ऑप्टिकल पैकेजिंग: TO-कैन, बॉक्स, लेंस, आइसोलेटर

लेज़र डाई सेमीकंडक्टर का कुछ सौ माइक्रोमीटर लंबा एक टुकड़ा होती है; फ़ाइबर कोर का व्यास 9 µm होता है। एक से दूसरे में रोशनी पहुँचाना, उसे बीस साल तक वहीं टिकाए रखना और परावर्तन को वापस आने से रोकना — यह काम है ऑप्टिकल पैकेजिंग का, यानी वे मेटल कैन, लेंस, आइसोलेटर और रिसेप्टेकल जो मिलकर TOSA या ROSA बनाते हैं। पैकेजिंग ही मॉड्यूल की ज़्यादातर लागत, उसकी रीच का बड़ा हिस्सा और लगभग पूरी लॉन्ग-टर्म रिलायबिलिटी तय करती है।

पैकेज स्टाइल

पैकेज	क्या है	कहाँ इस्तेमाल होता है	लागत / परफ़ॉर्मेंस
TO-can (TO-46, TO-56 और वैरिएंट)	हर्मेटिक मेटल हेडर, डाई एक सबमाउंट पर, कैप में ग्लास विंडो या बॉल लेंस से सील	25G तक लगभग सभी SFP/SFP+ ऑप्टिक्स, PON, 1G	सबसे सस्ता हर्मेटिक पैकेज; ~10 GHz क्लास की बैंडविड्थ इसे 25–28 Gb/s के आसपास सीमित करती है
बॉक्स / मिनी-फ़्लैट TOSA	सिरेमिक या मेटल बॉक्स, RF फ़ीड-थ्रू के साथ, TEC, थर्मिस्टर, आइसोलेटर और लेंस के लिए जगह	कूल्ड DFB/EML: DWDM SFP+, 10G ER/ZR, 100G LR4 लेन, 400G FR4/LR4	ज़्यादा महँगा; PAM4 के लिए 50 GHz क्लास के फ़ीड-थ्रू
Butterfly (14-पिन)	TEC और फ़ाइबर पिगटेल वाला क्लासिक टेलिकॉम लेज़र पैकेज	लेगेसी XFP/300-pin DWDM, हाई-पावर पंप, ITLA लेज़र	बड़ा, महँगा — प्लगेबल में बॉक्स TOSA ने इसकी जगह ले ली
चिप-ऑन-बोर्ड (COB)	लेंस ऐरे के नीचे PCB पर नंगी डाई, कोई हर्मेटिक पैकेज नहीं	AOC, SR4/SR8, कई DR4/FR4	वॉल्यूम में सबसे कम लागत; सुरक्षा के लिए मोल्डिंग/कोटिंग पर निर्भर — चिप-ऑन-बोर्ड
सिलिकॉन-फ़ोटोनिक्स असेंबली	मॉड्यूलेटर, वेवगाइड और डिटेक्टर वाली एक फ़ोटोनिक चिप; लेज़र अटैच्ड या फ़्लिप-चिप्ड; फ़ाइबर ऐरे किनारे पर या ग्रेटिंग के ज़रिए जोड़ी गई	100G DR/FR, 400G DR4, कोहेरेंट	कई चैनल के लिए एक ही एलाइनमेंट — लेज़र: SiPh

TO-can TOSA के अंदर

  ┌── बॉल लेंस वाली कैप ──┐
  │        ○ लेंस          │      → रिसेप्टेकल / फ़ाइबर स्टब की ओर रोशनी
  │   ▄ लेज़र डाई,         │
  │     AlN सबमाउंट पर     │  ◄── लेज़र के पीछे मॉनिटर फ़ोटोडायोड (बैक-फ़ेसेट लाइट)
  │   ▪ थर्मिस्टर (वैकल्पिक)│
  ├─── हेडर (TO-46) ───────┤
  │  पिन: लेज़र +/−, MPD,  │
  │       थर्मिस्टर, GND   │
  └────────────────────────┘

सबमाउंट (AlN या Si) गर्मी फैलाता है और वायर-बॉन्डेड डाई को थामता है।
मॉनिटर फ़ोटोडायोड (MPD) बैक-फ़ेसेट एमिशन को पकड़ता है — आउटपुट का एक तय हिस्सा — और APC लूप को फ़ीड करता है; DDM का Tx पावर इसी से निकाला जाता है, यही वजह है कि यह एक अनुमान होता है (सटीकता और सीमाएँ)।
लेंस — कैप में बॉल लेंस या एक अलग एस्फ़ेरिक लेंस फैलती हुई बीम को (लेज़र आउटपुट 20–40° पर फैलती है) फ़ाइबर के सिरे पर फ़ोकस करता है; कपलिंग एफ़िशिएंसी आमतौर पर 30–70 % होती है, यानी डाई और फ़ाइबर के बीच 1.5–5 dB का लॉस।
हर्मेटिक सील — कैप की रेज़िस्टेंस वेल्डिंग और ग्लास-टू-मेटल पिन सील नमी को फ़ेसेट से दूर रखते हैं; प्रोडक्शन में हीलियम से लीक-टेस्ट किया जाता है (मैन्युफ़ैक्चरिंग और टेस्टिंग)।

ROSA में भी यही ढाँचा दोहराया जाता है: हेडर पर फ़ोटोडायोड डाई, अक्सर हाई-इम्पीडेंस नोड को छोटा रखने के लिए उसी कैन के अंदर TIA, कैप में एक लेंस, और APD रिसीवर के लिए एक हाई-वोल्टेज बायस पिन।

आइसोलेटर

कनेक्टर, गंदे एंडफ़ेस या ख़ुद फ़ाइबर से लेज़र में वापस परावर्तित रोशनी DFB और EML लेज़र को अस्थिर कर देती है: इससे नॉइज़ (RIN) बढ़ता है, मोड हॉपिंग और तरंगदैर्ध्य जिटर होता है और DDM की Tx रीडिंग खिसक सकती है। एक ऑप्टिकल आइसोलेटर (दो पोलराइज़र के बीच एक फ़ैराडे रोटेटर, 25–35 dB आइसोलेशन, 0.3–0.5 dB लॉस) किसी भी रीच वाले हर 1310/1550 nm मॉड्यूल में लेज़र और फ़ाइबर के बीच लगा होता है। VCSEL-आधारित SR मॉड्यूल आमतौर पर इसे छोड़ देते हैं: मल्टीमोड लिंक परावर्तन के प्रति कम संवेदनशील होते हैं और 850 nm पर एक-एक दसवाँ dB मायने रखता है। सस्ते PON ONU भी कभी-कभी इसे छोड़ देते हैं — यही एक वजह है कि रिफ़्लेक्टिव प्लांट पर उनका बर्ताव अलग-अलग होता है (PON से जुड़ी समस्याएँ)।

फ़ाइबर इंटरफ़ेस: रिसेप्टेकल या पिगटेल

इंटरफ़ेस	बनावट	नोट्स
LC रिसेप्टेकल (SFP, SFP+, QSFP LR4/CWDM4 डुप्लेक्स)	एक ज़िरकोनिया स्प्लिट स्लीव पैच कॉर्ड के फ़ेरूल को मॉड्यूल के अंदर के फ़ाइबर स्टब या लेंस्ड पोर्ट के साथ एलाइन करती है	जो एंडफ़ेस आप साफ़ करते हैं वह स्टब का फ़ेस है; वहाँ हुआ नुक़सान स्थायी होता है
SC रिसेप्टेकल (PON, GBIC, 1G)	वैसा ही, बस 2.5 mm स्लीव के साथ; PON APC इस्तेमाल करता है (8° एंगल, हरा)	APC पोर्ट में UPC डेसिबल गँवाता है और OLT में वापस परावर्तित होता है (फ़िज़िकल मिसमैच)
MPO/MT रिसेप्टेकल (SR4, DR4, PSM4, SR8)	एक लेंस ऐरे गाइड पिन वाले MT फ़ेरूल से 4/8/12 बीम कपल करती है; सिंगल-मोड DR4/DR8 के लिए APC	पोलैरिटी और पिनिंग सफ़ाई जितनी ही मायने रखती हैं
पिगटेल	फ़ाइबर OSA से स्थायी रूप से जुड़ा, बाहर एक कनेक्टर पर टर्मिनेट	इंडस्ट्रियल/लेगेसी; कोई इंटरनल स्टब नहीं
कोई कनेक्टर नहीं (AOC, DAC)	फ़ाइबर रिबन या ट्विनैक्स चिपकाया गया	केबल के अंदर

कनेक्टर फ़ैमिली और पॉलिश कोड: कनेक्टर और फ़ाइबर।

एलाइनमेंट: पैसा कहाँ जाता है

सिंगल-मोड के लिए डाई-टू-फ़ाइबर एलाइनमेंट टॉलरेंस लगभग ±1 µm होता है। निर्माता एक्टिव एलाइनमेंट इस्तेमाल करते हैं — लेज़र को ऑन रखते हुए एक रोबोट लेंस या फ़ाइबर को तब तक हिलाता है जब तक कपल्ड पावर अधिकतम न हो जाए, फिर इसे लेज़र वेल्डिंग या UV एपॉक्सी से फ़िक्स कर दिया जाता है। इसमें प्रति पार्ट कुछ सेकंड लगते हैं और यही सिंगल-मोड TOSA की लागत की सबसे निचली सीमा तय करता है; मल्टीमोड (50 µm कोर) ±10 µm तक बर्दाश्त कर लेता है और पैसिवली एलाइन किया जा सकता है, यही वजह है कि 850 nm ऑप्टिक्स सस्ती होती हैं और COB व लेंस ऐरे सबसे पहले 850 nm पर काम करने लगे (चिप-ऑन-बोर्ड)।

मल्टी-चैनल पैकेजिंग

पैरेलल (SR4, DR4): एक सबमाउंट पर या अलग-अलग चिप के तौर पर चार या आठ लेज़र, एक लेंस ऐरे, एक MT फ़ेरूल।
WDM (LR4, CWDM4, FR4): चार TOSA (या एक 4-चैनल ऐरे) एक इंटरनल मल्टीप्लेक्सर को फ़ीड करते हैं, फिर एक सिंगल-फ़ाइबर पोर्ट — फ़िल्टर ब्लॉक पैकेज का ही हिस्सा है (मॉड्यूल के अंदर WDM)।
BOSA (BiDi, PON): एक लेज़र और एक फ़ोटोडायोड 45° WDM फ़िल्टर के ज़रिए एक ही पोर्ट शेयर करते हैं; PON ट्राइप्लेक्सर में तीन पोर्ट होते हैं।

पैकेजिंग और रिलायबिलिटी

खराबी	कारण	लक्षण
फ़ेसेट डिग्रेडेशन	नमी (हर्मेटिसिटी खोना), कंटैमिनेशन	बायस धीरे-धीरे बढ़ता है, पावर गिरता है — Tx बायस और एजिंग
कपलिंग ड्रिफ़्ट	एपॉक्सी क्रीप, थर्मल साइक्लिंग, मैकेनिकल शॉक	Tx पावर धीरे-धीरे नीचे, बायस ऊपर (APC भरपाई करता है)
स्टब एंडफ़ेस डैमेज	ख़राब पैच कॉर्ड फ़ेरूल से खरोंच या गंदगी घिस जाना	उस तरफ़ स्थायी 1–3 dB लॉस; सफ़ाई से ठीक नहीं होता
आइसोलेटर/लेंस फ़ॉगिंग	नॉन-हर्मेटिक डिज़ाइन में कंटैमिनेशन	तरंगदैर्ध्य पर निर्भर लॉस, ज़्यादा RIN
क्रैक्ड TO-can वेल्ड	थर्मल शॉक, गिरना	अचानक ख़राबी या महीनों में नमी का रिसाव

CodingBox में

पैकेजिंग मेमोरी मैप में कहीं नहीं दिखती, लेकिन इसके नतीजे ज़रूर दिखते हैं: कपलिंग लॉस सामान्य बायस के साथ कम Tx पावर के तौर पर दिखता है, फ़ेसेट डैमेज बायस के ट्रेंड के तौर पर, और डैमेज्ड स्टब कम Rx के तौर पर जिसे सफ़ाई ठीक नहीं कर सकती। मॉड्यूल की पूरी लाइफ़ का DDM लॉग, बेंच इंस्पेक्शन स्कोप के साथ मिलकर बता देता है कि आपके पास कौन-सी वजह है।

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