Encapsulamento óptico: encapsulamentos TO, caixas, lentes, isoladores

Um chip de laser é um fragmento de semicondutor com poucas centenas de micrômetros de comprimento; o núcleo de uma fibra tem 9 µm de diâmetro. Levar a luz de um para o outro, mantê-la ali por vinte anos e impedir que reflexões voltem é o trabalho do encapsulamento óptico — as latas metálicas, lentes, isoladores e receptáculos que formam uma TOSA ou ROSA. O encapsulamento determina a maior parte do custo de um módulo, boa parte do seu alcance e quase toda a sua confiabilidade de longo prazo.

Estilos de encapsulamento

Dentro de uma TOSA TO-can

  ┌── tampa com lente esférica ──┐
  │        ○ lente                │      → luz para o receptáculo / toco de fibra
  │   ▄ chip de laser sobre       │
  │     submontagem de AlN        │  ◄── fotodiodo monitor atrás do laser (luz da face traseira)
  │   ▪ termistor (opc.)          │
  ├─── base (TO-46) ──────────────┤
  │  pinos: laser +/−, MPD,       │
  │         termistor, GND        │
  └────────────────────────────────┘

• A submontagem (AlN ou Si) espalha o calor e sustenta o chip conectado por fios.
• O fotodiodo monitor (MPD) capta a emissão da face traseira — uma fração fixa da saída — e alimenta a malha de APC; a potência Tx do DDM é derivada dele, por isso é uma estimativa (Precisão e limites).
• A lente — uma lente esférica na tampa ou uma lente asférica separada foca o feixe divergente (a saída do laser diverge de 20–40°) na ponta da fibra; a eficiência de acoplamento é tipicamente de 30–70 %, ou seja, 1,5–5 dB de perda entre o chip e a fibra.
• A vedação hermética — a solda por resistência da tampa e as vedações vidro-metal dos pinos mantêm a umidade longe das faces; testada quanto a vazamentos com hélio na produção (Fabricação e testes).

A ROSA espelha isso: o chip do fotodiodo fica na base, muitas vezes com a TIA dentro da mesma lata para manter curto o nó de alta impedância, uma lente na tampa e, para receptores APD, um pino de polarização de alta tensão.

Isoladores

A luz refletida de volta para um laser — de um conector, de uma face suja ou da própria fibra — desestabiliza lasers DFB e EML: eleva o ruído (RIN), causa saltos de modo e jitter de comprimento de onda, e pode deslocar a leitura de Tx do DDM. Um isolador óptico (um rotador de Faraday entre dois polarizadores, 25–35 dB de isolamento, 0,3–0,5 dB de perda) fica entre o laser e a fibra em todo módulo de 1310/1550 nm de qualquer alcance. Módulos SR baseados em VCSEL costumam omiti-lo: enlaces multimodo são menos sensíveis a reflexões e cada décimo de dB conta em 850 nm. ONUs PON de baixo custo às vezes também o omitem — uma das razões pelas quais seu comportamento em plantas reflexivas varia (Problemas de PON).

Interface de fibra: receptáculo ou pigtail

Famílias de conectores e códigos de polimento: Conectores e fibra.

Alinhamento: para onde vai o dinheiro

A tolerância de alinhamento entre o chip e a fibra é de cerca de ±1 µm para monomodo. Os fabricantes usam alinhamento ativo — energizando o laser enquanto um robô move a lente ou a fibra para maximizar a potência acoplada, e depois fixando com solda a laser ou epóxi UV. Isso leva segundos por peça e é o piso de custo de uma TOSA monomodo; o multimodo (núcleo de 50 µm) tolera ±10 µm e pode ser alinhado passivamente, razão pela qual a óptica de 850 nm é barata e pela qual o COB e as matrizes de lentes funcionam primeiro em 850 nm (Chip-on-board).

Encapsulamento multicanal

• Paralelo (SR4, DR4): quatro ou oito lasers em uma submontagem ou como chips separados, uma matriz de lentes, uma ferrola MT.
• WDM (LR4, CWDM4, FR4): quatro TOSAs (ou uma matriz de 4 canais) alimentando um multiplexador interno, depois uma porta de fibra única — o bloco de filtros faz parte do encapsulamento (WDM dentro do módulo).
• BOSA (BiDi, PON): um laser e um fotodiodo compartilham uma porta por meio de um filtro WDM de 45°; três portas em um triplexer PON.

Encapsulamento e confiabilidade

No CodingBox

O encapsulamento é invisível no mapa de memória, mas suas consequências não são: a perda de acoplamento aparece como potência Tx baixa com polarização normal, o dano na face aparece como uma tendência na polarização, e um toco danificado aparece como um Rx baixo que a limpeza não corrige. O histórico de DDM ao longo da vida do módulo, junto com o escopo de inspeção de bancada, diz qual dos casos você tem.