WDM внутри модуля: фильтры, AWG, BiDi, стабилизация длины волны

Многие модули — сами по себе маленькие WDM-системы. Модуль LR4 или FR4 мультиплексирует четыре лазера в одно волокно и разделяет четыре длины волны на другом конце; BiDi или PON передаёт и принимает по одному волокну через фильтр; DWDM-модуль годами держит длину волны с точностью в несколько гигагерц. Здесь — оптика, которая это обеспечивает: фильтры и волноводные мультиплексоры, разделитель BiDi, охладители и захваты длины волны, а также потери и отказы, которые они добавляют.

Где живёт WDM внутри модулей

Тип модуля	Внутренний WDM	Длины волн	Оптический порт
40GBASE-LR4, 100GBASE-LR4/ER4	4-канальные mux + demux LAN-WDM	1295,56 / 1300,05 / 1304,58 / 1309,14 нм (шаг 800 ГГц)	дуплекс LC
100G CWDM4, 400G FR4, 800G 2×FR4	4-канальные mux + demux CWDM	1271 / 1291 / 1311 / 1331 нм (шаг 20 нм)	дуплекс LC
40G/100G SWDM4	4-канальный коротковолновый mux на MMF	850 / 880 / 910 / 940 нм	дуплекс LC, OM4/OM5
BiDi (1G–100G), ONU/OLT PON	2- или 3-портовый фильтр (BOSA)	1310/1490, 1270/1330, 1490/1310/1550…	один LC или SC/APC
400G BiDi (SR4.2)	2 длины волны на волокно на 4 парах	850 / 910 нм	MPO
DWDM фиксированный / перестраиваемый	внутри mux нет; точная одна длина волны	сетка ITU, 100/50 ГГц	дуплекс LC — мультиплексор внешний
PSM4, DR4, SR4	нет — параллельные волокна	одна длина волны	MPO

Планы каналов и диапазоны: Диапазоны длин волн и сетки каналов.

Технологии мультиплексоров

Технология	Как работает	Вносимые потери (на канал, mux или demux)	Примечания
Блок тонкоплёночных фильтров (TFF) — «Z-блок»	диэлектрические интерференционные фильтры наклеены на стеклянный блок; свет идёт зигзагом, каждый фильтр пропускает одну полосу и отражает остальные	1–1,5 дБ	стойкий, атермальный, рабочая лошадка TOSA и ROSA LR4/CWDM4/FR4
AWG (решётка на массиве волноводов, кварцевый PLC)	фазированная решётка волноводов разводит длины волн по отдельным выходам	2–3 дБ	компактен для многих каналов; чувствителен к температуре без атермализации; в части LR4 и в оборудовании DWDM
Дифракционная решётка / призма в свободном пространстве	объёмная оптика	2–4 дБ	в съёмных модулях редко
Mux кремниевой фотоники	кольцевые резонаторы или эшелле-решётки на чипе	1–3 дБ	интегрирован с модуляторами в SiPh FR4; может требовать термоподстройки
Фильтр BiDi	одна дихроичная пластина под 45°: пропускает одну полосу на PD, отражает полосу лазера в волокно	0,5–1 дБ	изоляция 30–40 дБ между полосами Tx и Rx

Потери внутренних mux + demux (2–5 дБ в оба конца) — часть причины, по которой WDM-модули излучают больше на канал, чем параллельные, и по которой их Tx на канал в DDM выглядит ниже реального выхода лазера (Типовые значения).

Почему LR4 нужно охлаждение, а CWDM4 нет

Неохлаждаемый DFB уходит примерно на 0,1 нм/°C — 7 нм на диапазоне корпуса 0–70 °C.

Сетка	Шаг	Полоса фильтра	Уход без охлаждения помещается?
CWDM (CWDM4, FR4)	20 нм	±6,5 нм	да — без TEC, меньше мощность, дешевле
LAN-WDM (LR4, ER4)	800 ГГц ≈ 4,5 нм	±1 нм и меньше	нет — каждый лазер сидит на TEC при фиксированной температуре (либо применяется лазер с широким температурным диапазоном)
DWDM	100 ГГц ≈ 0,8 нм, 50 ГГц ≈ 0,4 нм	±0,1 нм	нет — TEC плюс захват длины волны

Поэтому модули 100G LR4 потребляют 3,5–4,5 Вт там, где CWDM4 — 2–3 Вт, и поэтому TOSA LR4 — боксы, а не TO-корпуса (Оптическая упаковка).

Как удерживается длина волны DWDM

 лазер на TEC ──► ответвитель 1–5 % ──► эталон (фильтр Фабри–Перо) ──► PD1
                                    └──────────────────────────────► PD2 (опорный)
 отношение PD1/PD2 → MCU → подстройка уставки TEC (тонко) или тока лазера → длина волны захвачена

TEC + термистор — элемент Пельтье под подложкой лазера держит его на уставке (25–45 °C) с точностью ±0,1 °C; петлю ведёт MCU. DDM может отдавать температуру лазера и ток TEC (Температура и напряжение).
Захват длины волны — эталон, пропускание которого пульсирует с периодом сетки ITU; сравнение ответвлённой мощности через него с опорной говорит контроллеру, с какой стороны канала лазер. Точность ±1–2,5 ГГц за срок службы.
Перестраиваемые лазеры добавляют грубый механизм: секции DBR с дискретизированной решёткой, матрица DFB с объединителем и термоподстройкой или внешний резонатор (ECL); упаковываются как ITLA / micro-ITLA / nano-ITLA в когерентных модулях или как компактные перестраиваемые TOSA в SFP+/XFP. Выбор канала и статус идут через SFF-8690 / страницы CMIS 04h–12h; перестройка занимает секунды, Tx на это время гасится (Перестраиваемые трансиверы).

Оптика BiDi и PON

BOSA ставит лазер и фотодиод за одним оптическим портом. WDM-фильтр под 45° отражает длину волны лазера в волокно и пропускает входящую на фотодиод; изоляция между двумя полосами (30–40 дБ) и крутизна края фильтра решают, сколько собственного света модуля утечёт в его приёмник. PON добавляет электронику всплескового режима на ONU (лазер включён только в своём слоте) и на OLT (приёмник сбрасывает порог между всплесками разных ONU) — причина, по которой Rx OLT в DDM — среднее по многим отправителям (Трансиверы PON).

Модули BiDi выпускаются парными вариантами (-U/-D или по длине волны), потому что фильтр в каждом настроен противоположно; два одинаковых никогда не линкуются (Несовпадения физического уровня).

Поляризация и отражения

Внутренние фильтры и AWG слегка зависят от поляризации (PDL 0,1–0,3 дБ); поляризация в волокне блуждает, поэтому принимаемая мощность может колебаться на десятые доли дБ без неисправности. Каждая внутренняя поверхность немного отражает; изоляторы после каждого лазера не пускают это к кристаллу (Оптическая упаковка).

Отказы, специфичные для внутреннего WDM

Отказ	Признак	Примечания
Отказ TEC в LR4/DWDM	температура лазера уходит, ток TEC на пределе, Rx одного канала на дальнем конце падает по мере сползания с фильтра	температура модуля может выглядеть нормальной
Расслоение / сдвиг фильтра	один канал низкий и по Tx (в волокно), и по Rx дальнего конца, зависит от длины волны	удар, термоциклирование
Уход захвата длины волны	канал DWDM мимо сетки, отфильтрован мультиплексором → низкий Rx, ошибки	Tx в DDM без изменений — свет есть, но не на той длине волны
Утечка фильтра BiDi	плохая чувствительность, ошибки на коротких линиях (собственный Tx заливает Rx)	хуже при большой мощности и отражениях
Старение одного лазера в 4-канальном WDM-модуле	ток одного канала вверх, затем мощность вниз; три других в норме	Поканальная диагностика

В CodingBox

Байты идентификации описывают конструкцию WDM: длина волны (1310 как номинальный центр для LR4/CWDM4 или точный канал для DWDM), коды соответствия или применений (LR4 против CWDM4 против FR4), а для перестраиваемых — сетка и текущий канал на страницах tunable. Поканальный DDM на экране DDM показывает каждый внутренний лазер отдельно; температура лазера и ток TEC появляются там, где модуль их отдаёт.