/s以上光通訊模組的DSP是採用5 nm以下先進製程，而LDD比較適合傳統製程生產，因兩者製程差異大而會提高整合於單一晶片內的困難度，是否會有其他廠商跟進有待觀察。
• LD : 光通訊模組用LD特性要求是發出光的頻率越單一越好，如此才能避免光纖中光訊號的色散問題以維持良好傳輸品質。依構型分為面射和邊射等兩類，前者是共振腔平行GaAs磊晶方向，因共振腔較短而容易達到單縱模輸出，主要產品是VCSEL。後者是共振腔垂直InP磊晶方向，因共振腔較長而容易達到高功率輸出，但會產生多個縱模，已發展出FP、DFB、EML等產品，DFB是將FP的主動層加入布拉格光柵而達到單縱模輸出之改良產品，而EML是加裝光吸收調變器(EAM)的DFB升級產品，故其訊號傳輸品質最好但價格最高，各產品特性如表2所述。25 Gbit/s以上光通訊模組用LD主要由歐、美、日廠商供應，如AOI、Broadcom、II-VI、Lumentum/NeoPhotonics、Macom、Mitsubishi Electric、Renesas、Sumitomo Electric。一般光通訊模組用LD的台灣供應商有華星光通、光環科技，聯鈞光電為其模組的封測商，聯亞主要是做EPI Wafer 段。

表2、光通訊模組用雷射二極體產品特性

資料來源 : 本研究整理

• PD : 功能是利用光敏元件將光訊號轉換為電訊號，依構型可分為光電二極體(PIN)和雪崩光電二極體(APD)等兩類，前者是在重摻雜的P和N區間加入輕摻雜之本質區以提高轉換效率，感測光波長範圍是830~860 nm或1100~1600 nm，其特點是線性度佳、工作電壓小、靈敏度低與價格便宜，為使用最廣泛的產品，主要用於短距離訊號傳輸。後者是在PIN結構中增加雪崩區而藉此放大光信號，可讓增益增加數倍以提供高靈敏度範圍，感測光波長範圍是1270~1610 nm，具有高靈敏度、低噪聲、快速響應等特性，主要用於長距離訊號傳輸。25 Gbit/s以上光通訊模組用PD主要由歐、美、日廠商供應，如Albis、AOI、Broadcom、GCS、II-VI、Lumentum、Macom、SiFotonics。一般光通訊模組用PD的台灣供應商有環宇-KY、光環科技。
• TOSA : 負責將電訊號轉為光訊號，由LD、光隔離器、耦合透鏡、監控光感測器(MPD)、多工器(MUX)等組件構成，運作方式是將電信號傳送至LD以驅使其發出光信號，再通過光隔離器、透鏡等光學元件輸送至光纖中，可視情況省去隔離器、MPD或MUX以降低成本。衡量其性能的重要參數是光發射功率和消光比(Extinction Ratio)。前者與輸送光訊號能力成正比，功率越高則光信號傳輸距離越遠。TOSA發出高、低功率的光訊號分別代表邏輯1與0，消光比是兩者功率的比值，越大則收到的光訊號品質越好。主要供應商是Albis、Broadcom、Excelitas、First Sensor、Hamamatsu Photonics、Kyoto Semiconductor、Marvell (Inphi)、Mitsubishi Electric，台灣廠商有華星光、聯均。
• ROSA : 功能是將光訊號轉化為電訊號，由PD、跨阻放大器(TIA)、限幅放大器(LA)、耦合透镜等組件構成。運作方式是藉由PD將接收到光訊號轉換成電訊號，在再透過TIA與LA整型後傳送至外部控制晶片。衡量其性能的重要參數是靈敏度，係指能接收到光訊號的最小功率，靈敏度越小則光ROSA性能越好。主要供應商有Macom、Marvell (Inphi)、Mitsubishi Electric、SiFotonics，與TOSA相同台灣廠商有華星光、聯均。

根據最新的市場調查（例如LightCounting 2024年報告），可插拔光通訊模組技術目前已相當成熟。近10年來，中國業者憑藉低成本及規模化生產優勢，逐步取代歐美廠商成為市場主導力量。根據LightCounting的最新數據，2023年全球前十大光通訊模組供應商依序為：

1. 中際旭創
2. Coherent
3. 華為（海思）
4. Cisco (Acacia)
5. 光迅科技
6. 海信寬頻
7. 新易盛
8. 華工正源
9. 索爾思光電
10. Marvel

其中有7家為中國廠商；而Coherent與中際旭創則分別在資料中心用800 Gbit/s單模及多模產品領域處於領導地位。台灣供應商則主要包括光紅建聖、前鼎光電與眾達科技。目前，可插拔光通訊模組產品種類繁多，常見的分類方式如下：

• 封裝形式 : 市場主流形式是單通道的SFP與四通道的QSFP，依訊號傳輸速率來看前者產品有1 Gbit/s的SFP、10 Gbit/s的SFP+、25 Gbit/s的SFP28。後者訊號傳輸速率為SFP的4倍，故QSFP、QSFP+、QSFP28分別可達4、40、100 Gbit/s。QSFP56是QSFP28的升級版，將調變技術以PAM4替代QSFP28的NRZ，所以訊號傳輸速率提高2倍至200 Gbit/s。QSFP-DD提升為8通道，若資料格式採用NRZ時訊號傳輸速率可達到200 Gbit/s，而PAM4則可實現400 Gbit/s的速率；除了QSFP-DD外，可達400 Gbit/s的光通訊模組還有OSFP、CFP8、COBO等封裝形式，但800 Gbit/s的封裝形式只剩QSFP-DD與OSFP，而到6 Tbit/s時的封裝形式只有QSFP-XD與OSFD。QSFP-XD是QSFP的最新產品，具備16個通道而可將傳輸速率推進至1.6 Tbit/s，後續還能提高至3.2 Tbit/s。為因應AI伺服器所需更高傳輸速率與降低功號的要求，2023年發展出線性驅動可插拔光學(LPO)模組，它藉由移除DSP或CDR以降低訊號傳輸延遲與功耗，還有低成本、相容於現有設備等優勢。市場研究機構QYResearch預估其全球市場規模預計將從2023年的2120萬美元增至2029 年的19.9億美元，平均複合年成長率為113.27%。
• 傳輸速率 : 常見產品規格有1、10、25、40、100、400、800 Gbit/s與6 Tbit/s。
• 傳輸距離 : 一般區分方式是短距離低於2公里，中距離介於10~20公里之間，長距離超過30公里。
• 傳輸模式 : 分為單工、半雙工和全雙工等三種類型。單工模式只支持單一方向傳輸數據，半雙工模式支持兩個方向上傳輸數據但不能同時進行，全雙工模式支持同時在兩個方向進行傳輸數據。
• 調變方式 : 分為強度與相位等兩種類型，常用的強度調變有NRZ與PAM4等兩種技術，傳統數位信號最多採用的NRZ是二進位代碼，以高、低兩種電位信號表示數位邏輯的1、0，每週期可傳輸1bit的訊號。PAM4是以4個不同的電位信號進行訊號傳輸，每週期可傳輸2bit的訊號，故傳輸量是NRZ的2倍，主要用於高速訊號傳輸。

根據市場研究機構Yole Group發布的2023~2027年資料中心用光通訊模組技術藍圖，預估2025~2026年將導入通道傳輸速率達200 Gbit/s之800 Gbit/s與1.6 Tbit/s產品。近兩年已有LD廠商發布對應產品。2023年Broadcom、Mitsubishi Electric及2024年Electric推出適用200 Gbit/s的EML晶片，2024年Broadcom展示全球首款可用於200 Gbit/s的VCSEL晶片，這些晶片發布會都有光通訊模組商展出配合開發的1.6 Tbit/s產品。於2023、2024年Lumentum與2024年Broadcom發表搭配200 Gbit/s矽光子晶片的連續波DFB晶片。綜前所述VCSEL、DFB、EML等LD晶片都可用於800 Gbit/s與1.6 Tbit/s的可插拔光通訊模組。