CodingBox ドキュメント

光学パッケージング：TO 缶、ボックス、レンズ、アイソレーター

レーザーダイは、長さ数百マイクロメートルほどの半導体の小片です。光ファイバーのコアは直径 9 µm しかありません。一方から他方へ光を導き、それを20年間維持し、反射が戻ってくるのを防ぐことが、光パッケージングの仕事です。TOSA や ROSA を構成する金属缶、レンズ、アイソレーター、レセプタクルがこれにあたります。パッケージングは、モジュールのコストの大部分、伝送距離のかなりの部分、そして長期信頼性のほぼすべてを左右します。

パッケージ形式

パッケージ概要用途コストと性能
TO-can（TO-46、TO-56 とその派生）サブマウント上にダイを載せた気密金属ヘッダーを、ガラス窓またはボールレンズ付きのキャップで封止したもの25G までのほぼすべての SFP/SFP+ 光学部品、PON、1G気密パッケージの中で最も安価。帯域幅は約 10 GHz クラスで、25–28 Gb/s 付近が上限
ボックス／ミニフラット TOSARF フィードスルーを備え、TEC、サーミスタ、アイソレーター、レンズを収める余地があるセラミックまたは金属製ボックス冷却型 DFB/EML：DWDM SFP+、10G ER/ZR、100G LR4 のレーン、400G FR4/LR4より高価。PAM4 向けには 50 GHz クラスのフィードスルー
バタフライ（14ピン）TEC と光ファイバーピグテールを備えた、通信業界の伝統的なレーザーパッケージレガシーな XFP／300ピン DWDM、高出力ポンプ、ITLA レーザー大型で高コスト。プラガブルモジュールではボックス型 TOSA に置き換えられた
チップオンボード（COB）レンズアレイの下、PCB 上に裸ダイを実装。気密パッケージなしAOC、SR4/SR8、多くの DR4/FR4量産時のコストが最も低い。保護はモールドやコーティングに依存する（チップオンボードを参照）
シリコンフォトニクスアセンブリ変調器、導波路、検出器を備えたフォトニックチップ。レーザーは接着またはフリップチップ実装され、光ファイバーアレイは端面またはグレーティングを介して結合される100G DR/FR、400G DR4、コヒーレント多チャネルを1回のアライメントで済ませられる（レーザー：SiPhを参照）

TO-can TOSA の内部構造

  ┌── ボールレンズ付きキャップ ──┐
  │        ○ レンズ          │      → 光はレセプタクル／光ファイバースタブへ
  │   ▄ AlN サブマウント上の  │
  │     レーザーダイ          │  ◄── レーザー背面のモニターフォトダイオード（背面光）
  │   ▪ サーミスタ（任意）    │
  ├─── ヘッダー（TO-46）─────┤
  │  ピン：レーザー +/−、MPD、│
  │        サーミスタ、GND    │
  └────────────────────────┘
  • サブマウント。 AlN または Si 製で、熱を拡散し、ワイヤーボンディングされたダイを支えます。
  • モニターフォトダイオード（MPD）。 背面端面からの発光（出力の一定割合）を検出し、APC ループに供給します。DDM の Tx パワーはこれをもとに算出されるため、推定値となります（精度と限界を参照）。
  • レンズ。 キャップ内のボールレンズ、または別体の非球面レンズが、発散するビーム（レーザー出力は 20–40° で発散）を光ファイバー端面に集光します。結合効率は通常 30–70 %、つまりダイと光ファイバーの間で 1.5–5 dB の損失が生じます。
  • 気密封止。 キャップの抵抗溶接とガラス・金属ピンシールが、端面への湿気の侵入を防ぎます。製造時にはヘリウムでリークテストが行われます（製造と試験を参照）。

ROSA もこれと同様の構成です。ヘッダー上にフォトダイオードのダイを配置し、高インピーダンスのノードを短く保つために同じ缶の中にTIAを収めることが多く、キャップにはレンズが付き、APD 受信器の場合は高電圧バイアス用のピンが追加されます。

アイソレーター

コネクター、汚れた端面、光ファイバー自体など、さまざまな箇所からレーザーへ光が反射して戻ると、DFB レーザーや EML レーザーが不安定になります。ノイズ（RIN）が増加し、モードホッピングや波長ジッターを引き起こし、DDM の Tx 読み値がずれることもあります。光アイソレーター（2枚の偏光子の間にファラデー回転子を挟んだもの、アイソレーション 25–35 dB、損失 0.3–0.5 dB）は、伝送距離を問わずすべての 1310/1550 nm モジュールでレーザーと光ファイバーの間に配置されます。VCSEL ベースの SR モジュールでは通常これを省略します。マルチモードリンクは反射の影響を受けにくく、850 nm では 0.1 dB 単位の差が重要になるためです。低価格帯の PON ONU でもアイソレーターが省略されることがあり、これが反射性のある設備上での挙動がばらつく一因です（PON の問題を参照）。

光ファイバーインターフェース：レセプタクルとピグテール

インターフェース構造備考
LC レセプタクル（SFP、SFP+、QSFP LR4/CWDM4 デュプレックス）ジルコニア製のスプリットスリーブが、パッチコードのフェルールをモジュール内部の光ファイバースタブまたはレンズ付きポートと位置合わせする清掃する端面はスタブの端面。そこの損傷は修復不能
SC レセプタクル（PON、GBIC、1G）同様の構造で 2.5 mm スリーブを使用。PON ではAPC（8度角、緑色）を使用APC ポートに UPC を挿すとデシベルを失い、OLT 側へ反射する（物理的な不一致を参照）
MPO/MT レセプタクル（SR4、DR4、PSM4、SR8）レンズアレイが、ガイドピン付きの MT フェルールに 4/8/12 本のビームを結合する。シングルモードの DR4/DR8 では APC を使用清潔さと同じくらい、極性とピン配列が重要
ピグテールOSA に恒久的に取り付けられた光ファイバーで、外部のコネクターで終端される産業用／レガシー。内部スタブなし
コネクターなし（AOC、DAC）光ファイバーリボンまたはツインアックスを接着ケーブル内部

コネクターファミリーと研磨コードについてはコネクターと光ファイバーを参照してください。

アライメント：コストがかかる工程

ダイと光ファイバーのアライメント公差は、シングルモードで約 ±1 µm です。メーカーはアクティブアライメントを用います。レーザーに通電した状態でロボットがレンズや光ファイバーを動かして結合パワーを最大化し、その後レーザー溶接や UV エポキシで固定する手法です。1個あたり数秒かかり、これがシングルモード TOSA のコストの下限を決めます。マルチモード（コア径 50 µm）は ±10 µm まで許容でき、パッシブアライメントが可能です。これが 850 nm の光学部品が安価である理由であり、COB やレンズアレイがまず 850 nm で実用化された理由でもあります（チップオンボードを参照）。

マルチチャネルパッケージング

  • パラレル（SR4、DR4）：1つのサブマウント上、または個別チップとして4個か8個のレーザーを配置し、レンズアレイ1個、MT フェルール1個で構成します。
  • WDM（LR4、CWDM4、FR4）：4個の TOSA（または1個の4チャネルアレイ）が内部マルチプレクサーに接続し、その先は単一光ファイバーのポートとなります。フィルターブロックはパッケージの一部です（モジュール内部の WDMを参照）。
  • BOSA（BiDi、PON）：レーザーとフォトダイオードが、45度 WDM フィルターを介して1つのポートを共有します。PON トリプレクサーでは3ポート構成になります。

パッケージングと信頼性

故障原因兆候
端面の劣化湿気（気密性の喪失）、汚染バイアスが徐々に上昇し、パワーが低下する（Tx バイアスと経年劣化を参照）
結合のドリフトエポキシのクリープ、熱サイクル、機械的衝撃Tx パワーが緩やかに低下し、バイアスが上昇する（APC が補償する）
スタブ端面の損傷不良なパッチコードフェルールによる傷、または汚れのすり込みその側で恒久的に 1–3 dB の損失。清掃しても回復しない
アイソレーター／レンズの曇り非気密設計における汚染波長依存の損失、RIN の上昇
TO-can 溶接部のひび割れ熱衝撃、落下突然の故障、または数か月かけての湿気侵入

CodingBox では

パッケージングそのものはメモリマップ上では見えませんが、その結果は見えます。結合損失はバイアスが正常なのに Tx パワーが低いという形で、端面の損傷はバイアスのトレンドとして、スタブの損傷は清掃しても直らない低い Rx として現れます。モジュールの生涯にわたる DDM のログと、ベンチでの検査スコープを組み合わせれば、どれに該当するかが分かります。

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