光トランシーバーの内部コンポーネントと構造

光モジュールは、ネットワークデバイスの接続や、ネットワークデバイス間でのデータの送受信に使用されるデバイスであり、光信号と電気信号の変換にも使用できます。光モジュールは、光通信システムにおいて非常に重要なコンポーネントです。この記事では、光モジュールの内部コンポーネントと構造について紹介します。 

光モジュールの内部コンポーネントを理解することで、その動作原理についてさらに詳しく知ることができます。また、光モジュールのパッケージタイプに関する記事は数多くありますが、本記事ではこれまで不足していた光モジュールの内部コンポーネントについて紹介します。

光モジュールの主な内部コンポーネント

光モジュールは、外部から見える筐体、光電子部品、PCBAの3つの主要コンポーネントで構成されています。光トランシーバーの金属筐体内部では、内部コンポーネントは一般にサブアセンブリで相互に接続されています。

光電子デバイス

光電子デバイスとは一般に、電磁放射を検出および放出するために光モジュールで使用されるコンポーネントを指します。光電子デバイスは一般に、電磁スペクトルの可視光および近赤外線（NIR）領域に位置します。

光電子デバイスは、材料の光電効果を利用して放射を検出および放出します。これは光と物質の相互作用とも呼ばれます’。この現象を理論的に裏付けるのは、光は連続波ではなく、量子化されて光子から構成されているというEinsteinの提唱です。

光電子デバイスは光モジュールの最も重要な部分です。光モジュールはさまざまな用途向けに設計され、それぞれ異なる機能を備えています。一般的なトランシーバーでまったく異なる機能を実現できる光電子デバイスには、TOSAとROSAの2種類があります。光送信部はTOSA、光受信部はROSAと呼ばれ、この2つを組み合わせたものはBOSAと呼ばれます。

図1: 光モジュールの構造

TOSAとは何ですか？

光モジュール内のTOSAは、光送信機において電気信号を光信号に変換する役割を担います。光送信サブアセンブリ（TOSA）のコンポーネントは、通常、光アイソレータ、モニタリングフォトダイオード、LDドライバ回路、サーミスタ、熱電冷却器、自動温度制御回路（ATC）、自動電力制御回路（APT）で構成されます。これらの中で最も重要なのはレーザーダイオードです。

光源（半導体発光ダイオードまたはレーザーダイオード）が中核となり、LDチップ、モニタリング用フォトダイオード、およびその他の部品がコンパクトな構造（TO同軸パッケージまたはバタフライパッケージ）に封入され、TOSAを構成します。最も一般的な光源はLDレーザーダイオードです。LDとLEDを比較すると、LDは消費電力が低く、出力と結合効率が高い一方、LEDには低コストで長寿命という利点があり、低速かつ短距離の伝送にのみ使用されます。

図2：TOSA構造

一般的なレーザーダイオードの種類

Fabry-Perot (FP)

対応する光ファイバーはシングルモード／マルチモードで、高出力かつ狭い線幅（スペクトル幅）を備えており、長距離用光源として使用できます。FPは、一般的なダイオードと比べて共振器構造を採用しています。電力を供給することで、共振器内の電子がエネルギー準位間を遷移して放出されます。共振器の端面は2枚の反射鏡として機能し、光子を共振器内に集束させます。エネルギーが一定レベルまで蓄積されると放出されるため、しきい値電流が必要です。

分布帰還-DFB

DFBレーザーは、構造および光電応答特性がFBレーザーと類似しており、通信伝送には臨界電流を上回る必要があります。また、波長帯域の大部分は1550nm付近です。FPとの違いは、DFBでは一般的な共振器の外側に沿ってグレーティング層が追加されており、共振器内には単一波長の光源しか存在できないことです。これを単一縦モードと呼びます。この特徴により、特定の要件を満たす光を生成しやすくなりますが、コストも高くなります。The 40GBASE-LR4 光モジュールは、最大10kmまで到達可能なDFBトランスミッターを採用しています。

ROSAとは何ですか？

先に述べたように、ROSAは光受信器アセンブリであり、フォトダイオード（PD）、光インターフェース、金属（またはプラスチック）製ハウジング、および電気インターフェースで構成されています。高速光モジュールでは、PINまたはADPダイオードとTIAが密閉された金属製ハウジング内に組み込まれるよう設計され、これらが光受信器アセンブリを構成します。PDは光信号を電気信号に変換し、その後、トランスインピーダンスアンプ（TIA）によって電圧信号に変換されます。受信器アセンブリROSAで最も重要なデバイスは光検出器であり、光検出器は光電効果によって光信号を電気信号に変換できます。 

一般的な光検出器には、PINフォトダイオードやアバランシェフォトダイオード（APD）などがあります。APD光検出器は高感度を特徴としており、アバランシェ増倍効果を利用して光電流を増強し、最大で2倍にできるため、APD受信機はより高感度で、PINダイオードの感度を6~10dB向上させることができます。

図3：ROSA構造

一般的なフォトダイオードの種類

PIN-TIA

PINは、PN接合の間に真性半導体を追加したものです。PIN-TIAの動作時には暗電流によって信号ノイズが発生し、この信号ノイズがPINの動作に影響を及ぼします。温度が上昇すると光電検出性能が低下し、その結果、不感度が低下します。

APD-TIA

APDアバランシェダイオード内部の電子なだれは、伝送された微弱な光電流を増幅します。これは増倍効果とも呼ばれます。電気的増幅前の感度が高く、APDアバランシェフォトダイオードの暗電流は非常に小さいため、伝送中に発生するノイズは無視できる程度です。

PINフォトダイオードとAPDフォトダイオードは、どちらもTOSAから受信した光を電気信号に変換します。両者の違いは、PINダイオードの方が安価で、一般的に他の電子デバイスと同じ電圧で動作することです。所定の光パワーでは、PINダイオードが生成する電子はAPDよりはるかに少ないため、APDを搭載した受信機の方が高感度で、APDを搭載した光モジュールの伝送距離も長くなります。例えば、 100GBASE-ER4 光モジュールはAPD受信器を採用しており、最大伝送距離は最大40kmに達します。

BOSAとは何ですか？

双方向光サブアセンブリ トランシーバーが十分に小型化されると、結合工程においてTOSAとROSAを1つのトランシーバーに統合できます。BOSAアセンブリは、TOSAとROSA（LDおよびPD-TIA）、WDMフィルター（0度および45度）、アイソレーター、アダプター、ピッグテールで構成されます。BOSAにより、BiDi光モジュールは双方向技術を使用して、1本のファイバー上で2つの波長をサポートできます。

PCBAとは何ですか

PCBAという用語はPrinted Circuit Board Assemblyの略です。PCBアセンブリまたはプリント回路アセンブリとも呼ばれます。PCBアセンブリ方式は通常、表面実装技術(SMT)とデュアルインラインパッケージ(DIP)に分類されます。一般に、PCBベアボードの全工程では、まずSMT上層工程を通過し、その後DIP挿入工程を通過します。プリント回路基板には能動および受動電子部品がはんだ付けされているため、PCBAはトランシーバーに使用できます。PCBAの主な機能は、電子機器の高品質を確保するために、集積回路やその他の電子部品を固定することです。

3つの主要な構成要素から、PCBAが完成した部品であることが分かります。ベアボードはPCB（プリント回路基板）と呼ばれます。PCBとPCBAの違いは、前者が電子部品の電気的接続の担体となるプリント回路基板のみであるのに対し、PCBAはPCBに加えて、PCBAとして組み立てられるその他の部品も含む点です。

結論

この記事では、TOSA、ROSA、PCBAなど、光モジュールのさまざまな内部コンポーネントについて詳しく説明します。TOSAは、光モジュールの光送信器において電気信号を光信号に変換し、ROSAは、光モジュールの受信器において光信号を電気信号に変換します。光モジュールについてさらに詳しく知りたい場合は、お問い合わせください QSFPTEK [email protected]を通じて、QSFPTEKのテクニカルサポートチームが、光トランシーバーモジュールに関する専門的な知識と情報を提供します。