快速成长的数据网络亟需一个更大、可靠、高效、快捷的数据传输环境，因而牵动半导体业者全力投入发展更强大的技术，以替代传统的铜电缆。随着讯号传输速度达到每信道超过10Gbit/s，市场对导入新世代高速连结技术的需求已迫在眉睫。

　　因应网络环境的变化，自2007年起，有源光纤电缆(AOC)做为新一代数据传输的替代方案已逐渐被世人所知。这些轻便的光缆电 缆可同时传输四路光纤信号，同时保留与传统电缆一样的电接口，使AOC技术可在1～100米传输距离内保持信号完整性。由于光纤具有质量更轻，弯曲特性更 好，误码率(BER)优于铜电缆的优点，因而被大量制造，并率先应用于数据中心和服务器群，传输以太网络和InfiniBand信号。

　　 除了数据中心传输网络以外，AOC在消费电子领域也得到愈来愈广泛的应用，如高画质多媒体接口(HDMI)、第三代通用串行总线(USB 3.0)及Thunderbolt等，愈来愈多的高速电路以及光通讯解决方案供货商，已开始研发制造各种类型的AOC，并持续吸引更多公司投入该市场，包 括TE、安华高(Avago)、Finisar、Centera、Molex及康宁(Corning)皆已开始量产传输速率达56Gbit/s及 116Gbit/s的AOC，有助建构新兴云端产业的骨干网络。

　　AOC协助克服高速网络部署阻碍

　 　随着AOC的应用日益普遍，如何大量、有效率的生产，以及加速测试这些高速光缆，已成为相关产品供货商目前最头疼的问题。为此，MultiLane SAL近期即发表最新AOC测试验证系统，透过整合所有相关测试硬件及简单容易操作的用户接口软件，可执行一系列性能测试，以确保AOC符合 40G/100G以太网络的标准。

　　AOC与传统高速电缆传输线的主要区别是传输媒介，传统电缆用铜线传输信号；而AOC则透过光纤传输 信号，并保留传统电接口接头。使用光纤可避免传统电缆传输中的电磁干扰问题，即磁场中的导体产生感应电流，对传输信号造成噪声干扰的现象，此外，其另一大 优势是在不牺牲高速信号完整性的情况下，支持比其他媒介更长的传输距离。

　　整体而言，光纤电缆优于其他传统电缆的误码率BER 10E-15特性，非常适用于各种有线网络到达终端机房时的传输接口，同时提供缆线数据安全、不导电且不会过热的价值。

　 　AOC须由四个主要的零件组成，首先是高密度电接头，光缆两头的连接头可有很多种形式，以实现各种功能。例如QSFP+接头形式用在数据中心和服务器 群，HDMI接头形式用在消费电子类产品。第二部分为长度1～100米的多信道光纤扁平电缆电缆(可以是多模光纤或者单模光纤)。

　　至于串连电缆与设备的部分则须导入全双工AOC光收发模块，一个光收发模块是在光纤的任意一端(或两端都有)加两个光电和电光转换组件。同时还须采用MPO光纤连接器，并将其固定在AOC外壳中，将其中的光纤保护起来；透过以上即可构成完整的AOC传输系统(图1)。

图1　AOC系统结构图

VCSEL方案兼具高效能与低成本

　　AOC光转电的接口(或电转换成光)则可藉由两种技术实现，不同的AOC开发制造商会选择不同的方案，这两种技术所使用的激光光源都是在半导体材料基板上堆栈所构成。

　 　第一种AOC技术是利用硅光学技术，将数据载在光信号中透过电流的转换传输，大家熟知的互补式金属氧化物半导体(CMOS)制程技术，其透过边发射型激 光(Edge Emitting Laser， EEL)电流转换成光源发射传送信号，须使用一个校正过的光学透镜将1，310纳米(nm)波长的光聚合在组件附近传送。而EEL是由晶圆材料构成，可经 由空气和晶圆材料两者之间高折射率的差异，将信号并行传输到组件层和出口侧。

　　第二种技术是垂直共振腔面发射型激光 (Vertical Cavity Surface Emitting Laser， VCSEL)。该技术利用激光数组将外层电子引入一个很薄的区域来仿真量子隧道响应，耦合光缆来传输信号，所产生的电流将被引入到高反射率的反射镜及分布式布拉格反射镜；布拉格反射镜能将信号固定在介质中垂直振荡在一个垂直于表面的方向，使光只经由包裹的圆形光束输出开口逸出至表面，形成在光纤壁较低的频率反射。

　　VCSEL技术由于具备较高性能、较低成本及功耗，已被视为15G高速传输O/E方案的首选。其低位准电流特性有利实现高密度的激光列阵，再加上光是以垂直方向出射的，小的发散角和圆形对称的远、近场分布使其与光纤的耦合很容易，而无需复杂昂贵的光束整形系统。

　　VCSEL可降低成本的原因还包括芯片到组装过程中，都可进行测试；而CMOS收发器只能在成品阶段测试，产品的不合格率就会更高。由于VCSEL制造良率更高，遂能降低生产成本。虽然AOC技术可采用各种各样的标准波长，藉由低电流传输信号的VCSEL则选择850纳米波长，因光纤开口只有1～1.5波长厚，使用这波长相对容易维持稳定。

　　然而，当传输信号向上到达15G的速度时，目前VCSEL技术的适用性在业界存有争议，因此新的VCSEL波长可望向上增加至1，300纳米，以因应高速需求并兼容850纳米激光的优点。

　　AOC设计首要重点是抖动与眼图波形

　　前面介绍的是AOC的一些普遍特性，根据不同的功能和标准，AOC可分成不同的连接方式，以因应各种广泛用途(Infiniband、SAS、PCI或以太网络标准，网络交换机或数据中心)，有助带动光纤通讯产业总体市场的发展逐渐向上。AOC连接方式分类如下：

　　-Small Form Factor Pluggable Plus(SFP+)：1×10G(每信道10Gbit/s速度)

　　-zSFP：1×25G

　　-CXP：12×10G or 12×12.5G

　　-Quad Small Form Pluggable(QSFP)：4×10G standard， 4×14G FDR

　　-CX4：4×5G

　　-Mini-SAS：4×12G

　　-iPass：8×8G

　 　100G光学引擎的出现使收发模块厂商可以生产并建立完整的100G互连产业供应链系统。由于数据中心每个机架可包含四十八到六十个服务器，因此 480G～600G的传输速度即创造对100G连接速度的要求，而zQSFP具有四个信道，每个信道提供25G的传输速度，同时保留与QSFP模块一样的 大小尺寸，被认为是AOC的下一个发展方向。

　　信号在以高达10Gbit/s的速度通过传输介质后，必须保证其信号完整性，不合格的 AOC可能造成过热，产生异常的抖动或扭曲的眼图。其中，抖动是传输的数字信号在时间轴方向上的波动，会降低信号的Phase Margin，造成误差，也就是一般所说的噪声。眼图测量就是接收到的信号与时间的图形，纵坐标为信号强度，用电压表示；横坐标为时间，用单位区间 (Unit Interval， UI)，也就是一个信号变化波形所占用的时间来表示。

　眼图波形是用编码格式取样，以实现信号发生抖动的分析。在数据中心传统的高速传输，如可插拔收发模块，嵌入式光模块，快速傅立叶变换(FFT)芯片和Mez卡，已有更加严格的测试要求，因此AOC在生产阶段也要通过一系列测试，以确保在使用阶段保持良好性能。

　 　在量产方面，AOC须通过的第一个测试就是确认电压，电流和功率。使用过程中超过额定值会导致过热，甚至融化，损坏AOC插槽口，因此四个象限测试(4 Corner Test)是必须的。所谓四象限测试，就是输入电压与讯号振幅的四种组合下测量，以确保在最低与最高电压和温度下都能保持性能。

　　下一步则须确认AOC的电子式可清除可编程只读存储器(EEPROM)资料。EEPROM数据为设备(此处为AOC)内部的数据存储器，当设备插拔后数据不会丢失。按惯例此文件记录制造商名称，型号和序列号，一旦EEPROM文件被确认，这些数据将被复制保存。

　　紧接着系AOC测试中最精密的部分，包含抖动测量在内的眼图测量。眼图和误码率测量包含一系列的参数和数值属性，它们都要规定范围之内，以确保AOC有相应的功能。

　　值得一提的是，应用于网络的AOC是按照各种规格标准制造的，包括40G以太网络、FDR和QDR。主要区别是每个信道传输速度，40G以太网络的QDR AOC有四个信道，每个信道传输10G讯号；FDR的AOC也是四个信道，每个信道的速度是14G，这种差异导致对它们的眼图参数和抖动也有不同要求。

　 　表1～3列出应用于40G以太网络、QDR和FDR AOC的各种参数要求，包括输入和输出的规格(以上所有X轴的单位都是UI，转化成秒只须把UI值乘上讯号周期(1/bit rate)。AOC测量须透过多通道误码率分析仪(BERT)、取样示波器(Sampling Scope)与AOC测试板，分别接在AOC两端进行测试，确保能同时提供上行和下行的功能(图2)。

图2　AOC测试架构图

　 　多信道误码率测试仪的规格要求为具备四个以上PPG输出，且数据传输速率可达到每个通道15Gbit/s或28Gbit/s，执行误码率和J2/J9测 试。目前业界的PPG已能提供包含四个平行的Tx信号输出信道，每个信道有独立的低抖动信号产生器。此外，信号振幅和数据传输速率亦可根据待测AOC的要 求做调整。

　　多通道取样示波器则须自动执行高精度的眼图测量和分析，以确定信号发射器和接收器性能。例如MultiLane四通道20GHz取样示波器即具有完整的Under-sampling技术并搭配全面性的程序开发函式库，可有效帮助眼图测量、抖动分析和NRZ码的处理。

除此之外，符合各项AOC规格的测试板也是必备元素，从而进行数据读 和写的操作。相关测试板不仅须符合四个象限测试最基本的需求，并须测试待测物电流、电压和消耗功率，并配备温度传感器测量环境温度；新一代的方案还可利用 电压调整功能，调整待测样品的输入电压在3.15伏特(V)，3.3伏特和3.45伏特，同时改变输出讯号振幅。现阶段，AOC测试板更已导入热电致冷技 术(TEC)，可使插入接口的连接头快速升降温，确保AOC在宽温度范围内保持良好功能。

　　AOC的量测挑战里，还有四个象限测试及须建 立AOC连接头的温度升高时，眼图参数对应的变化关系，两个主要眼图特性参数须确定这种关系，峰对峰值频率抖动(Jitter p-p)和眼高(Eye High)。当量测温度与峰对峰值频率抖动的关系时，会对收发模块连接头持续加热；另一方面，眼高与温度的关系是通过加热接收端得到，只是加热发射端是无 效的，因为数据在接收端进行光电转换时会被频率还原电路重整，而无法观测到其变化。

　 　图3所得数据显示，AOC信号的峰对峰值频率抖动会随着温度的升高而呈线性的增加。图4信息则显示，随着接收模块温度的升高，眼高整体上呈近似线性递减 的关系，而第一个和第二个数据偏脱机性关系比较多。另外一个执行的测试时完整的四个象限测试，在固定的温度下，改变输入电压和信号幅度，观察AOC的消耗功率，眼高和峰对峰值频率抖动(表4)。

图3　峰对峰值抖动与模块温度的关系

图4　眼高与模块温度的关系