WDM ภายในโมดูล: ฟิลเตอร์, AWG, BiDi และการควบคุมความยาวคลื่น

โมดูลจำนวนมากถือเป็นระบบ WDM ขนาดเล็กในตัวเอง โมดูล LR4 หรือ FR4 มัลติเพล็กซ์เลเซอร์สี่ตัวลงบนใยแก้วนำแสงเส้นเดียว และดีมัลติเพล็กซ์สี่ความยาวคลื่นที่ปลายอีกด้าน โมดูล BiDi หรือ PON ส่งและรับบนใยแก้วนำแสงเส้นเดียวผ่านฟิลเตอร์ โมดูล DWDM รักษาความยาวคลื่นของตัวเองไว้ในช่วงไม่กี่กิกะเฮิรตซ์ได้นานหลายปี หน้านี้กล่าวถึงส่วนเชิงแสงที่ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้ ได้แก่ ฟิลเตอร์และมัลติเพล็กเซอร์แบบเวฟไกด์ สปลิตเตอร์ของ BiDi ตัวทำความเย็น และตัวล็อกความยาวคลื่น รวมถึงการสูญเสียและรูปแบบความล้มเหลวที่สิ่งเหล่านี้เพิ่มเข้ามา

WDM อยู่ตรงไหนภายในโมดูล

ชนิดโมดูล	WDM ภายใน	ความยาวคลื่น	พอร์ตใยแก้วนำแสง
40GBASE-LR4, 100GBASE-LR4/ER4	มัลติเพล็กเซอร์ + ดีมัลติเพล็กเซอร์ LAN-WDM 4 ช่องสัญญาณ	1295.56 / 1300.05 / 1304.58 / 1309.14 nm (ระยะห่าง 800 GHz)	LC แบบดูเพล็กซ์
100G CWDM4, 400G FR4, 800G 2×FR4	มัลติเพล็กเซอร์ + ดีมัลติเพล็กเซอร์ CWDM 4 ช่องสัญญาณ	1271 / 1291 / 1311 / 1331 nm (ระยะห่าง 20 nm)	LC แบบดูเพล็กซ์
40G/100G SWDM4	มัลติเพล็กเซอร์คลื่นสั้น 4 ช่องสัญญาณบน MMF	850 / 880 / 910 / 940 nm	LC แบบดูเพล็กซ์, OM4/OM5
BiDi (1G–100G), PON ONU/OLT	ฟิลเตอร์ 2 หรือ 3 พอร์ต (BOSA)	1310/1490, 1270/1330, 1490/1310/1550…	LC เดี่ยวหรือ SC/APC
400G BiDi (SR4.2)	2 ความยาวคลื่นต่อใยแก้วนำแสงบน 4 คู่	850 / 910 nm	MPO
DWDM แบบตายตัว/ปรับความยาวคลื่นได้	ไม่มีมัลติเพล็กเซอร์ภายใน; ความยาวคลื่นเดี่ยวที่แม่นยำ	กริด ITU, 100/50 GHz	LC แบบดูเพล็กซ์ — มัลติเพล็กเซอร์อยู่ภายนอก
PSM4, DR4, SR4	ไม่มี — ใยแก้วนำแสงแบบขนาน	ความยาวคลื่นเดียว	MPO

ผังช่องสัญญาณและแบนด์: แบนด์ความยาวคลื่นและผังช่องสัญญาณ

เทคโนโลยีมัลติเพล็กเซอร์

เทคโนโลยี	หลักการทำงาน	การสูญเสียจากการแทรก (ต่อช่องสัญญาณ มัลติเพล็กซ์หรือดีมัลติเพล็กซ์)	หมายเหตุ
บล็อกฟิลเตอร์ฟิล์มบาง (TFF) — “Z-block”	ฟิลเตอร์แทรกสอดแบบไดอิเล็กทริกติดกาวเข้ากับบล็อกแก้ว; แสงวิ่งซิกแซก แต่ละฟิลเตอร์ปล่อยผ่านหนึ่งแบนด์และสะท้อนส่วนที่เหลือ	1–1.5 dB	ทนทาน ไม่ไวต่ออุณหภูมิ เป็นตัวหลักของ TOSA และ ROSA ใน LR4/CWDM4/FR4
AWG (arrayed waveguide grating, PLC ซิลิกา)	อาร์เรย์เฟสของเวฟไกด์กระจายความยาวคลื่นออกไปยังเอาต์พุตแยกกัน	2–3 dB	กะทัดรัดสำหรับหลายช่องสัญญาณ; ไวต่ออุณหภูมิเว้นแต่จะทำให้ไม่ไวต่ออุณหภูมิ; ใช้ใน LR4 บางรุ่นและในอุปกรณ์ DWDM
เกรตติงแบบฟรีสเปซ/ปริซึม	ออปติกแบบชิ้นใหญ่	2–4 dB	พบได้น้อยในอุปกรณ์ถอดเสียบ
มัลติเพล็กเซอร์ซิลิคอนโฟโตนิกส์	ริงเรโซเนเตอร์หรือเอเชลเกรตติงบนชิป	1–3 dB	รวมเข้ากับมอดูเลเตอร์ในดีไซน์ SiPh FR4; อาจต้องปรับด้วยความร้อน
ฟิลเตอร์ BiDi	แผ่นไดโครอิกมุม 45° แผ่นเดียว: ปล่อยผ่านหนึ่งแบนด์ไปยัง PD สะท้อนแบนด์ของเลเซอร์เข้าสู่ใยแก้วนำแสง	0.5–1 dB	ไอโซเลชัน 30–40 dB ระหว่างแบนด์ Tx และ Rx

การสูญเสียของมัลติเพล็กซ์ + ดีมัลติเพล็กซ์ภายใน (2–5 dB ไปกลับ) เป็นส่วนหนึ่งของเหตุผลที่โมดูล WDM ปล่อยกำลังต่อเลนมากกว่าโมดูลแบบขนาน และเหตุผลที่ DDM Tx ต่อเลนของมันดูต่ำกว่ากำลังส่งออกจริงของเลเซอร์ (ค่าทั่วไป)

เหตุใด LR4 ต้องการความเย็นแต่ CWDM4 ไม่ต้องการ

DFB ที่ไม่มีความเย็นเลื่อนไหลประมาณ 0.1 nm/°C — คิดเป็น 7 nm ตลอดช่วงอุณหภูมิเคส 0–70 °C

กริด	ระยะห่าง	แบนด์ผ่านของฟิลเตอร์	การเลื่อนไหลแบบไม่มีความเย็นอยู่ในช่วงหรือไม่?
CWDM (CWDM4, FR4)	20 nm	±6.5 nm	ใช่ — ไม่มี TEC, กินกำลังไฟน้อยกว่า, ถูกกว่า
LAN-WDM (LR4, ER4)	800 GHz ≈ 4.5 nm	±1 nm หรือน้อยกว่า	ไม่ — เลเซอร์แต่ละตัววางอยู่บน TEC ที่อุณหภูมิคงที่ (หรือใช้ดีไซน์เลเซอร์ที่ทนช่วงอุณหภูมิกว้าง)
DWDM	100 GHz ≈ 0.8 nm, 50 GHz ≈ 0.4 nm	±0.1 nm	ไม่ — ใช้ TEC ร่วมกับตัวล็อกความยาวคลื่น

นี่คือเหตุผลที่โมดูล 100G LR4 กินกำลังไฟ 3.5–4.5 W ในขณะที่ CWDM4 กินเพียง 2–3 W และเหตุผลที่ TOSA ของ LR4 เป็นบรรจุภัณฑ์แบบกล่องแทนที่จะเป็น TO-can (บรรจุภัณฑ์เชิงแสง)

การรักษาความยาวคลื่นของ 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 + เทอร์มิสเตอร์ — อุปกรณ์เพลเทียร์ใต้ฐานรองเลเซอร์รักษาอุณหภูมิไว้ที่จุดตั้งค่า (25–45 °C) ด้วยความแม่นยำ ±0.1 °C โดย MCU เป็นตัวรันลูป DDM อาจแสดงอุณหภูมิเลเซอร์และกระแส TEC (อุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้า)
ตัวล็อกความยาวคลื่น — เอตาลอนที่ค่าการส่งผ่านมีลอนคลื่นตามคาบของกริด ITU การเทียบกำลังที่แทปผ่านมันกับค่าอ้างอิงจะบอกตัวควบคุมว่าเลเซอร์อยู่ด้านใดของช่องสัญญาณ ความแม่นยำ ±1–2.5 GHz ตลอดอายุการใช้งาน
เลเซอร์ปรับความยาวคลื่นได้ เพิ่มกลไกปรับหยาบเข้ามา: ส่วน DBR แบบแซมเปิลด์เกรตติง, อาร์เรย์ DFB ร่วมกับตัวรวมสัญญาณและการปรับด้วยความร้อน หรือคาวิตีภายนอก (ECL); บรรจุเป็น ITLA/micro-ITLA/nano-ITLA ในโมดูลโคฮีเรนต์ หรือเป็น TOSA ปรับความยาวคลื่นได้แบบกะทัดรัดใน SFP+/XFP การเลือกช่องสัญญาณและสถานะทำผ่าน SFF-8690 / CMIS เพจ 04h–12h การปรับความยาวคลื่นใช้เวลาหลายวินาที และ Tx จะถูกสควอลช์ไว้ระหว่างนั้น (ทรานซีฟเวอร์ปรับความยาวคลื่นได้)

ออปติกของ BiDi และ PON

BOSA วางเลเซอร์และโฟโตไดโอดไว้หลังพอร์ตใยแก้วนำแสงเดียว ฟิลเตอร์ WDM มุม 45° สะท้อนความยาวคลื่นของเลเซอร์เข้าสู่ใยแก้วนำแสง และปล่อยผ่านความยาวคลื่นขาเข้าไปยังโฟโตไดโอด ไอโซเลชันระหว่างสองแบนด์ (30–40 dB) และความชันของขอบฟิลเตอร์เป็นตัวกำหนดว่าแสงของโมดูลเองจะรั่วเข้าไปยังตัวรับของมันมากเพียงใด PON เพิ่มวงจรอิเล็กทรอนิกส์แบบเบิร์สต์เข้ามาที่ ONU (เลเซอร์ทำงานเฉพาะช่วงไทม์สล็อตของตัวเอง) และที่ OLT (ตัวรับที่รีเซ็ตค่าเกณฑ์ระหว่างเบิร์สต์จาก ONU แต่ละตัว) — นี่คือเหตุผลที่ Rx ใน DDM ของ OLT เป็นค่าเฉลี่ยจากผู้ส่งหลายราย (ทรานซีฟเวอร์ PON)

โมดูล BiDi มีรุ่นที่จับคู่กัน (-U/-D หรือแยกตามความยาวคลื่น) เพราะฟิลเตอร์ในแต่ละรุ่นถูกปรับไปในทิศทางตรงข้ามกัน โมดูลชนิดเดียวกันสองตัวจะไม่มีวันเชื่อมลิงก์กันได้ (ความไม่เข้ากันทางกายภาพ)

โพลาไรเซชันและการสะท้อน

ฟิลเตอร์และ AWG ภายในขึ้นกับโพลาไรเซชันเล็กน้อย (PDL 0.1–0.3 dB) โพลาไรเซชันของใยแก้วนำแสงแปรเปลี่ยนไปเรื่อย ๆ ดังนั้นกำลังที่รับได้อาจแกว่งไม่กี่สิบส่วนของ dB ได้โดยไม่ถือเป็นความผิดปกติ พื้นผิวภายในทุกจุดก็สะท้อนแสงเล็กน้อยเช่นกัน ไอโซเลเตอร์หลังเลเซอร์แต่ละตัวป้องกันไม่ให้สิ่งนี้ย้อนกลับไปถึงชิป (บรรจุภัณฑ์เชิงแสง)

รูปแบบความล้มเหลวเฉพาะของ WDM ภายใน

ความล้มเหลว	ลักษณะบ่งชี้	หมายเหตุ
TEC เสียใน LR4/DWDM	อุณหภูมิเลเซอร์เลื่อนไหล, กระแส TEC อยู่ที่ขีดจำกัด, Rx ของฝั่งปลายทางในหนึ่งเลนตกลงเมื่อความยาวคลื่นเลื่อนหลุดออกจากฟิลเตอร์	อุณหภูมิของโมดูลอาจดูปกติ
ฟิลเตอร์หลุดชั้น/จัดแนวคลาดเคลื่อน	หนึ่งเลนต่ำทั้ง Tx (เข้าใยแก้วนำแสง) และ Rx ที่ฝั่งปลายทาง ขึ้นกับความยาวคลื่น	แรงกระแทกเชิงกล, การไล่รอบอุณหภูมิ
ตัวล็อกความยาวคลื่นเลื่อนไหล	ช่องสัญญาณ DWDM หลุดจากกริด ถูกมัลติเพล็กเซอร์กรองออก → Rx ต่ำ, เกิดข้อผิดพลาด	Tx ใน DDM ไม่เปลี่ยนแปลง — แสงยังอยู่ครบ เพียงแต่อยู่ผิดความยาวคลื่น
ฟิลเตอร์ BiDi รั่ว	ความไวแย่ลง, เกิดข้อผิดพลาดบนลิงก์ระยะสั้น (Tx ของตัวเองท่วม Rx)	แย่ลงเมื่อกำลังส่งสูงและมีการสะท้อน
เลเซอร์หนึ่งตัวเสื่อมสภาพในโมดูล WDM 4 เลน	ไบอัสของหนึ่งเลนสูงขึ้น แล้วกำลังลดลง; อีกสามเลนปกติดี	การวินิจฉัยรายเลน

ใน CodingBox

ไบต์ข้อมูลระบุตัวตนอธิบายดีไซน์ WDM ได้แก่ ความยาวคลื่น (1310 สำหรับ LR4/CWDM4 ในฐานะจุดศูนย์กลางตามพิกัด หรือช่องสัญญาณที่แน่นอนสำหรับ DWDM), รหัสความสอดคล้องหรือรหัสการใช้งาน (LR4 เทียบกับ CWDM4 เทียบกับ FR4) และสำหรับโมดูลปรับความยาวคลื่นได้ ยังมีกริดช่องสัญญาณและช่องสัญญาณปัจจุบันบนเพจปรับความยาวคลื่นได้ DDM แยกตามเลนบนหน้าจอ DDM แสดงเลเซอร์ภายในแต่ละตัวแยกจากกัน อุณหภูมิเลเซอร์และกระแส TEC จะปรากฏในจุดที่โมดูลรายงานค่าเหล่านั้น

หากพบข้อมูลที่ไม่ถูกต้องหรือข้อผิดพลาดในบทความนี้ ให้เลือกข้อความส่วนนั้นแล้วกด Ctrl+Enter เพื่อ