แพ็กเกจออปติคัล: TO-can, บ็อกซ์, เลนส์ และไอโซเลเตอร์

ชิปเลเซอร์คือเศษเซมิคอนดักเตอร์ขนาดยาวไม่กี่ร้อยไมโครเมตร ส่วนแกนใยแก้วนำแสงกว้างเพียง 9 µm การนำแสงจากชิ้นหนึ่งเข้าไปยังอีกชิ้นหนึ่ง รักษามันไว้ที่นั่นได้นานยี่สิบปี และหยุดไม่ให้แสงสะท้อนย้อนกลับมา คืองานของ แพ็กเกจออปติคัล — กระป๋องโลหะ เลนส์ ไอโซเลเตอร์ และรีเซปตาเคิลที่ประกอบกันขึ้นเป็น TOSA หรือ ROSA แพ็กเกจเป็นตัวกำหนดต้นทุนส่วนใหญ่ของโมดูล เป็นส่วนสำคัญของระยะส่ง และแทบจะทั้งหมดของความน่าเชื่อถือระยะยาว

รูปแบบแพ็กเกจ

ภายใน TOSA แบบ TO-can

  ┌── 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 │
  └────────────────────────┘

• ซับเมานต์ (AlN หรือ Si) กระจายความร้อนและรองรับชิปที่บอนด์ลวดไว้
• โฟโตไดโอดตรวจวัด (MPD) รับแสงที่ปล่อยออกจากหน้าตัดด้านหลัง — เป็นสัดส่วนคงที่ของกำลังส่งออก — แล้วป้อนเข้าลูปของ APC กำลัง Tx ใน DDM ได้มาจากค่านี้ จึงเป็นเหตุผลที่มันเป็นเพียงค่าประมาณ (ความแม่นยำและขีดจำกัด)
• เลนส์ — เลนส์ทรงกลมในฝาหรือเลนส์แอสเฟียริกแยกต่างหากโฟกัสลำแสงที่กระจายตัว (แสงจากเลเซอร์กระจายตัวที่ 20–40°) ลงบนปลายใยแก้วนำแสง ประสิทธิภาพการคัปเปิลโดยทั่วไปอยู่ที่ 30–70 % หรือคิดเป็นการสูญเสีย 1.5–5 dB ระหว่างชิปกับใยแก้วนำแสง
• การปิดผนึกสนิท — การเชื่อมฝาด้วยความต้านทานไฟฟ้าและซีลขาแบบกระจกต่อโลหะกันความชื้นไม่ให้เข้าถึงหน้าตัด ทดสอบการรั่วด้วยฮีเลียมในสายการผลิต (การผลิตและการทดสอบ)

ROSA มีโครงสร้างคล้ายกัน: ชิปโฟโตไดโอดอยู่บนเฮดเดอร์ มักมี TIA อยู่ในกระป๋องเดียวกันเพื่อให้จุดอิมพีแดนซ์สูงสั้นที่สุด มีเลนส์ในฝา และสำหรับตัวรับแบบ APD จะมีขาไบอัสแรงดันสูงเพิ่มด้วย

ไอโซเลเตอร์

แสงที่สะท้อนย้อนกลับเข้าไปในเลเซอร์ — จากคอนเนกเตอร์ หน้าตัดที่สกปรก หรือตัวใยแก้วนำแสงเอง — ทำให้เลเซอร์ DFB และ EML ไม่เสถียร: เพิ่มสัญญาณรบกวน (RIN) ทำให้เกิดโหมดกระโดดและความสั่นไหวของความยาวคลื่น และอาจทำให้ค่า Tx ที่อ่านได้ใน DDM เปลี่ยนไป ไอโซเลเตอร์เชิงแสง (ตัวหมุนฟาราเดย์ระหว่างโพลาไรเซอร์สองตัว ให้การแยก 25–35 dB สูญเสีย 0.3–0.5 dB) อยู่ระหว่างเลเซอร์กับใยแก้วนำแสงในโมดูล 1310/1550 nm ทุกระยะส่ง โมดูล SR ที่ใช้ VCSEL มักตัดมันออก เพราะลิงก์มัลติโหมดไวต่อการสะท้อนน้อยกว่า และทุกหนึ่งในสิบ dB มีความหมายที่ 850 nm ONU ของ PON ราคาประหยัดบางรุ่นก็ตัดมันออกเช่นกัน — เป็นเหตุผลหนึ่งที่พฤติกรรมของมันแตกต่างกันไปบนสายเคเบิลที่มีการสะท้อน (ปัญหาของ PON)

อินเทอร์เฟซใยแก้วนำแสง: รีเซปตาเคิลหรือพิกเทล

ตระกูลคอนเนกเตอร์และรหัสการขัดผิว: คอนเนกเตอร์และใยแก้วนำแสง

การจัดตำแหน่ง: เงินหมดไปกับอะไร

ความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ในการจัดตำแหน่งระหว่างชิปกับใยแก้วนำแสงอยู่ที่ประมาณ ±1 µm สำหรับซิงเกิลโหมด ผู้ผลิตใช้ การจัดตำแหน่งแบบแอ็กทีฟ — จ่ายไฟให้เลเซอร์ทำงานขณะที่หุ่นยนต์ขยับเลนส์หรือใยแก้วนำแสงเพื่อให้ได้กำลังคัปเปิลสูงสุด แล้วจึงตรึงตำแหน่งด้วยการเชื่อมด้วยเลเซอร์หรืออีพ็อกซีบ่มด้วยรังสียูวี ขั้นตอนนี้ใช้เวลาไม่กี่วินาทีต่อชิ้นและเป็นต้นทุนขั้นต่ำของ TOSA แบบซิงเกิลโหมด ส่วนมัลติโหมด (แกน 50 µm) ทนความคลาดเคลื่อนได้ถึง ±10 µm และจัดตำแหน่งแบบพาสซีฟได้ จึงเป็นเหตุผลที่ภาคออปติคัล 850 nm มีราคาถูก และเป็นเหตุผลที่ COB กับแถวเลนส์ใช้งานได้ที่ 850 nm เป็นที่แรก (Chip-on-board)

แพ็กเกจหลายช่องสัญญาณ

• แบบขนาน (SR4, DR4): เลเซอร์สี่หรือแปดตัวบนซับเมานต์เดียวหรือแยกเป็นชิปต่างหาก แถวเลนส์หนึ่งแถว เฟอร์รูล MT หนึ่งตัว
• WDM (LR4, CWDM4, FR4): TOSA สี่ตัว (หรือแถว 4 ช่องสัญญาณตัวเดียว) ป้อนเข้ามัลติเพล็กเซอร์ภายใน แล้วออกที่พอร์ตใยแก้วนำแสงเส้นเดียว — บล็อกฟิลเตอร์เป็นส่วนหนึ่งของแพ็กเกจ (WDM ภายในโมดูล)
• BOSA (BiDi, PON): เลเซอร์และโฟโตไดโอดใช้พอร์ตเดียวร่วมกันผ่านฟิลเตอร์ WDM มุม 45°; ไตรเพล็กเซอร์ของ PON มีสามพอร์ต

แพ็กเกจกับความน่าเชื่อถือ

ใน CodingBox

แพ็กเกจไม่ปรากฏให้เห็นในแผนผังหน่วยความจำ แต่ผลของมันปรากฏให้เห็น: การสูญเสียจากการคัปเปิลแสดงออกมาเป็นกำลัง Tx ต่ำขณะไบอัสปกติ หน้าตัดเสียหายแสดงออกมาเป็นแนวโน้มของไบอัส และสตับที่เสียหายแสดงออกมาเป็น Rx ต่ำที่ทำความสะอาดแล้วก็ไม่หาย บันทึก DDM ตลอดอายุการใช้งานของโมดูล ร่วมกับกล้องตรวจสอบบนโต๊ะทดสอบ จะบอกได้ว่าคุณเจอกรณีไหน