Obudowy optyczne: TO-can, boksy, soczewki, izolatory

Kostka lasera to okruch półprzewodnika o długości kilkuset mikrometrów; rdzeń światłowodu ma średnicę 9 µm. Doprowadzenie światła z jednego do drugiego, utrzymanie go tam przez dwadzieścia lat i powstrzymanie odbić przed powrotem — to zadanie obudowy optycznej: metalowych puszek, soczewek, izolatorów i gniazd, z których składa się TOSA albo ROSA. Obudowa decyduje o większości kosztu modułu, sporej części jego zasięgu i niemal całej długoterminowej niezawodności.

Style obudów

Wnętrze TOSA w obudowie TO-can

  ┌── pokrywka z soczewką kulkową ──┐
  │        ○ soczewka              │      → światło do gniazda / odcinka światłowodu
  │   ▄ kostka lasera na            │
  │     podkładce AlN               │  ◄── fotodioda kontrolna za laserem (światło tylnej ścianki)
  │   ▪ termistor (opc.)            │
  ├─── podstawa (TO-46) ────────────┤
  │  wyprowadzenia: laser +/−, MPD, │
  │        termistor, masa          │
  └──────────────────────────────────┘

• Podkładka (submount) (AlN albo Si) rozprowadza ciepło i utrzymuje kostkę połączoną drutowo.
• Fotodioda kontrolna (MPD) przechwytuje emisję z tylnej ścianki — stały ułamek mocy wyjściowej — i zasila pętlę APC; moc Tx w DDM jest z niej wyprowadzana, dlatego jest to tylko szacunek (Dokładność i ograniczenia).
• Soczewka — soczewka kulkowa w pokrywce albo osobna soczewka asferyczna skupia rozbieżną wiązkę (wyjście lasera rozbiega się pod kątem 20–40°) na końcu światłowodu; sprawność sprzężenia wynosi zwykle 30–70 %, czyli 1,5–5 dB straty między kostką a światłowodem.
• Uszczelnienie hermetyczne — zgrzewanie oporowe pokrywki i przepusty szklano-metalowe wyprowadzeń trzymają wilgoć z dala od ścianek lasera; w produkcji sprawdzane na szczelność helem (Produkcja i testy).

ROSA działa analogicznie: kostka fotodiody na podstawie, często z TIA w tej samej obudowie, aby węzeł wysokiej impedancji był jak najkrótszy, soczewka w pokrywce, a w odbiornikach APD — dodatkowe wyprowadzenie zasilania wysokiego napięcia.

Izolatory

Światło odbite z powrotem do lasera — od złącza, brudnego czoła albo samego światłowodu — destabilizuje lasery DFB i EML: podnosi szum (RIN), powoduje przeskoki modów i jitter długości fali oraz może przesunąć odczyt Tx w DDM. Izolator optyczny (rotator Faradaya między dwoma polaryzatorami, izolacja 25–35 dB, strata 0,3–0,5 dB) znajduje się między laserem a światłowodem w każdym module 1310/1550 nm o dowolnym zasięgu. Moduły SR na VCSEL zwykle go pomijają: łącza wielomodowe są mniej czułe na odbicia, a przy 850 nm liczy się każda dziesiąta decybela. Tanie ONU PON też czasem go pomijają — to jedna z przyczyn, dla których ich zachowanie na instalacji z odbiciami bywa różne (Problemy PON).

Interfejs światłowodowy: gniazdo albo pigtail

Rodziny złączy i kody polerowania: Złącza i światłowód.

Justowanie: na co idą pieniądze

Tolerancja justowania kostka–światłowód wynosi około ±1 µm dla jednomodowych. Producenci stosują justowanie aktywne — laser jest zasilany, podczas gdy robot przesuwa soczewkę albo światłowód, aby zmaksymalizować sprzężoną moc, po czym mocuje wynik spawaniem laserowym albo klejem epoksydowym UV. Zajmuje to sekundy na sztukę i stanowi dolny próg kosztu jednomodowej TOSA; wielomodowe (rdzeń 50 µm) toleruje ±10 µm i może być justowane pasywnie, dlatego optyka 850 nm jest tania i dlatego COB oraz matryce soczewek najpierw sprawdziły się przy 850 nm (Chip-on-board).

Obudowy wielokanałowe

• Równoległe (SR4, DR4): cztery albo osiem laserów na jednej podkładce albo jako osobne układy, jedna matryca soczewek, jedna ferula MT.
• WDM (LR4, CWDM4, FR4): cztery TOSA (albo jedna matryca 4-kanałowa) zasilające wewnętrzny multiplekser, a dalej port jednowłóknowy — blok filtrów jest częścią obudowy (WDM wewnątrz modułu).
• BOSA (BiDi, PON): laser i fotodioda dzielą jeden port przez filtr WDM pod kątem 45°; w tryplekserze PON są trzy porty.

Obudowa a niezawodność

W CodingBox

Obudowa jest niewidoczna w mapie pamięci, ale jej skutki już nie: strata sprzężenia pokazuje się jako niska moc Tx przy normalnym bias, uszkodzenie ścianki jako trend bias, a uszkodzony stub jako niska Rx, której czyszczenie nie naprawia. Log DDM obejmujący cały cykl życia modułu, razem z mikroskopem inspekcyjnym na stanowisku, pokazuje, z którym przypadkiem masz do czynienia.