光模块/BOSA的基础介绍

摘要：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，而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，当然也有一种光收发器器件叫做光纤收发器，我们先介绍光模块，当然它也被成为BOSA。

什么是光模块

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。
光发射部分叫做TOSA，光接受部分叫做ROSA，两个合在一起就叫做BOSA。

光模块的组成

上面讲到BOSA由TOSA和ROSA组成，下面就来具体讲一讲。

电转光TOSA

1、LD 半导体激光器LD（Laser Diode）
作用：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、要求：
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（I_th）。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分类类型

• 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。他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镭射是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，产生特定要求光比较容易，且价格比较贵。

还有其他一些不常见的可自行查阅了解

5、LD的常见参数

• 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。
• 光谱（波长、光谱宽度）
  即激光管工作波长
• 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。
• 工作参数
  电流、电压、暗电流。

光转电ROSA

PD将光信号转化为电电流，后经过互阻放大器（TIA）变为电压信号。

1、PD ：Photo Dioder光电二极管，将光信号转变为电信号，用于接收端。

2、分类

• PIN-TIA
  PIN就是在PN结之间加上本征半导体
  特性：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。
• APD-TIA
  APD雪崩二极管
  特性：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二极管或雪崩光电二极管（APD）将接收到的光转换为信号电流。

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。

TIA，指的是跨阻放大器，将电流信号转化为电压信号。

3、特性

• 光响应度R，R=I_p/P_i
  I_p光电探测器产生的光电流，P_i表示输入光电探测器的光功率。
• 暗电流Id
  规定反向电压下，在无光入射时产生的电流。
• 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。

BOSA实际介绍

光模块-BOSA，BOSA由ROSA和TOSA组成，即就是发射和接受光的功能模块。

BOSA器件框图：

截面图，比较清楚看见BOSA的内部结构图。：

BOSA主要包含如下关键器件：
1、发射管芯LD和接收管芯PD-TIA；
2、滤光片，0度和45度；因为发射和接收光路导致需要这个器件。
3、隔离器，根据不同的光的波长选择不同的隔离器；但是现在厂商一般省掉这个器件（成本和工艺导致），直接导致的问题就是导致输出眼图抖动严重，需要外部自行添加。
4、适配和尾纤，根据成本和应用场景不同来选择。

BOSA的发展

BOSA的核心器件LD和PD这两个东西，看起来小小的，但实际是最为重要的两个芯片器件基本上被国外厂商垄断；国内厂商一般做的是组装，将LD和PD买回来，因为LD和PD技术被垄断。

因为要发展大速率、高带宽的5G等，所以好像现在国外可以做400G的光模块了。国内而言少部分可以做20G以下的，中间的我们可以组装，100G以上的基本上被国外垄断，国内做不了，人家要不卖你，我们也就被遏制了。

所以我们应该要像重视半导体一样，重视这部分的研发。

Reference

1、百度文库BOSA介绍

2、BOOK118 BOSA介绍

2019-6-23 _{清夜无尘，月色如银。}