Os Componentes Internos e a Estrutura do Transceptor Óptico

Módulos ópticos são dispositivos usados para conectar dispositivos de rede, transmitir e receber dados entre dispositivos de rede, e podem ser usados para converter sinais ópticos e elétricos. O módulo óptico é um componente muito importante em um sistema de comunicação óptica. Este artigo apresentará a você os componentes internos e a estrutura do módulo óptico. 

Compreender os componentes internos do módulo óptico pode nos proporcionar mais conhecimento sobre o princípio de funcionamento do módulo óptico. Também observamos que muitos artigos tratam do tipo de encapsulamento do módulo óptico; este artigo preencherá essa lacuna na introdução dos componentes internos do módulo óptico.

Os principais componentes internos dos módulos ópticos

Três componentes principais compõem o módulo óptico: o invólucro externo visível, os componentes optoeletrônicos e a PCBA. Dentro do invólucro metálico do transceptor óptico, os componentes internos geralmente são conectados entre si por subconjuntos.

Dispositivos optoeletrônicos

Dispositivos optoeletrônicos geralmente se referem a componentes em módulos ópticos usados para detectar e emitir radiação eletromagnética. Dispositivos optoeletrônicos geralmente estão localizados nas regiões visível e do infravermelho próximo (NIR) do espectro eletromagnético.

Dispositivos optoeletrônicos detectam e emitem radiação usando o efeito fotoelétrico dos materiais, também chamado de interações luz-matéria. O suporte teórico para esse fenômeno é a proposta de Einstein de que a luz é quantizada e composta de fótons, em vez de ondas contínuas.

Como os dispositivos optoeletrônicos são a parte mais importante do módulo óptico. Os módulos ópticos são projetados para diferentes aplicações e têm funções diferentes; há dois tipos de dispositivos optoeletrônicos que, em transceptores gerais, podem desempenhar funções completamente diferentes: TOSA e ROSA. A parte de transmissão óptica é chamada de TOSA, a parte de recepção óptica é chamada de ROSA, e as duas combinadas são chamadas de BOSA.

Figura 1: Estrutura do módulo óptico

O que é TOSA?

O TOSA no módulo óptico é responsável por converter sinais elétricos em sinais ópticos para transmissores ópticos. Os componentes Transmit Optical Sub-Assembly (TOSA) geralmente consistem em isoladores ópticos, fotodiodos de monitoramento, circuitos de driver LD, termistores, resfriadores termoelétricos, circuitos de controle automático de temperatura (ATC) e circuitos de controle automático de potência (APT). O mais importante deles é o Diodo Laser.

A fonte de luz (diodo emissor de luz semicondutor ou diodo laser) é o núcleo; o chip LD, o fotodiodo de monitoramento e outros componentes são encapsulados em uma estrutura compacta (encapsulamento coaxial TO ou encapsulamento borboleta) e, em seguida, constituem o TOSA. A fonte de luz mais comum é o diodo laser LD. Em comparação entre LD e LED, o LD tem menor consumo de energia, maior saída e eficiência de acoplamento; o LED tem as vantagens de baixo custo e longa vida útil, e é usado apenas para transmissão de baixa velocidade e curta distância.

Figura 2: Estrutura TOSA

Tipos comuns de diodos laser

Fabry-Perot (FP)

A fibra correspondente é monomodo/multimodo, tem alta potência, baixa largura de linha de banda (largura espectral) e pode ser usada como fonte de luz de longa distância. FP é uma estrutura de cavidade ressonante em comparação com diodos comuns. Ela fornece eletricidade para fazer com que os elétrons dentro da cavidade, devido ao salto de nível de energia, liberem os elétrons; a face final da cavidade pode ser usada como dois espelhos finais, fazendo com que os fótons convirjam na cavidade. Quando a energia se acumula até um determinado nível, ela será emitida, portanto, a corrente crítica é necessária.

Distributed Feedback-DFB

O laser DFB é semelhante ao laser FB em estrutura e características de resposta fotoelétrica; a transmissão de comunicação precisa estar acima da corrente crítica, e a maior parte da faixa de comprimento de onda fica em torno de 1550nm. A diferença em relação ao FP é que o DFB adiciona uma camada de grade ao longo da parte externa da cavidade comum, de modo que a luz laser permite que apenas uma fonte de luz de comprimento de onda único exista na cavidade; chamamos isso de Modo Longitudinal Único. Com base nesse recurso, é mais fácil e mais caro gerar a luz especificamente necessária. O 40GBASE-LR4 o módulo óptico adota um transmissor DFB que pode alcançar até 10km.

O que é ROSA?

Como mencionamos anteriormente, ROSA é um conjunto receptor óptico; ROSA contém um fotodiodo (PD), uma interface óptica, uma carcaça de metal (ou plástico) e uma interface elétrica. Em módulos ópticos de alta velocidade, diodos PIN ou ADP e TIAs são projetados para serem montados em uma carcaça metálica selada, e estes constituem um conjunto receptor óptico. O PD converte o sinal óptico em um sinal elétrico, que posteriormente é transformado em um sinal de tensão por um Amplificador de Transimpedância (TIA). O dispositivo mais importante do conjunto receptor ROSA é o fotodetector; o fotodetector pode converter o sinal luminoso em um sinal elétrico por meio do efeito fotoelétrico. 

Alguns fotodetectores comuns incluem fotodiodos PIN e fotodiodos de avalanche (APD). Os fotodetectores APD são caracterizados por alta sensibilidade, usando o efeito multiplicador de avalanche para aumentar a fotocorrente, que pode ser duplicada até o máximo; portanto, os receptores APD são mais sensíveis e podem melhorar a sensibilidade dos diodos PIN em 6~10dB.

Figura 3: Estrutura ROSA

Tipos comuns de fotodiodos

PIN-TIA

O PIN é a adição de um semicondutor intrínseco entre as junções PN. Quando o PIN-TIA funciona, uma corrente escura levará a ruído de sinal; esse ruído de sinal terá impacto no funcionamento do PIN. À medida que a temperatura aumenta, o desempenho da detecção fotoelétrica se tornará menor, resultando em uma diminuição da insensibilidade.

APD-TIA

A avalanche de elétrons dentro do diodo avalanche APD amplifica a fotocorrente fraca transmitida, o que também é conhecido como efeito de multiplicação. Com alta sensibilidade antes da amplificação elétrica, a corrente escura no fotodiodo avalanche APD é tão pequena que o ruído causado durante a transmissão é desprezível.

Os fotodiodos PIN e APD convertem a luz recebida do TOSA em um sinal elétrico; a diferença entre eles é que os diodos PIN são mais baratos e geralmente operam na mesma tensão que outros dispositivos eletrônicos. Em uma determinada potência óptica, eles produzem muito menos elétrons do que um APD, portanto os receptores que contêm APDs são mais sensíveis, e a distância de transmissão do módulo óptico que inclui APD é maior. Por exemplo, o 100GBASE-ER4 o módulo óptico adota um receptor APD, podendo atingir uma distância máxima de transmissão de até 40km.

O que é BOSA?

Subconjunto Óptico Bidirecional Quando o transceptor é pequeno o suficiente, o TOSA e o ROSA podem ser integrados em um transceptor durante o processo de acoplamento. O conjunto BOSA consiste em TOSA e ROSA (LD e PD-TIA), filtros WDM (0 grau e 45 graus); isoladores; adaptadores e pigtails. O BOSA permite que módulos ópticos BiDi suportem dois comprimentos de onda em uma fibra usando tecnologia bidirecional.

O que é PCBA

O termo PCBA significa Printed Circuit Board Assembly. Também é conhecido como montagem de PCB ou montagem de circuito impresso. Os modos de montagem de PCB geralmente são divididos em tecnologia de montagem em superfície (SMT) e encapsulamento dual in-line (DIP). Normalmente, todo o processo da placa nua de PCB passa pela seção superior de SMT e depois pelos insertos DIP. PCBAs podem ser usados em transceptores porque há componentes eletrônicos ativos e passivos soldados à placa de circuito impresso. A principal função das PCBAs é fixar circuitos integrados e outros componentes eletrônicos como forma de garantir a alta qualidade dos dispositivos eletrônicos.

Três componentes principais fazem com que possamos ver que PCBA é um componente completo; há uma placa nua chamada PCB (Printed Circuit Board). A diferença entre PCB e PCBA é que a primeira é apenas uma placa de circuito impresso como portadora de conexão elétrica para componentes eletrônicos, enquanto PCBA contém PCB, além de algumas outras peças a serem montadas juntas em um PCBA.

Conclusão

Este artigo descreve em detalhes os vários componentes internos dos módulos ópticos, incluindo TOSA, ROSA, PCBA e assim por diante. O TOSA converte sinais elétricos em sinais ópticos para o transmissor óptico do módulo óptico, e o ROSA converte sinais ópticos em sinais elétricos para o receptor do módulo óptico. Se quiser saber mais sobre módulos ópticos, entre em contato QSFPTEK via [email protected], a equipe de suporte técnico da QSFPTEK pode fornecer a você conhecimentos e informações profissionais relacionados a módulos transceptores ópticos.