Componentes de módulos ópticos explicados: TOSA, ROSA, DSP, láseres, moduladores y más

Un módulo óptico no es un único dispositivo optoelectrónico. Es un sistema de transmisión estrechamente integrado construido a partir de un bloque de transmisión, un bloque de recepción, circuitos funcionales,y interfaces ópticas/eléctricasJuntos, estos elementos convierten las señales eléctricas en señales ópticas, recuperan la luz entrante en forma eléctrica y mantienen la integridad de la señal a través del enlace.

¿Cuáles son los componentes principales de un módulo óptico?

Un módulo óptico es un conjunto de transceptores electro-ópticos construido alrededor de cuatro bloques de nivel superior:TSA,El color rojo,circuitos funcionales, yInterfaces ópticas/eléctricasEl lado transmisor genera y modula la luz, el lado receptor la detecta y la restaura, el circuito maneja el impulso, la amplificación, el control y la corrección digital,y las interfaces conectan el módulo al sistema host y el enlace de fibra.

A nivel arquitectónico, el módulo se puede dividir en unruta de transmisión, unRecibir el camino, unruta de controlEl lado de transmisión está generalmente agrupado enTSA(subconjunto óptico del transmisor), mientras que el lado receptor está agrupado enEl color rojo(subconjunto óptico del receptor).IC del conductor,El TIA,DSP, y elUnidad de control, mientras que las interfaces ópticas y eléctricas conectan el módulo a la fibra por un lado y a la placa host por el otro.

Los dispositivos internos clave comúnmente discutidos en una vista a nivel de componente de un módulo óptico son losDiodo láser (LD),fotodetector (PD),Guía de onda óptica (WG),Modulador óptico (OM),amplificador de transimpedancia (TIA),IC del conductor, yMuchos de los productos incluidos en el anexo ICada uno tiene un papel distinto, pero ninguno de ellos define el rendimiento del módulo por sí solo.

Cómo funciona el camino de señal del módulo óptico

En el lado de transmisión, la señal eléctrica entra a través de la interfaz eléctrica, luego pasa a la etapa de conductor.el módulo impulsa un láser directamente o utiliza un láser de onda continua junto con un modulador óptico separadoLa señal óptica resultante se envía a la salida de fibra. En forma abreviada, la cadena de transmisión es:

entrada eléctrica → circuito integrado del controlador → láser y/o modulador → salida óptica

En el lado receptor, la señal óptica llega a través de la interfaz de fibra, entra en el fotodetector, y se convierte en fotocorriente.Así que se pasa a laEl TIA, que lo convierte en una señal de dominio de voltaje adecuada para su posterior procesamiento.circuitos aguas abajo restaura los datos eléctricos y los envía a través de la interfaz eléctrica del lado del host.

Un módulo óptico completo también incluye una capa de control. Incluso cuando el diagrama de señal se centra en LD, PD, MUX, DEMUX o DSP, un módulo práctico todavía necesita monitoreo, control de sesgo, gestión de estado,y supervisión de las interfacesEs por eso que la unidad de control sigue siendo parte de la arquitectura en lugar de un complemento periférico.

Diodos láser en módulos ópticos: EEL, FP, DFB, DML, EML y VCSEL

El diodo láser es la fuente de luz del módulo óptico. En términos básicos, utiliza un medio de ganancia de semiconductores, excitación eléctrica y una estructura de resonancia óptica para producir salida láser.En el diseño de módulos, sin embargo, la cuestión de ingeniería más importante no es sólo cómo funciona el láser, sino que la estructura del láser y el enfoque de modulación se ajusta mejor al alcance objetivo, velocidad y requisitos de calidad de la señal.

Una división estructural importante es entreLasers de emisión de borde (EEL)yLasers de emisión de superficie de cavidad vertical (VCSEL)En un EEL, la cavidad resonante se forma a lo largo del plano del chip, por lo que la luz sale paralela al sustrato.y la luz sale perpendicular a la superficie del chipEsa diferencia estructural es una de las razones por las que los VCSEL están fuertemente asociados con los transceptores de corto alcance.mientras que las familias de láseres basadas en fosfuro de indio se utilizan con más frecuencia cuando aumentan los requisitos de alcance y velocidad de carrilLa visión general de la plataforma de transceptores de Coherent, por ejemplo, sitúa a VCSEL en el desarrollo de 1.6T de corto alcance y en las soluciones DML/EML basadas en InP en las categorías de alcance medio y largo.

Dentro de la familia de EEL, dos subtipos comunes son:FPyDFBLasers.Fabry-Pérot (FP)Los láseres son más antiguos, más simples y generalmente se asocian con una transmisión de menor velocidad y distancia más corta.Comentarios distribuidos (DFB)Los láseres añaden una estructura de rejilla para soportar la salida de modo longitudinal único, lo que los hace más adecuados para enlaces ópticos de mayor velocidad y mayor alcance.

Otra división importante es entreEl DMLyLEM. Uncon una capacidad de transmisión superior a 20 W,En la actualidad, la tecnología de la tecnología de la información codifica los datos modulando la corriente de inyección láser en sí.el índice de refracción de la región activa también cambiaEn la práctica, eso limita la distancia de transmisión, limita el ancho de banda,y puede hacer más difícil mantener una alta tasa de extinción en puntos de operación más exigentes.

UnLasers modulados por electroabsorción (EML)En la forma utilizada en productos reales, el EML integra una función de modulación de la fuente óptica y una función de modulación más eficaz.Laser DFBcon unacon una capacidad de transmisión superior a 50 W. La documentación EML coherente describe el dispositivo exactamente de esa manera y lo posiciona para la transmisión de alta velocidad PAM4,Mientras que su hoja de ruta de transceptores más amplia coloca EML en categorías de alcance más largo que VCSEL.

Es por ello que el mapa de alcance práctico en el marco de referencia tiene sentido:VCSELse coloca para los enlaces dentro de aproximadamente200 metros,El DMLpara aproximadamenteEntre 500 m y 10 km, yLEMpara40 km y másLos puntos de ruptura exactos dependen siempre del diseño del sistema, pero la lógica de ingeniería es estable: cuanto mayor sea el alcance y más estricto sea el requisito de integridad de la señal,la modulación controlada más valiosa y el chirp más bajo se vuelven.

Moduladores ópticos: cómo se carga la información en la luz

El modulador óptico es el dispositivo que convierte un portador óptico continuo en una señal portadora de datos.intensidad,fase, ola polarizaciónEsta función es fundamental para los módulos ópticos modernos porque el rendimiento del transmisor se determina a menudo tanto por el método de modulación como por el láser en sí.

Una vía común de silicio utiliza elefecto de dispersión plasmáticaEn este enfoque, una estructura de unión PN cambia la concentración del portador dentro de la guía de ondas de silicio, lo que cambia el índice de refracción y la absorción.Este cambio de fase puede convertirse en modulación de intensidad en estructuras tales como unInterferómetro de Mach·Zehnder (MZI/MZM)Un artículo fundamental de Optica describe explícitamente la modulación óptica del silicio como basada en el efecto de dispersión de plasma de portador libre.y recientes trabajos de silicio-fotónica de Intel continúan construyendo transmisores integrados de alta velocidad alrededor de arquitecturas basadas en Mach Zehnder para interconexiones ópticas escalables.

El principal atractivo de los moduladores de silicio es la compatibilidad del proceso y la densidad de integración.Orientación CMOSEn la actualidad, las aplicaciones de interconexión óptica de gran volumen y sensibles a los costos, son especialmente atractivas para las aplicaciones de conexión óptica de gran volumen.Interconexiones de centro de datos de corto alcance, donde la integración, la potencia y la escala de empaque importan tanto como la elegancia del dispositivo en bruto.

Una segunda ruta se basa en laEfecto PockelsEn elNiobato de litio de película delgada (TFLN)Aquí, un campo eléctrico aplicado cambia el índice de refracción directamente.El niobato de litio de película delgada se ha vuelto especialmente atractivo porque combina las ventajas electroópticas clásicas del niobato de litio con una plataforma mucho más integradaUn estudio de Nature Communications sobre los moduladores de niobato de litio de película delgada destaca exactamente las características que hacen que esta plataforma sea valiosa en los enlaces más exigentes:gran ancho de banda, bajo voltaje de accionamiento, baja pérdida, huella compacta y bajo chirp. (Naturaleza)

Una tercera ruta utiliza elEfecto Stark confinado cuánticamente (QCSE)En elPozo multicuántico basado en InPEn el marco de referencia, esta ruta se presenta como el mecanismo central detrás de muchos de losLEMEn términos de ingeniería, es atractivo porque puede ofreceralta eficiencia,buena proporción de extinción, ytensión de accionamiento baja, por lo que es muy adecuado para10 ̊80 kmtransmisión de clase.

Fotodetectores y TIA: Cómo las señales ópticas vuelven a ser señales eléctricas

En el lado receptor, el módulo óptico debe convertir la luz entrante en información eléctrica utilizable.fotodetector (PD)Su trabajo es absorber la señal óptica entrante y generar portadores de carga, produciendo fotocorriente que refleja la luz recibida.

Dos familias comunes de detectores son:Diodos fotográficos PINyDiodos fotográficos APD. UnNúmero de identificaciónEl detector ofrece una sensibilidad moderada y es generalmente muy adecuado para la comunicación óptica de corta y media distancia.DPALa nota técnica de Hamamatsu explica que los APD multiplican internamente la fotocorriente, logran una mayor sensibilidad,y puede proporcionar un S/N superior al de los fotodiodos PINEs precisamente por eso que los APD a menudo se prefieren cuando el lado receptor debe operar con señales más débiles o soportar enlaces más largos.

El detector por sí solo no es suficiente. Un fotodiodo emite corriente, pero la mayoría de los circuitos aguas abajo trabajan más eficazmente con señales de dominio de voltaje.amplificador de transimpedancia (TIA)TI y los dispositivos analógicos describen el papel front-end del TIA de la misma manera práctica:Convierte la corriente de fotodiodo en voltaje al tiempo que preserva el ancho de banda utilizable para el resto de la cadena del receptorEn los módulos ópticos, eso hace que el PD y el TIA sean un par funcional en lugar de dos partes aisladas.

MUX y DEMUX: Por qué los módulos ópticos necesitan vías de transmisión paralelas

Un módulo óptico moderno hace más que enviar un flujo óptico a través de un camino. En muchos diseños, debe combinar o separar múltiples canales para aumentar la eficiencia del ancho de banda.MuchosyDEMUXlos dispositivos.

A. Noun multiplexador (MUX)Combina múltiples canales ópticos en una sola vía de salida.DEMULTIPLEXOR (DEMUX)En el caso de las señales combinadas, la señal de entrada se divide de nuevo en sus canales constituyentes.transmisión óptica paralelaEs posible.

El marco del artículo divide la multiplexación en tres categorías prácticas.Múltiplicación por división de modosEl proyecto de la Comisión se presenta como una trayectoria orientada a las fronteras, con dispositivos representativos como:AsignaciónyEl MMILos acopladores.Múltiplicación por división de longitud de ondaes la ruta principal, utilizando dispositivos comoA.M.G.,El TFF, yEl MRR.Multiplexado por polarizaciónestá asociado con módulos coherentes y se basa en dispositivos tales como divisores/combinadores de polarización y rotadores de polarización.

Esa clasificación es importante porque evita que las familias de módulos se mezclen entre sí.y no todos los módulos de comunicaciones de corto alcance necesitan la misma estrategia de multiplexación que un diseño coherente de larga distanciaEl diseño de MUX/DEMUX es por tanto un problema de ancho de banda, pero también un problema de arquitectura de módulos.

Lo que hace el DSP en un módulo óptico

ElDSPEn el lado de la transmisión, los datos a menudo pasan a través de un circuito de transmisión de datos.El DACEn el lado receptor, la señal analógica recuperada se envía a través de unAsignaciónEstos pasos, junto con las deficiencias de fibra y los no ideales del dispositivo, introducen una distorsión que debe corregirse si el módulo desea mantener una baja tasa de error de bits.

En los sistemas ópticos prácticos, el DSP se utiliza para tareas tales como:Pre-distorsión,Recuperación del reloj,compensación de dispersión,equilibración, y la mitigación del ruido u otros términos de deterioro.La explicación técnica de NTT de DSP del transceptor óptico establece que el DSP del lado del receptor compensa la distorsión de la forma de onda causada por la dispersión cromática y los efectos ópticos no linealesEsto se alinea bien con la vista a nivel de módulo aquí:DSP es el circuito que ayuda a que la vía óptica se comporte como un canal de comunicación confiable en lugar de un vínculo analógico frágil. (Revisión de la NTT)

En un lenguaje de módulo más simple, DSP es lo que permite que el hardware óptico funcione más cerca de su límite de rendimiento previsto.Pero reduce la penalidad de las discapacidades inevitables y ayuda a mantener la calidad de vida.El BERbajo control.

Cómo las opciones de componentes afectan el alcance, el ancho de banda y la adecuación de la aplicación

La lección de diseño más importante es que un módulo óptico es unproblema de arquitectura a nivel del sistema. El alcance del enlace no está determinado por el láser solo. El ancho de banda no está determinado por el MUX solo. La sensibilidad del receptor no está determinada por el PD solo.El rendimiento real viene de cómo la fuente de luz, el método de modulación, el receptor frontal, la arquitectura del canal y la estrategia de compensación digital se combinan.

Paratransmisión de corto alcance, la arquitectura a menudo favorece dispositivos y plataformas que se escalan bien en volumen e integración, comoRutas de transmisión basadas en VCSELo bienRutas de modulación basadas en fotónica de silicioPara.Transmisión de alcance medio y largo, la arquitectura se beneficia cada vez más deTransmisores de tipo DFB/EML, una mayor sensibilidad del receptor, comoDetección basada en APD, y una corrección digital más sofisticada.El propio producto y el material de la hoja de ruta de Coherent® reflejan esa misma tendencia al colocar VCSEL en el desarrollo de corto alcance y EML basado en InP o familias de láseres modulados relacionadas en las categorías de medio y largo alcance..

En un módulo óptico, cada dispositivo principal representa una elección de diseño sobre la distancia, la velocidad de datos, la calidad de la señal, la calidad de los datos y la calidad de los datos.método de integración, y la estructura de los costes.

Preguntas frecuentes

¿Cuáles son los componentes principales de un módulo óptico?

Los componentes principales son:TSA,El color rojo,circuitos funcionales, yInterfaces ópticas/eléctricasDentro de esos bloques, los dispositivos más importantes son elDiodo láser,con una capacidad de transmisión superior a 50 W,fotodetector,El TIA,IC del conductor,Muchos de los productos incluidos en el anexo I, y a menudoDSP.

¿Cuál es la diferencia entre TOSA y ROSA en un transceptor óptico?

TSAes el subconjunto óptico del transmisor. Maneja la generación de luz y la salida óptica.El color rojoEs el subconjunto óptico del receptor. Maneja la recepción óptica, la fotodetección y la primera etapa de recuperación eléctrica.

DML vs EML vs VCSEL: ¿cuál se utiliza para módulos ópticos de corto y largo alcance?

En el marco utilizado aquí,VCSELSe asocia con enlaces de corto alcance, típicamente dentro de aproximadamente200 metros.El DMLse coloca en el espacio de corto a mediano alcance, aproximadamenteEntre 500 m y 10 km.LEMse utiliza cuando se necesita una mejor calidad de la señal y un alcance más largo, incluido40 km y más.

¿Qué hace el DSP en un módulo óptico?

DSP compensa las deficiencias introducidas por las etapas de conversión y el canal óptico.Pre-distorsión,Recuperación del reloj,compensación de dispersión,equilibración, yMejora del BER.

¿Por qué los módulos ópticos usan MUX y DEMUX?

Permiten al módulo combinar y separar múltiples canales ópticos.transmisión paralela, especialmente cuando el diseño utiliza múltiples longitudes de onda u otras dimensiones de multiplexación para aumentar el ancho de banda.

PIN vs fotodetector APD: ¿cuál es mejor para una distancia de transmisión más larga?

DPAgeneralmente es mejor cuando el lado receptor necesita una mayor sensibilidad, ya que proporciona una ganancia interna a través de la multiplicación de avalanchas.Número de identificaciónes más simple y funciona bien en muchas aplicaciones de corto y mediano alcance, pero APD es típicamente preferido cuando se deben detectar señales más débiles recibidas.