광 패키징: TO-can, 박스, 렌즈, 아이솔레이터

레이저 다이는 길이가 수백 마이크로미터에 불과한 반도체 조각이고, 광섬유 코어의 지름은 9 µm입니다. 한쪽에서 다른 쪽으로 빛을 전달하고, 20년 동안 그 상태를 유지하며, 반사광이 되돌아오는 것을 막는 일이 광학 패키징의 역할입니다 — TOSA나 ROSA를 이루는 금속 캔, 렌즈, 아이솔레이터, 리셉터클이 그것입니다. 패키징은 모듈 비용의 대부분, 전송 거리의 상당 부분, 그리고 장기 신뢰성의 거의 전부를 좌우합니다.

패키지 유형

패키지	구성	사용처	비용/성능
TO-can(TO-46, TO-56 및 변형)	서브마운트 위에 다이를 얹은 기밀 금속 헤더를, 유리창이나 볼 렌즈가 달린 캡으로 밀봉	25G까지 거의 모든 SFP/SFP+ 광학계, PON, 1G	가장 저렴한 기밀 패키지; 약 10 GHz급 대역폭이 25–28 Gb/s 부근에서 한계로 작용
박스/미니플랫 TOSA	RF 피드스루를 갖춘 세라믹 또는 금속 박스로, TEC·서미스터·아이솔레이터·렌즈가 들어갈 공간이 있음	냉각형 DFB/EML: DWDM SFP+, 10G ER/ZR, 100G LR4 레인, 400G FR4/LR4	더 고가; PAM4용 50 GHz급 피드스루
버터플라이(14핀)	TEC와 광섬유 피그테일을 갖춘 전통적인 통신용 레이저 패키지	레거시 XFP/300핀 DWDM, 고출력 펌프, ITLA 레이저	크고 고가 — 플러거블에서는 박스 TOSA로 대체됨
칩온보드(COB)	렌즈 어레이 아래 PCB 위에 놓인 베어 다이, 기밀 패키지 없음	AOC, SR4/SR8, 다수의 DR4/FR4	대량 생산 시 비용 최저; 보호를 성형/코팅에 의존 — 칩온보드
실리콘 포토닉스 어셈블리	변조기, 도파로, 검출기를 갖춘 광집적회로 칩; 레이저는 부착 또는 플립칩 방식; 광섬유 어레이는 단면 결합 또는 격자 결합	100G DR/FR, 400G DR4, 코히어런트	정렬 한 번으로 여러 채널 처리 — 레이저: SiPh

TO-can TOSA 내부

  ┌── cap with ball lens ──┐
  │        ○ lens          │      → light to the receptacle / fibre stub
  │   ▄ laser die on       │
  │     AlN submount       │  ◄── monitor photodiode behind the laser (back-facet light)
  │   ▪ thermistor (opt.)  │
  ├─── header (TO-46) ─────┤
  │  pins: laser +/−, MPD, │
  │        thermistor, GND │
  └────────────────────────┘

서브마운트(AlN 또는 Si)가 열을 분산시키고 와이어 본딩된 다이를 지지합니다.
모니터 포토다이오드(MPD)가 후면 방출광 — 출력의 일정 비율 — 을 받아 APC 루프에 공급합니다. DDM Tx 파워는 여기서 유도되므로 추정값에 불과합니다(정확도와 한계).
렌즈 — 캡 안의 볼 렌즈 또는 별도의 비구면 렌즈가 퍼지는 빔(레이저 출력은 20–40°로 퍼짐)을 광섬유 끝에 모읍니다. 결합 효율은 보통 30–70 %이며, 다이와 광섬유 사이에서 1.5–5 dB의 손실에 해당합니다.
기밀 밀봉 — 캡의 저항 용접과 유리-금속 핀 실이 단면에서 습기를 차단합니다. 생산 시 헬륨으로 누설을 검사합니다(제조와 테스트).

ROSA도 구조가 비슷합니다: 헤더 위의 포토다이오드 다이, 고임피던스 노드를 짧게 유지하기 위해 흔히 같은 캔 안에 들어가는 TIA, 캡 안의 렌즈, 그리고 APD 수신기의 경우 고전압 바이어스 핀이 추가됩니다.

아이솔레이터

커넥터, 오염된 단면, 광섬유 자체에서 레이저로 되돌아오는 반사광은 DFB와 EML 레이저를 불안정하게 만듭니다: 잡음(RIN)을 높이고, 모드 호핑과 파장 지터를 일으키며, DDM Tx 판독값을 흔들 수 있습니다. 광 아이솔레이터(두 편광판 사이의 패러데이 회전자, 격리도 25–35 dB, 손실 0.3–0.5 dB)는 전송 거리를 불문하고 모든 1310/1550 nm 모듈에서 레이저와 광섬유 사이에 자리합니다. VCSEL 기반 SR 모듈은 보통 아이솔레이터를 생략합니다: 멀티모드 링크는 반사에 덜 민감하고, 850 nm에서는 0.1 dB 하나하나가 중요하기 때문입니다. 저가형 PON ONU도 종종 아이솔레이터를 생략하는데, 이것이 반사가 많은 설비에서 이들의 동작이 들쭉날쭉한 이유 중 하나입니다(PON 문제).

광섬유 인터페이스: 리셉터클 또는 피그테일

인터페이스	구조	비고
LC 리셉터클(SFP, SFP+, QSFP LR4/CWDM4 듀플렉스)	지르코니아 스플릿 슬리브가 패치 코드 페룰을 모듈 내부의 광섬유 스텁이나 렌즈 포트와 정렬	세정하는 단면은 스텁의 단면이며, 여기 손상되면 영구적
SC 리셉터클(PON, GBIC, 1G)	2.5 mm 슬리브를 쓰는 점만 다름; PON은 APC(8° 각도, 녹색) 사용	APC 포트에 UPC를 꽂으면 손실이 늘고 OLT 쪽으로 반사됨(물리적 불일치)
MPO/MT 리셉터클(SR4, DR4, PSM4, SR8)	렌즈 어레이가 가이드 핀이 달린 MT 페룰에 4/8/12개 빔을 결합; 싱글모드 DR4/DR8은 APC	청결도 못지않게 극성과 핀 배열이 중요
피그테일	OSA에 광섬유를 영구 부착하고 외부 커넥터에서 종단	산업용/레거시; 내부 스텁 없음
커넥터 없음(AOC, DAC)	광섬유 리본이나 트윈액스를 접착 고정	케이블 내부 구조

커넥터 계열과 연마 코드: 커넥터와 광섬유.

정렬: 비용이 들어가는 곳

다이-광섬유 정렬 공차는 싱글모드 기준 약 ±1 µm입니다. 제조사는 능동 정렬을 사용합니다 — 레이저에 전원을 넣은 상태에서 로봇이 렌즈나 광섬유를 움직여 결합 파워를 최대화한 뒤, 레이저 용접이나 UV 에폭시로 고정합니다. 부품당 몇 초가 걸리며, 이것이 싱글모드 TOSA의 비용 하한선을 이룹니다. 멀티모드(코어 50 µm)는 ±10 µm까지 허용되어 수동으로 정렬할 수 있으며, 이 때문에 850 nm 광학계가 저렴하고 COB와 렌즈 어레이가 850 nm에서 먼저 쓰이는 것입니다(칩온보드).

다채널 패키징

병렬형(SR4, DR4): 서브마운트 하나 또는 별도 칩으로 구성된 레이저 4개 또는 8개, 렌즈 어레이 하나, MT 페룰 하나.
WDM형(LR4, CWDM4, FR4): TOSA 4개(또는 4채널 어레이 1개)가 내부 다중화기로 모여 단일 광섬유 포트로 나감 — 필터 블록이 패키지의 일부(모듈 내부의 WDM).
BOSA(BiDi, PON): 레이저와 포토다이오드가 45° WDM 필터를 통해 포트 하나를 공유; PON 트리플렉서에서는 포트 3개.

패키징과 신뢰성

고장	원인	징후
단면 열화	습기(기밀성 상실), 오염	바이어스 상승, 파워 하락 — Tx 바이어스와 노화
결합 드리프트	에폭시 크리프, 열 순환, 기계적 충격	Tx 파워가 서서히 하락, 바이어스는 상승(APC가 보상)
스텁 단면 손상	불량 패치 코드 페룰에 의한 스크래치 또는 이물질 압착	해당 쪽에 영구적인 1–3 dB 손실; 세정으로도 복구 안 됨
아이솔레이터/렌즈 흐림	비기밀 설계에서의 오염	파장에 따라 달라지는 손실, RIN 상승
TO-can 용접부 균열	열충격, 낙하	즉시 고장 또는 수개월에 걸친 수분 침투

CodingBox에서

패키징 자체는 메모리 맵에 나타나지 않지만, 그 결과는 나타납니다: 결합 손실은 바이어스가 정상인데 Tx 파워만 낮은 형태로, 단면 손상은 바이어스 추이로, 손상된 스텁은 세정으로도 고쳐지지 않는 낮은 Rx로 나타납니다. 모듈 수명 동안의 DDM 로그를 벤치 검사 스코프와 함께 보면 어느 쪽인지 알 수 있습니다.

이 문서에서 부정확한 내용이나 오류를 발견하면 해당 부분을 선택하고 Ctrl+Enter를 눌러 해 주세요.