Die internen Komponenten und die Struktur des optischen Transceivers

Optische Module sind Geräte, die verwendet werden, um Netzwerkgeräte zu verbinden, Daten zwischen Netzwerkgeräten zu senden und zu empfangen, und können zur Umwandlung optischer und elektrischer Signale eingesetzt werden. Das optische Modul ist eine sehr wichtige Komponente in einem optischen Kommunikationssystem. Dieser Artikel stellt Ihnen die internen Komponenten und den Aufbau des optischen Moduls vor. 

Das Verständnis der internen Komponenten des optischen Moduls kann uns ein tieferes Wissen über das Funktionsprinzip des optischen Moduls vermitteln. Wir stellen außerdem fest, dass viele Artikel den Gehäusetyp des optischen Moduls behandeln; dieser Artikel schließt die Lücke bei der Einführung in die internen Komponenten des optischen Moduls.

Die wichtigsten internen Komponenten optischer Module

Drei Hauptkomponenten bilden das optische Modul: das externe sichtbare Gehäuse, die optoelektronischen Komponenten und die PCBA. Im Inneren des Metallgehäuses des optischen Transceivers sind die internen Komponenten im Allgemeinen mit Unterbaugruppen miteinander verbunden.

Optoelektronische Geräte

Optoelektronische Bauelemente beziehen sich im Allgemeinen auf Komponenten in optischen Modulen, die zur Erkennung und Emission elektromagnetischer Strahlung verwendet werden. Optoelektronische Bauelemente befinden sich im Allgemeinen in den sichtbaren und nahinfraroten (NIR) Bereichen des elektromagnetischen Spektrums.

Optoelektronische Geräte detektieren und emittieren Strahlung durch Nutzung des photoelektrischen Effekts von Materialien; dies wird auch als Licht-Materie-Wechselwirkungen bezeichnet. Die theoretische Grundlage für dieses Phänomen ist Einsteins Vorschlag, dass Licht quantisiert ist und aus Photonen statt aus kontinuierlichen Wellen besteht.

Da optoelektronische Bauelemente der wichtigste Teil des optischen Moduls sind. Optische Module sind für unterschiedliche Anwendungen konzipiert und haben unterschiedliche Funktionen; es gibt zwei Arten von optoelektronischen Bauelementen, die in allgemeinen Transceivern völlig unterschiedliche Funktionen erfüllen können: TOSA und ROSA. Der optische Sendeteil wird TOSA genannt, der optische Empfangsteil wird ROSA genannt; kombiniert man beide zusammen, werden sie BOSA genannt.

Abbildung 1: Aufbau des optischen Moduls

Was ist TOSA?

Der TOSA im optischen Modul ist dafür verantwortlich, elektrische Signale für optische Sender in optische Signale umzuwandeln. Transmit Optical Sub-Assembly (TOSA)-Komponenten bestehen im Allgemeinen aus optischen Isolatoren, Überwachungsfotodioden, LD-Treiberschaltungen, Thermistoren, thermoelektrischen Kühlern, automatischen Temperaturregelkreisen (ATC) und automatischen Leistungsregelkreisen (APT). Die wichtigste davon ist die Laserdiode.

Die Lichtquelle (Halbleiter-Leuchtdiode oder Laserdiode) bildet den Kern; der LD-Chip, die Überwachungs-Photodiode und andere Komponenten werden in einer kompakten Struktur (TO-Koaxialgehäuse oder Butterfly-Gehäuse) verpackt und bilden dann den TOSA. Die am häufigsten verwendete Lichtquelle ist die LD-Laserdiode. Im Vergleich zu LD und LED hat LD einen geringeren Stromverbrauch, eine höhere Ausgangsleistung und Kopplungseffizienz; LED bietet die Vorteile niedriger Kosten und einer langen Lebensdauer und wird nur für Übertragungen mit niedriger Geschwindigkeit und kurzer Distanz verwendet.

Abbildung 2: TOSA-Struktur

Gängige Laserdiodentypen

Fabry-Perot (FP)

Die entsprechende Faser ist Singlemode/Multimode, weist eine hohe Leistung und eine geringe Linienbreite im unteren Band (Spektralbreite) auf und kann als Lichtquelle für große Entfernungen verwendet werden. FP ist im Vergleich zu gewöhnlichen Dioden eine Resonatorstruktur. Sie liefert den Strom, damit die Elektronen im Resonator aufgrund des Energieniveausprungs Elektronen freisetzen; die Stirnfläche des Resonators kann als zwei Endspiegel verwendet werden, wodurch Photonen im Resonator konvergieren. Wenn sich die Energie auf ein bestimmtes Niveau angesammelt hat, wird sie emittiert, daher ist ein kritischer Strom erforderlich.

Distributed Feedback-DFB

Der DFB-Laser ähnelt dem FB-Laser in Struktur und photoelektrischen Ansprechcharakteristiken; die Kommunikationsübertragung muss oberhalb des kritischen Stroms erfolgen, und der größte Teil des Wellenlängenbands liegt bei etwa 1550nm. Der Unterschied zu FP besteht darin, dass DFB entlang der Außenseite des gemeinsamen Resonators eine Gitterschicht hinzufügt, sodass das Laserlicht nur das Vorhandensein einer Lichtquelle mit einer einzigen Wellenlänge im Resonator zulässt; dies nennen wir Single Longitudinal Mode. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es einfacher und teurer, das spezifisch benötigte Licht zu erzeugen. Die 40GBASE-LR4 Das optische Modul verwendet einen DFB-Sender, der bis zu 10km erreichen kann.

Was ist ROSA?

Wie bereits erwähnt, ist ROSA eine optische Empfängerbaugruppe. ROSA enthält eine Fotodiode (PD), eine optische Schnittstelle, ein Gehäuse aus Metall (oder Kunststoff) und eine elektrische Schnittstelle. In optischen Hochgeschwindigkeitsmodulen sind PIN- oder ADP-Dioden und TIAs so konzipiert, dass sie in einem abgedichteten Metallgehäuse montiert werden; zusammen bilden sie eine optische Empfängerbaugruppe. Die PD wandelt das optische Signal in ein elektrisches Signal um, das anschließend durch einen Transimpedanzverstärker (TIA) in ein Spannungssignal umgewandelt wird. Das wichtigste Bauteil der Empfängerbaugruppe ROSA ist der Fotodetektor; der Fotodetektor kann das Lichtsignal durch den fotoelektrischen Effekt in ein elektrisches Signal umwandeln. 

Einige gängige Fotodetektoren umfassen PIN-Fotodioden und Avalanche-Fotodioden (APD). APD-Fotodetektoren zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit aus und nutzen den Avalanche-Multiplikatoreffekt zur Verstärkung des Fotostroms, der bis zum Maximum vervielfacht werden kann. Daher sind APD-Empfänger empfindlicher und können die Empfindlichkeit von PIN-Dioden um 6~10dB verbessern.

Abbildung 3: ROSA-Struktur

Gängige Fotodiodentypen

PIN-TIA

Die PIN ist das Hinzufügen eines intrinsischen Halbleiters zwischen den PN-Übergängen. Wenn PIN-TIA arbeitet, führt ein Dunkelstrom zu Signalrauschen; dieses Signalrauschen wirkt sich auf die Arbeit der PIN aus. Mit steigender Temperatur nimmt die Leistung der photoelektrischen Detektion ab, was zu einer Verringerung der Unempfindlichkeit führt.

APD-TIA

Die Elektronenlawine innerhalb der APD-Lawinendiode verstärkt den übertragenen schwachen Fotostrom, was auch als Multiplikationseffekt bekannt ist. Mit hoher Empfindlichkeit vor der elektrischen Verstärkung ist der Dunkelstrom in der APD-Lawinenfotodiode so gering, dass das während der Übertragung verursachte Rauschen vernachlässigbar ist.

PIN- und APD-Fotodioden wandeln beide das von TOSA empfangene Licht in ein elektrisches Signal um. Der Unterschied zwischen ihnen besteht darin, dass PIN-Dioden günstiger sind und im Allgemeinen mit derselben Spannung wie andere elektronische Geräte betrieben werden. Bei einer gegebenen optischen Leistung erzeugt sie deutlich weniger Elektronen als eine APD, sodass Empfänger mit APDs empfindlicher sind und die Übertragungsdistanz des optischen Moduls mit APD länger ist. Zum Beispiel die 100GBASE-ER4 Wenn das optische Modul einen APD-Empfänger verwendet, kann es eine maximale Übertragungsdistanz von bis zu 40 km erreichen.

Was ist BOSA?

Bi-Directional Optical Sub-Assembly Wenn der Transceiver klein genug ist, können TOSA und ROSA während des Kopplungsprozesses in einen Transceiver integriert werden. Die BOSA-Baugruppe besteht aus TOSA und ROSA (LD und PD-TIA), WDM-Filtern (0 Grad und 45 Grad), Isolatoren, Adaptern und Pigtails. BOSA ermöglicht es BiDi-Optikmodulen, durch den Einsatz bidirektionaler Technologie zwei Wellenlängen auf einer Faser zu unterstützen.

Was ist PCBA

Der Begriff PCBA steht für Printed Circuit Board Assembly. Es ist auch als PCB-Bestückung oder Leiterplattenbestückung bekannt. PCB-Bestückungsverfahren werden normalerweise in Surface Mount Technology (SMT) und Dual In-line Package (DIP) unterteilt. Typischerweise durchläuft der gesamte Prozess der blanken PCB zuerst den SMT-Oberlagenabschnitt und anschließend DIP-Einsätze. PCBAs können in Transceivern verwendet werden, da aktive und passive elektronische Komponenten auf die Leiterplatte gelötet sind. Die Hauptfunktion von PCBAs besteht darin, integrierte Schaltungen und andere elektronische Komponenten zu sichern, um die hohe Qualität elektronischer Geräte zu gewährleisten.

Anhand von drei Hauptkomponenten können wir erkennen, dass PCBA eine vollständige Komponente ist; es gibt eine unbestückte Leiterplatte, die PCB (Printed Circuit Board) genannt wird. Der Unterschied zwischen PCB und PCBA besteht darin, dass Ersteres nur eine gedruckte Leiterplatte als elektrischer Verbindungsträger für elektronische Komponenten ist, während PCBA neben der PCB noch weitere Teile enthält, die zusammen zu einer PCBA montiert werden.

Fazit

Dieser Artikel beschreibt ausführlich die verschiedenen internen Komponenten optischer Module, darunter TOSA, ROSA, PCBA und so weiter. Der TOSA wandelt elektrische Signale in optische Signale für den optischen Sender des optischen Moduls um, und der ROSA wandelt optische Signale in elektrische Signale für den Empfänger des optischen Moduls um. Wenn Sie mehr über optische Module erfahren möchten, kontaktieren Sie bitte QSFPTEK Über [email protected] kann Ihnen das technische Support-Team von QSFPTEK professionelles Wissen und Informationen zu optischen Transceiver-Modulen bereitstellen.