Объяснены компоненты оптических модулей: TOSA, ROSA, DSP, лазеры, модуляторы и многое другое

Оптический модуль - это не одно оптоэлектронное устройство, а тесно интегрированная система передачи, построенная из блока передачи, блока приема, функциональной схемы,и оптические/электрические интерфейсыВместе эти элементы преобразуют электрические сигналы в оптические сигналы, восстанавливают входящий свет обратно в электрическую форму и сохраняют целостность сигнала по всей линии.

Каковы основные компоненты оптического модуля?

Оптический модуль представляет собой электрооптический приемник, построенный вокруг четырех блоков верхнего уровня:TOSA,РОСА,функциональные схемы, иоптические/электрические интерфейсыСторона передачи генерирует и модулирует свет, сторона приема обнаруживает и восстанавливает его, схема управляет приводом, усилением, управлением и цифровой коррекцией,и интерфейсы соединяют модуль с хост-системы и волоконного соединения.

На архитектурном уровне модуль можно разделить наПуть передачи, аПолучать путь, аПуть управления, и два внешних слоя соединения.TOSA(оптическая подсборка передатчика), в то время как принимающая сторона группируется подРОСА(оптическая подсборка приемника).IC драйвера,TIA,DSP, иУправляющий блок, в то время как оптические и электрические интерфейсы соединяют модуль с волокном с одной стороны и картой хоста с другой.

Ключевыми внутренними устройствами, обычно обсуждаемыми на уровне компонентов оптического модуля, являютсялазерный диод (LD),фотодетектор (PD),оптический волновод (WG),оптический модулятор (OM),Усилитель трансимпедантности (TIA),IC драйвера, иMUX/DEMUXКаждое из них выполняет определенную роль, но ни одно из них не определяет производительность модуля в одиночку.

Как работает путь сигнала оптического модуля

На стороне передачи электрический сигнал поступает через электрический интерфейс, затем проходит в стадию драйвера.модуль либо напрямую управляет лазером, либо использует лазер непрерывной волны вместе с отдельным оптическим модуляторомПолученный оптический сигнал затем направляется на выходное волокно.

электрический вход → управляющий IC → лазер и/или модулятор → оптический выход

С принимающей стороны оптический сигнал поступает через волоконный интерфейс, попадает в фотодетектор и преобразуется в фотопоток.так что он передается наTIA, который преобразует его в сигнал напряжения, подходящий для дальнейшей обработки.Поточная схема восстанавливает электрические данные и отправляет их через электрический интерфейс на стороне хозяина.

Даже когда диаграмма сигнала фокусируется на LD, PD, MUX, DEMUX или DSP, практический модуль все еще нуждается в мониторинге, контроле отклонений, управлении состоянием,и контроль интерфейсовИменно поэтому блок управления остается частью архитектуры, а не периферийным дополнением.

Лазерные диоды в оптических модулях: EEL, FP, DFB, DML, EML и VCSEL

Лазерный диод является источником света оптического модуля. В основном он использует полупроводниковую среду усиления, электрическое возбуждение и оптическую резонансную структуру для производства выхода лазера.При проектировании модулей, однако более важный инженерный вопрос заключается не только в том, как работает лазер, но и в том, какая структура лазера и подход к модуляции наилучшим образом соответствуют требованиям целевого охвата, скорости и качества сигнала..

Один из основных структурных расхождений междулазеры, излучающие краю (EEL)илазеры вертикальной полости, излучающие поверхность (VCSEL)В EEL, резонансная полость сформирована вдоль плоскости чипа, так что свет выходит параллельно субстрату.и свет выходит перпендикулярно поверхности чипаЭта структурная разница является одной из причин, по которой VCSEL тесно связаны с короткопроходными приемопередатчиками.в то время как семейства лазеров на основе индия-фосфида чаще используются при увеличении требований к пробегу и скорости движенияК примеру, обзор платформы передатчиков Coherent's помещает VCSEL в категории разработок 1.6T с коротким охватом и DML/EML-решений на основе InP в категории среднего и долгого охвата.

В семье EEL два распространенных подтипа:ФПиDFBлазеры.Фабри-Перо (ФП)лазеры старше, проще и обычно связаны с более низкой скоростью передачи на более короткие расстояния.Распределенная обратная связь (DFB)лазеры добавляют решетчатую структуру для поддержки однопродольного режима выхода, что делает их более подходящими для высокоскоростных и более дальних оптических связей.

Еще один важный разрыв междуDMLиEML. Апрямомодулируемый лазер (DML)Это привлекательно для интеграции и простоты, но также создает инженерные компромиссы.Индекс преломления активной области также меняется.На практике это ограничивает расстояние передачи, ограничивает пропускную способность,и может затруднить поддержание высокого коэффициента исчезновения в более требовательных рабочих точках.

- Что?лазер с модуляцией электропоглощения (EML)В форме, используемой в реальных продуктах, EML интегрируетЛазер DFBсмодулятор электропоглощения. Когерентное EML-документация описывает устройство именно так и позиционирует его для высокоскоростной передачи PAM4,В то время как его более широкая дорожная карта передатчика помещает EML в более широкие категории, чем VCSEL.

Вот почему практическая карта охвата в системе отсчета имеет смысл:VCSELУстановлено для связей в пределах около200 м,DMLпримерно500 м до 10 км, иEMLдля40 км и вышеТочные точки прерывания всегда зависят от конструкции системы, но инженерная логика стабильна: чем больше охват, тем более строги требования к целостности сигнала.чем более ценной будет управляемая модуляция и меньший чирп.

Оптические модуляторы: как информация передается на свет

Оптический модулятор - это устройство, которое превращает непрерывный оптический носитель в сигнал, несущий данные.интенсивность,фазы, илиполяризацияЭта функция является центральной для современных оптических модулей, потому что производительность передатчика часто определяется методом модуляции, как и самим лазером.

Общий путь кремния используетэффект дисперсии плазмыПри этом подходе структура PN-соединения изменяет концентрацию носителя внутри кремниевого волновода, что изменяет показатель преломления и абсорбцию.Это изменение фазы затем может быть преобразовано в модуляцию интенсивности в таких структурах, какИнтерферометр Маха-Зендера (MZI/MZM)Основополагающая статья "Оптика" описывает силиконовую оптическую модуляцию как основанную на эффекте дисперсии плазмы свободного носителя.и недавние работы Intel по кремниевой фотонике продолжают строить высокоскоростные интегрированные передатчики вокруг архитектур на основе Mach ≈ Zehnder для масштабируемых оптических соединений.

Основная привлекательность кремниевых модуляторов заключается в совместимости процессов и плотности интеграции.CMOS-ориентированныйОни хорошо подходят для экономически эффективных, высокопроизводительных оптических приложений.межсетевые соединения между центрами обработки данных короткого радиуса действия, где интеграция, мощность и масштабность упаковки имеют такое же значение, как и элегантность устройства.

Второй маршрут основан наЭффект Покельсавтонкопленочный ниобат лития (TFLN)Здесь применяемое электрическое поле изменяет показатель преломления напрямую.Тонкопленочный ниобат лития стал особенно привлекательным, потому что он сочетает в себе классические электрооптические преимущества ниобата лития с гораздо более интегрированной платформойИсследование Nature Communications на тонкопленочных модуляторах литиевого ниобата подчеркивает именно те черты, которые делают эту платформу ценной в требовательных связях:большая пропускная способность, низкое напряжение привода, низкие потери, компактный отпечаток и низкий шум. (Природа)

Третий маршрутквантово-ограниченный эффект Старка (QCSE)вМногоквантовый колодец на основе InPВ этой системе эта трасса представлена как основной механизм, лежащий в основе многихEMLС точки зрения инженерии, это привлекательно, потому что оно может обеспечитьвысокая эффективность,хорошее соотношение вымирания, инизкое напряжение привода, что делает его подходящим для1080 кмпередача класса.

Фотодетекторы и ТИА: как оптические сигналы снова становятся электрическими

С принимающей стороны оптический модуль должен преобразовывать входящий свет в полезную электрическую информацию.фотодетектор (PD)Его задача - поглощать входящий оптический сигнал и генерировать носители заряда, производя фотопоток, который отражает полученный свет.

Два распространенных семейства детекторов:фотодиоды PINиФотодиоды APD. АПИН-кодДетектор имеет умеренную чувствительность и, как правило, хорошо подходит для оптической связи на короткие и средние расстояния.ОПДВ технической записке Hamamatsu объясняется, что APD внутренне умножают фотопоток, достигают более высокой чувствительности,и может обеспечивать более высокую S/N, чем фотодиоды PINИменно поэтому APD часто предпочтительнее, когда принимающая сторона должна работать с более слабыми сигналами или поддерживать более длинные связи.

Один детектор недостаточен. Фотодиод выводит ток, но большинство потоковых схем работает более эффективно с сигналами напряжения.Усилитель трансимпедантности (TIA)И IT, и Analog Devices описывают роль TIA в front-end в том же практическом порядке:Он преобразует фотодиодный ток в напряжение, сохраняя при этом полезную полосу для остальной части цепочки приемникаВ оптических модулях это делает PD и TIA функциональной парой, а не двумя изолированными частями.

MUX и DEMUX: почему оптическим модулям нужны параллельные пути передачи

Современный оптический модуль делает больше, чем отправляет один оптический поток по одному пути. Во многих конструкциях он должен объединять или отделять несколько каналов для повышения эффективности полосы пропускания.MUXиDEMUXустройства.

А.мультиплексор (MUX)объединяет несколько оптических каналов в один выходный путь.демультиплексер (DEMUX)С точки зрения системы эти элементы являются тем, что делает входящий комбинированный сигналпараллельная оптическая передачаВозможно.

В рамках статьи мультиплексинг разделяется на три практические категории.Мультиплексирование по разделению режимовпредставляется как ориентированный на границы путь, с представительными устройствами, такими как:ADCиMMIсоединители.Мультиплексирование с разделением на длину волныявляется основным маршрутом, используя такие устройства, какAWG,TFF, иMRR.Мультиплексирование поляризациисвязана с когерентными модулями и опирается на такие устройства, как поляризационные разделители/комбинаторы и поляризационные ротаторы.

Эта категоризация имеет значение, потому что она предотвращает смешивание семейств модулей.и не каждому модулю короткого радиуса действия требуется та же стратегия мультиплексирования, что и последовательному дизайну дальнего радиуса действия.Поэтому проект MUX/DEMUX является проблемой пропускной способности, но также и проблемой архитектуры модуля.

Что делает DSP в оптическом модуле

ВDSPНа стороне передачи данные часто проходят через оптическую связь и цепочку преобразования.DACНа стороне приема восстановленный аналоговый сигнал отправляется черезADCЭти шаги, наряду с нарушениями волокна и неидеальности устройства, вводят искажения, которые должны быть исправлены, если модуль должен поддерживать низкий уровень ошибок бит.

В практических оптических системах DSP используется для таких задач, как:предварительное искажение,восстановление часов,компенсация дисперсии,уравнение, и смягчение шума или другие условия нарушения.В техническом объяснении NTT ′s DSP оптического приемопередатчика говорится, что DSP на стороне приемника компенсирует искажение формы волны, вызванное хроматической дисперсией и оптическими нелинейными эффектами, а также выполняет адаптивные функции выравнивания и восстановления сигнала.DSP - это схема, которая помогает оптическому пути вести себя как надежный канал связи, а не хрупкая аналоговая связь. (Обзор НТТ)

В более простом языке модуля, DSP позволяет оптическому оборудованию работать ближе к его предполагаемой границе производительности.Но это уменьшает наказание за неизбежные нарушения и помогает сохранитьBERПод контролем.

Как выбор компонента влияет на охват, пропускную способность и пригодность приложения

Самый важный урок дизайна заключается в том, что оптический модуль являетсяпроблема архитектуры на уровне системы. Доступ к ссылке не определяется только лазером. Пропускная способность не определяется только MUX. Чувствительность приемника не определяется только PD.Настоящая производительность зависит от того, как источник света, метод модуляции, приемник фронта, архитектура канала и стратегия цифровой компенсации объединены.

Дляпередача на короткое расстояние, архитектура часто предпочитает устройства и платформы, которые хорошо масштабируются по объему и интеграции, такие какПути передачи на базе VCSELилипути модуляции на основе кремниевой фотоникиДля.передача на средний и длинный расстояние, архитектура все больше пользуетсяПередатчики типа DFB/EML, более высокая чувствительность приемника, напримерВыявление на основе ППД, и более сложной цифровой коррекции.Собственный продукт Coherent и материал дорожной карты отражает ту же тенденцию, размещая VCSEL в развитии малого радиуса действия и EML на основе InP или связанные семейства модулированных лазеров в категориях среднего и долгого радиуса действия..

В оптическом модуле каждое основное устройство представляет собой выбор конструкции относительно расстояния, скорости передачи данных, качества сигнала,метод интеграции, и структуры затрат.

Частые вопросы

Каковы основные компоненты оптического модуля?

Основными компонентами являются:TOSA,РОСА,функциональные схемы, иоптические/электрические интерфейсыВнутри этих блоков, самые важные устройствалазерный диод,оптический модулятор,фотодетектор,TIA,IC драйвера,MUX/DEMUX, и частоDSP.

В чем разница между TOSA и ROSA в оптическом приеме?

TOSAявляется оптической подсборкой передатчика. Он обрабатывает генерацию света и оптический выход.РОСАЭто оптическая подгруппа приемника, которая отвечает за оптический прием, фотодетекцию и первую стадию восстановления электричества.

DML против EML против VCSEL: какой из них используется для оптических модулей с коротким и длинным радиусом действия?

В рамках, используемой здесь,VCSELсвязана с короткими связями, обычно в пределах около200 м.DMLрасположен в пространстве от короткого до среднего диапазона, примерно500 м до 10 км.EMLиспользуется при необходимости улучшения качества сигнала и увеличения охвата, включая:40 км и выше.

Что делает DSP в оптическом модуле?

DSP компенсирует нарушения, вызванные этапами преобразования и оптическим каналом.предварительное искажение,восстановление часов,компенсация дисперсии,уравнение, иУлучшение BER.

Почему оптические модули используют MUX и DEMUX?

Они позволяют модулю объединять и отделять несколько оптических каналов.параллельная передача, особенно когда конструкция использует несколько длин волн или другие измерения мультиплексирования для увеличения пропускной способности.

PIN или фотодетектор APD: что лучше для большего расстояния передачи?

ОПДобычно лучше, когда стороне приема требуется более высокая чувствительность, потому что она обеспечивает внутреннюю прибыль через множение лавин.ПИН-кодявляется более простым и хорошо работает во многих коротких и средних применениях, но APD обычно предпочтительнее, когда должны быть обнаружены более слабые полученные сигналы.