Componentes de Módulos Ópticos Explicados: TOSA, ROSA, DSP, Lasers, Moduladores e Mais

Um módulo óptico não é um único dispositivo optoeletrônico. É um sistema de transmissão integrado construído a partir de um bloco de transmissão, um bloco de recepção, circuitos funcionais,e interfaces ópticas/elétricasJuntos, estes elementos convertem sinais elétricos em sinais ópticos, recuperam a luz que entra de volta em forma elétrica e mantêm a integridade do sinal em todo o link.

Quais são os principais componentes de um módulo óptico?

Um módulo óptico é um conjunto de transceptores eletro-ópticos construído em torno de quatro blocos de nível superior:TOSA,Rosa,circuitos funcionais, eInterfaces ópticas/elétricasO lado de transmissão gera e modula a luz, o lado de recepção detecta e restaura, o circuito lida com a unidade, a amplificação, o controle e a correção digital,e as interfaces conectam o módulo ao sistema host e ligação de fibra.

A nível arquitectónico, o módulo pode ser dividido emcaminho de transmissão, aReceber caminho, aCaminho de controloO lado de transmissão é geralmente agrupado sobTOSA(subconjunto óptico do transmissor), enquanto o lado receptor está agrupado sobRosa(sub-conjunto óptico do receptor).IC do condutor,TIA,DSP, e ounidade de controlo, enquanto as interfaces ópticas e elétricas ligam o módulo à fibra de um lado e à placa de hospedagem do outro.

Os principais dispositivos internos comumente discutidos numa visão a nível de componente de um módulo óptico são osDiodo laser (LD),fotodetector (PD),Guia de onda óptico (WG),Modulador óptico (OM),amplificador de transimpedância (TIA),IC do condutor, eMUX/DEMUXCada um deles tem um papel distinto, mas nenhum deles define o desempenho do módulo sozinho.

Como funciona o caminho do sinal do módulo óptico

Do lado da transmissão, o sinal eléctrico entra através da interface elétrica, depois passa para o estágio do condutor.o módulo conduz um laser diretamente ou utiliza um laser de onda contínua juntamente com um modulador óptico separadoO sinal óptico resultante é então encaminhado para a saída de fibra.

entrada elétrica → circuito integrado do condutor → laser e/ou modulador → saída óptica

Do lado da recepção, o sinal óptico chega através da interface de fibra, entra no fotodetector e é convertido em fotocorrente.Assim, é passado para oTIA, que o converte num sinal de domínio de tensão adequado para tratamento posterior.circuitos a jusante restaura os dados elétricos e os envia através da interface elétrica do lado do anfitrião.

Mesmo quando o diagrama de sinal se concentra em LD, PD, MUX, DEMUX ou DSP, um módulo prático ainda precisa de monitoramento, controle de viés, gerenciamento de estado,e supervisão das interfacesÉ por isso que a unidade de controlo continua a fazer parte da arquitetura, em vez de ser um complemento periférico.

Diodos laser em módulos ópticos: EEL, FP, DFB, DML, EML e VCSEL

O diodo laser é a fonte de luz do módulo óptico. Em termos básicos, ele usa um meio de ganho de semicondutor, excitação elétrica e uma estrutura de ressonância óptica para produzir a saída do laser.Na concepção de módulos, no entanto, a questão de engenharia mais importante não é apenas como o laser funciona, mas qual a estrutura do laser e a abordagem de modulação mais adequada ao alcance, velocidade e requisitos de qualidade do sinal alvo.

Uma grande divisão estrutural é entreLaser de emissão de borda (EEL)eLaser de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL)Em um EEL, a cavidade de ressonância é formada ao longo do plano do chip, de modo que a luz sai paralela ao substrato.e a luz sai perpendicular à superfície do chipEssa diferença estrutural é uma das razões pelas quais os VCSELs estão fortemente associados a transceptores de curto alcance.enquanto as famílias de lasers à base de ínio-fosfeto são mais frequentemente utilizadas quando os requisitos de alcance e velocidade de faixa aumentamA visão geral da plataforma transceptor da Coherent, por exemplo, coloca a VCSEL no desenvolvimento de 1.6T de curto alcance e soluções DML/EML baseadas em InP nas categorias de médio e longo alcance.

Dentro da família EEL, dois subtipos comuns são:FPeDFBOs lasers.Fabry-Pérot (FP)Os lasers são mais antigos, mais simples e normalmente associados a uma taxa de transmissão mais baixa e a distâncias mais curtas.Feedback distribuído (DFB)Os lasers adicionam uma estrutura de grelha para suportar a saída de modo longitudinal único, tornando-os mais adequados para ligações ópticas de maior velocidade e maior alcance.

Outra divisão importante é entreDMLeLEM. ALaser diretamente modulado (DML)O que é atraente para a integração e simplicidade, mas também cria trade-offs de engenharia.o índice de refração da região ativa também mudaNa prática, isso limita a distância de transmissão, restringe a largura de banda,e pode dificultar a manutenção de uma elevada taxa de extinção em pontos de operação mais exigentes.

UmLaser modulado por eletroabsorção (EML)O EML, na sua forma utilizada em produtos reais, integra umaLaser DFBcom umModulador de absorção elétricaA documentação EML de Coherent descreve o dispositivo exatamente dessa forma e o posiciona para transmissão PAM4 de alta velocidade,enquanto seu roteiro de transceptor mais amplo coloca EML em categorias de alcance mais longo do que VCSEL.

É por isso que o mapa de alcance prático no quadro de referência faz sentido:VCSELO sistema de ligação é posicionado para ligações dentro de cerca de200 m,DMLpara aproximadamente500 m a 10 km, eLEMpara40 km e maisOs pontos de interrupção precisos dependem sempre da concepção do sistema, mas a lógica de engenharia é estável: quanto mais longo o alcance e mais rigoroso o requisito de integridade do sinal,Quanto mais valiosa a modulação controlada e o chirp mais baixo se tornam.

Moduladores Ópticos: Como a Informação é Carregada na Luz

O modulador óptico é o dispositivo que transforma um portador óptico contínuo em um sinal portador de dados.intensidade,fase, oupolarizaçãoEsta função é fundamental para os módulos ópticos modernos, porque o desempenho do transmissor é muitas vezes determinado tanto pelo método de modulação como pelo próprio laser.

Uma rota de silício comum utiliza oEfeito de dispersão plasmáticaNessa abordagem, uma estrutura de junção PN altera a concentração do portador dentro do guia de ondas de silício, o que altera o índice de refração e a absorção.Essa mudança de fase pode então ser convertida em modulação de intensidade em estruturas tais como umInterferômetro de Mach·Zehnder (MZI/MZM)Um artigo fundamental da Optica descreve explicitamente a modulação óptica do silício como sendo baseada no efeito de dispersão de plasma de portador livre.e os recentes trabalhos da Intel em fotônica de silício continuam a construir transmissores integrados de alta velocidade em torno de arquiteturas baseadas em Mach·Zehnder para interconexões ópticas escaláveis.

A principal atração dos moduladores de silício é a compatibilidade dos processos e a densidade de integração.Orientação CMOSA utilização de sistemas de interligação óptica de grande volume e de baixo custo torna-os especialmente atraentes para os fabricantes de sistemas de interligação óptica.Interconexões de centro de dados de curto alcance, onde a integração, poder e escala de embalagem importam tanto quanto a elegância do dispositivo bruto.

Uma segunda rota baseia-se naEfeito PockelsemNiobato de lítio de película fina (TFLN)Aqui, um campo elétrico aplicado altera o índice de refração diretamente.O niobato de lítio de filme fino tornou-se especialmente atraente porque combina as vantagens eletrópticas clássicas do niobato de lítio com uma plataforma muito mais integradaUm estudo da Nature Communications sobre moduladores de niobato de lítio de filme fino destaca exatamente as características que tornam esta plataforma valiosa em ligações exigentes:largura de banda grande, baixa tensão de acionamento, baixa perda, pegada compacta e baixo chirp. (Natureza)

Uma terceira rota utiliza oEfeito Stark confinado por quantidade (QCSE)emPoço multi-quântico baseado em InPNo quadro de referência, esta via é apresentada como o mecanismo central por trás de muitosLEMEm termos de engenharia, é atraente porque podealta eficiência,boa taxa de extinção, ebaixa tensão de accionamento, o que o torna bem adaptado para10 ̊80 kmtransmissão de classe.

Fotodetectores e TIAs: Como os sinais ópticos se tornam novamente sinais elétricos

No lado receptor, o módulo óptico deve converter a luz que entra em informação elétrica utilizável.fotodetector (PD)A sua função é absorver o sinal óptico recebido e gerar portadores de carga, produzindo fotocorrente que reflete a luz recebida.

Duas famílias de detectores comuns são:Diodos fotográficos PINeDiodos fotográficos APD. ANúmero PINO detector apresenta uma sensibilidade moderada e é geralmente bem adaptado para comunicações ópticas de curta e média distância.APDA nota técnica do Hamamatsu explica que os APDs multiplicam a fotocorrente internamente, alcançando uma maior sensibilidade,e podem fornecer um S/N superior ao dos fotodiodos PINÉ exatamente por isso que os APDs são frequentemente preferidos quando o lado receptor deve operar com sinais mais fracos ou suportar ligações mais longas.

O detector sozinho não é suficiente. Um fotodiodo produz corrente, mas a maioria dos circuitos a jusante funciona mais eficazmente com sinais de domínio de tensão.amplificador de transimpedância (TIA)TI e dispositivos analógicos descrevem ambos o papel front-end do TIA de forma prática:Ele converte a corrente de fotodiodo em tensão, preservando a largura de banda utilizável para o resto da cadeia do receptorEm módulos ópticos, isso torna o PD e o TIA um par funcional em vez de duas partes isoladas.

MUX e DEMUX: Por que os módulos ópticos precisam de vias paralelas de transmissão

Um módulo óptico moderno faz mais do que enviar um fluxo óptico através de um caminho.MUXeDEMUXdispositivos.

AMultiplexador (MUX)Combina vários canais ópticos num único caminho de saída.DEMULTIPLEXOR (DEMUX)A partir de um ponto de vista sistémico, estes elementos são os que fazem com que o sinal combinado de volta aos seus canais constituintes.Transmissão óptica paralelaÉ possível.

A estrutura do artigo divide a multiplexação em três categorias práticas.Multiplexagem por divisão de modoA partir daí, o sistema é apresentado como um caminho orientado para as fronteiras, com dispositivos representativos como:ADCeMMIacopladores.Multiplexagem por divisão de comprimento de ondaé o caminho principal, usando dispositivos comoAWG,TFF, eMRR.Multiplexagem por polarizaçãoÉ associado a módulos coerentes e baseia-se em dispositivos como divisores/combinadores de polarização e rotadores de polarização.

Essa categorização é importante porque impede que as famílias de módulos sejam misturadas.e nem todos os módulos de datacom de curto alcance precisam da mesma estratégia de multiplexação que um projeto de longa distância coerenteO projecto MUX/DEMUX é, portanto, um problema de largura de banda, mas também um problema de arquitetura de módulos.

O que o DSP faz em um módulo óptico

ODSPNo lado da transmissão, os dados passam frequentemente através de umDACNo lado receptor, o sinal analógico recuperado é enviado através de umADCEssas etapas, juntamente com deficiências de fibra e não-idealidades do dispositivo, introduzem distorções que devem ser corrigidas se o módulo quiser manter uma baixa taxa de erro de bits.

Em sistemas ópticos práticos, o DSP é usado para tarefas como:pré-distorção,Recuperação do relógio,compensação de dispersão,equilíbrio, e de redução do ruído ou outros termos de prejuízo.A explicação técnica da NTT do DSP do transceptor óptico afirma que o DSP do lado do receptor compensa a distorção da forma de onda causada pela dispersão cromática e pelos efeitos ópticos não lineares, e também executa funções de equalização adaptativa e recuperação de sinal.DSP é o circuito que ajuda o caminho óptico se comportar como um canal de comunicação confiável em vez de um link analógico frágil. (Revisão da NTT)

Em linguagem de módulo mais simples, o DSP é o que permite que o hardware óptico funcione mais perto de seu limite de desempenho pretendido.Mas reduz a penalidade das deficiências inevitáveis e ajuda a manter aBEREstá sob controlo.

Como as escolhas dos componentes afetam o alcance, a largura de banda e o ajuste da aplicação

A lição de design mais importante é que um módulo óptico é umproblema de arquitetura a nível do sistemaO alcance do link não é determinado apenas pelo laser. A largura de banda não é determinada apenas pelo MUX. A sensibilidade do receptor não é determinada apenas pelo PD.O verdadeiro desempenho vem de como a fonte de luz, o método de modulação, o receptor front-end, a arquitetura do canal e a estratégia de compensação digital são combinados.

ParaTransmissão de curto alcance, a arquitetura muitas vezes favorece dispositivos e plataformas que são bem dimensionáveis em volume e integração, tais comoCaminhos de transmissão baseados em VCSELouvias de modulação baseadas em fotônica de silícioPara...Transmissão de médio e longo alcance, a arquitetura beneficia cada vez maisTransmissores de tipo DFB/EML, maior sensibilidade do receptor, tais comoDetecção baseada em APD, e correcção digital mais sofisticada.O próprio produto e o material do roteiro da Coherent® refletem essa mesma tendência, colocando o VCSEL no desenvolvimento de curto alcance e o EML baseado em InP ou famílias de lasers modulados relacionadas nas categorias de médio e longo alcance..

É por isso que a lista de componentes internos nunca deve ser lida como um catálogo de peças planas.método de integração, e estrutura de custos.

Perguntas frequentes

Quais são os principais componentes de um módulo óptico?

Os principais componentes são:TOSA,Rosa,circuitos funcionais, eInterfaces ópticas/elétricasDentro desses blocos, os dispositivos mais importantes são osDiodo laser,Modulador óptico,fotodetector,TIA,IC do condutor,MUX/DEMUX, e muitas vezesDSP.

Qual é a diferença entre TOSA e ROSA num transceptor óptico?

TOSAé o sub-conjunto óptico do transmissor. Ele lida com a geração de luz e saída óptica.RosaÉ o subconjunto óptico do receptor, que lida com a recepção óptica, fotodetecção e o primeiro estágio de recuperação elétrica.

DML versus EML versus VCSEL: qual deles é utilizado para módulos ópticos de curto e longo alcance?

No quadro utilizado aqui,VCSELA ligação entre os dois sistemas é associada a ligações de curto alcance, tipicamente a cerca de200 m.DMLé posicionado no espaço de curto a médio alcance, aproximadamente500 m a 10 km.LEMÉ utilizado quando é necessária uma melhor qualidade do sinal e um alcance mais longo, incluindo:40 km e mais.

O que faz o DSP num módulo óptico?

O DSP compensa os prejuízos introduzidos pelas fases de conversão e pelo canal óptico.pré-distorção,Recuperação do relógio,compensação de dispersão,equilíbrio, eMelhoria do BER.

Por que os módulos ópticos usam MUX e DEMUX?

Permitem ao módulo combinar e separar múltiplos canais ópticos.Transmissão paralela, especialmente quando o projeto utiliza vários comprimentos de onda ou outras dimensões de multiplexação para aumentar a largura de banda.

PIN versus fotodetector APD: qual é melhor para maior distância de transmissão?

APDé geralmente melhor quando o lado receptor precisa de maior sensibilidade, porque fornece ganho interno através da multiplicação de avalanche.Número PINé mais simples e funciona bem em muitas aplicações de curto e médio alcance, mas o APD é tipicamente favorecido quando sinais recebidos mais fracos devem ser detectados.