Внутренние компоненты и конструкция оптического трансивера

Оптические модули используются для подключения сетевых устройств, передачи и приема данных между сетевыми устройствами, а также для преобразования оптических и электрических сигналов. Оптический модуль является очень важным компонентом системы оптической связи. В этой статье мы расскажем о внутренних компонентах и структуре оптического модуля. 

Понимание внутренних компонентов оптического модуля позволяет глубже разобраться в принципе его работы. Мы также заметили, что многие статьи посвящены типам корпусов оптических модулей. Эта статья восполняет пробел в описании внутренних компонентов оптического модуля.

Основные внутренние компоненты оптических модулей

Оптический модуль состоит из трех основных компонентов: внешнего видимого корпуса, оптоэлектронных компонентов и PCBA. Внутри металлического корпуса оптического трансивера внутренние компоненты обычно соединяются между собой с помощью субсборок.

Оптоэлектронные устройства

Оптоэлектронные устройства обычно представляют собой компоненты оптических модулей, используемые для обнаружения и излучения электромагнитного излучения. Оптоэлектронные устройства обычно работают в видимой и ближней инфракрасной (NIR) областях электромагнитного спектра.

Оптоэлектронные устройства обнаруживают и испускают излучение, используя фотоэлектрический эффект материалов; это также называется взаимодействием света с веществом. Теоретической основой этого явления служит предположение Эйнштейна о том, что свет квантован и состоит из фотонов, а не представляет собой непрерывные волны.

Поскольку оптоэлектронные устройства являются наиболее важной частью оптического модуля, оптические модули разрабатываются для различных применений и обладают разными функциями. В трансиверах в целом используются два типа оптоэлектронных устройств, способных выполнять совершенно разные функции: TOSA и ROSA. Передающая оптическая часть называется TOSA, приемная оптическая часть называется ROSA, а объединенные вместе они называются BOSA.

Рисунок 1: Структура оптического модуля

Что такое TOSA?

TOSA в оптическом модуле отвечает за преобразование электрических сигналов в оптические сигналы для оптических передатчиков. Компоненты узла передачи оптического сигнала (TOSA) обычно включают оптические изоляторы, контрольные фотодиоды, схемы управления LD, термисторы, термоэлектрические охладители, схемы автоматического контроля температуры (ATC) и схемы автоматического контроля мощности (APT). Наиболее важным из них является лазерный диод.

Источник света (полупроводниковый светоизлучающий диод или лазерный диод) является основным компонентом. Кристалл LD, фотодиод мониторинга и другие компоненты упаковываются в компактную конструкцию (коаксиальный корпус TO или корпус типа «бабочка»), после чего образуют TOSA. Наиболее распространённым источником света является лазерный диод LD. По сравнению с LD и LED, LD обладает меньшим энергопотреблением, более высокой выходной мощностью и эффективностью связи, а LED отличается низкой стоимостью и длительным сроком службы и используется только для низкоскоростной передачи на короткие расстояния.

Рисунок 2: Структура TOSA

Распространённые типы лазерных диодов

Фабри — Перо (FP)

Соответствующее волокно бывает одномодовым или многомодовым; такой источник характеризуется высокой мощностью и малой шириной спектральной полосы и может использоваться как источник света для передачи на большие расстояния. FP представляет собой резонаторную структуру по сравнению с обычными диодами. Он обеспечивает подачу электричества, вызывающего переход электронов внутри резонатора на другой энергетический уровень и их высвобождение; торцевые поверхности резонатора могут использоваться в качестве двух зеркал, из-за чего фотоны концентрируются в резонаторе. Когда энергия накапливается до определенного уровня, она излучается, поэтому требуется пороговый ток.

Распределённая обратная связь-DFB

DFB-лазер похож на FB-лазер по структуре и характеристикам фотоэлектрического отклика, для передачи данных требуется ток выше критического, а большая часть диапазона длин волн находится в области 1550nm. Отличие от FP заключается в том, что в DFB с внешней стороны общей полости добавлен слой решетки, благодаря чему в полости существует только источник света одной длины волны; это называется одномодовым режимом. Благодаря этой особенности проще генерировать именно требуемый свет, однако стоимость выше. Этот 40GBASE-LR4 Оптический модуль оснащён передатчиком DFB с дальностью передачи до 10 км.

Что такое ROSA?

Как мы упоминали ранее, ROSA — это оптическая сборка приёмника. ROSA содержит фотодиод (PD), оптический интерфейс, металлический (или пластиковый) корпус и электрический интерфейс. В высокоскоростных оптических модулях диоды PIN или ADP и TIA устанавливаются в герметичный металлический корпус и образуют оптическую сборку приёмника. PD преобразует оптический сигнал в электрический, который затем преобразуется в сигнал напряжения трансимпедансным усилителем (TIA). Наиболее важным устройством сборки приёмника ROSA является фотодетектор, который преобразует световой сигнал в электрический посредством фотоэлектрического эффекта. 

К распространённым фотодетекторам относятся PIN-фотодиоды и лавинные фотодиоды (APD). Фотодетекторы APD отличаются высокой чувствительностью: в них используется эффект лавинного умножения для усиления фототока, который может увеличиваться максимум вдвое, поэтому приёмники APD более чувствительны и могут повысить чувствительность PIN-диодов на 6~10 дБ.

Рисунок 3: структура ROSA

Распространенные типы фотодиодов

PIN-TIA

PIN представляет собой добавление собственного полупроводника между PN-переходами. При работе PIN-TIA тёмновой ток приводит к появлению сигнального шума, который влияет на работу PIN; с повышением температуры характеристики фотоэлектрического обнаружения ухудшаются, что приводит к снижению чувствительности.

APD-TIA

Электронная лавина внутри лавинного диода APD усиливает передаваемый слабый фототок, что также известно как эффект умножения. Благодаря высокой чувствительности до электрического усиления темновой ток в лавинном фотодиоде APD настолько мал, что шум, возникающий во время передачи, незначителен.

Фотодиоды PIN и APD преобразуют полученный от TOSA свет в электрический сигнал. Разница между ними заключается в том, что диоды PIN дешевле и обычно работают при том же напряжении, что и другие электронные устройства. При заданной оптической мощности они генерируют значительно меньше электронов, чем APD, поэтому приемники с APD более чувствительны, а дальность передачи оптического модуля с APD больше. Например, 100GBASE-ER4 Оптический модуль использует приемник APD и может обеспечить максимальную дальность передачи до 40 км.

Что такое BOSA?

Двунаправленный оптический узел. Когда трансивер становится достаточно компактным, TOSA и ROSA могут быть объединены в одном трансивере в процессе сопряжения. Сборка BOSA состоит из TOSA и ROSA (LD и PD-TIA), WDM-фильтров (0 и 45 градусов), изоляторов, адаптеров и пигтейлов. BOSA позволяет оптическим модулям BiDi поддерживать две длины волн в одном волокне благодаря использованию двунаправленной технологии.

Что такое PCBA

Термин PCBA означает сборку печатной платы. Он также известен как сборка PCB или монтаж печатной платы. Способы сборки PCB обычно подразделяются на технологию поверхностного монтажа (SMT) и монтаж компонентов в корпусах с двухрядными выводами (DIP). Как правило, весь процесс изготовления печатной платы проходит через участок верхнего слоя SMT, а затем через участок установки компонентов DIP. PCBA могут использоваться в трансиверах, поскольку на печатной плате распаиваются активные и пассивные электронные компоненты. Основная функция PCBA заключается в фиксации интегральных схем и других электронных компонентов для обеспечения высокого качества электронных устройств.

Три основных компонента позволяют понять, что PCBA является полноценным компонентом: голая плата называется PCB (печатная плата). Разница между PCB и PCBA заключается в том, что первая представляет собой только печатную плату, служащую носителем электрических соединений для электронных компонентов, тогда как PCBA, помимо PCB, содержит ряд других деталей, собранных вместе в единую PCBA.

Заключение

В этой статье подробно описываются различные внутренние компоненты оптических модулей, включая TOSA, ROSA, PCBA и другие. TOSA преобразует электрические сигналы в оптические для оптического передатчика модуля, а ROSA преобразует оптические сигналы в электрические для приемника модуля. Если вы хотите узнать больше об оптических модулях, свяжитесь с QSFPTEK Техническая служба поддержки QSFPTEK может предоставить профессиональные знания и информацию, связанные с оптическими трансиверными модулями, по адресу [email protected].