Componenti dei moduli ottici spiegati: TOSA, ROSA, DSP, laser, modulatori e altro

Un modulo ottico non è un singolo dispositivo optoelettronica. è un sistema di trasmissione strettamente integrato costruito da un blocco di trasmissione, un blocco di ricezione, circuiti funzionali,e interfacce ottiche/elettricheInsieme, questi elementi convertono i segnali elettrici in segnali ottici, recuperano la luce in entrata in forma elettrica e mantengono l'integrità del segnale attraverso il collegamento.

Quali sono i principali componenti di un modulo ottico?

Un modulo ottico è un assemblaggio di trasmettitori elettro-ottici costruito attorno a quattro blocchi di livello superiore:TOSA,Rosso,circuiti funzionali, einterfacce ottiche/elettricheIl lato trasmettitore genera e modula la luce, il lato ricevente la rileva e la ripristina, il circuito gestisce l'azionamento, l'amplificazione, il controllo e la correzione digitale,e le interfacce collegano il modulo al sistema host e il collegamento in fibra.

A livello architettonico, il modulo può essere suddiviso inpercorso di trasmissione, aricevere percorso, apercorso di controllo, e due strati di connessione esterna.TOSA(sottosistema ottico del trasmettitore), mentre il lato ricevente è raggruppato sottoRosso(sottosistema ottico del ricevitore).IC del driver,TIA,DSP, e ilunità di controllo, mentre le interfacce ottiche ed elettriche collegano il modulo alla fibra da un lato e alla scheda host dall'altro.

I principali dispositivi interni comunemente discussi in una vista a livello di componente di un modulo ottico sono idiodo laser (LD),fotodetettore (PD),guida d'onda ottica (WG),modulatore ottico (OM),amplificatore di transimpedenza (TIA),IC del driver, eMUX/DEMUXIl comportamento pratico del collegamento deriva dal modo in cui lavorano insieme.

Come funziona il percorso del segnale del modulo ottico

Sul lato trasmettitore, il segnale elettrico entra attraverso l'interfaccia elettrica, poi passa nella fase del driver.il modulo azionerà direttamente un laser o utilizzerà un laser a onda continua insieme a un modulatore ottico separatoIl segnale ottico risultante viene quindi indirizzato all'uscita della fibra.

input elettrico → driver IC → laser e/o modulatore → uscita ottica

Dal lato ricevente, il segnale ottico arriva attraverso l'interfaccia della fibra, entra nel fotodetettore, e viene convertito in fotocorrente.Quindi è passato alTIA, che lo converte in un segnale di dominio di tensione adatto ad ulteriore elaborazione.circuiti a valle ripristina i dati elettrici e li invia attraverso l'interfaccia elettrica lato host.

Anche quando il diagramma del segnale si concentra su LD, PD, MUX, DEMUX o DSP, un modulo pratico ha ancora bisogno di monitoraggio, controllo dei bias, gestione dello stato,e controllo delle interfacceÈ per questo che l'unità di controllo rimane parte dell'architettura piuttosto che un'aggiunta periferica.

Diodi laser nei moduli ottici: EEL, FP, DFB, DML, EML e VCSEL

Il diodo laser è la fonte di luce del modulo ottico. In termini di base, utilizza un mezzo di guadagno semiconduttore, eccitazione elettrica e una struttura di risonanza ottica per produrre l'uscita laser.Nella progettazione dei moduli, tuttavia, la questione ingegneristica più importante non è solo come funziona il laser, ma quale struttura del laser e l'approccio di modulazione si adattano meglio alla portata, alla velocità e alla qualità del segnale..

Un'importante divisione strutturale è tralaser ad emissioni di bordo (EEL)- elaser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL)In un EEL, la cavità risonante si forma lungo il piano del chip, quindi la luce esce parallela al substrato.e la luce esce perpendicolare alla superficie del chipQuesta differenza strutturale è una delle ragioni per cui i VCSEL sono fortemente associati agli trasmettitori a corto raggio.mentre le famiglie laser a base di indio-fosfuro sono più spesso utilizzate quando i requisiti di portata e velocità di corsia aumentanoLa panoramica della piattaforma di ricevitori di Coherent, ad esempio, colloca VCSEL nello sviluppo di 1.6T a corto raggio e le soluzioni DML/EML basate su InP nelle categorie a medio e lungo raggio.

All'interno della famiglia EEL, due sottotipi comuni sono:FP- eDFBLaser.Fabry-Pérot (FP)I laser sono più vecchi, più semplici e generalmente associati a trasmissioni a velocità inferiore e a distanza più breve.Feedback distribuito (DFB)I laser aggiungono una struttura a griglia per supportare l'uscita in modalità longitudinale singola, rendendoli più adatti a collegamenti ottici a più alta velocità e a più lungo raggio.

Un'altra divisione importante è traDML- eEML. Unlaser a modulazione diretta (DML)Questo è interessante per l'integrazione e la semplicità, ma crea anche compromessi di ingegneria.l' indice di rifrazione della regione attiva cambia ancheIn pratica, questo limita la distanza di trasmissione, limita la larghezza di banda,e può rendere più difficile mantenere un elevato tasso di estinzione in punti di funzionamento più esigenti.

Unlaser modulato per assorbimento elettrico (EML)L'EML, nella forma utilizzata nei prodotti reali, integra una funzione di modulazione che permette di distinguere la fonte ottica dalla funzione di modulazione.Laser DFBcon unmodulatore di assorbimento elettricoLa documentazione EML di Coherent® descrive il dispositivo esattamente in questo modo e lo posiziona per la trasmissione PAM4 ad alta velocità,mentre la sua tabella di marcia più ampia del ricevitore pone l'EML in categorie di portata più lunga rispetto al VCSEL.

È per questo che la mappa pratica di portata nel quadro di riferimento ha senso:VCSELè posizionato per i collegamenti entro circa200 m,DMLper approssimativamente500 m a 10 km, eEMLper40 km e oltreI punti di interruzione esatti dipendono sempre dalla progettazione del sistema, ma la logica ingegneristica è stabile: più la portata è ampia e più rigoroso è il requisito di integrità del segnale,la modulazione controllata più preziosa e il chirp inferiore diventano.

Modulatori ottici: come le informazioni vengono caricate sulla luce

Il modulatore ottico è il dispositivo che trasforma un vettore ottico continuo in un segnale portatore di dati.intensità,fase, opolarizzazioneQuesta funzione è fondamentale per i moderni moduli ottici perché le prestazioni del trasmettitore sono spesso determinate tanto dal metodo di modulazione quanto dal laser stesso.

Un percorso comune del silicio utilizzaeffetto di dispersione plasmaticaIn questo approccio, una struttura di giunzione PN modifica la concentrazione del vettore all'interno della guida d'onda di silicio, che modifica l'indice di rifrazione e l'assorbimento.Questo cambiamento di fase può quindi essere convertito in modulazione dell'intensità in strutture quali unInterferometro di Mach·Zehnder (MZI/MZM)Un documento fondamentale di Optica descrive esplicitamente la modulazione ottica del silicio come basata sull'effetto di dispersione del plasma del vettore libero.e recente Intel silicio-fotonica lavoro continua a costruire trasmettitori integrati ad alta velocità attorno a architetture basate su Mach·Zehnder per interconnessioni ottiche scalabili.

L'attrazione principale dei modulatori al silicio è la compatibilità dei processi e la densità di integrazione.CMOS-orientedL'obiettivo è quello di creare un sistema di connessione ottica in grado di essere utilizzato in tutte le aree di produzione.Interconnessioni a corto raggio tra data center, dove l'integrazione, la potenza e la scala del packaging contano quanto l'eleganza del dispositivo grezzo.

Un secondo percorso è basato sulEffetto Pockelsinniobato di litio a film sottile (TFLN)Qui, un campo elettrico applicato cambia l'indice di rifrazione direttamente.Il niobato di litio a film sottile è diventato particolarmente attraente perché combina i classici vantaggi elettro-ottici del niobato di litio con una piattaforma molto più integrataUno studio di Nature Communications sui modulatori a niobato di litio a pellicola sottile evidenzia esattamente le caratteristiche che rendono questa piattaforma preziosa nei collegamenti più esigenti:grande larghezza di banda, bassa tensione di azionamento, bassa perdita, impronta compatta e basso chirp. (Natura)

Un terzo percorso utilizza laeffetto Stark confinato quantisticamente (QCSE)inPozzo multi-quantum basato su InPNel quadro di riferimento, questa via è presentata come il meccanismo centrale alla base di molteEMLIn termini di ingegneria, è attraente perché può fornireelevata efficienza,buon rapporto di estinzione, ebassa tensione di azionamento, che lo rende ben adatto a10 ̊80 kmtrasmissione di classe.

Fotodettori e TIA: come i segnali ottici tornano a essere segnali elettrici

Sul lato ricevente, il modulo ottico deve convertire la luce in entrata in informazioni elettriche utilizzabili.fotodetettore (PD)Il suo compito è assorbire il segnale ottico in arrivo e generare portatori di carica, producendo fotocorrente che riflette la luce ricevuta.

Due famiglie comuni di rilevatori sono:Diodiodi fotovoltaici- eDiodiodi fotovoltaici. UnNumero PINIl rilevatore offre una sensibilità moderata ed è generalmente ben adatto alla comunicazione ottica a breve e media distanza.APDLa nota tecnica di Hamamatsu spiega che gli APD moltiplicano internamente la fotocorrente, raggiungendo una maggiore sensibilità,e possono fornire un S/N superiore a quello dei fotodiodi PINQuesto è esattamente il motivo per cui gli APD sono spesso preferiti quando il lato ricevente deve operare con segnali più deboli o supportare collegamenti più lunghi.

Il rilevatore da solo non è sufficiente. Un fotodiodo produce corrente, ma la maggior parte dei circuiti a valle funziona più efficacemente con segnali di dominio di tensione.amplificatore di transimpedenza (TIA)Il ruolo di front-end del TIA è descritto nello stesso modo pratico:converte la corrente del fotodiodo in tensione preservando la larghezza di banda utilizzabile per il resto della catena del ricevitoreNei moduli ottici, questo rende il PD e il TIA una coppia funzionale piuttosto che due parti isolate.

MUX e DEMUX: perché i moduli ottici hanno bisogno di percorsi di trasmissione paralleli

Un modulo ottico moderno fa più che inviare un flusso ottico attraverso un solo percorso.MUX- eDEMUXdispositivi.

AMultiplizzatore (MUX)Combina più canali ottici in un solo percorso di uscita.DEMUX (demultiplexer)In questo modo, il sistema di segnalazione è in grado di distinguere il segnale combinato in ingresso dai canali che lo compongono.trasmissione ottica parallelaPossibile.

Il quadro di riferimento dell'articolo divide il multiplexing in tre categorie pratiche.Multiplexaggio a divisione di modalitàIl percorso è presentato come un percorso orientato alle frontiere, con dispositivi rappresentativi quali:ADC- eMMIaccoppiatori.Multiplexing a divisione d'ondaè il percorso principale, utilizzando dispositivi comeAWG,TFF, eRRM.Polarizzazione multiplexè associato a moduli coerenti e si basa su dispositivi quali splitter/combinatori di polarizzazione e rotatori di polarizzazione.

Questa categorizzazione è importante perché impedisce alle famiglie di moduli di essere mescolate.e non tutti i moduli di datacom a corto raggio hanno bisogno della stessa strategia di multiplexing di un progetto coerente a lungo raggioLa progettazione MUX/DEMUX è quindi un problema di larghezza di banda, ma anche un problema di architettura dei moduli.

Che cosa fa il DSP in un modulo ottico

IlDSPIl sistema di trasmissione dei dati è basato su una serie di sistemi di trasmissione di dati, in particolare il sistema di trasmissione dei dati.DACIl segnale analogico recuperato viene inviato attraverso un sistema di segnalazione digitale.ADCQuesti passaggi, unitamente a problemi di fibra e non-ideali del dispositivo, introducono distorsioni che devono essere corrette se il modulo deve mantenere un basso tasso di errore di bit.

Nei sistemi ottici pratici, il DSP è utilizzato per compiti quali:Pre-distorsione,recupero orologio,compensazione della dispersione,parità, e la mitigazione del rumore o altri termini di deterioramento.La spiegazione tecnica del DSP del ricevitore ottico di NTT afferma che il DSP lato ricevitore compensa la distorsione della forma d'onda causata dalla dispersione cromatica e dagli effetti ottici non lineari, ed esegue anche funzioni di equalizzazione e recupero del segnale adattivi.DSP è il circuito che aiuta il percorso ottico a comportarsi come un canale di comunicazione affidabile piuttosto che un fragile collegamento analogo. (Revisione della NTT)

In linguaggio modulare più semplice, il DSP è ciò che consente all'hardware ottico di operare più vicino al suo limite di prestazione previsto.In questo modo si riduce la pena di indebolimento inevitabile e siBERsotto controllo.

Come le scelte dei componenti influenzano la portata, la larghezza di banda e l'idoneità dell'applicazione

La lezione di progettazione più importante è che un modulo ottico è unproblema di architettura a livello di sistema. La portata del collegamento non è determinata dal solo laser. La larghezza di banda non è determinata dal solo MUX. La sensibilità del ricevitore non è determinata dal solo PD.Le vere prestazioni derivano da come la fonte luminosa, metodo di modulazione, ricevitore front-end, architettura del canale, e la strategia di compensazione digitale sono combinati.

Pertrasmissione a corto raggio, l'architettura spesso favorisce dispositivi e piattaforme che si scala bene in volume e integrazione, comePercorsi di trasmissione basati su VCSELoStrade di modulazione basate sulla fotonica al silicioPer...trasmissione a medio e lungo raggio, l'architettura beneficia sempre di piùTrasmettitori di tipo DFB/EML, maggiore sensibilità del ricevitore comeRilevazione basata sull'APD, e una correzione digitale più sofisticata.Il prodotto e la tabella di marcia di Coherent riflettono la stessa tendenza collocando il VCSEL nello sviluppo a corto raggio e l'EML basato su InP o le relative famiglie di laser modulati nelle categorie a medio e lungo raggio..

Per questo motivo l'elenco dei componenti interni non deve mai essere letto come un catalogo di parti piatte.metodo di integrazione, e struttura dei costi.

Domande frequenti

Quali sono i principali componenti di un modulo ottico?

Le principali componenti sono:TOSA,Rosso,circuiti funzionali, einterfacce ottiche/elettricheAll'interno di questi blocchi, i dispositivi più importanti sono idiodo laser,modulatore ottico,fotodetettore,TIA,IC del driver,MUX/DEMUX, e spessoDSP.

Qual è la differenza tra TOSA e ROSA in un trasmettitore ottico?

TOSAè il sottoinsieme ottico del trasmettitore, gestisce la generazione di luce e l'uscita ottica.Rossoè il sottoinsieme ottico del ricevitore. gestisce la ricezione ottica, il fotodettaggio e il primo stadio di recupero elettrico.

DML vs EML vs VCSEL: quale viene utilizzato per i moduli ottici a corto e lungo raggio?

Nel quadro usato qui,VCSELLa maggior parte dei collegamenti a corto raggio sono collegati a collegamenti a corto raggio, in genere entro circa200 m.DMLè posizionato nello spazio da corto a medio raggio, approssimativamente500 m a 10 km.EMLviene utilizzato quando è necessaria una migliore qualità del segnale e una portata più ampia, tra cui:40 km e oltre.

Che cosa fa il DSP in un modulo ottico?

Le funzioni tipiche includono:Pre-distorsione,recupero orologio,compensazione della dispersione,parità, eMiglioramento del BER.

Perché i moduli ottici utilizzano MUX e DEMUX?

Essi consentono al modulo di combinare e separare più canali ottici.trasmissione parallela, soprattutto quando il progetto utilizza lunghezze d'onda multiple o altre dimensioni di multiplexing per aumentare la larghezza di banda.

PIN vs. fotodetettore APD: quale è migliore per una distanza di trasmissione più lunga?

APDè generalmente migliore quando il lato ricevente ha bisogno di una maggiore sensibilità, perché fornisce un guadagno interno attraverso la moltiplicazione di valanghe.Numero PINè più semplice e funziona bene in molte applicazioni a breve e medio raggio, ma l'APD è tipicamente preferita quando è necessario rilevare segnali ricevuti più deboli.