WDM dentro il modulo: filtri, AWG, BiDi, controllo della lunghezza d’onda

Molti moduli sono a tutti gli effetti piccoli sistemi WDM. Un modulo LR4 o FR4 multiplexa quattro laser su una fibra e demultiplexa quattro lunghezze d’onda all’altra estremità; un modulo BiDi o PON trasmette e riceve su una fibra attraverso un filtro; un modulo DWDM mantiene la propria lunghezza d’onda entro pochi gigahertz per anni. Questa pagina descrive l’ottica che rende tutto questo possibile — i filtri e i multiplexer a guida d’onda, lo splitter BiDi, i raffreddatori e i wavelength locker — e le perdite e le modalità di guasto che introducono.

Dove vive il WDM dentro i moduli

Tipo di modulo	WDM interno	Lunghezze d’onda	Porta in fibra
40GBASE-LR4, 100GBASE-LR4/ER4	mux + demux LAN-WDM a 4 canali	1295,56 / 1300,05 / 1304,58 / 1309,14 nm (spaziatura 800 GHz)	LC duplex
100G CWDM4, 400G FR4, 800G 2×FR4	mux + demux CWDM a 4 canali	1271 / 1291 / 1311 / 1331 nm (spaziatura 20 nm)	LC duplex
40G/100G SWDM4	mux short-wave a 4 canali su MMF	850 / 880 / 910 / 940 nm	LC duplex, OM4/OM5
BiDi (1G–100G), PON ONU/OLT	filtro a 2 o 3 porte (BOSA)	1310/1490, 1270/1330, 1490/1310/1550…	LC singolo o SC/APC
400G BiDi (SR4.2)	2 lunghezze d’onda per fibra su 4 coppie	850 / 910 nm	MPO
DWDM fisso / sintonizzabile	nessun mux interno; singola lunghezza d’onda precisa	griglia ITU, 100/50 GHz	LC duplex — il mux è esterno
PSM4, DR4, SR4	nessuno — fibre parallele	una lunghezza d’onda	MPO

Piani di canale e bande: Bande di lunghezza d’onda e piani di canale.

Tecnologie di multiplexer

Tecnologia	Come funziona	Perdita di inserzione (per canale, mux o demux)	Note
Blocco a filtri a film sottile (TFF) — «Z-block»	filtri di interferenza dielettrici incollati a un blocco di vetro; la luce fa zig-zag, ogni filtro lascia passare una banda e riflette il resto	1–1,5 dB	robusto, atermico, il cavallo di battaglia delle TOSA e ROSA LR4/CWDM4/FR4
AWG (arrayed waveguide grating, PLC in silice)	una schiera di guide d’onda sfasate disperde le lunghezze d’onda verso uscite separate	2–3 dB	compatto per molti canali; sensibile alla temperatura se non atermalizzato; usato in alcuni LR4 e nelle apparecchiature DWDM
Reticolo / prisma free-space	ottica bulk	2–4 dB	raro nei pluggable
Mux in fotonica al silicio	risonatori ad anello o reticoli echelle on-chip	1–3 dB	integrato con i modulatori nei design SiPh FR4; può richiedere sintonizzazione termica
Filtro BiDi	una singola piastra dicroica a 45°: lascia passare una banda verso il PD, riflette la banda del laser nella fibra	0,5–1 dB	isolamento 30–40 dB tra le bande Tx e Rx

La perdita interna di mux + demux (2–5 dB andata e ritorno) è uno dei motivi per cui i moduli WDM trasmettono più potenza per lane rispetto a quelli paralleli e per cui la loro DDM Tx per lane risulta inferiore all’uscita reale del laser (Valori tipici).

Perché LR4 richiede il raffreddamento e CWDM4 no

Un DFB non raffreddato deriva di circa 0,1 nm/°C — 7 nm su un intervallo di temperatura del case di 0–70 °C.

Griglia	Spaziatura	Banda passante del filtro	La deriva non raffreddata rientra?
CWDM (CWDM4, FR4)	20 nm	±6,5 nm	sì — nessun TEC, potenza inferiore, più economico
LAN-WDM (LR4, ER4)	800 GHz ≈ 4,5 nm	±1 nm o meno	no — ogni laser è montato su un TEC a temperatura fissa (oppure si usa un design laser a intervallo di temperatura esteso)
DWDM	100 GHz ≈ 0,8 nm, 50 GHz ≈ 0,4 nm	±0,1 nm	no — TEC più un wavelength locker

Questo è il motivo per cui i moduli 100G LR4 assorbono 3,5–4,5 W mentre CWDM4 assorbe 2–3 W, e per cui le TOSA LR4 sono package a scatola anziché TO-can (Packaging ottico).

Mantenere una lunghezza d’onda DWDM

 laser on TEC ──► 1–5 % tap ──► etalon (Fabry–Pérot filter) ──► PD1
                            └──────────────────────────────► PD2 (reference)
 ratio PD1/PD2 → MCU → adjust TEC set point (fine) or laser current → wavelength locked

TEC + termistore — un elemento Peltier sotto il submount del laser lo mantiene a un punto di regolazione (25–45 °C) entro ±0,1 °C; l’MCU gestisce il loop. La DDM può esporre temperatura del laser e corrente TEC (Temperatura e tensione).
Wavelength locker — un etalon la cui trasmissione oscilla con il periodo della griglia ITU; confrontare la potenza campionata attraverso di esso con un riferimento indica al controller su quale lato del canale si trova il laser. Precisione ±1–2,5 GHz nel corso della vita utile.
I laser sintonizzabili aggiungono un meccanismo grossolano: sezioni DBR a reticolo campionato, una matrice DFB con combinatore e sintonizzazione termica, oppure una cavità esterna (ECL); confezionati come ITLA / micro-ITLA / nano-ITLA nei moduli coerenti, o come TOSA sintonizzabili compatte in SFP+/XFP. La selezione del canale e lo stato passano per SFF-8690 / pagina CMIS 04h–12h; la sintonizzazione richiede secondi e nel frattempo il Tx viene silenziato (Ricetrasmettitori sintonizzabili).

Ottica BiDi e PON

Una BOSA mette un laser e un fotodiodo dietro un’unica porta in fibra. Un filtro WDM a 45° riflette la lunghezza d’onda del laser nella fibra e lascia passare la lunghezza d’onda in ingresso verso il fotodiodo; l’isolamento tra le due bande (30–40 dB) e la ripidità del bordo del filtro determinano quanta luce del modulo stesso rientra nel proprio ricevitore. Il PON aggiunge elettronica burst-mode sull’ONU (laser acceso solo durante il proprio time slot) e sull’OLT (un ricevitore che azzera la propria soglia tra i burst di ONU diversi) — il motivo per cui l’Rx DDM di un OLT è una media di molti mittenti (Ricetrasmettitori PON).

I moduli BiDi esistono in varianti abbinate (-U/-D, o per lunghezza d’onda) perché il filtro di ciascuno è sintonizzato in verso opposto; due dello stesso tipo non si collegano mai (Incompatibilità fisiche).

Polarizzazione e riflessioni

I filtri interni e gli AWG dipendono leggermente dalla polarizzazione (PDL 0,1–0,3 dB); la polarizzazione della fibra varia nel tempo, quindi la potenza ricevuta può oscillare di qualche decimo di dB senza che vi sia un guasto. Anche ogni superficie interna riflette un poco; gli isolatori dopo ciascun laser impediscono che questo raggiunga il die (Packaging ottico).

Modalità di guasto specifiche del WDM interno

Guasto	Firma	Note
Guasto del TEC su LR4/DWDM	la temperatura del laser deriva, la corrente TEC è al limite, l’Rx di una lane all’estremità remota cala mentre esce dal filtro	la temperatura del modulo può apparire normale
Delaminazione / disallineamento del filtro	una lane bassa sia in Tx (verso la fibra) sia in Rx all’estremità remota, dipendente dalla lunghezza d’onda	urto meccanico, ciclaggio termico
Deriva del wavelength locker	canale DWDM fuori griglia, filtrato dal mux → Rx basso, errori	DDM Tx invariata — la luce c’è, alla lunghezza d’onda sbagliata
Perdita del filtro BiDi	sensibilità scarsa, errori su collegamenti corti (il proprio Tx satura l’Rx)	peggiora con potenza di trasmissione elevata e riflessioni
Invecchiamento di un laser in un modulo WDM a 4 lane	il bias di una lane sale, poi la potenza scende; le altre tre a posto	Diagnostica per lane

In CodingBox

I byte di identità descrivono il design WDM: lunghezza d’onda (1310 per LR4/CWDM4 come centro nominale, oppure il canale esatto per DWDM), i codici di conformità o applicazione (LR4 rispetto a CWDM4 rispetto a FR4) e, per i moduli sintonizzabili, la griglia di canali e il canale corrente nelle pagine di sintonizzazione. La DDM per lane nella schermata DDM mostra ciascun laser interno separatamente; la temperatura del laser e la corrente TEC compaiono dove il modulo le riporta.

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