Optische behuizingstechniek: TO-cans, boxen, lenzen, isolatoren

Een laserchip is een stukje halfgeleider van enkele honderden micrometers lang; een glasvezelkern is 9 µm breed. Licht van het ene naar het andere brengen, het daar twintig jaar houden en voorkomen dat reflecties terugkeren, is de taak van optische verpakking — de metalen cans, lenzen, isolatoren en aansluitingen waaruit een TOSA of ROSA bestaat. De verpakking bepaalt het grootste deel van de kosten van een module, een aanzienlijk deel van het bereik en vrijwel de volledige betrouwbaarheid op lange termijn.

Verpakkingsstijlen

In een TO-can TOSA

  ┌── 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 of Si) voert warmte af en draagt de via wire-bonding verbonden chip.
• Monitorfotodiode (MPD) vangt de emissie van het achtervlak op — een vaste fractie van het uitgangsvermogen — en voedt de APC-lus; DDM Tx-vermogen wordt hieruit afgeleid en is daarom een schatting (Nauwkeurigheid & limieten).
• Lens — een kogellens in de kap of een aparte asferische lens focust de divergerende bundel (laseroutput divergeert met 20–40°) op het glasvezeleind; de koppelingsefficiëntie is doorgaans 30–70 %, d.w.z. 1,5–5 dB verlies tussen chip en glasvezel.
• Hermetische afdichting — weerstandslassen van de kap en glas-metaalafdichtingen van pinnen houden vocht weg van de facetten; in productie met helium op lekkage getest (Productie & testen).

De ROSA is hiervan het spiegelbeeld: fotodiodechip op de header, vaak met de TIA in dezelfde can om de hoogohmige node kort te houden, een lens in de kap en voor APD-ontvangers een biaspin voor hoge spanning.

Isolatoren

Licht dat wordt teruggekaatst naar een laser — door een connector, een vuil eindvlak of de glasvezel zelf — destabiliseert DFB- en EML-lasers: het verhoogt ruis (RIN), veroorzaakt mode hopping en golflengtejitter en kan de DDM Tx-meting verschuiven. Een optische isolator (een Faraday-rotator tussen twee polarisatoren, 25–35 dB isolatie, 0,3–0,5 dB verlies) zit tussen laser en glasvezel in elke 1310/1550 nm-module, ongeacht het bereik. SR-modules op basis van VCSEL laten hem meestal weg: multimode links zijn minder gevoelig voor reflecties en bij 850 nm telt elke tiende dB. Goedkope PON-ONU’s laten hem soms eveneens weg — een reden dat hun gedrag op reflecterende infrastructuur varieert (PON-problemen).

Glasvezelinterface: receptacle of pigtail

Connectorfamilies en polijstcodes: Connectoren & glasvezel.

Uitlijning: waar de kosten zitten

De uitlijntolerantie van chip naar glasvezel bedraagt voor singlemode ongeveer ±1 µm. Fabrikanten gebruiken actieve uitlijning — de laser onder spanning terwijl een robot de lens of glasvezel verplaatst om het gekoppelde vermogen te maximaliseren, waarna deze met laserlassen of UV-epoxy wordt gefixeerd. Dit duurt seconden per onderdeel en bepaalt de kostendrempel van een singlemode TOSA; multimode (50 µm-kern) verdraagt ±10 µm en kan passief worden uitgelijnd. Daarom is 850 nm-optiek goedkoop en werken COB en lensarrays eerst bij 850 nm (Chip-on-board).

Meer-kanaalsverpakking

• Parallel (SR4, DR4): vier of acht lasers op één submount of als afzonderlijke chips, één lensarray, één MT-ferrule.
• WDM (LR4, CWDM4, FR4): vier TOSA's (of één 4-kanaalsarray) die een interne multiplexer voeden, gevolgd door een singlemode poort — het filterblok maakt deel uit van de verpakking (WDM in de module).
• BOSA (BiDi, PON): een laser en een fotodiode delen één poort via een 45° WDM-filter; drie poorten in een PON-triplexer.

Verpakking en betrouwbaarheid

In CodingBox

Verpakking is onzichtbaar in de geheugenmap, maar de gevolgen niet: koppelingsverlies toont zich als laag Tx-vermogen bij normale bias, facetbeschadiging als een biastrend en een beschadigde stub als lage Rx die reiniging niet kan verhelpen. Het DDM-logboek gedurende de levensduur van de module vertelt, samen met de inspectie op de werkbank, welke situatie u hebt.