I componenti interni e la struttura del transceiver ottico

I moduli ottici sono dispositivi utilizzati per collegare dispositivi di rete, trasmettere e ricevere dati tra dispositivi di rete e possono essere usati per convertire segnali ottici ed elettrici. Il modulo ottico è un componente molto importante in un sistema di comunicazione ottica. Questo articolo presenterà i componenti interni e la struttura del modulo ottico. 

Comprendere i componenti interni del modulo ottico può darci una conoscenza più approfondita del principio di funzionamento del modulo ottico; notiamo anche che molti articoli riguardano il tipo di package del modulo ottico, questo articolo colmerà la lacuna nell'introduzione dei componenti interni del modulo ottico.

I principali componenti interni dei moduli ottici

Tre componenti principali costituiscono il modulo ottico: l'alloggiamento esterno visibile, i componenti optoelettronici e la PCBA. All'interno dell'alloggiamento metallico del transceiver ottico, i componenti interni sono generalmente collegati tra loro con sottoassiemi.

Dispositivi optoelettronici

I dispositivi optoelettronici si riferiscono generalmente ai componenti nei moduli ottici utilizzati per rilevare ed emettere radiazioni elettromagnetiche. I dispositivi optoelettronici si trovano generalmente nelle regioni del visibile e del vicino infrarosso (NIR) dello spettro elettromagnetico.

I dispositivi optoelettronici rilevano ed emettono radiazioni utilizzando l'effetto fotoelettrico dei materiali, chiamato anche interazioni luce-materia. Il supporto teorico a questo fenomeno è la proposta di Einstein secondo cui la luce è quantizzata e composta da fotoni anziché da onde continue.

Poiché i dispositivi optoelettronici sono la parte più importante del modulo ottico. I moduli ottici sono progettati per applicazioni diverse e hanno funzioni diverse; esistono due tipi di dispositivi optoelettronici che, nei transceiver generici, possono svolgere funzioni completamente diverse: TOSA e ROSA. La parte di trasmissione ottica è chiamata TOSA, la parte di ricezione ottica è chiamata ROSA; le due combinate insieme sono chiamate BOSA.

Figura 1: struttura del modulo ottico

Che cos'è TOSA?

Il TOSA nel modulo ottico è responsabile della conversione dei segnali elettrici in segnali ottici per i trasmettitori ottici. I componenti Transmit Optical Sub-Assembly (TOSA) sono generalmente costituiti da isolatori ottici, fotodiodi di monitoraggio, circuiti driver LD, termistori, raffreddatori termoelettrici, circuiti di controllo automatico della temperatura (ATC) e circuiti di controllo automatico della potenza (APT). Il più importante tra questi è il Laser Diode.

La sorgente luminosa (diodo a emissione luminosa a semiconduttore o diodo laser) è il nucleo; il chip LD, il fotodiodo di monitoraggio e altri componenti sono confezionati in una struttura compatta (package coassiale TO o package butterfly) e quindi costituiscono il TOSA. la sorgente luminosa più comune è il diodo laser LD. Rispetto a LD e LED, LD ha un consumo energetico inferiore, una maggiore potenza in uscita ed efficienza di accoppiamento; il LED presenta i vantaggi del basso costo e della lunga durata ed è utilizzato solo per trasmissioni a bassa velocità e a breve distanza.

Figura 2: struttura TOSA

Tipi comuni di diodi laser

Fabry-Perot (FP)

La fibra corrispondente è monomodale/multimodale, ha elevata potenza, ridotta larghezza di riga a bassa banda (Spectral width) e può essere utilizzata come sorgente luminosa a lunga distanza. FP è una struttura a cavità risonante rispetto ai diodi ordinari. Fornisce l'elettricità per far sì che gli elettroni all'interno della cavità, a causa del salto di livello energetico, rilascino elettroni; la faccia terminale della cavità può essere utilizzata come due specchi terminali, facendo convergere i fotoni nella cavità; quando l'energia si accumula fino a un certo livello, viene emessa, quindi è necessaria la corrente critica.

Feedback distribuito-DFB

Il laser DFB è simile al laser FB nella struttura e nelle caratteristiche di risposta fotoelettrica, la trasmissione di comunicazione deve essere superiore alla corrente critica e la maggior parte della banda di lunghezze d'onda è intorno a 1550nm; la differenza con FP è che DFB aggiunge uno strato di reticolo lungo l'esterno della cavità comune, in modo che la luce laser consenta l'esistenza nella cavità di una sorgente luminosa a una sola lunghezza d'onda, che chiamiamo Single Longitudinal Mode. In base a questa caratteristica, è più facile e più costoso generare la luce specificamente richiesta. Il 40GBASE-LR4 il modulo ottico adotta un trasmettitore DFB che può raggiungere fino a 10 km.

Che cos'è ROSA?

Come abbiamo accennato in precedenza, ROSA è un gruppo ricevitore ottico; ROSA contiene un fotodiodo (PD), un'interfaccia ottica, un alloggiamento in metallo (o plastica) e un'interfaccia elettrica. Nei moduli ottici ad alta velocità, i diodi PIN o ADP e i TIA sono progettati per essere assemblati in un alloggiamento metallico sigillato e questi costituiscono un gruppo ricevitore ottico. Il PD converte il segnale ottico in un segnale elettrico, che viene successivamente trasformato in un segnale di tensione da un amplificatore a transimpedenza (TIA). Il dispositivo più importante del gruppo ricevitore ROSA è il fotorilevatore, che può convertire il segnale luminoso in un segnale elettrico tramite l'effetto fotoelettrico. 

Alcuni fotodetettori comuni includono fotodiodi PIN e fotodiodi a valanga (APD). I fotodetettori APD sono caratterizzati da un'elevata sensibilità e utilizzano l'effetto di moltiplicazione a valanga per aumentare la fotocorrente, che può essere moltiplicata fino al massimo; pertanto, i ricevitori APD sono più sensibili e possono migliorare la sensibilità dei diodi PIN di 6~10dB.

Figura 3: struttura ROSA

Tipi comuni di fotodiodi

PIN-TIA

Il PIN è l'aggiunta di un semiconduttore intrinseco tra le giunzioni PN. Quando PIN-TIA funziona, una corrente di buio genera rumore di segnale; questo rumore di segnale avrà un impatto sul funzionamento del PIN e, con l'aumento della temperatura, le prestazioni della rilevazione fotoelettrica diminuiranno, con conseguente diminuzione dell'insensibilità.

APD-TIA

La valanga elettronica all'interno del diodo a valanga APD amplifica la debole fotocorrente trasmessa, fenomeno noto anche come effetto di moltiplicazione. Grazie all'elevata sensibilità prima dell'amplificazione elettrica, la corrente di buio nel fotodiodo a valanga APD è così ridotta che il rumore causato durante la trasmissione è trascurabile.

I fotodiodi PIN e APD convertono entrambi la luce ricevuta da TOSA in un segnale elettrico; la differenza tra loro è che i diodi PIN sono più economici e generalmente funzionano alla stessa tensione degli altri dispositivi elettronici. A una determinata potenza ottica, producono molti meno elettroni rispetto a un APD, quindi i ricevitori contenenti APD sono più sensibili e la distanza di trasmissione del modulo ottico che include APD è maggiore. Ad esempio, il 100GBASE-ER4 il modulo ottico adotta un ricevitore APD, può raggiungere una distanza massima di trasmissione fino a 40km.

Che cos'è BOSA?

Sottoassemblaggio ottico bidirezionale Quando il transceiver è abbastanza piccolo, TOSA e ROSA possono essere integrati in un unico transceiver durante il processo di accoppiamento. L'assemblaggio BOSA è costituito da TOSA e ROSA (LD e PD-TIA), filtri WDM (0 gradi e 45 gradi); isolatori; adattatori e pigtail. BOSA consente ai moduli ottici BiDi di supportare due lunghezze d'onda su una fibra utilizzando la tecnologia bidirezionale.

Che cos'è un PCBA

Il termine PCBA sta per assemblaggio di circuito stampato. È noto anche come assemblaggio PCB o assemblaggio di circuito stampato. Le modalità di assemblaggio PCB sono generalmente suddivise in tecnologia a montaggio superficiale (SMT) e dual in-line package (DIP). In genere, l'intero processo della scheda PCB nuda passa attraverso la sezione superiore SMT e poi attraverso gli inserti DIP. Le PCBA possono essere utilizzate nei ricetrasmettitori perché sulla scheda a circuito stampato sono saldati componenti elettronici attivi e passivi. La funzione principale delle PCBA è fissare i circuiti integrati e altri componenti elettronici, in modo da garantire l'alta qualità dei dispositivi elettronici.

Tre componenti principali ci fanno capire che il PCBA è un componente completo: c'è una scheda nuda chiamata PCB (Printed Circuit Board). La differenza tra PCB e PCBA è che il primo è solo una scheda a circuito stampato come supporto di connessione elettrica per componenti elettronici, mentre il PCBA contiene il PCB oltre ad alcune altre parti da assemblare insieme in un PCBA.

Conclusione

Questo articolo descrive in dettaglio i vari componenti interni dei moduli ottici, inclusi TOSA, ROSA, PCBA e così via. Il TOSA converte i segnali elettrici in segnali ottici per il trasmettitore ottico del modulo ottico, mentre il ROSA converte i segnali ottici in segnali elettrici per il ricevitore del modulo ottico. Se desideri saperne di più sui moduli ottici, contatta QSFPTEK tramite [email protected], il team di supporto tecnico di QSFPTEK può fornirti conoscenze e informazioni professionali relative ai moduli ricetrasmettitori ottici.