WDM dans le module : filtres, AWG, BiDi, stabilisation de la longueur d’onde

Beaucoup de modules sont, à part entière, de petits systèmes WDM. Un module LR4 ou FR4 multiplexe quatre lasers sur une seule fibre et démultiplexe quatre longueurs d’onde à l’autre extrémité ; un module BiDi ou PON émet et reçoit sur une seule fibre à travers un filtre ; un module DWDM maintient sa longueur d’onde à quelques gigahertz près pendant des années. Cette page couvre l’optique qui rend cela possible — les filtres et les multiplexeurs à guide d’onde, le coupleur BiDi, les refroidisseurs et les verrouilleurs de longueur d’onde — ainsi que les pertes et les modes de défaillance qu’ils ajoutent.

Où le WDM se trouve à l’intérieur des modules

Type de module	WDM interne	Longueurs d’onde	Port fibre
40GBASE-LR4, 100GBASE-LR4/ER4	mux + demux LAN-WDM à 4 canaux	1295,56 / 1300,05 / 1304,58 / 1309,14 nm (espacement de 800 GHz)	LC duplex
100G CWDM4, 400G FR4, 800G 2×FR4	mux + demux CWDM à 4 canaux	1271 / 1291 / 1311 / 1331 nm (espacement de 20 nm)	LC duplex
40G/100G SWDM4	mux courte longueur d’onde à 4 canaux sur MMF	850 / 880 / 910 / 940 nm	LC duplex, OM4/OM5
BiDi (1G–100G), PON ONU/OLT	filtre à 2 ou 3 ports (BOSA)	1310/1490, 1270/1330, 1490/1310/1550…	LC simple ou SC/APC
400G BiDi (SR4.2)	2 longueurs d’onde par fibre sur 4 paires	850 / 910 nm	MPO
DWDM fixe / accordable	pas de mux à l’intérieur ; une seule longueur d’onde précise	grille ITU, 100/50 GHz	LC duplex — le mux est externe
PSM4, DR4, SR4	aucun — fibres parallèles	une seule longueur d’onde	MPO

Plans de canaux et bandes : Bandes de longueurs d’onde et plans de canaux.

Technologies de multiplexeur

Technologie	Principe	Perte d’insertion (par canal, mux ou démux)	Remarques
Bloc de filtres à couches minces (TFF) — « bloc en Z »	des filtres interférentiels diélectriques collés sur un bloc de verre ; la lumière zigzague, chaque filtre laisse passer une bande et réfléchit le reste	1–1,5 dB	robuste, athermique, la solution de référence des TOSA et ROSA LR4/CWDM4/FR4
AWG (réseau de guides d’onde phasés, PLC en silice)	un réseau phasé de guides d’onde disperse les longueurs d’onde vers des sorties séparées	2–3 dB	compact pour un grand nombre de canaux ; sensible à la température sauf athermalisation ; utilisé dans certains LR4 et dans les équipements DWDM
Réseau en espace libre / prisme	optique en espace libre	2–4 dB	rare dans les modules enfichables
Mux en photonique silicium	résonateurs en anneau ou réseaux échelle intégrés sur puce	1–3 dB	intégré avec les modulateurs dans les conceptions SiPh FR4 ; peut nécessiter un ajustement thermique
Filtre BiDi	une seule lame dichroïque à 45° : laisse passer une bande vers la PD, réfléchit la bande du laser vers la fibre	0,5–1 dB	isolation de 30–40 dB entre les bandes Tx et Rx

La perte du mux + demux interne (2–5 dB aller-retour) explique en partie pourquoi les modules WDM lancent plus de puissance par voie que les modules parallèles, et pourquoi leur Tx en DDM par voie paraît plus faible que la sortie réelle du laser (Valeurs typiques).

Pourquoi le LR4 a besoin d’un refroidissement et pas le CWDM4

Un DFB non refroidi dérive d’environ 0,1 nm/°C — soit 7 nm sur une plage de température de boîtier de 0 à 70 °C.

Grid	Spacing	Filter passband	Uncooled drift fits ?
CWDM (CWDM4, FR4)	20 nm	±6,5 nm	oui — pas de TEC, consommation plus faible, moins cher
LAN-WDM (LR4, ER4)	800 GHz ≈ 4,5 nm	±1 nm ou moins	non — chaque laser est placé sur un TEC à température fixe (ou une conception de laser à large plage de température est utilisée)
DWDM	100 GHz ≈ 0,8 nm, 50 GHz ≈ 0,4 nm	±0,1 nm	non — TEC plus un verrouilleur de longueur d’onde

C’est pourquoi les modules 100G LR4 consomment 3,5–4,5 W là où le CWDM4 consomme 2–3 W, et pourquoi les TOSA du LR4 sont des boîtiers rectangulaires plutôt que des TO-can (Boîtiers optiques).

Maintenir une longueur d’onde DWDM

 laser sur TEC ──► prélèvement 1–5 % ──► étalon (filtre Fabry-Pérot) ──► PD1
                              └──────────────────────────────► PD2 (référence)
 rapport PD1/PD2 → MCU → ajuster le point de consigne du TEC (fin) ou le courant laser → longueur d’onde verrouillée

TEC + thermistance — un élément Peltier sous l’embase du laser le maintient à un point de consigne (25–45 °C) à ±0,1 °C près ; le MCU exécute la boucle. Le DDM peut exposer la température du laser et le courant du TEC (Température et tension).
Verrouilleur de longueur d’onde — un étalon dont la transmission ondule avec la période de la grille ITU ; comparer la puissance prélevée qui le traverse à une référence indique au contrôleur de quel côté du canal se trouve le laser. Précision ±1–2,5 GHz sur la durée de vie.
Les lasers accordables ajoutent un mécanisme grossier : des sections DBR à réseau échantillonné, une matrice de DFB avec un combineur et un accord thermique, ou une cavité externe (ECL) ; conditionnés en ITLA / micro-ITLA / nano-ITLA dans les modules cohérents, ou en TOSA accordables compacts dans les SFP+/XFP. La sélection de canal et son état passent par SFF-8690 / CMIS page 04h–12h ; l’accord prend quelques secondes et le Tx est coupé entre-temps (Transceivers accordables).

Optique BiDi et PON

Une BOSA place un laser et une photodiode derrière un seul port fibre. Un filtre WDM à 45° réfléchit la longueur d’onde du laser vers la fibre et laisse passer la longueur d’onde entrante vers la photodiode ; l’isolation entre les deux bandes (30–40 dB) et la raideur du front du filtre déterminent la quantité de lumière propre au module qui fuit vers son récepteur. Le PON ajoute une électronique en mode rafale sur l’ONU (laser actif uniquement pendant son intervalle de temps) et sur l’OLT (un récepteur qui réinitialise son seuil entre les rafales provenant de différents ONU) — la raison pour laquelle le Rx en DDM d’un OLT est une moyenne de nombreux émetteurs (Transceivers PON).

Les modules BiDi existent en variantes appariées (-U/-D, ou par longueur d’onde) parce que le filtre de chacun est réglé dans le sens opposé ; deux modules du même type ne s’associent jamais (Incompatibilités physiques).

Polarisation et réflexions

Les filtres internes et les AWG dépendent légèrement de la polarisation (PDL 0,1–0,3 dB) ; la polarisation de la fibre dérive, si bien que la puissance reçue peut osciller de quelques dixièmes de dB sans qu’il y ait de défaut. Chaque surface interne réfléchit aussi un peu de lumière ; des isolateurs après chaque laser empêchent cela d’atteindre la puce (Boîtiers optiques).

Modes de défaillance propres au WDM interne

Défaillance	Signature	Remarques
Panne de TEC sur LR4/DWDM	la température du laser dérive, le courant du TEC est au maximum, le Rx d’une voie à l’extrémité distante chute à mesure qu’elle glisse hors du filtre	la température du module peut sembler normale
Délaminage / désalignement du filtre	une voie faible à la fois en Tx (vers la fibre) et en Rx à l’extrémité distante, dépendant de la longueur d’onde	choc mécanique, cyclage thermique
Dérive du verrouilleur de longueur d’onde	canal DWDM hors grille, filtré par le mux → Rx faible, erreurs	Tx en DDM inchangé — la lumière est là, mais à la mauvaise longueur d’onde
Fuite du filtre BiDi	mauvaise sensibilité, erreurs sur liaisons courtes (le Tx propre au module submerge le Rx)	s’aggrave avec une puissance de lancement élevée et des réflexions
Vieillissement d’un laser dans un module WDM à 4 voies	polarisation d’une voie en hausse, puis puissance en baisse ; les trois autres correctes	Diagnostic par voie

Dans CodingBox

Les octets d’identité décrivent la conception WDM : la longueur d’onde (1310 pour le LR4/CWDM4 comme centre nominal, ou le canal exact pour le DWDM), les codes de conformité ou d’application (LR4 face à CWDM4 face à FR4) et, pour les modules accordables, la grille de canaux et le canal actuel sur les pages accordables. Le DDM par voie sur l’écran DDM montre chaque laser interne séparément ; la température du laser et le courant du TEC apparaissent là où le module les indique.

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