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光器件BOSA的基础知识

CHANBAEK 来源: 硬件那些事儿 作者:小桥人家 2023-12-03 15:45 次阅读

最近接到公司产品线的项目,PON网关产品,对于我来说涉及到一个新的知识领域光通信,其中主要的光器件就是BOSA,由于之前没有开发过产品(之前仅仅使用过数通光模块),所以对光器件也不是很了解,刚开始与供应商交流的时候,一些专业的词汇也是听的云里雾里,什么LD,PD,APD,ATI等等。所以专门学习了BOSA相关的基础知识及基本概念。

光通信在现在的通讯链路上扮演着及其重要的作用,传统的双绞线、同轴线随着长布线而导致高损耗和需要中间放大的电力需求,以及他们的带宽无法满足越来越快的通信需求。为此,光线路传输变得越来越重要,很多通信厂家也喊出了光进铜退的口号,光纤为传送光的介质,而负责光收发的器件我们称为光模块或者光收发器件。光模块(optical module)由光电子器件、功能电路和光接口等组成,光电子器件包括发射和接收两等器件组成。发射光组件TOSA(Transmitter OSA)将TO产生的激光耦合进入光纤传输,接收光组件ROSA(Receiver OSA)负责探测接收从光纤发送过来的光信号。两个合在一起就叫做BOSA(Bidirectional Optical Assembly即单纤双向组件)。

BOSA器件框图

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BOSA 构成及零部件功能

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45度膜片(发射光透射,接收光反射)

0度膜片(透射45度膜片反射过来的接收光)

单根光纤传输双向数据,是指本地激光器发送的光信号与对端传输来的光信号同时在同一根光纤上传输。要实现这一功能,就必须将半导体激光器(LD )和光电转换器(PD)在光路上合为一体,同时保证发射光与接收光互不干扰。我们利用波分复用技术将激光器和光电转换器集成到一起,实现了单纤双向通信。

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TOSA(电转光)

光发射组件(Transmitter Optical Subassembly、TOSA)主要由激光器、管芯套和适配器以及长距离光模块中隔离器和调节环组成,以光源(半导体发光二极管或激光二极管)为核心,LD芯片、监控光电二极管(MD)和其他组件封装在紧凑的结构(TO同轴封装或蝶形封装)中,构成的TOSA主要用于电信号转化成光信号(E/O转换)。

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1、LD 半导体激光器LD(Laser Diode):将电信号转变为光信号,用于光发射端机。

2、发光原理:

激光二极管中的P-N结由两个掺杂的砷化镓层形成。它有两个平端结构,平行于一端镜像(高度反射面)和一个部分反射。要发射的光的波长与连接处的长度正好相关。当P-N结由外部电压源正向偏置时,电子通过结而移动,并像普通二极管那样重新组合。当电子与空穴复合时,光子被释放。这些光子撞击原子,导致更多的光子被释放。随着正向偏置电流的增加,更多的电子进入耗尽区并导致更多的光子被发射。最终,在耗尽区内随机漂移的一些光子垂直照射反射表面,从而沿着它们的原始路径反射回去。反射的光子再次从结的另一端反射回来。光子从一端到另一端的这种运动连续多次。在光子运动过程中,由于雪崩效应,更多的原子会释放更多的光子。这种反射和产生越来越多的光子的过程产生非常强烈的激光束。

3.发光条件:

在上面解释的发射过程中产生的每个光子与在能级,相位关系和频率上的其他光子相同。因此,发射过程给出单一波长的激光束。为了产生一束激光,必须使激光二极管的电流超过一定的阈值电流(Ith)。低于阈值水平的电流迫使二极管表现为LED,发出非相干光。

4.LD分类:

法布里-珀罗(FP)

对应光纤为单/多模,其功率高、低波段线宽(Spectral width)、可以作为较长距离光源。它与普通二极管来讲是前者是共振腔体结构。提供的电流可以使得腔体内的电子因能阶的跃迁而放出电子,腔体内的端面可以作为两端面反射镜,造成光子在腔体内汇聚,当能量积累到一定程度就会发射出来,所以需要临界电流。

分布反馈-DFB

DFB镭射的结构和光电反应特性与FB镭射类似,通讯传输需要在临界电流之上,大部分波段处于1550nm左右,与FP不同之处,是DFB沿着共腔体外部加上一层光栅(Grating),使得镭射光仅仅允许单一波长光源存在于腔体中,我们称为单一纵向模态(SLM SIngle Longitudinal Mode)。基于此特性,产生特定要求的光比较容易,且价格比较贵。

5.LD常见参数(参考如下规格书截图)

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阈值电流

即激光管开始产生激光振荡的电流,对一般小功率激光管而言,其值约在数十毫安,具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。

输出光功率

最大允许的瞬时光学功率输出。这适用于连续或脉冲操作模式。但是请注意持续的高功率导致发射二极管寿命降低。

监控电流

即激光管在额定输出功率时,在PIN管上流过的电流。

暗电流

暗电流是指器件在反偏压条件下,没有入射光时产生的反向直流电流。(它包括晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流。)暗电流起因于热激励产生的电子空穴对,其中耗尽区内产生的热激励是主要的,其次是耗尽区边缘的少数电荷的热扩散,还有界面上产生的热激励。暗电流的产生需要一定的时间,势阱存在时间越长,暗电流也越大。为了减小暗电流,应尽量缩短信号电荷的存储与转移时间,暗电流限制了成象器件的灵敏度与动态范围。暗电流的大小与温度的关系极为密切,温度每降低10℃,暗电流约减小一半。

ROSA(光转电)

光接收组件(Receiver Optical Subassembly、ROSA),主要由探测器和适配器组成, 在高数据速率光纤模块中,通常将PIN或ADP光电二极管和TIA组装在密封的金属外壳,构成的光接收组件主要用于将光信号转换为电信号(O/E转换)。

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1、PD :Photo Dioder光电二极管,将光信号转变为电信号,后经跨阻放大器(TIA)变为电压信号。用于接收端。

2、分类

PIN-TIA:PIN-TIA光接收器是用于光通信系统中将微弱的光信号转换成电信号并将信号进行一定强度低噪声放大的探测器件。其工作原理是:PIN的光敏面受探测光照射时,由于p-n结处于反向偏置,光生载流子在电场的作用下产生漂移,在外电路产生光电流;光电流通过跨阻放大器放大输出,这样就实现了光信号转换成电信号进而将电信号初步放大的功能。其特性是暗电流导致噪声,对于PIN,噪声不可忽视。且随着温度的升高,光电检测性能会变弱,灵敏度下降。一个典型的PIN光电二极管和跨阻放大器电路(PIN-TIA)可以表示为:

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APD-TIA:APD雪崩二极管,通过光电效应产生电子和空穴在高电场区运动是被迅速加速。内部的电子雪崩, 对微弱的光电流产生放大作用,即就是有倍增效应 。因此在电放大之前,具有 很高的灵敏度暗电流很小 ,所以造成的噪声可以忽略。

PIN二极管相对便宜并且在与其他电子元件相同的电压下工作。然而,对于给定的光功率,它产生的电子比APD少得多。因此APD制造的接收器具有更高的灵敏度,发射器具有更长的传输距离。

3.PD常见参数(参考如下规格书截图)

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光响应度R,R=Ip/Pi

Ip光电探测器产生的光电流,Pi表示输入光电探测器的光功率。

反向击穿电压

在无光照射时反向电流达到预定值10uA的反向电压。

灵敏度

一定波长、误码率、速率下能接收到的最小光功率。

饱和度

一定波长、误码率、速率下能接收到的最大光功率。

以上都是BOSA的基础概念,以及光的一些基本知识,所有内容源于个人整理。

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