WDM im Modul: Filter, AWGs, BiDi, Wellenlängenregelung

Viele Module sind für sich genommen kleine WDM-Systeme. Ein LR4- oder FR4-Modul multiplext vier Laser auf eine Faser und demultiplext am anderen Ende vier Wellenlängen; ein BiDi- oder PON-Modul sendet und empfängt über einen Filter auf einer Faser; ein DWDM-Modul hält seine Wellenlänge über Jahre auf wenige Gigahertz genau. Diese Seite behandelt die Optik, die das möglich macht — die Filter und Wellenleiter-Multiplexer, den BiDi-Splitter, die Kühler und Wellenlängen-Locker — sowie die Verluste und Fehlermodi, die sie hinzufügen.

Wo WDM im Modul steckt

Modultyp	Internes WDM	Wellenlängen	Faseranschluss
40GBASE-LR4, 100GBASE-LR4/ER4	4-Kanal-LAN-WDM-Mux + -Demux	1295,56/1300,05/1304,58/1309,14 nm (Kanalabstand 800 GHz)	Duplex-LC
100G CWDM4, 400G FR4, 800G 2×FR4	4-Kanal-CWDM-Mux + -Demux	1271/1291/1311/1331 nm (Kanalabstand 20 nm)	Duplex-LC
40G/100G SWDM4	4-Kanal-Kurzwellen-Mux auf MMF	850/880/910/940 nm	Duplex-LC, OM4/OM5
BiDi (1G–100G), PON ONU/OLT	2- oder 3-Port-Filter (BOSA)	1310/1490, 1270/1330, 1490/1310/1550…	Simplex-LC oder SC/APC
400G BiDi (SR4.2)	2 Wellenlängen je Faser auf 4 Paaren	850/910 nm	MPO
DWDM fest/durchstimmbar	kein Mux intern; präzise Einzelwellenlänge	ITU-Raster, 100/50 GHz	Duplex-LC — Mux ist extern
PSM4, DR4, SR4	keins — parallele Fasern	eine Wellenlänge	MPO

Kanalpläne und Bänder: Wellenlängenbänder & Kanalpläne.

Multiplexer-Technologien

Technologie	Funktionsweise	Einfügedämpfung (je Kanal, Mux oder Demux)	Anmerkungen
Dünnschichtfilter-Block (TFF) — „Z-Block“	dielektrische Interferenzfilter, auf einen Glasblock geklebt; das Licht läuft im Zickzack, jeder Filter lässt ein Band durch und reflektiert den Rest	1–1,5 dB	robust, athermisch, das Arbeitspferd von LR4-/CWDM4-/FR4-TOSAs und -ROSAs
AWG (Arrayed Waveguide Grating, Silica-PLC)	ein Phased Array aus Wellenleitern verteilt die Wellenlängen auf getrennte Ausgänge	2–3 dB	kompakt für viele Kanäle; temperaturempfindlich, sofern nicht athermalisiert; in manchen LR4 und in DWDM-Anlagen eingesetzt
Freistrahl-Gitter/Prisma	Bulk-Optik	2–4 dB	selten in Pluggables
Silizium-Photonik-Mux	Ringresonatoren oder Echelle-Gitter auf dem Chip	1–3 dB	in SiPh-FR4-Designs mit Modulatoren integriert; kann thermische Abstimmung erfordern
BiDi-Filter	eine einzelne dichroitische 45°-Platte: lässt ein Band zur PD durch und reflektiert das Laserband in die Faser	0,5–1 dB	Isolation 30–40 dB zwischen Tx- und Rx-Band

Der interne Mux-/Demux-Verlust (2–5 dB im Hin- und Rückweg) ist mit ein Grund, warum WDM-Module je Lane mehr Leistung einkoppeln als parallele Module und warum ihr DDM-Tx je Lane niedriger aussieht als die tatsächliche Laserleistung (Typische Werte).

Warum LR4 Kühlung braucht und CWDM4 nicht

Ein ungekühlter DFB driftet um etwa 0,1 nm/°C — 7 nm über einen Gehäusetemperaturbereich von 0–70 °C.

Raster	Kanalabstand	Filter-Durchlassband	Passt ungekühlte Drift?
CWDM (CWDM4, FR4)	20 nm	±6,5 nm	ja — kein TEC, geringerer Leistungsbedarf, günstiger
LAN-WDM (LR4, ER4)	800 GHz ≈ 4,5 nm	±1 nm oder weniger	nein — jeder Laser sitzt auf einem TEC bei fester Temperatur (oder es wird ein Laserdesign mit großem Temperaturbereich verwendet)
DWDM	100 GHz ≈ 0,8 nm, 50 GHz ≈ 0,4 nm	±0,1 nm	nein — TEC plus Wellenlängen-Locker

Das ist der Grund, warum 100G-LR4-Module 3,5–4,5 W aufnehmen, während CWDM4 2–3 W braucht, und warum LR4-TOSAs Box-Gehäuse statt TO-Cans sind (Optische Gehäusetechnik).

Eine DWDM-Wellenlänge halten

 Laser auf TEC ──► 1–5 % Abzweig ──► Etalon (Fabry-Pérot-Filter) ──► PD1
                            └──────────────────────────────► PD2 (Referenz)
 Verhältnis PD1/PD2 → MCU → TEC-Sollwert anpassen (fein) oder Laserstrom → Wellenlänge verriegelt

TEC + Thermistor — ein Peltier-Element unter dem Laser-Submount hält ihn auf einem Sollwert (25–45 °C) mit ±0,1 °C Genauigkeit; der MCU führt die Regelschleife. DDM kann Lasertemperatur und TEC-Strom anzeigen (Temperatur & Spannung).
Wellenlängen-Locker — ein Etalon, dessen Transmission mit der Periode des ITU-Rasters welliert; der Vergleich der durchgeleiteten Abzweigleistung mit einer Referenz sagt dem Controller, auf welcher Seite des Kanals der Laser liegt. Genauigkeit ±1–2,5 GHz über die Lebensdauer.
Durchstimmbare Laser ergänzen einen Grobmechanismus: Sampled-Grating-DBR- Sektionen, ein DFB-Array mit Combiner und thermischer Abstimmung, oder ein externer Resonator (ECL); verpackt als ITLA/micro-ITLA/nano-ITLA in kohärenten Modulen oder als kompakte durchstimmbare TOSAs in SFP+/XFP. Kanalauswahl und -status laufen über SFF-8690/CMIS Page 04h–12h; das Durchstimmen dauert Sekunden, währenddessen ist der Tx stummgeschaltet (Durchstimmbare Transceiver).

BiDi- und PON-Optik

Eine BOSA bringt Laser und Fotodiode hinter einem einzigen Faseranschluss unter. Ein 45°-WDM-Filter reflektiert die Wellenlänge des Lasers in die Faser und lässt die eingehende Wellenlänge zur Fotodiode durch; die Isolation zwischen den beiden Bändern (30–40 dB) und die Flankensteilheit des Filters bestimmen, wie viel vom eigenen Licht des Moduls in seinen Empfänger einstreut. PON ergänzt Burst-Mode-Elektronik auf der ONU (Laser nur während seines Zeitschlitzes an) und auf der OLT (ein Empfänger, der seine Schwelle zwischen den Bursts verschiedener ONUs zurücksetzt) — der Grund, warum der DDM-Rx-Wert einer OLT ein Mittelwert vieler Sender ist (PON-Transceiver).

BiDi-Module gibt es in gepaarten Varianten (-U/-D oder nach Wellenlänge), weil der Filter in jeder Variante entgegengesetzt abgestimmt ist; zwei gleiche Module verbinden sich nie (Physikalische Fehlpaarungen).

Polarisation und Reflexionen

Interne Filter und AWGs sind leicht polarisationsabhängig (PDL 0,1–0,3 dB); die Faserpolarisation wandert, sodass die empfangene Leistung ohne jeden Fehler um wenige Zehntel dB schwanken kann. Auch jede interne Fläche reflektiert ein wenig; Isolatoren hinter jedem Laser verhindern, dass das den Die erreicht (Optische Gehäusetechnik).

Fehlermodi speziell für internes WDM

Ausfall	Erscheinungsbild	Anmerkungen
TEC-Ausfall bei LR4/DWDM	Lasertemperatur driftet, TEC-Strom am Limit, Rx einer Lane fällt am fernen Ende, während sie vom Filter abrutscht	Modultemperatur kann normal aussehen
Filter-Delamination/Dejustage	eine Lane niedrig sowohl im Tx (in die Faser) als auch im fernen Rx, wellenlängenabhängig	mechanischer Schock, Temperaturwechsel
Drift des Wellenlängen-Lockers	DWDM-Kanal außerhalb des Rasters, vom Mux gefiltert → niedriger Rx, Fehler	DDM-Tx unverändert — das Licht ist vorhanden, nur bei der falschen Wellenlänge
Leckage des BiDi-Filters	schlechte Empfindlichkeit, Fehler auf kurzen Strecken (eigener Tx übersteuert den Rx)	schlimmer bei hoher Sendeleistung und Reflexionen
Alterung eines Lasers in einem 4-Lane-WDM-Modul	Bias einer Lane steigt, dann sinkt die Leistung; die anderen drei sind unauffällig	Diagnose je Lane

In CodingBox

Die Identitäts-Bytes beschreiben das WDM-Design: die Wellenlänge (1310 als nominelle Mitte bei LR4/CWDM4, oder der genaue Kanal bei DWDM), die Compliance- oder Application-Codes (LR4 vs. CWDM4 vs. FR4) und, bei durchstimmbaren Modulen, Kanalraster und aktuellen Kanal auf den durchstimmbaren Seiten. DDM je Lane auf dem DDM-Bildschirm zeigt jeden internen Laser einzeln; Lasertemperatur und TEC-Strom erscheinen dort, wo das Modul sie meldet.

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