光通訊發射端的核心是雷射二極體（laser diode, LD）——沒有它，就沒有攜帶資料的光。雷射的類型決定鏈路的速率、距離與成本。但沒有萬能的單一雷射：同一條 1310 nm 單模光纖鏈路，10G 與 100G per lane 用的雷射不同。
本文回答一個問題：光通訊為什麼需要 FPLD、DFB、EML 三種雷射？
主要答案有兩層：腔體結構決定光譜純度（多模對單模），調製方式決定速率（直接電流調製對整合電吸收調製器）。三者構成成本 × 速率 × 光譜純度的階梯，各配不同鏈路。同一個 1310 nm 波長同時出現在 10G 與 800G 模組裡——差別在雷射類型（DFB 對 EML）。
1. 腔體結構決定光譜
FPLD（Fabry–Pérot Laser Diode）結構最簡單：p-i-n 晶片兩端 cleave——劃一道淺溝後沿單晶的結晶面掰斷（不是鋸切），斷面原子級平整，直接當鏡面用。半導體–空氣介面的 Fresnel 反射直接構成腔體兩面鏡——InP 折射率約 3.2，單面反射率約 27%（由 ((3.2−1)/(3.2+1))² 算出）。不需要額外製鏡，所以 FPLD 是最便宜的雷射二極體。
腔體是一個 Fabry–Pérot 干涉儀，光譜有兩個問題：
- 多模：多個縱模（各自對應一個波長）同時振盪，典型間距約 100 GHz[1]
- mode hopping：溫度變化時，激射在相鄰縱模之間跳動，波長–溫度曲線出現不連續[1]。機制是溫度移動增益峰，最接近增益峰的縱模接手振盪
波長溫度係數約 0.3 nm/K，主要來自帶隙能量的溫度依賴性[1]。定位：FPLD 適合多模可接受的場景——短距低速率鏈路、CATV、感測[1]。
DFB（Distributed Feedback laser）在活性區刻入 Bragg 光柵：週期結構只反射特定波長（Bragg 條件 λB = 2·neff·Λ），提供波長選擇性的分佈式回饋[2]。光柵中央加 λ/4 phase shift 後，DFB 穩定選出單一縱模：只有符合 Bragg 波長的縱模獲得光柵的足夠回饋，其餘縱模被抑制[2]
- 光譜：單模，線寬從數 MHz（電信級）到 100 MHz（未最佳化的低成本裝置）[2]
- 波長漂移：約 0.06 nm/K[5]，約為 FPLD 的 1/5
DFB 波長範圍覆蓋 0.8–2.8 μm：1550 nm 主導長途（EDFA 放大），1310 nm 用於較短距離[2]。
圖 1｜回饋結構與調製方式的比較。EML 整合 DFB 光源與 EAM，並非另一種雷射腔體。點圖可看原尺寸。
後果直接：波分多工（WDM）要求每個通道波長穩定。DWDM 把數十個通道塞進同一條光纖，通道間距 100 GHz（ITU 格點），在 1550 nm 約 0.8 nm（λ²·Δν/c）；通道波長一漂移，就侵入相鄰通道造成串音。FPLD 的漂移與 mode hopping 使它進不了 WDM；DFB 是 DWDM 通道光源的標準選擇（TEC 恆溫晶片，把波長鎖在 ITU 格點）。
2. 調製方式決定速率
直接調製用驅動電流寫入資料：載子密度變化 → 增益變化（強度調製）＋折射率變化（頻率調製，即 chirp）。兩者的耦合強度由線寬增強因子（linewidth enhancement factor, α）決定。10G 以下 chirp 懲罰可接受；高速時 chirp 展寬光譜，光纖色散把頻率漂移轉成脈衝展寬，限制速率 × 距離。直接調製的速率上限不在雷射本身的振盪速度，而在光纖施加的 chirp 懲罰。
EML（Electro-absorption Modulated Laser）把 DFB 雷射與**電吸收調製器（EAM）**做在同一個 InP 晶片上[3]。運作方式：
- DFB 段輸出連續光（CW），波長由光柵鎖定
- EAM 段用電壓改變吸收率，只需數伏特[3]：Franz–Keldysh effect 移動吸收邊，量子阱中的量子限制 Stark effect（QCSE）達成高消光比[3]
強度調製與載子動力學解耦：chirp 低，且隨偏壓調整可以為負值，補償光纖色散、延長傳輸距離[3]。
與外加 MZM（矽光子或 TFLN）相比，EML 的優勢在整合：光源與調製器同晶片，耦合損耗低、體積小；MZM 頻寬上限更高，但需要獨立晶片與光耦合。
圖 2｜EML 的電氣驅動與連續導波路徑。層結構、光譜與光強曲線為簡化示意，不依比例；工作偏壓與端面鍍膜依器件。點圖可看原尺寸。
這就是 100G per lane（53.125 GBd PAM4）[7] 與 800G（8 lane × 100G）以 EML 為主的基礎[6]。以 800GBASE-DR8 為例：發射端 8 顆 EML，每 lane 100G PAM4[6]。代價：製程較複雜（EAM 段需選擇性外延重生長），且需 TEC 恆溫（EAM 吸收邊對溫度敏感）。
3. 哪種雷射配哪種鏈路
| FPLD | DFB | EML | |
|---|---|---|---|
| 腔體結構 | 兩端鏡（Fresnel） | 光柵分佈式回饋 | DFB + EAM 同晶片 |
| 模式數 | 多模（縱模間距約 100 GHz） | 單模 | 單模 |
| 線寬 | 多模光譜 | 數 MHz–100 MHz | 數 MHz（DFB 段） |
| 波長漂移 | 約 0.3 nm/K | 約 0.06 nm/K | 約 0.06 nm/K |
| 調製方式 | 直接電流調製 | 直接電流調製 | EAM 電壓調製 |
| 成本 | 最低 | 中 | 最高 |
| 典型應用 | 短距、CATV、感測 | 10G/25G、DWDM、coherent CW | 400G/800G 資料中心 |
應用對照：
| 鏈路場景 | 雷射選擇 |
|---|---|
| 機房內多模短距（<100 m） | VCSEL 850 nm（第四類，腔體垂直，另文討論） |
| 10G/25G 單模 | DFB 1310 nm 直接調製（1310 nm 是零色散窗[4]） |
| 400G/800G 資料中心 | EML 1310 nm（800GBASE-DR8 = 8 lane × 100G PAM4[6]） |
| 長途 / coherent | DFB 1550 nm CW + 外加調製器（1550 nm 是低損耗窗[4]） |
選擇邏輯：光譜純度 × 調製速率 × 成本——鏈路需求決定站在階梯的哪一級。
常見誤解：
- 「DFB 只是更貴的 FPLD」——光柵把回饋機制從兩面寬頻鏡改成波長選擇性的分佈式回饋，單模是質變，不是量變
- 「鏈路越快越需要 EML」——10G/25G 用直接調製 DFB 就夠，chirp 懲罰只在高速才成為限制
- 「矽光子會取代 InP 雷射」——矽是間接帶隙不能發光，矽光子模組仍需 InP 光源
自我檢查：讀完應能回答——① 為什麼 FPLD 進不了 DWDM？② 為什麼 EML 的 chirp 比直接調製 DFB 低？③ 矽光子模組為什麼仍需 InP 光源？
4. 極限與下一代
- EML 頻寬接近極限：200G per lane（1.6T）正由 IEEE 802.3dj 標準化，薄膜鋮酸鎳（TFLN）MZM 與矽光子是主要替代路線[6]
- 矽不能發光（間接帶隙）：矽光子模組仍需 InP EML/DFB 外掛當光源，再耦合進矽波導
- DFB 對光回饋敏感：背向反射可能引起 coherence collapse，模組常整合光隔離器[2]
- Coherent 從長途走向資料中心（DCI），DFB CW 光源需求持續成長
回到開頭的問題：光通訊需要三種雷射，因為沒有單一腔體結構能同時滿足光譜純度、調製速率與成本。FPLD 便宜但多模、漂移大，只配多模可接受的場景；DFB 單模穩定，是 WDM 與 coherent 的基石，但直接調製有速率上限；EML 整合高速調製器，接管 400G/800G，代價是最高製程複雜度。例如 10G SFP+ 模組用直接調製 DFB，800G OSFP 模組用 8 顆 EML——同樣 1310 nm，不同的雷射。適用條件：此階梯針對 InP 邊射系統（1310/1550 nm）；850 nm 多模短距是 VCSEL 的領域。尚未解決的限制：EML 頻寬上限與 200G per lane 的過渡期、TFLN 與矽光子整合的成本，仍在演進中。