Los componentes internos y la estructura del transceptor óptico

Los módulos ópticos son dispositivos que se utilizan para conectar dispositivos de red, transmitir y recibir datos entre dispositivos de red, y pueden utilizarse para convertir señales ópticas y eléctricas. El módulo óptico es un componente muy importante en un sistema de comunicación óptica. Este artículo le presentará los componentes internos y la estructura del módulo óptico. 

Comprender los componentes internos del módulo óptico puede proporcionarnos un mayor conocimiento del principio de funcionamiento del módulo óptico. También observamos que muchos artículos tratan sobre el tipo de encapsulado del módulo óptico; este artículo cubrirá la carencia en la introducción de los componentes internos del módulo óptico.

Los principales componentes internos de los módulos ópticos

Tres componentes principales conforman el módulo óptico: la carcasa externa visible, los componentes optoelectrónicos y la PCBA. Dentro de la carcasa metálica del transceptor óptico, los componentes internos generalmente se conectan entre sí con subconjuntos.

Dispositivos optoelectrónicos

Los dispositivos optoelectrónicos generalmente se refieren a componentes de módulos ópticos utilizados para detectar y emitir radiación electromagnética. Los dispositivos optoelectrónicos generalmente se encuentran en las regiones visible e infrarroja cercana (NIR) del espectro electromagnético.

Los dispositivos optoelectrónicos detectan y emiten radiación utilizando el efecto fotoeléctrico de los materiales; también se denomina interacciones luz-materia. El fundamento teórico de este fenómeno es la propuesta de Einstein de que la luz está cuantizada y compuesta por fotones en lugar de ondas continuas.

Como los dispositivos optoelectrónicos son la parte más importante del módulo óptico. Los módulos ópticos están diseñados para diferentes aplicaciones y tienen diferentes funciones; existen dos tipos de dispositivos optoelectrónicos que, en los transceptores generales, pueden lograr funciones completamente diferentes: TOSA y ROSA. La parte de transmisión óptica se llama TOSA, la parte de recepción óptica se llama ROSA, y la combinación de ambas se llama BOSA.

Figura 1: Estructura del módulo óptico

¿Qué es TOSA?

El TOSA del módulo óptico se encarga de convertir señales eléctricas en señales ópticas para transmisores ópticos. Los componentes Transmit Optical Sub-Assembly (TOSA) generalmente consisten en aisladores ópticos, fotodiodos de monitorización, circuitos controladores LD, termistores, refrigeradores termoeléctricos, circuitos de control automático de temperatura (ATC) y circuitos de control automático de potencia (APT). El más importante de estos es el diodo láser.

La fuente de luz (diodo emisor de luz semiconductor o diodo láser) es el núcleo; el chip LD, el fotodiodo de monitoreo y otros componentes se encapsulan en una estructura compacta (encapsulado coaxial TO o encapsulado mariposa), y luego constituyen el TOSA. La fuente de luz más común es el diodo láser LD. En comparación con LD y LED, LD tiene menor consumo de energía, mayor salida y eficiencia de acoplamiento; LED tiene las ventajas de bajo costo y larga vida útil, y solo se utiliza para transmisión de baja velocidad y corta distancia.

Figura 2: estructura TOSA

Tipos comunes de diodos láser

Fabry-Perot (FP)

La fibra correspondiente es monomodo/multimodo, tiene alta potencia, bajo ancho de línea de banda (ancho espectral) y puede utilizarse como fuente de luz de larga distancia. FP es una estructura de cavidad resonante en comparación con los diodos ordinarios. Proporciona la electricidad para hacer que los electrones dentro de la cavidad, debido al salto de nivel de energía, liberen electrones; la cara final de la cavidad puede utilizarse como dos espejos finales, lo que hace que los fotones converjan en la cavidad. Cuando la energía se acumula hasta cierto nivel, se emitirá, por lo que se necesita la corriente crítica.

Retroalimentación distribuida-DFB

El láser DFB es similar al láser FB en estructura y características de respuesta fotoeléctrica; la transmisión de comunicación debe estar por encima de la corriente crítica, y la mayor parte de la banda de longitud de onda se sitúa alrededor de 1550nm. La diferencia con FP es que DFB añade una capa de rejilla a lo largo del exterior de la cavidad común, de modo que la luz láser solo permite que exista en la cavidad una fuente de luz de una única longitud de onda; lo llamamos modo longitudinal único. Gracias a esta característica, es más fácil y más costoso generar la luz específicamente requerida. El 40GBASE-LR4 El módulo óptico adopta un transmisor DFB que puede alcanzar hasta 10km.

¿Qué es ROSA?

Como mencionamos anteriormente, ROSA es un conjunto receptor óptico; ROSA contiene un fotodiodo (PD), una interfaz óptica, una carcasa de metal (o plástico) y una interfaz eléctrica. En módulos ópticos de alta velocidad, los diodos PIN o ADP y los TIA están diseñados para ensamblarse en una carcasa metálica sellada, y estos constituyen un conjunto receptor óptico. El PD convierte la señal óptica en una señal eléctrica, que posteriormente se transforma en una señal de voltaje mediante un amplificador de transimpedancia (TIA). El dispositivo más importante del conjunto receptor ROSA es el fotodetector; el fotodetector puede convertir la señal luminosa en una señal eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico. 

Algunos fotodetectores comunes incluyen fotodiodos PIN y fotodiodos de avalancha (APD). Los fotodetectores APD se caracterizan por su alta sensibilidad, que utiliza el efecto multiplicador de avalancha para mejorar la fotocorriente, la cual puede duplicarse hasta el máximo, por lo que los receptores APD son más sensibles y pueden mejorar la sensibilidad de los diodos PIN en 6~10dB.

Figura 3: Estructura ROSA

Tipos comunes de fotodiodos

PIN-TIA

El PIN es la adición de un semiconductor intrínseco entre las uniones PN. Cuando PIN-TIA funciona, una corriente oscura provocará ruido de señal; este ruido de señal tendrá un impacto en el funcionamiento de PIN. A medida que aumenta la temperatura, el rendimiento de la detección fotoeléctrica disminuirá, lo que dará como resultado una disminución de la insensibilidad.

APD-TIA

La avalancha de electrones dentro del diodo de avalancha APD amplifica la débil fotocorriente transmitida, lo que también se conoce como efecto de multiplicación. Con alta sensibilidad antes de la amplificación eléctrica, la corriente oscura en el fotodiodo de avalancha APD es tan pequeña que el ruido causado durante la transmisión es insignificante.

Los fotodiodos PIN y APD convierten ambos la luz recibida desde TOSA en una señal eléctrica; la diferencia entre ellos es que los diodos PIN son más económicos y, por lo general, funcionan al mismo voltaje que otros dispositivos electrónicos. A una potencia óptica determinada, produce muchos menos electrones que un APD, por lo que los receptores que contienen APD son más sensibles y la distancia de transmisión del módulo óptico que incluye APD es mayor. Por ejemplo, el 100GBASE-ER4 el módulo óptico adopta un receptor APD, puede alcanzar una distancia máxima de transmisión de hasta 40km.

¿Qué es BOSA?

Subensamblaje óptico bidireccional Cuando el transceptor se fabrica lo suficientemente pequeño, el TOSA y el ROSA pueden integrarse en un transceptor durante el proceso de acoplamiento. el ensamblaje BOSA consta de TOSA y ROSA (LD y PD-TIA), filtros WDM (0 grados y 45 grados); aisladores; adaptadores y pigtails. BOSA permite que los módulos ópticos BiDi admitan dos longitudes de onda en una fibra mediante el uso de tecnología bidireccional.

Qué es PCBA

El término PCBA significa ensamblaje de placa de circuito impreso. También se conoce como ensamblaje de PCB o ensamblaje de circuito impreso. Los modos de ensamblaje de PCB suelen dividirse en tecnología de montaje superficial (SMT) y encapsulado de doble línea (DIP). Normalmente, todo el proceso de la placa PCB desnuda pasa por la sección de capa superior SMT y luego por las inserciones DIP. Las PCBA pueden utilizarse en transceptores porque hay componentes electrónicos activos y pasivos soldados a la placa de circuito impreso. La función principal de las PCBA es fijar circuitos integrados y otros componentes electrónicos como forma de garantizar la alta calidad de los dispositivos electrónicos.

Tres componentes principales nos permiten ver que PCBA es un componente completo; una placa desnuda se denomina PCB (Printed Circuit Board). La diferencia entre PCB y PCBA es que el primero es solo una placa de circuito impreso que sirve como soporte de conexión eléctrica para componentes electrónicos, mientras que PCBA contiene el PCB además de algunas otras piezas que se ensamblan para formar un PCBA.

Conclusión

Este artículo describe en detalle los diversos componentes internos de los módulos ópticos, incluidos TOSA, ROSA, PCBA, etc. El TOSA convierte señales eléctricas en señales ópticas para el transmisor óptico del módulo óptico, y el ROSA convierte señales ópticas en señales eléctricas para el receptor del módulo óptico. Si desea saber más sobre los módulos ópticos, póngase en contacto con QSFPTEK a través de [email protected], el equipo de soporte técnico de QSFPTEK puede proporcionarle conocimientos e información profesionales relacionados con módulos transceptores ópticos.