光器件BOSA的基礎(chǔ)知識

最近接到公司光產(chǎn)品線的項目，PON網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，對于我來說涉及到一個新的知識領(lǐng)域光通信，其中主要的光器件就是BOSA，由于之前沒有開發(fā)過產(chǎn)品（之前僅僅使用過數(shù)通光模塊），所以對光器件也不是很了解，剛開始與供應(yīng)商交流的時候，一些專業(yè)的詞匯也是聽的云里霧里，什么LD，PD，APD，ATI等等。所以專門學(xué)習(xí)了BOSA相關(guān)的基礎(chǔ)知識及基本概念。

光通信在現(xiàn)在的通訊鏈路上扮演著及其重要的作用，傳統(tǒng)的雙絞線、同軸線隨著長布線而導(dǎo)致高損耗和需要中間放大的電力需求，以及他們的帶寬無法滿足越來越快的通信需求。為此，光線路傳輸變得越來越重要，很多通信廠家也喊出了光進銅退的口號，光纖為傳送光的介質(zhì)，而負(fù)責(zé)光收發(fā)的器件我們稱為光模塊或者光收發(fā)器件。光模塊(optical module)由光電子器件、功能電路和光接口等組成，光電子器件包括發(fā)射和接收兩等器件組成。發(fā)射光組件TOSA（Transmitter OSA）將TO產(chǎn)生的激光耦合進入光纖傳輸，接收光組件ROSA（Receiver OSA）負(fù)責(zé)探測接收從光纖發(fā)送過來的光信號。兩個合在一起就叫做BOSA（Bidirectional Optical Assembly即單纖雙向組件）。

BOSA器件框圖

BOSA 構(gòu)成及零部件功能

45度膜片（發(fā)射光透射，接收光反射）

0度膜片（透射45度膜片反射過來的接收光）

單根光纖傳輸雙向數(shù)據(jù)，是指本地激光器發(fā)送的光信號與對端傳輸來的光信號同時在同一根光纖上傳輸。要實現(xiàn)這一功能，就必須將半導(dǎo)體激光器（LD ）和光電轉(zhuǎn)換器（PD）在光路上合為一體，同時保證發(fā)射光與接收光互不干擾。我們利用波分復(fù)用技術(shù)將激光器和光電轉(zhuǎn)換器集成到一起，實現(xiàn)了單纖雙向通信。

TOSA（電轉(zhuǎn)光）

光發(fā)射組件（Transmitter Optical Subassembly、TOSA)主要由激光器、管芯套和適配器以及長距離光模塊中隔離器和調(diào)節(jié)環(huán)組成，以光源（半導(dǎo)體發(fā)光二極管或激光二極管）為核心，LD芯片、監(jiān)控光電二極管（MD）和其他組件封裝在緊湊的結(jié)構(gòu)（TO同軸封裝或蝶形封裝）中，構(gòu)成的TOSA主要用于電信號轉(zhuǎn)化成光信號（E/O轉(zhuǎn)換）。

1、LD 半導(dǎo)體激光器LD（Laser Diode）：將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枺糜诠獍l(fā)射端機。

2、發(fā)光原理：

激光二極管中的P-N結(jié)由兩個摻雜的砷化鎵層形成。它有兩個平端結(jié)構(gòu)，平行于一端鏡像（高度反射面）和一個部分反射。要發(fā)射的光的波長與連接處的長度正好相關(guān)。當(dāng)P-N結(jié)由外部電壓源正向偏置時，電子通過結(jié)而移動，并像普通二極管那樣重新組合。當(dāng)電子與空穴復(fù)合時，光子被釋放。這些光子撞擊原子，導(dǎo)致更多的光子被釋放。隨著正向偏置電流的增加，更多的電子進入耗盡區(qū)并導(dǎo)致更多的光子被發(fā)射。最終，在耗盡區(qū)內(nèi)隨機漂移的一些光子垂直照射反射表面，從而沿著它們的原始路徑反射回去。反射的光子再次從結(jié)的另一端反射回來。光子從一端到另一端的這種運動連續(xù)多次。在光子運動過程中，由于雪崩效應(yīng)，更多的原子會釋放更多的光子。這種反射和產(chǎn)生越來越多的光子的過程產(chǎn)生非常強烈的激光束。

3.發(fā)光條件：

在上面解釋的發(fā)射過程中產(chǎn)生的每個光子與在能級，相位關(guān)系和頻率上的其他光子相同。因此，發(fā)射過程給出單一波長的激光束。為了產(chǎn)生一束激光，必須使激光二極管的電流超過一定的閾值電流（Ith）。低于閾值水平的電流迫使二極管表現(xiàn)為LED，發(fā)出非相干光。

4.LD分類：

法布里-珀羅（FP）

對應(yīng)光纖為單/多模，其功率高、低波段線寬（Spectral width）、可以作為較長距離光源。它與普通二極管來講是前者是共振腔體結(jié)構(gòu)。提供的電流可以使得腔體內(nèi)的電子因能階的躍遷而放出電子，腔體內(nèi)的端面可以作為兩端面反射鏡，造成光子在腔體內(nèi)匯聚，當(dāng)能量積累到一定程度就會發(fā)射出來，所以需要臨界電流。

分布反饋-DFB

DFB鐳射的結(jié)構(gòu)和光電反應(yīng)特性與FB鐳射類似，通訊傳輸需要在臨界電流之上，大部分波段處于1550nm左右，與FP不同之處，是DFB沿著共腔體外部加上一層光柵（Grating），使得鐳射光僅僅允許單一波長光源存在于腔體中，我們稱為單一縱向模態(tài)（SLM SIngle Longitudinal Mode）。基于此特性，產(chǎn)生特定要求的光比較容易，且價格比較貴。

5.LD常見參數(shù)（參考如下規(guī)格書截圖）

閾值電流

即激光管開始產(chǎn)生激光振蕩的電流，對一般小功率激光管而言，其值約在數(shù)十毫安，具有應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)的激光管閾值電流可低至10mA以下。

輸出光功率

最大允許的瞬時光學(xué)功率輸出。這適用于連續(xù)或脈沖操作模式。但是請注意持續(xù)的高功率導(dǎo)致發(fā)射二極管壽命降低。

監(jiān)控電流

即激光管在額定輸出功率時，在PIN管上流過的電流。

暗電流

暗電流是指器件在反偏壓條件下,沒有入射光時產(chǎn)生的反向直流電流。(它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴散形成的本征暗電流。)暗電流起因于熱激勵產(chǎn)生的電子空穴對,其中耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的熱激勵是主要的,其次是耗盡區(qū)邊緣的少數(shù)電荷的熱擴散,還有界面上產(chǎn)生的熱激勵。暗電流的產(chǎn)生需要一定的時間,勢阱存在時間越長,暗電流也越大。為了減小暗電流,應(yīng)盡量縮短信號電荷的存儲與轉(zhuǎn)移時間,暗電流限制了成象器件的靈敏度與動態(tài)范圍。暗電流的大小與溫度的關(guān)系極為密切,溫度每降低10℃,暗電流約減小一半。

ROSA（光轉(zhuǎn)電）

光接收組件(Receiver Optical Subassembly、ROSA)，主要由探測器和適配器組成， 在高數(shù)據(jù)速率光纖模塊中，通常將PIN或ADP光電二極管和TIA組裝在密封的金屬外殼，構(gòu)成的光接收組件主要用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號（O/E轉(zhuǎn)換）。

1、PD ：Photo Dioder光電二極管，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，后?jīng)跨阻放大器（TIA）變?yōu)殡妷盒盘?。用于接收端?/p>

2、分類

PIN-TIA：PIN-TIA光接收器是用于光通信系統(tǒng)中將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并將信號進行一定強度低噪聲放大的探測器件。其工作原理是：PIN的光敏面受探測光照射時，由于p-n結(jié)處于反向偏置，光生載流子在電場的作用下產(chǎn)生漂移，在外電路產(chǎn)生光電流；光電流通過跨阻放大器放大輸出，這樣就實現(xiàn)了光信號轉(zhuǎn)換成電信號進而將電信號初步放大的功能。其特性是暗電流導(dǎo)致噪聲，對于PIN，噪聲不可忽視。且隨著溫度的升高，光電檢測性能會變?nèi)?，靈敏度下降。一個典型的PIN光電二極管和跨阻放大器電路（PIN-TIA）可以表示為：

APD-TIA：APD雪崩二極管，通過光電效應(yīng)產(chǎn)生電子和空穴在高電場區(qū)運動是被迅速加速。內(nèi)部的電子雪崩， 對微弱的光電流產(chǎn)生放大作用，即就是有倍增效應(yīng) 。因此在電放大之前，具有 很高的靈敏度 。 暗電流很小 ，所以造成的噪聲可以忽略。

PIN二極管相對便宜并且在與其他電子元件相同的電壓下工作。然而，對于給定的光功率，它產(chǎn)生的電子比APD少得多。因此APD制造的接收器具有更高的靈敏度，發(fā)射器具有更長的傳輸距離。

3.PD常見參數(shù)（參考如下規(guī)格書截圖）

光響應(yīng)度R，R=Ip/Pi

Ip光電探測器產(chǎn)生的光電流，Pi表示輸入光電探測器的光功率。

反向擊穿電壓

在無光照射時反向電流達到預(yù)定值10uA的反向電壓。

靈敏度

一定波長、誤碼率、速率下能接收到的最小光功率。

飽和度

一定波長、誤碼率、速率下能接收到的最大光功率。

以上都是BOSA的基礎(chǔ)概念，以及光的一些基本知識，所有內(nèi)容源于個人整理。