Đóng gói quang: TO-can, hộp, thấu kính, bộ cách ly

Một die laser là một mảnh bán dẫn dài vài trăm micromet; lõi sợi quang rộng 9 µm. Đưa ánh sáng từ vật này sang vật kia, giữ nó ở đó trong hai mươi năm và ngăn phản xạ dội ngược lại là công việc của đóng gói quang học — các vỏ kim loại, thấu kính, bộ cách ly và đầu thu tạo nên một TOSA hoặc ROSA. Đóng gói quyết định phần lớn chi phí của module, một phần đáng kể cự ly của nó và gần như toàn bộ độ tin cậy lâu dài của nó.

Các kiểu đóng gói

Bên trong một TOSA kiểu TO-can

  ┌── nắp có thấu kính bi ──┐
  │      ○ thấu kính         │   → ánh sáng đến đầu thu / mẩu sợi quang
  │  ▄ die laser trên        │
  │    submount AlN          │  ◄── photodiode giám sát sau laser (ánh sáng mặt sau)
  │  ▪ thermistor (tùy chọn) │
  ├── đế (TO-46) ────────────┤
  │  chân: laser +/−, MPD,   │
  │        thermistor, GND   │
  └───────────────────────────┘

• Submount (AlN hoặc Si) tản nhiệt và đỡ die đã được hàn dây.
• Photodiode giám sát (MPD) bắt lấy phát xạ từ mặt sau — một tỷ lệ cố định của công suất ra — và cấp tín hiệu cho vòng lặp APC; công suất Tx trong DDM được suy ra từ đó, đó là lý do nó chỉ là một giá trị ước tính (Độ chính xác và giới hạn).
• Thấu kính — một thấu kính bi trong nắp hoặc một thấu kính phi cầu riêng hội tụ chùm tia phân kỳ (công suất ra của laser phân kỳ ở góc 20–40°) vào đầu sợi quang; hiệu suất ghép quang thường là 30–70 %, tức 1,5–5 dB suy hao giữa die và sợi quang.
• Bịt kín khí — hàn điện trở của nắp và các mối bịt chân kính-kim loại giữ ẩm không lọt vào mặt phát; được kiểm tra rò rỉ bằng heli trong sản xuất (Sản xuất và kiểm tra).

ROSA có cấu trúc tương tự: die photodiode trên đế, thường có TIA nằm trong cùng vỏ để giữ nút trở kháng cao ngắn nhất có thể, một thấu kính trong nắp, và với bộ thu APD là một chân phân cực điện áp cao.

Bộ cách ly

Ánh sáng phản xạ ngược vào laser — từ đầu nối, một mặt đầu nối bẩn hoặc chính sợi quang — làm mất ổn định laser DFB và EML: nó làm tăng nhiễu (RIN), gây nhảy mode và jitter bước sóng, và có thể làm lệch chỉ số Tx trong DDM. Một bộ cách ly quang (một bộ quay Faraday đặt giữa hai bộ phân cực, cách ly 25–35 dB, suy hao 0,3–0,5 dB) nằm giữa laser và sợi quang trong mọi module 1310/1550 nm ở bất kỳ cự ly nào. Các module SR dùng VCSEL thường bỏ qua nó: liên kết đa mode ít nhạy với phản xạ hơn, và ở 850 nm từng phần mười dB đều đáng kể. Các ONU PON giá rẻ đôi khi cũng bỏ qua nó — một trong các lý do khiến hành vi của chúng trên tuyến có phản xạ khác nhau (Sự cố PON).

Giao diện sợi quang: đầu thu hay pigtail

Các họ đầu nối và mã đánh bóng: Đầu nối và sợi quang.

Căn chỉnh: tiền đổ vào đâu

Dung sai căn chỉnh giữa die và sợi quang là khoảng ±1 µm đối với đơn mode. Nhà sản xuất dùng căn chỉnh chủ động — cấp điện cho laser trong khi một robot di chuyển thấu kính hoặc sợi quang để công suất ghép vào là lớn nhất, sau đó cố định bằng hàn laser hoặc keo epoxy UV. Việc này mất vài giây cho mỗi chi tiết và là mức chi phí sàn của một TOSA đơn mode; đa mode (lõi 50 µm) chịu được ±10 µm và có thể căn chỉnh thụ động, đó là lý do quang học 850 nm rẻ và vì sao COB cùng dãy thấu kính xuất hiện ở 850 nm trước tiên (Chip-on-board).

Đóng gói đa kênh

• Song song (SR4, DR4): bốn hoặc tám laser trên cùng một submount hoặc thành các chip riêng, một dãy thấu kính, một ferrule MT.
• WDM (LR4, CWDM4, FR4): bốn TOSA (hoặc một dãy 4 kênh) cấp vào một bộ ghép kênh nội bộ, sau đó ra một cổng sợi quang đơn — khối lọc là một phần của gói đóng (WDM bên trong module).
• BOSA (BiDi, PON): một laser và một photodiode dùng chung một cổng qua một bộ lọc WDM 45°; ba cổng trong một triplexer PON.

Đóng gói và độ tin cậy

Trong CodingBox

Đóng gói không hiện diện trong bản đồ bộ nhớ, nhưng hậu quả của nó thì có: suy hao ghép quang thể hiện thành công suất Tx thấp trong khi dòng phân cực vẫn bình thường, hư mặt phát thể hiện thành xu hướng dòng phân cực, và mẩu sợi quang bị hỏng thể hiện thành Rx thấp mà vệ sinh không khắc phục được. Nhật ký DDM trong suốt vòng đời module, cùng với kính soi kiểm tra trên bàn thử, cho biết bạn đang gặp trường hợp nào.