Packaging ottico: TO-can, contenitori, lenti, isolatori

Il die di un laser è un frammento di semiconduttore lungo poche centinaia di micrometri; il nucleo di una fibra è largo 9 µm. Far passare la luce dall’uno nell’altra, mantenerla lì per vent’anni e impedire che le riflessioni tornino indietro è il compito del packaging ottico — i contenitori metallici, le lenti, gli isolatori e i ricettacoli che compongono una TOSA o una ROSA. Il packaging determina gran parte del costo di un modulo, buona parte della sua portata e quasi tutta la sua affidabilità a lungo termine.

Tipi di package

Dentro una TOSA 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 │
  └────────────────────────┘

• Submount (AlN o Si) diffonde il calore e porta il die collegato con wire bonding.
• Fotodiodo di monitor (MPD) cattura l’emissione dalla faccia posteriore — una frazione fissa dell’uscita — e alimenta il loop APC; la potenza Tx del DDM è derivata da esso, motivo per cui è una stima (Precisione e limiti).
• Lente — una lente a sfera nel cappuccio o una lente asferica separata mette a fuoco il fascio divergente (l’uscita del laser diverge di 20–40°) sull’estremità della fibra; l’efficienza di accoppiamento è tipicamente del 30–70 %, cioè 1,5–5 dB di perdita tra die e fibra.
• Tenuta ermetica — la saldatura a resistenza del cappuccio e le tenute vetro-metallo dei piedini mantengono l’umidità lontana dalle facce; sottoposta a prova di tenuta con elio in produzione (Produzione e collaudo).

La ROSA rispecchia questo schema: die del fotodiodo sull’header, spesso con il TIA nello stesso contenitore per mantenere corto il nodo ad alta impedenza, una lente nel cappuccio e, per i ricevitori APD, un piedino di polarizzazione ad alta tensione.

Isolatori

La luce riflessa indietro in un laser — da un connettore, una faccia del connettore sporca o la fibra stessa — destabilizza i laser DFB ed EML: aumenta il rumore (RIN), causa mode hopping e jitter di lunghezza d’onda e può spostare la lettura Tx del DDM. Un isolatore ottico (un rotatore di Faraday tra due polarizzatori, 25–35 dB di isolamento, 0,3–0,5 dB di perdita) si trova tra laser e fibra in ogni modulo a 1310/1550 nm di qualsiasi portata. I moduli SR basati su VCSEL di solito lo omettono: i collegamenti multimodali sono meno sensibili alle riflessioni e ogni decimo di dB conta a 850 nm. Anche le ONU PON a basso costo talvolta lo omettono — uno dei motivi per cui il loro comportamento su impianti riflettenti varia (Problemi PON).

Interfaccia in fibra: ricettacolo o pigtail

Famiglie di connettori e codici di polish: Connettori e fibra.

Allineamento: dove va il denaro

La tolleranza di allineamento die-fibra è di circa ±1 µm per il monomodale. I produttori usano l’allineamento attivo — alimentando il laser mentre un robot sposta la lente o la fibra per massimizzare la potenza accoppiata, poi fissandola con saldatura laser o resina epossidica UV. Richiede pochi secondi per pezzo ed è il costo minimo di una TOSA monomodale; il multimodale (nucleo da 50 µm) tollera ±10 µm e può essere allineato in modo passivo, motivo per cui l’ottica a 850 nm è economica e per cui COB e matrici di lenti funzionano prima a 850 nm (Chip-on-board).

Packaging multicanale

• Parallelo (SR4, DR4): quattro o otto laser su un unico submount o come chip separati, una matrice di lenti, una ferula MT.
• WDM (LR4, CWDM4, FR4): quattro TOSA (o una matrice a 4 canali) che alimentano un multiplexer interno, poi una porta a fibra singola — il blocco filtri fa parte del package (WDM interno al modulo).
• BOSA (BiDi, PON): un laser e un fotodiodo condividono una porta attraverso un filtro WDM a 45°; tre porte in un triplexer PON.

Packaging e affidabilità

In CodingBox

Il packaging è invisibile nella mappa di memoria, ma le sue conseguenze non lo sono: la perdita di accoppiamento appare come bassa potenza Tx con bias normale, il danno alla faccia come un andamento del bias, e uno stub danneggiato come una Rx bassa che la pulizia non risolve. Il log del DDM nel corso della vita del modulo, insieme al microscopio da banco per l’ispezione, indica quale dei tre casi si presenta.