WDM dentro do módulo: filtros, AWG, BiDi, controle de comprimento de onda

Muitos módulos são, por si só, pequenos sistemas WDM. Um módulo LR4 ou FR4 multiplexa quatro lasers em uma única fibra e demultiplexa quatro comprimentos de onda na outra ponta; um módulo BiDi ou PON transmite e recebe em uma única fibra através de um filtro; um módulo DWDM mantém seu comprimento de onda dentro de alguns gigahertz por anos. Esta página cobre a óptica que torna isso possível — os filtros e multiplexadores de guia de onda, o splitter do BiDi, os refrigeradores e os travadores de comprimento de onda — e as perdas e os modos de falha que eles adicionam.

Onde o WDM vive dentro dos módulos

Tipo de módulo	WDM interno	Comprimentos de onda	Porta de fibra
40GBASE-LR4, 100GBASE-LR4/ER4	mux + demux LAN-WDM de 4 canais	1295,56 / 1300,05 / 1304,58 / 1309,14 nm (espaçamento de 800 GHz)	LC duplex
100G CWDM4, 400G FR4, 800G 2×FR4	mux + demux CWDM de 4 canais	1271 / 1291 / 1311 / 1331 nm (espaçamento de 20 nm)	LC duplex
40G/100G SWDM4	mux de ondas curtas de 4 canais em MMF	850 / 880 / 910 / 940 nm	LC duplex, OM4/OM5
BiDi (1G–100G), PON ONU/OLT	filtro de 2 ou 3 portas (BOSA)	1310/1490, 1270/1330, 1490/1310/1550…	LC simples ou SC/APC
400G BiDi (SR4.2)	2 comprimentos de onda por fibra em 4 pares	850 / 910 nm	MPO
DWDM fixo / sintonizável	sem mux interno; um único comprimento de onda preciso	grade ITU, 100/50 GHz	LC duplex — mux é externo
PSM4, DR4, SR4	nenhum — fibras paralelas	um comprimento de onda	MPO

Planos de canais e bandas: Bandas de comprimento de onda e planos de canais.

Tecnologias de multiplexador

Tecnologia	Como funciona	Perda de inserção (por canal, mux ou demux)	Notas
Bloco de filtro de filme fino (TFF) — “Z-block”	filtros dielétricos de interferência colados a um bloco de vidro; a luz ziguezagueia, cada filtro passa uma banda e reflete o restante	1–1,5 dB	robusto, atérmico, o cavalo de batalha das TOSAs e ROSAs de LR4/CWDM4/FR4
AWG (arrayed waveguide grating, PLC de sílica)	um array em fase de guias de onda dispersa os comprimentos de onda para saídas separadas	2–3 dB	compacto para muitos canais; sensível à temperatura, a menos que atermalizado; usado em alguns LR4 e em equipamentos DWDM
Rede de difração / prisma em espaço livre	óptica de volume	2–4 dB	raro em pluggables
Mux de fotônica de silício	ressoadores em anel ou redes de difração echelle no chip	1–3 dB	integrado com moduladores em projetos SiPh FR4; pode precisar de sintonia térmica
Filtro BiDi	uma única placa dicroica a 45°: passa uma banda para o PD, reflete a banda do laser de volta para a fibra	0,5–1 dB	isolação de 30–40 dB entre as bandas de Tx e Rx

A perda do mux + demux interno (2–5 dB de ida e volta) é parte do motivo pelo qual os módulos WDM lançam mais potência por lane do que os paralelos, e por que o Tx do DDM por lane deles parece mais baixo do que a saída real do laser (Valores típicos).

Por que o LR4 precisa de refrigeração e o CWDM4 não

Um DFB não refrigerado deriva cerca de 0,1 nm/°C — 7 nm ao longo de uma faixa de case de 0–70 °C.

Grade	Espaçamento	Banda passante do filtro	A deriva sem refrigeração cabe?
CWDM (CWDM4, FR4)	20 nm	±6,5 nm	sim — sem TEC, menor potência, mais barato
LAN-WDM (LR4, ER4)	800 GHz ≈ 4,5 nm	±1 nm ou menos	não — cada laser fica sobre um TEC em temperatura fixa (ou usa-se um projeto de laser de faixa ampla de temperatura)
DWDM	100 GHz ≈ 0,8 nm, 50 GHz ≈ 0,4 nm	±0,1 nm	não — TEC mais um travador de comprimento de onda

É por isso que módulos 100G LR4 consomem 3,5–4,5 W enquanto o CWDM4 consome 2–3 W, e por isso as TOSAs de LR4 são encapsulamentos em caixa em vez de TO-cans (Encapsulamento óptico).

Mantendo um comprimento de 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 + termistor — um elemento Peltier sob o submount do laser o mantém em um ponto de ajuste (25–45 °C) com ±0,1 °C; a MCU executa a malha. O DDM pode expor temperatura do laser e corrente do TEC (Temperatura e tensão).
Travador de comprimento de onda — um etalon cuja transmissão ondula com o período da grade ITU; comparar a potência amostrada através dele com uma referência informa ao controlador de qual lado do canal o laser está. Precisão de ±1–2,5 GHz ao longo da vida útil.
Lasers sintonizáveis adicionam um mecanismo grosseiro: seções DBR de rede amostrada, um array DFB com combinador e sintonia térmica, ou uma cavidade externa (ECL); encapsulados como ITLA / micro-ITLA / nano-ITLA em módulos coerentes, ou como TOSAs sintonizáveis compactas em SFP+/XFP. A seleção de canal e o status passam por SFF-8690 / CMIS página 04h–12h; a sintonia leva segundos, e o Tx fica silenciado nesse período (Transceptores sintonizáveis).

Óptica de BiDi e PON

Uma BOSA coloca um laser e um fotodiodo atrás de uma única porta de fibra. Um filtro WDM a 45° reflete o comprimento de onda do laser para dentro da fibra e passa o comprimento de onda recebido para o fotodiodo; a isolação entre as duas bandas (30–40 dB) e a inclinação da borda do filtro determinam quanta luz do próprio módulo vaza para dentro do seu receptor. O PON adiciona eletrônica de modo em rajada na ONU (laser ligado somente durante seu intervalo de tempo) e na OLT (um receptor que reseta seu limiar entre rajadas de diferentes ONUs) — o motivo pelo qual o Rx do DDM de uma OLT é uma média de muitos transmissores (Transceptores PON).

Os módulos BiDi vêm em variantes emparelhadas (-U/-D, ou por comprimento de onda) porque o filtro de cada um é sintonizado no sentido oposto; dois do mesmo tipo nunca estabelecem enlace (Incompatibilidades físicas).

Polarização e reflexões

Filtros internos e AWGs são levemente dependentes da polarização (PDL de 0,1–0,3 dB); a polarização da fibra oscila, de modo que a potência recebida pode flutuar alguns décimos de dB sem que haja falha. Toda superfície interna também reflete um pouco; isoladores depois de cada laser impedem que isso chegue ao die (Encapsulamento óptico).

Modos de falha específicos do WDM interno

Falha	Assinatura	Notas
Falha do TEC em LR4/DWDM	temperatura do laser deriva, corrente do TEC no limite, o Rx de uma lane na outra ponta cai conforme ela desliza para fora do filtro	a temperatura do módulo pode parecer normal
Delaminação / desalinhamento do filtro	uma lane baixa tanto em Tx (para a fibra) quanto no Rx da outra ponta, dependente do comprimento de onda	choque mecânico, ciclagem térmica
Deriva do travador de comprimento de onda	canal DWDM fora da grade, filtrado pelo mux → Rx baixo, erros	Tx do DDM inalterado — a luz está lá, no comprimento de onda errado
Vazamento do filtro BiDi	sensibilidade ruim, erros em enlaces curtos (o próprio Tx satura o Rx)	pior com alta potência de lançamento e reflexões
Envelhecimento de um laser em um módulo WDM de 4 lanes	bias de uma lane sobe, depois a potência cai; as outras três normais	Diagnóstico por lane

No CodingBox

Os bytes de identidade descrevem o projeto WDM: o comprimento de onda (1310 para LR4/CWDM4 como centro nominal, ou o canal exato para DWDM), os códigos de conformidade ou de aplicação (LR4 vs CWDM4 vs FR4) e, para módulos sintonizáveis, a grade de canais e o canal atual nas páginas de sintonia. O DDM por lane na tela DDM mostra cada laser interno separadamente; a temperatura do laser e a corrente do TEC aparecem onde o módulo os reporta.

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