Il front-end ottico: TOSA, ROSA, BOSA

Togli l’involucro, il microcontrollore e l’EEPROM, e un ricetrasmettitore è due cose: una sorgente di luce che si può commutare velocemente e un rivelatore di luce che sa leggerla. Tutto ciò che riguarda portata, lunghezza d’onda, tipo di fibra e costo dipende da quale sorgente e quale rivelatore porta un modulo. Questa pagina introduce il front end ottico; le pagine seguenti trattano i laser, i ricevitori, la loro evoluzione per fattore di forma e il modo chip-on-board di costruirli.

Il percorso del segnale

 host SerDes ──► laser driver ──► LASER ──► fibre ──► PHOTODIODE ──► TIA ──► LA / CDR ──► host SerDes
                 (bias + modulation)                   (current)     (voltage) (clean data)

• Lato trasmissione. Il driver converte i bit elettrici dell’host in una corrente che commuta o modula il laser; il laser converte la corrente in luce a una lunghezza d’onda; una lente accoppia quella luce nel nucleo della fibra.
• Lato ricezione. Una lente mette a fuoco la luce in arrivo su un fotodiodo, che produce una corrente minima; il TIA (amplificatore a transimpedenza) la trasforma in una tensione; la LA (amplificatore limitatore) la squadra a livelli digitali, oppure — sui moduli PAM4 — un amplificatore lineare alimenta un ADC e un DSP; il CDR ritempifica il risultato.

I sottoassiemi

Tradizionalmente ogni OSA è un TO-can ermetico (package metallico transistor-outline) o una scatola ceramica; l’ottica parallela ad alto volume usa sempre più die nudi sulla scheda — chip-on-board — e i design più recenti integrano modulatori e rivelatori su un chip di fotonica al silicio.

I numeri che contano

Bilancio di potenza = potenza di lancio − sensibilità, meno il margine; questa singola sottrazione è il motivo per cui il laser e il fotodiodo di un modulo ne decidono la classe di portata. Vedi Mux/demux CWDM e bilancio di potenza.

Raffreddato o non raffreddato

La lunghezza d’onda di un laser deriva con la temperatura (~0,1 nm/°C per un DFB). Dove la lunghezza d’onda deve essere precisa — DWDM, LAN-WDM LR4, lunga portata basata su EML — la TOSA include un raffreddatore termoelettrico (TEC) e un termistore. Dove una spaziatura di canale di 20 nm o un’unica lunghezza d’onda tollera la deriva — SR, LR, CWDM — i moduli sono non raffreddati, più economici e a potenza inferiore. La temperatura del DDM è quella del case del modulo; alcuni moduli raffreddati riportano anche la temperatura del laser come monitor ausiliario (Parametri DDM).

Cosa si guasta e come si manifesta

• Invecchiamento del laser — la corrente di bias sale per mantenere la potenza, poi l’uscita crolla (Guasti).
• Degrado del ricevitore — la sensibilità peggiora; la Rx letta risulta normale mentre gli errori aumentano.
• Perdita di accoppiamento — sporco o disallineamento al ricettacolo costa decibel su entrambi i lati (Flapping del collegamento).
• Guasto del TEC sui moduli raffreddati — la lunghezza d’onda esce dalla banda passante del filtro.

In CodingBox

Il front end ottico viene riportato tramite il DDM — potenza Tx, bias Tx (lo stato di salute del laser), potenza Rx (la vista del fotodiodo sull’estremità remota) e temperatura — che CodingBox legge e traccia nella schermata DDM. I byte di identità che descrivono il front end (lunghezza d’onda, portata, codici di conformità) sono letti e codificati nell’EEPROM editor; mantienili coerenti con il vero laser e ricevitore che porta un modulo.

Per approfondire

• Packaging ottico — TO-can, TOSA a scatola, lenti, isolatori, ricettacoli e stub; dove va il costo dell’allineamento.
• WDM interno al modulo — multiplexer TFF e AWG, filtri BiDi, TEC e wavelength locker; perché LR4 è raffreddato e CWDM4 no.
• Elettronica del modulo — driver, TIA/LA, DSP, controller e distribuzione dell’alimentazione, blocco per blocco.
• Modulazione e DSP — NRZ vs PAM4, cosa fa il DSP, gearbox, LPO e moduli coerenti.
• Controller e firmware — l’MCU dietro DDM, APC e la mappa di memoria; come viene implementata la protezione.
• Produzione e collaudo — dal wafer al modulo codificato: allineamento, calibrazione, burn-in, test.
• Interni del cavo — cosa c’è dentro DAC, ACC/AEC e AOC e come sono codificate le due estremità.

Dove si collocano questi componenti nell’infrastruttura attiva più ampia — ricetrasmettitori, media converter, transponder, amplificatori, ROADM, apparati PON e monitoraggio: Infrastruttura ottica attiva.