모듈 내부의 WDM: 필터, AWG, BiDi, 파장 제어

많은 모듈이 그 자체로 작은 WDM 시스템입니다. LR4나 FR4 모듈은 레이저 4개를 광섬유 한 가닥에 다중화하고 반대쪽 끝에서 파장 4개를 역다중화하며, BiDi나 PON 모듈은 필터를 통해 광섬유 한 가닥으로 송수신을 겸하고, DWDM 모듈은 수년에 걸쳐 파장을 수 기가헤르츠 이내로 유지합니다. 이 페이지는 이를 가능하게 하는 광학 부품, 즉 필터와 도파로 다중화기, BiDi 스플리터, 냉각기와 파장 고정기를 다루며, 이들이 더하는 손실과 고장 유형도 함께 살펴봅니다.

모듈 안에서 WDM이 자리하는 곳

모듈 유형	내장 WDM	파장	광섬유 포트
40GBASE-LR4, 100GBASE-LR4/ER4	4채널 LAN-WDM 다중화기 + 역다중화기	1295.56 / 1300.05 / 1304.58 / 1309.14 nm(800 GHz 간격)	듀플렉스 LC
100G CWDM4, 400G FR4, 800G 2×FR4	4채널 CWDM 다중화기 + 역다중화기	1271 / 1291 / 1311 / 1331 nm(20 nm 간격)	듀플렉스 LC
40G/100G SWDM4	MMF 위의 4채널 단파장 다중화기	850 / 880 / 910 / 940 nm	듀플렉스 LC, OM4/OM5
BiDi(1G–100G), PON ONU/OLT	2포트 또는 3포트 필터(BOSA)	1310/1490, 1270/1330, 1490/1310/1550…	심플렉스 LC 또는 SC/APC
400G BiDi(SR4.2)	4쌍에서 광섬유 1가닥당 파장 2개	850 / 910 nm	MPO
DWDM 고정/튜너블	내부에 다중화기 없음; 정밀한 단일 파장	ITU 그리드, 100/50 GHz	듀플렉스 LC — 다중화기는 외부에 있음
PSM4, DR4, SR4	없음 — 병렬 광섬유	파장 1개	MPO

채널 플랜과 대역: 파장 대역과 채널 플랜.

다중화기 기술

기술	동작 원리	삽입 손실(채널당, 다중화 또는 역다중화)	비고
박막 필터(TFF) 블록 — “Z-block”	유전체 간섭 필터를 유리 블록에 접착; 빛이 지그재그로 진행하며 각 필터가 한 대역만 통과시키고 나머지는 반사	1–1.5 dB	견고하고 무열 특성이 있으며 LR4/CWDM4/FR4 TOSA와 ROSA의 주력 방식
AWG(배열 도파로 격자, 실리카 PLC)	위상 배열 도파로가 파장을 분산시켜 서로 다른 출력으로 보냄	2–3 dB	채널 수가 많을 때 소형화에 유리; 무열화하지 않으면 온도에 민감; 일부 LR4와 DWDM 장비에 사용
자유공간 격자/프리즘	벌크 광학계	2–4 dB	플러거블에는 드묾
실리콘 포토닉스 다중화기	온칩 링 공진기 또는 에셸 격자	1–3 dB	SiPh FR4 설계에서 모듈레이터와 집적; 열 튜닝이 필요할 수 있음
BiDi 필터	45° 다이크로익 평판 1장: 한 대역은 PD로 통과시키고 레이저 대역은 광섬유 쪽으로 반사	0.5–1 dB	Tx와 Rx 대역 사이 격리도 30–40 dB

내부 다중화·역다중화 손실(왕복 2–5 dB)은 WDM 모듈이 병렬 모듈보다 레인당 더 높은 광출력을 송신하는 이유이자, 레인당 DDM Tx 값이 레이저의 실제 출력보다 낮게 보이는 이유이기도 합니다(일반적인 수치).

LR4에는 냉각이 필요하고 CWDM4에는 필요 없는 이유

냉각하지 않은 DFB는 약 0.1 nm/°C씩 파장이 흐르며, 케이스 온도 범위 0–70 °C에서는 7 nm에 이릅니다.

그리드	간격	필터 통과대역	무냉각 드리프트로 충분한가?
CWDM(CWDM4, FR4)	20 nm	±6.5 nm	예 — TEC 불필요, 낮은 전력, 저렴
LAN-WDM(LR4, ER4)	800 GHz ≈ 4.5 nm	±1 nm 이하	아니오 — 레이저마다 TEC로 고정 온도를 유지(또는 광대역 온도 대응 레이저 설계 사용)
DWDM	100 GHz ≈ 0.8 nm, 50 GHz ≈ 0.4 nm	±0.1 nm	아니오 — TEC와 파장 고정기 병용

이 때문에 100G LR4 모듈은 3.5–4.5 W를 소비하는 반면 CWDM4는 2–3 W에 그치며, LR4 TOSA가 TO-can이 아니라 박스 패키지인 이유도 여기에 있습니다(광학 패키징).

DWDM 파장 유지하기

 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 + 서미스터 — 레이저 서브마운트 아래의 펠티어 소자가 설정 온도(25–45 °C)를 ±0.1 °C 이내로 유지하며, MCU가 이 루프를 제어합니다. DDM에 레이저 온도와 TEC 전류가 노출되기도 합니다(온도와 전압).
파장 고정기 — ITU 그리드 주기에 맞춰 투과율이 물결치는 에탈론입니다. 이를 통과한 탭 광파워를 기준값과 비교하면 컨트롤러는 레이저가 채널의 어느 쪽에 있는지 알 수 있습니다. 수명 동안 정확도 ±1–2.5 GHz.
튜너블 레이저에는 대략적인 조정을 위한 메커니즘이 추가됩니다: 샘플드 그레이팅 DBR 구간, 컴바이너와 열 튜닝을 갖춘 DFB 어레이, 또는 외부 공진기(ECL)입니다. 코히어런트 모듈에서는 ITLA/마이크로 ITLA/나노 ITLA로 패키징되고, SFP+/XFP에서는 소형 튜너블 TOSA로 패키징됩니다. 채널 선택과 상태는 SFF-8690/CMIS 페이지 04h–12h를 통해 이루어지며, 튜닝에는 몇 초가 걸리고 그동안 Tx는 스퀠치됩니다(튜너블 트랜시버).

BiDi와 PON 광학계

BOSA는 광섬유 포트 하나 뒤에 레이저와 포토다이오드를 함께 배치합니다. 45° WDM 필터가 레이저 파장은 광섬유 쪽으로 반사하고 들어오는 파장은 포토다이오드로 통과시키며, 두 대역 사이의 격리도(30–40 dB)와 필터의 경사 특성이 모듈 자신의 빛이 수신부로 얼마나 새어 들어가는지를 결정합니다. PON은 ONU(자신의 타임슬롯 동안만 레이저 켜짐)와 OLT(서로 다른 ONU의 버스트 사이마다 임계값을 재설정하는 수신기)에 버스트 모드 전자 회로를 추가합니다. 이것이 OLT의 DDM Rx 값이 여러 송신자의 평균값인 이유입니다(PON 트랜시버).

BiDi 모듈은 짝을 이루는 변형(-U/-D 또는 파장별)으로 나오는데, 각각의 필터가 반대 방향으로 맞춰져 있기 때문입니다. 같은 종류 두 개는 절대 링크가 맺어지지 않습니다(물리적 불일치).

편광과 반사

내부 필터와 AWG는 약간의 편광 의존성을 가지며(PDL 0.1–0.3 dB), 광섬유의 편광 상태가 흔들리기 때문에 장애가 없어도 수신 광출력이 0.몇 dB 정도 흔들릴 수 있습니다. 내부의 모든 면은 빛을 조금씩 반사하기도 하는데, 각 레이저 뒤의 아이솔레이터가 이 반사광이 다이에 도달하지 않도록 막습니다(광학 패키징).

내장 WDM에 특유한 고장 유형

고장	특징	비고
LR4/DWDM에서 TEC 고장	레이저 온도가 흐르고 TEC 전류가 한계에 도달, 파장이 필터를 벗어나면서 반대편에서 본 해당 레인의 Rx 저하	모듈 온도 자체는 정상으로 보일 수 있음
필터 박리/정렬 이탈	한 레인이 Tx(광섬유 쪽)와 반대편 Rx 모두에서 낮음, 파장에 따라 달라짐	기계적 충격, 열 사이클
파장 고정기 드리프트	DWDM 채널이 그리드를 벗어나 다중화기에서 걸러짐 → Rx 저하, 오류	DDM Tx는 그대로 — 빛은 나가지만 파장이 틀림
BiDi 필터 누설	수신 감도 저하, 단거리 링크에서 오류(자신의 Tx가 Rx를 압도)	높은 송신 광출력과 반사가 있으면 더 심해짐
4레인 WDM 모듈에서 레이저 1개의 노화	해당 레인 바이어스 상승 후 광출력 저하; 나머지 3개는 정상	레인별 진단

CodingBox에서

식별 정보 바이트는 WDM 설계를 알려줍니다: 파장(LR4/CWDM4는 공칭 중심 파장으로 1310, DWDM은 정확한 채널), 컴플라이언스 코드 또는 애플리케이션 코드(LR4 대 CWDM4 대 FR4), 그리고 튜너블 모듈이라면 튜너블 페이지의 채널 그리드와 현재 채널입니다. DDM 화면의 레인별 DDM은 내장된 각 레이저를 따로 보여주며, 모듈이 보고하는 경우 레이저 온도와 TEC 전류도 표시됩니다.

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