Les composants internes et la structure du transceiver optique

Les modules optiques sont des dispositifs utilisés pour connecter des périphériques réseau, transmettre et recevoir des données entre des périphériques réseau, et peuvent être utilisés pour convertir des signaux optiques et électriques. Le module optique est un composant très important dans un système de communication optique. Cet article vous présentera les composants internes et la structure du module optique. 

Comprendre les composants internes du module optique peut nous apporter une connaissance plus approfondie du principe de fonctionnement du module optique. Nous remarquons également que de nombreux articles portent sur le type de boîtier du module optique ; cet article comblera cette lacune en présentant les composants internes du module optique.

Les principaux composants internes des modules optiques

Trois composants principaux constituent le module optique : le boîtier visible externe, les composants optoélectroniques et la PCBA. À l’intérieur du boîtier métallique de l’émetteur-récepteur optique, les composants internes sont généralement reliés entre eux par des sous-ensembles.

Dispositifs optoélectroniques

Les dispositifs optoélectroniques désignent généralement des composants des modules optiques utilisés pour détecter et émettre un rayonnement électromagnétique. Les dispositifs optoélectroniques sont généralement situés dans les régions visible et proche infrarouge (NIR) du spectre électromagnétique.

Les dispositifs optoélectroniques détectent et émettent des rayonnements en utilisant l’effet photoélectrique des matériaux ; on parle également d’interactions lumière-matière. Le fondement théorique de ce phénomène est la proposition d’Einstein selon laquelle la lumière est quantifiée et composée de photons plutôt que d’ondes continues.

Les dispositifs optoélectroniques constituent la partie la plus importante du module optique. Les modules optiques sont conçus pour différentes applications et ont différentes fonctions ; il existe deux types de dispositifs optoélectroniques qui peuvent réaliser des fonctions complètement différentes dans les émetteurs-récepteurs généraux : TOSA et ROSA. La partie de transmission optique est appelée TOSA, la partie de réception optique est appelée ROSA ; combinées, les deux sont appelées BOSA.

Figure 1 : Structure du module optique

Qu’est-ce que TOSA ?

Le TOSA dans le module optique est chargé de convertir les signaux électriques en signaux optiques pour les émetteurs optiques. Les composants Transmit Optical Sub-Assembly (TOSA) se composent généralement d’isolateurs optiques, de photodiodes de surveillance, de circuits de commande LD, de thermistances, de refroidisseurs thermoélectriques, de circuits de contrôle automatique de la température (ATC) et de circuits de contrôle automatique de la puissance (APT). Le plus important d’entre eux est la diode laser.

La source lumineuse (diode électroluminescente à semi-conducteur ou diode laser) constitue le cœur ; la puce LD, la photodiode de surveillance et d’autres composants sont conditionnés dans une structure compacte (boîtier coaxial TO ou boîtier papillon), puis constituent le TOSA. La source lumineuse la plus courante est la diode laser LD. Par rapport aux LD et aux LED, les LD présentent une consommation d’énergie plus faible, une puissance de sortie plus élevée et une meilleure efficacité de couplage ; les LED ont les avantages d’un faible coût et d’une longue durée de vie, et ne sont utilisées que pour la transmission à faible débit et sur courte distance.

Figure 2 : Structure TOSA

Types courants de diodes laser

Fabry-Perot (FP)

La fibre correspondante est monomode/multimode, présente une puissance élevée, une faible largeur de raie (largeur spectrale) et peut être utilisée comme source lumineuse longue distance. FP est une structure à cavité résonante par rapport aux diodes ordinaires. Elle fournit l’électricité nécessaire pour que les électrons à l’intérieur de la cavité, en raison du saut de niveau d’énergie, libèrent des électrons ; les faces d’extrémité de la cavité peuvent être utilisées comme deux miroirs d’extrémité, ce qui provoque la convergence des photons dans la cavité. Lorsque l’énergie s’accumule jusqu’à un certain niveau, elle est émise ; un courant critique est donc nécessaire.

Rétroaction distribuée-DFB

Le laser DFB est similaire au laser FB par sa structure et ses caractéristiques de réponse photoélectrique ; la transmission de communication doit être supérieure au courant critique, et la majeure partie de la bande de longueurs d’onde se situe autour de 1550nm. La différence avec FP est que le DFB ajoute une couche de réseau le long de l’extérieur de la cavité commune, de sorte que la lumière laser ne permet l’existence dans la cavité que d’une source lumineuse à une seule longueur d’onde ; nous appelons cela le mode longitudinal unique. Grâce à cette caractéristique, il est plus facile et plus coûteux de générer la lumière spécifiquement requise. The 40GBASE-LR4 le module optique adopte un émetteur DFB pouvant atteindre jusqu’à 10km.

Qu’est-ce que ROSA ?

Comme nous l’avons mentionné précédemment, ROSA est un ensemble récepteur optique ; ROSA contient une photodiode (PD), une interface optique, un boîtier métallique (ou plastique) et une interface électrique. Dans les modules optiques à haut débit, les diodes PIN ou ADP, ainsi que les TIA, sont conçus pour être assemblés dans un boîtier métallique scellé, et ceux-ci constituent un ensemble récepteur optique. La PD convertit le signal optique en signal électrique, qui est ensuite transformé en signal de tension par un amplificateur à transimpédance (TIA). Le dispositif le plus important de l’ensemble récepteur ROSA est le photodétecteur ; le photodétecteur peut convertir le signal lumineux en signal électrique grâce à l’effet photoélectrique. 

Parmi les photodétecteurs courants figurent les photodiodes PIN et les photodiodes à avalanche (APD). Les photodétecteurs APD se caractérisent par une sensibilité élevée, qui utilise l’effet de multiplication par avalanche pour amplifier le photocourant, lequel peut être doublé jusqu’au maximum ; les récepteurs APD sont donc plus sensibles et peuvent améliorer la sensibilité des diodes PIN de 6~10dB.

Figure 3: Structure ROSA

Types courants de photodiodes

PIN-TIA

Le PIN est l’ajout d’un semi-conducteur intrinsèque entre les jonctions PN. Lorsque le PIN-TIA fonctionne, un courant d’obscurité entraîne du bruit de signal, ce bruit de signal aura un impact sur le fonctionnement du PIN ; à mesure que la température augmente, les performances de la détection photoélectrique diminuent, entraînant une baisse de l’insensibilité.

APD-TIA

L’avalanche d’électrons à l’intérieur de la diode à avalanche APD amplifie le faible photocourant transmis, ce qui est également connu sous le nom d’effet de multiplication. Grâce à une sensibilité élevée avant l’amplification électrique, le courant d’obscurité dans la photodiode à avalanche APD est si faible que le bruit causé pendant la transmission est négligeable.

Les photodiodes PIN et APD convertissent toutes deux la lumière reçue du TOSA en un signal électrique ; la différence entre elles est que les diodes PIN sont moins chères et fonctionnent généralement à la même tension que les autres dispositifs électroniques. À une puissance optique donnée, elles produisent beaucoup moins d’électrons qu’une APD ; les récepteurs contenant des APD sont donc plus sensibles, et la distance de transmission du module optique intégrant une APD est plus longue. Par exemple, le 100GBASE-ER4 le module optique adopte un récepteur APD, il peut atteindre une distance de transmission maximale allant jusqu’à 40km.

Qu’est-ce que BOSA ?

Sous-ensemble optique bidirectionnel Lorsque l’émetteur-récepteur est suffisamment petit, le TOSA et le ROSA peuvent être intégrés dans un seul émetteur-récepteur pendant le processus de couplage. L’ensemble BOSA se compose de TOSA et de ROSA (LD et PD-TIA), de filtres WDM (0 degré et 45 degrés) ; d’isolateurs ; d’adaptateurs et de pigtails. Le BOSA permet aux modules optiques BiDi de prendre en charge deux longueurs d’onde sur une seule fibre grâce à la technologie bidirectionnelle.

Qu’est-ce qu’un PCBA

Le terme PCBA signifie Printed Circuit Board Assembly. Il est également connu sous le nom d’assemblage de PCB ou d’assemblage de circuits imprimés. Les modes d’assemblage de PCB sont généralement divisés en technologie de montage en surface (SMT) et boîtier double en ligne (DIP). En général, l’ensemble du processus de la carte nue de PCB passe par la section de couche supérieure SMT, puis par les insertions DIP. Les PCBA peuvent être utilisés dans les émetteurs-récepteurs, car des composants électroniques actifs et passifs sont soudés sur la carte de circuit imprimé. La fonction principale des PCBA est de fixer les circuits intégrés et d’autres composants électroniques afin de garantir la haute qualité des appareils électroniques.

Trois composants principaux nous permettent de constater que le PCBA est un composant complet ; une carte nue est appelée PCB (Printed Circuit Board). La différence entre PCB et PCBA est que le premier n’est qu’un circuit imprimé servant de support de connexion électrique pour les composants électroniques, tandis que le PCBA contient le PCB ainsi que d’autres pièces à assembler pour former un PCBA.

Conclusion

Cet article décrit en détail les différents composants internes des modules optiques, notamment TOSA, ROSA, PCBA, etc. Le TOSA convertit les signaux électriques en signaux optiques pour l’émetteur optique du module optique, et le ROSA convertit les signaux optiques en signaux électriques pour le récepteur du module optique. Si vous souhaitez en savoir plus sur les modules optiques, veuillez contacter QSFPTEK via [email protected], l’équipe d’assistance technique de QSFPTEK peut vous fournir des connaissances et des informations professionnelles relatives aux modules émetteurs-récepteurs optiques.