模块内的 WDM：滤波器、AWG、BiDi 与波长控制

许多模块本身就是小型 WDM 系统。LR4 或 FR4 模块把四路激光器复用到一根光纤上，在另一端再解复用出四个波长；BiDi 或 PON 模块通过一个滤波器在一根光纤上同时收发；DWDM 模块能把波长稳定在几吉赫兹范围内长达数年。本页介绍实现这一切的光学器件——滤波器和波导复用器、 BiDi 分路器、制冷器与波长锁定器——以及它们带来的损耗和故障模式。

WDM 在模块中的位置

模块类型	内部 WDM	波长	光纤端口
40GBASE-LR4、100GBASE-LR4/ER4	4 信道 LAN-WDM 复用器 + 解复用器	1295.56 / 1300.05 / 1304.58 / 1309.14 nm（800 GHz 间距）	双工 LC
100G CWDM4、400G FR4、800G 2×FR4	4 信道 CWDM 复用器 + 解复用器	1271 / 1291 / 1311 / 1331 nm（20 nm 间距）	双工 LC
40G/100G SWDM4	MMF 上的 4 信道短波复用器	850 / 880 / 910 / 940 nm	双工 LC，OM4/OM5
BiDi（1G–100G）、PON ONU/OLT	2 端口或 3 端口滤波器（BOSA）	1310/1490、1270/1330、1490/1310/1550……	单工 LC 或 SC/APC
400G BiDi（SR4.2）	4 对光纤上每根 2 个波长	850 / 910 nm	MPO
DWDM 固定 / 可调谐	内部无复用器；精确单波长	ITU 网格，100/50 GHz	双工 LC——复用器为外置
PSM4、DR4、SR4	无——并行光纤	单一波长	MPO

信道规划与波段：波长波段与信道规划。

复用器技术

技术	工作原理	插入损耗（每信道，复用或解复用）	备注
薄膜滤波器（TFF）块——“Z-block”	介质干涉滤波片粘接在玻璃块上；光线在其中之字形传播，每片滤波片透过一个波段，反射其余部分	1–1.5 dB	无热，是 LR4/CWDM4/FR4 TOSA 和 ROSA 的主力方案
AWG（阵列波导光栅，硅基 PLC）	波导相控阵列把不同波长色散到各个输出端口	2–3 dB	信道数量多时更紧凑；对温度敏感，除非采用无热化设计；用于部分 LR4 模块和 DWDM 设备
自由空间光栅 / 棱镜	体光学器件	2–4 dB	在可插拔模块中少见
硅光复用器	片上环形谐振腔或阶梯光栅	1–3 dB	在 SiPh FR4 方案中与调制器集成；可能需要热调谐
BiDi 滤波器	单片 45° 分色片：透过一个波段到 PD，将激光器的波段反射进光纤	0.5–1 dB	Tx 与 Rx 波段之间隔离度 30–40 dB

内部复用/解复用损耗（往返 2–5 dB）是 WDM 模块每通道发射功率高于并行模块的原因之一，也是其每通道 DDM Tx 读数低于激光器实际输出功率的原因（典型值）。

为什么 LR4 需要制冷而 CWDM4 不需要

未制冷 DFB 的漂移约 0.1 nm/°C——在 0–70 °C 壳温范围内相当于 7 nm。

网格	间距	滤波器通带	未制冷漂移是否合适？
CWDM（CWDM4、FR4）	20 nm	±6.5 nm	合适——无需 TEC，功耗更低，成本更低
LAN-WDM（LR4、ER4）	800 GHz ≈ 4.5 nm	±1 nm 或更小	不合适——每个激光器都置于恒温 TEC 上（或采用宽温激光器设计）
DWDM	100 GHz ≈ 0.8 nm，50 GHz ≈ 0.4 nm	±0.1 nm	不合适——TEC 加波长锁定器

这就是为什么 100G LR4 模块功耗为 3.5–4.5 W，而 CWDM4 只需 2–3 W，也是 LR4 TOSA 采用盒式封装而非 TO 管壳的原因（光学封装）。

保持 DWDM 波长稳定

 TEC 上的激光器 ──► 1–5 % 取样 ──► 标准具（法布里-珀罗滤波器） ──► PD1
                            └──────────────────────────────► PD2（参考）
 PD1/PD2 比值 → MCU → 调整 TEC 设定点（微调）或激光器电流 → 波长锁定

TEC + 热敏电阻——激光器基座下方的珀尔帖元件将其温度保持在设定点（25–45 °C），精度 ±0.1 °C；MCU 运行该控制回路。DDM 可能提供 激光器温度 和 TEC 电流 （温度与电压）。
波长锁定器——一种透过率随 ITU 网格周期起伏的标准具；将经过它的取样功率与参考值比较，控制器便可判断激光器偏向信道的哪一侧。整个使用寿命内精度为 ±1–2.5 GHz。
可调谐激光器新增一种粗调机制：采样光栅 DBR 段、带合束器和热调谐的 DFB 阵列，或 外腔（ECL）；在相干模块中封装为 ITLA / micro-ITLA / nano-ITLA，或在 SFP+/XFP 中封装为紧凑型可调谐 TOSA。信道选择和状态通过 SFF-8690 / CMIS 04h–12h 页传递；调谐需要数秒，期间 Tx 被静默（可调谐光模块）。

BiDi 与 PON 光学器件

BOSA 将激光器和光电二极管安装在同一个光纤端口之后。45° WDM 滤波器将激光器的波长反射进光纤，并把接收方向的波长透过给光电二极管；两个波段之间的 隔离度（30–40 dB）以及滤波器边沿的陡峭程度，决定了模块自身发出的光有多少会泄漏进自己的接收机。PON 在 ONU 上增加突发模式电路（激光器仅在其时隙内开启），在 OLT 上也是如此（接收机在来自不同 ONU 的突发信号之间重置阈值）——这就是为什么 OLT 的 DDM Rx 读数是多个发送端的平均值（PON 光模块）。

BiDi 模块存在成对的变体（-U/-D，或按波长区分），因为两端的滤波器调谐方向相反；两个相同型号的模块永远无法建立链路（物理不匹配）。

偏振与反射

内部滤波器和 AWG 都存在轻微的偏振相关性（PDL 0.1–0.3 dB）；光纤中的偏振状态会漂移，因此接收功率可能出现零点几 dB 的波动，并非故障。每个内部表面也会产生少量反射；每个激光器后方的隔离器可防止反射光返回管芯（光学封装）。

内部 WDM 特有的故障模式

故障	特征	备注
LR4/DWDM 上的 TEC 故障	激光器温度漂移，TEC 电流达到极限；某通道波长滑出滤波器通带后，对端该通道的 Rx 随之下降	模块温度可能显示正常
滤波器脱层 / 失调	某通道 Tx（入纤功率）和对端 Rx 同时偏低，且与波长相关	机械冲击、温度循环
波长锁定器漂移	DWDM 信道偏离网格，被复用器滤除 → Rx 偏低，出现误码	DDM Tx 不变——光确实存在，只是波长不对
BiDi 滤波器泄漏	灵敏度差，短距链路上出现误码（自身 Tx 淹没 Rx）	入纤功率高、反射较多时更严重
4 通道 WDM 模块中某一激光器老化	该通道偏置电流上升，随后功率下降；其余三个通道正常	逐通道诊断

在 CodingBox 中

识别字节描述了 WDM 设计：波长（LR4/CWDM4 的标称中心波长为 1310，DWDM 则为精确信道波长）、合规或应用代码（区分 LR4、CWDM4、FR4），以及可调谐模块在可调谐页面上的信道网格和当前信道。 DDM 界面上的逐通道 DDM 会分别显示每个内部激光器；激光器温度和 TEC 电流会显示在模块上报这些参数的位置。

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