Optische modulecomponenten uitgelegd: TOSA, ROSA, DSP, lasers, modulatoren en meer

Een optische module is geen enkel opto-elektronisch apparaat. Het is een nauw geïntegreerd transmissiesysteem dat bestaat uit een zendblok, een ontvangblok, functionele circuits,en optische/elektrische interfacesSamen zetten deze elementen elektrische signalen om in optische signalen, herstellen het binnenkomende licht terug in elektrische vorm en behouden ze de signaalintegritie over de link.

Wat zijn de belangrijkste onderdelen van een optische module?

Een optische module is een elektro-optische transceiver assemblage gebouwd rond vier top-level blokken:TOSA,Roze,functioneel circuit, enoptische/elektrische interfacesDe zendzijde genereert en moduleert licht, de ontvangende zijde detecteert en herstelt het, de circuits bedienen aandrijving, versterking, controle en digitale correctie,en de interfaces verbinden de module met het host systeem en glasvezel link.

Op architectonisch niveau kan de module worden onderverdeeld in eenzendpad, aontvang pad, abesturingspadDe zendzijde is gewoonlijk gegroepeerd onderTOSA(transmitter optische subassemblage), terwijl de ontvangende zijde is gegroepeerd onderRoze(ontvanger optische subassemblee).bestuurder IC,TIA,DSP, en decontrole-eenheid, terwijl de optische en elektrische interfaces de module aan de vezel aan de ene kant en het hostbord aan de andere kant verbinden.

De belangrijkste interne apparaten die vaak worden besproken in een componentniveau-weergave van een optische module zijn delaserdiode (LD),fotodetector (PD),optische golfgeleider (WG),optische modulator (OM),transimpedantieversterker (TIA),bestuurder IC, enMUX/DEMUXHet is de bedoeling dat de modules in het kader van de nieuwe technologieën worden geïntegreerd in de nieuwe technologieën.

Hoe het signaalpad van de optische module werkt

Aan de zendzijde gaat het elektrische signaal door de elektrische interface en dan door naar het stuurstadium.de module ofwel een laser rechtstreeks aandrijft, ofwel een laser met een continue golf samen met een aparte optische modulator gebruiktHet resulterende optische signaal wordt vervolgens naar de glasvezeluitgang geleid.

elektrische input → driver IC → laser en/of modulator → optische output

Aan de ontvangerzijde komt het optische signaal via de vezelinterface, komt het de fotodetector binnen en wordt het omgezet in fotostroom.Dus het wordt doorgegeven aan deTIA, dat het omzet in een signaal in spanningsgebied dat geschikt is voor verdere verwerking.downstream circuitry herstelt de elektrische gegevens en stuurt ze via de elektrische interface aan de gastheerzijde.

Zelfs wanneer het signaaldiagram zich richt op LD, PD, MUX, DEMUX of DSP, heeft een praktische module nog steeds monitoring, bias control, state management,en interface-toezichtDaarom blijft de besturingseenheid een onderdeel van de architectuur in plaats van een perifere toevoeging.

Laserdioden in optische modules: EEL, FP, DFB, DML, EML en VCSEL

De laserdiode is de lichtbron van de optische module.In het ontwerp van modules, is echter de belangrijkste technische vraag niet alleen hoe de laser werkt, maar welke laserstructuur en modulatie aanpak het beste past bij het doel bereik, snelheid en signaalkwaliteit vereiste.

Een belangrijke structurele scheiding is tussenedge-emitting lasers (EEL's)enverticale oppervlakte-emitterende lasers (VCSEL's)In een EEL wordt de resonantieholte gevormd langs het vlak van de chip, zodat het licht parallel aan het substraat uitgaat.en het licht gaat loodrecht op het chipoppervlakDat structurele verschil is een van de redenen waarom VCSEL's sterk geassocieerd worden met transceivers met kort bereik.Terwijl laserfamilies op basis van indiumfosfyde vaker worden gebruikt wanneer de bereik- en lijnsnelheidsvereisten stijgenHet overzicht van het transceiverplatform van Coherent® plaatst VCSEL bijvoorbeeld in de categorieën 1.6T-ontwikkeling met korte bereik en InP-gebaseerde DML/EML-oplossingen met middellange en lange bereik.

Binnen de EEL-familie zijn er twee veel voorkomende subtypes:FPenDFBLasers.Fabry-Pérot (FP)Lasers zijn ouder, eenvoudiger en meestal geassocieerd met een lagere snelheid, kortere afstandsoverdracht.Distribueerde feedback (DFB)Lasers voegen een roosterstructuur toe om een enkele longitudinale modustuitgang te ondersteunen, waardoor ze beter geschikt zijn voor hogere snelheid en optische verbindingen met een langere bereik.

Een andere belangrijke scheiding is tussenDMLenEML. Amet een vermogen van niet meer dan 10 WHet is aantrekkelijk vanwege de integratie en de eenvoud, maar het creëert ook technische compromissen.de brekingsindex van het actieve gebied verandert ookIn de praktijk beperkt dit de transmissieafstand, beperkt het de bandbreedte,en kan het moeilijker maken om een hoge uitstervingsgraad te handhaven op veeleisender werkplekken.

Eenmet een vermogen van niet meer dan 50 WIn de vorm die in echte producten wordt gebruikt, integreert de EML eenDFB-lasermet eenmet een vermogen van niet meer dan 10 WDe EML-documentatie van Coherent beschrijft het apparaat precies op die manier en plaatst het voor hogesnelheid PAM4-transmissie.Terwijl de bredere transceiver roadmap plaatst EML in een langere bereik categorieën dan VCSEL.

Daarom is de praktische bereikkaart in het referentiekader zinvol:VCSELis gepositioneerd voor verbindingen binnen ongeveer200 m,DMLvoor ongeveer500 m tot 10 km, enEMLvoor40 km en verderDe exacte breekpunten zijn altijd afhankelijk van het systeemontwerp, maar de technische logica is stabiel: hoe groter het bereik en hoe strenger de signaalintegriteitsvereiste, hoe groter de breekpunten, hoe groter de breekpunten.Hoe meer waardevol de gecontroleerde modulatie en de lagere chirp worden.

Optische modulatoren: Hoe informatie op licht wordt geladen

De optische modulator is het apparaat dat een continue optische drager omzet in een gegevensdragend signaal.intensiteit,fase, ofpolarisatieDeze functie is centraal voor moderne optische modules, omdat de prestaties van de zender vaak evenzeer worden bepaald door de modulatiemethode als door de laser zelf.

Een veel voorkomende siliciumroute maakt gebruik vaneffect van plasmaspreidingBij deze benadering verandert een PN-sluitingsstructuur de dragerconcentratie in de siliciumgolfgeleider, waardoor de brekingsindex en de absorptie veranderen.Deze faseverandering kan vervolgens worden omgezet in intensiteitsmodulatie in structuren zoals eenMach·Zehnder-interferometer (MZI/MZM)In een fundamenteel Optica-artikel wordt de siliciumoptische modulatie expliciet beschreven als gebaseerd op het effect van de vrije dragerplasma-dispersie.en recent Intel silicium-fotonica werk blijft bouwen van high-speed geïntegreerde zenders rond Mach Zehnder-gebaseerde architecturen voor schaalbare optische interconnecties.

De belangrijkste aantrekkingskracht van siliciummodulatoren is de procescompatibiliteit en de integratie-dichtheid.CMOS-georiënteerdIn de eerste plaats is het belangrijk dat de optische verbindingen in de productielogica goed zijn afgestemd op de kosten van de optische verbindingen.kort bereik datacenter-interconnecties, waar integratie, vermogen en verpakkingsomvang net zo belangrijk zijn als de elegantie van het apparaat.

Een tweede route is gebaseerd op dePockels-effectinLithiumniobate (TFLN)Hier verandert een toegepast elektrisch veld de brekingsindex direct.Het is vooral aantrekkelijk geworden omdat het de klassieke elektro-optische voordelen van lithiumniobate combineert met een veel meer geïntegreerd platformEen onderzoek van Nature Communications naar dunne-film-lithiumniobaten-modulatoren benadrukt precies de eigenschappen die dit platform waardevol maken bij veeleisende verbindingen:grote bandbreedte, lage aandrijvingsspanning, laag verlies, compacte voetafdruk en lage chirp. (De natuur)

Een derde route maakt gebruik van dequantum-confined Stark effect (QCSE)inInP-gebaseerde multi-quantum-putIn het referentiekader wordt deze route gepresenteerd als het kernmechanisme achter veelEMLIn technische termen is het aantrekkelijk omdat het kan leverenhoge efficiëntie,goede uitstervingsratio, enlage aandrijvingsspanning, waardoor het goed geschikt is voor10 ̊80 kmklassenoverdracht.

Fotodetectoren en TIA's: Hoe optische signalen weer elektrische signalen worden

Aan de ontvangkant moet de optische module het binnenkomende licht omzetten in bruikbare elektrische informatie.fotodetector (PD)De functie is het opnemen van het binnenkomende optische signaal en het genereren van ladingdragers, waardoor fotostroom wordt geproduceerd die het ontvangen licht reflecteert.

Twee gemeenschappelijke detectorfamilies zijn:met een vermogen van niet meer dan 50 WenAPD-fotodioden. APIN-codeDe detector biedt een matige gevoeligheid en is over het algemeen goed geschikt voor optische communicatie op korte en middellange afstand.APDDe technische notitie van Hamamatsu legt uit dat APD's de fotostroom intern vermenigvuldigen en een hogere gevoeligheid bereiken.en kan een hogere S/N leveren dan PIN-fotodiodenDat is precies de reden waarom APD's vaak de voorkeur krijgen wanneer de ontvangende zijde met zwakkere signalen moet werken of langere verbindingen moet ondersteunen.

De detector alleen is niet voldoende. Een fotodiode geeft stroom uit, maar de meeste stroomafwaartse circuits werken effectiever met spanningsdomeinsignalen.transimpedantieversterker (TIA)TI en Analog Devices beschrijven beide de front-endrol van de TIA op dezelfde praktische manier:het omzet fotodiode stroom in spanning terwijl het behoud van bruikbare bandbreedte voor de rest van de ontvanger ketenIn optische modules maakt dat de PD en de TIA een functioneel paar in plaats van twee geïsoleerde delen.

MUX en DEMUX: waarom optische modules parallelle transmissieroutes nodig hebben

Een moderne optische module doet meer dan één optische stroom door één pad sturen.MUXenDEMUXapparaten.

EenMultiplexer (MUX)Een combinatie van meerdere optische kanalen in één uitgangsweg.demultiplexer (DEMUX)Het systeem is een systeem dat de ontvangende combinatie van het signaal terug in de bestaande kanalen scheidt.parallelle optische transmissiemogelijk.

In het kader van het artikel wordt multiplexing in drie praktische categorieën onderverdeeld.Multiplexing met modusverdelingHet is een grensgericht pad, met representatieve instrumenten zoals:ADCenMMIkoppelingen.Multiplexing door golflengteverdelingis het hoofdstroompad, met behulp van apparaten zoalsAWG,TFF, enMRR.Polarisatie-multiplexwordt geassocieerd met coherente modules en is afhankelijk van apparaten zoals polarisatie splitters/combinators en polarisatie rotators.

Die categorisatie is belangrijk omdat het voorkomt dat module families met elkaar worden vermengd.en niet elke datacom module met korte afstand heeft dezelfde multiplexingsstrategie nodig als een coherent langeafstandsontwerpHet MUX/DEMUX-ontwerp is dus een bandbreedteprobleem, maar ook een module-architectuurprobleem.

Wat doet DSP in een optische module

DeDSPOp de zendzijde gaan gegevens vaak door eenDACHet analoge signaal wordt op de ontvangerzijde via een elektronische verbinding gestuurd.ADCDeze stappen, samen met vezelproblemen en niet-ideale apparaten, introduceren vervorming die moet worden gecorrigeerd als de module een laag bitfoutpercentage wil behouden.

In praktische optische systemen wordt DSP gebruikt voor taken zoals:voorvervorming,terugvordering van de klok,dispersiecompensatie,evenwicht, en geluidsreductie of andere belemmeringen.NTT's technische uitleg van de optische transceiver DSP stelt dat de ontvanger-kant DSP compenseren golfvorm vervorming veroorzaakt door chromatische dispersie en optische niet-lineaire effecten, en voert ook adaptieve gelijkstelling en signaalherstelfuncties uit.DSP is het circuit dat het optische pad helpt zich te gedragen als een betrouwbaar communicatiekanaal in plaats van een fragiele analoge link. (NTT-beoordeling)

In een eenvoudiger module taal is DSP wat de optische hardware in staat stelt om dichter bij de beoogde prestatiegrens te werken.De Commissie heeft in haar advies over het voorstel voor een richtlijn van de Raad tot wijziging van Verordening (EG) nr.BERIk heb het onder controle.

Hoe de keuze van componenten invloed heeft op bereik, bandbreedte en toepassingsfit

De belangrijkste ontwerples is dat een optische module eenarchitectuurprobleem op systeemniveauHet bereik van de link wordt niet bepaald door de laser alleen. De bandbreedte wordt niet bepaald door de MUX alleen. De ontvangersensitiviteit wordt niet bepaald door de PD alleen.Echte prestaties komen van hoe de lichtbron, modulatiemethode, ontvanger front-end, kanaalarchitectuur en digitale compensatie strategie worden gecombineerd.

Voorkorteafstandstransmissie, de architectuur vaak de voorkeur aan apparaten en platforms die goed schaalbaar in volume en integratie, zoalsVCSEL-gebaseerde zendpadenofop siliciumfotonica gebaseerde modulatiewegenVoor.Midden- en langeafstandstransmissieDe architectuur profiteert in toenemende mateDFB/EML-achtige zenders, sterkere ontvangersensitiviteit zoalsAPD-gebaseerde detectie, en meer geavanceerde digitale correctie.Coherent's eigen product- en routekaartmateriaal weerspiegelt dezelfde trend door VCSEL in de korte-afstandsontwikkeling en InP-gebaseerde EML of aanverwante modulatie-laserfamilies in de middellange- en langeafstandscategorieën te plaatsen.

In een optische module vertegenwoordigt elk groot apparaat een ontwerpkeuze met betrekking tot afstand, gegevenssnelheid, signaalkwaliteit,integratiemethode, en kostenstructuur.

Veelgestelde vragen

Wat zijn de belangrijkste onderdelen van een optische module?

De belangrijkste componenten zijn:TOSA,Roze,functioneel circuit, enoptische/elektrische interfacesBinnen die blokken zijn de belangrijkste apparaten delaserdiode,optische modulator,fotodetector,TIA,bestuurder IC,MUX/DEMUX, en vaakDSP.

Wat is het verschil tussen TOSA en ROSA in een optische transceiver?

TOSAis de optische subassemblee van de zender. Het verwerkt lichtgeneratie en optische output.RozeHet is de optische onderassemblage van de ontvanger. Het verwerkt optische ontvangst, fotodetectie en de eerste fase van elektrisch herstel.

DML vs. EML vs. VCSEL: welke wordt gebruikt voor optische modules met korte en lange afstand?

In het hier gebruikte kaderVCSELHet is niet mogelijk om de gegevens te verzamelen.200 m.DMLis geplaatst in de korte tot midden bereik ruimte, ongeveer500 m tot 10 km.EMLwordt gebruikt wanneer een betere signaalkwaliteit en een langer bereik nodig zijn, met inbegrip van:40 km en verder.

Wat doet DSP in een optische module?

DSP compenseert de door de conversiefasen en het optische kanaal veroorzaakte verstoringen.voorvervorming,terugvordering van de klok,dispersiecompensatie,evenwicht, enVerbetering van BER.

Waarom gebruiken optische modules MUX en DEMUX?

Zij stellen de module in staat om meerdere optische kanalen te combineren en te scheiden.parallelle transmissie, vooral wanneer het ontwerp meerdere golflengten of andere multiplexdimensies gebruikt om de bandbreedte te vergroten.

PIN versus APD fotodetector: wat is beter voor een langere transmissieafstand?

APDis over het algemeen beter wanneer de ontvangende zijde een hogere gevoeligheid nodig heeft, omdat het interne winst biedt door middel van lawinevermenigvuldiging.PIN-codeis eenvoudiger en werkt goed in veel toepassingen met korte en middellange afstand, maar APD wordt meestal verkozen wanneer zwakkere ontvangen signalen moeten worden gedetecteerd.