Encapsulado óptico: encapsulados TO, cajas, lentes, aisladores

Un chip láser es una esquirla de semiconductor de unos cientos de micrómetros de largo; el núcleo de una fibra mide 9 µm de diámetro. Llevar la luz de uno al otro, mantenerla ahí durante veinte años y evitar que los reflejos vuelvan atrás es el trabajo del encapsulado óptico: los botes metálicos, las lentes, los aisladores y los receptáculos que forman una TOSA o una ROSA. El encapsulado determina la mayor parte del coste de un módulo, buena parte de su alcance y casi toda su fiabilidad a largo plazo.

Estilos de encapsulado

Dentro de una TOSA TO-can

  ┌── tapa con lente de bola ──┐
  │        ○ lente              │      → luz hacia el receptáculo / stub de fibra
  │   ▄ chip láser sobre        │
  │     submontaje de AlN       │  ◄── fotodiodo de monitor detrás del láser (luz de faceta trasera)
  │   ▪ termistor (opc.)        │
  ├─── base (TO-46) ────────────┤
  │  pines: láser +/−, MPD,     │
  │         termistor, GND      │
  └──────────────────────────────┘

• Submontaje (AlN o Si) disipa el calor y sostiene el chip unido por hilos.
• Fotodiodo de monitor (MPD) capta la emisión de la faceta trasera (una fracción fija de la salida) y alimenta el lazo APC; la potencia Tx del DDM se deriva de él, por lo que es una estimación (Precisión y límites).
• Lente: una lente de bola en la tapa o una lente asférica independiente enfoca el haz divergente (la salida del láser diverge a 20–40°) sobre el extremo de la fibra; la eficiencia de acoplamiento suele ser del 30–70 %, es decir, 1,5–5 dB de pérdida entre el chip y la fibra.
• Sello hermético: la soldadura por resistencia de la tapa y los sellos de vidrio a metal de los pines mantienen la humedad fuera de las facetas; se prueba la estanqueidad con helio en producción (Fabricación y pruebas).

La ROSA refleja esto: chip de fotodiodo sobre la base, a menudo con el TIA dentro del mismo bote para mantener corto el nodo de alta impedancia, una lente en la tapa y, para receptores APD, un pin de polarización de alto voltaje.

Aisladores

La luz reflejada de vuelta hacia un láser (desde un conector, una cara sucia o la propia fibra) desestabiliza los láseres DFB y EML: aumenta el ruido (RIN), provoca saltos de modo y jitter de longitud de onda, y puede desplazar la lectura de Tx del DDM. Un aislador óptico (un rotador de Faraday entre dos polarizadores, 25–35 dB de aislamiento, 0,3–0,5 dB de pérdida) se sitúa entre el láser y la fibra en todo módulo de 1310/1550 nm de cualquier alcance. Los módulos SR basados en VCSEL normalmente lo omiten: los enlaces multimodo son menos sensibles a los reflejos y a 850 nm cada décima de dB cuenta. Las ONU PON de bajo coste también lo omiten a veces, una de las razones por las que su comportamiento en plantas reflectantes varía (Problemas de PON).

Interfaz de fibra: receptáculo o coleta

Familias de conectores y códigos de pulido: Conectores y fibra.

Alineación: adónde va el dinero

La tolerancia de alineación entre el chip y la fibra es de unos ±1 µm para monomodo. Los fabricantes usan alineación activa: alimentan el láser mientras un robot mueve la lente o la fibra para maximizar la potencia acoplada, y luego lo fijan por soldadura láser o epoxi UV. Toma segundos por pieza y es el suelo de coste de una TOSA monomodo; el multimodo (núcleo de 50 µm) tolera ±10 µm y puede alinearse de forma pasiva, por lo que la óptica de 850 nm es barata y por lo que el COB y las matrices de lentes funcionan primero a 850 nm (Chip-on-board).

Encapsulado multicanal

• Paralelo (SR4, DR4): cuatro u ocho láseres en un submontaje o como chips separados, una matriz de lentes, una férula MT.
• WDM (LR4, CWDM4, FR4): cuatro TOSA (o una matriz de 4 canales) que alimentan un multiplexor interno y luego un puerto de una sola fibra; el bloque de filtros forma parte del encapsulado (WDM dentro del módulo).
• BOSA (BiDi, PON): un láser y un fotodiodo comparten un puerto a través de un filtro WDM de 45°; tres puertos en un triplexor PON.

Encapsulado y fiabilidad

En CodingBox

El encapsulado es invisible en el mapa de memoria, pero sus consecuencias no lo son: la pérdida de acoplamiento se manifiesta como baja potencia Tx con polarización normal, el daño de faceta como una tendencia en la polarización, y un stub dañado como una Rx baja que la limpieza no corrige. El registro de DDM a lo largo de la vida del módulo, junto con el microscopio de inspección de banco, indica cuál de ellos tienes.