模組內的 WDM：濾波器、AWG、BiDi 與波長控制

許多模組本身就是小型 WDM 系統。LR4 或 FR4 模組把四路激光器合波到一根光纖上，在另一端再分波出四個波長；BiDi 或 PON 模組通過一個濾波器在一根光纖上同時收發；DWDM 模組能把波長穩定在幾吉赫茲範圍內長達數年。本頁介紹實現這一切的光學器件——濾波器和波導合波器、 BiDi 分路器、製冷器與波長鎖定器——以及它們帶來的損耗和故障模式。

WDM 在模組中的位置

模組類型	內部 WDM	波長	光纖端口
40GBASE-LR4、100GBASE-LR4/ER4	4 信道 LAN-WDM 合波器 + 分波器	1295.56 / 1300.05 / 1304.58 / 1309.14 nm（800 GHz 間距）	雙工 LC
100G CWDM4、400G FR4、800G 2×FR4	4 信道 CWDM 合波器 + 分波器	1271 / 1291 / 1311 / 1331 nm（20 nm 間距）	雙工 LC
40G/100G SWDM4	MMF 上的 4 信道短波合波器	850 / 880 / 910 / 940 nm	雙工 LC，OM4/OM5
BiDi（1G–100G）、PON ONU/OLT	2 端口或 3 端口濾波器（BOSA）	1310/1490、1270/1330、1490/1310/1550……	單工 LC 或 SC/APC
400G BiDi（SR4.2）	4 對光纖上每根 2 個波長	850 / 910 nm	MPO
DWDM 固定 / 可調諧	內部無合波器；精確單波長	ITU 網格，100/50 GHz	雙工 LC——合波器為外置
PSM4、DR4、SR4	無——並行光纖	單一波長	MPO

信道規劃與波段：波長波段與信道規劃。

合波器技術

技術	工作原理	插入損耗（每信道，合波或分波）	備註
薄膜濾波器（TFF）塊——「Z-block」	介質干涉濾波片黏接在玻璃塊上；光線在其中之字形傳播，每片濾波片透過一個波段，反射其餘部分	1–1.5 dB	無熱，是 LR4/CWDM4/FR4 TOSA 和 ROSA 的主力方案
AWG（陣列波導光柵，矽基 PLC）	波導相控陣列把不同波長色散到各個輸出端口	2–3 dB	信道數量多時更緊湊；對溫度敏感，除非採用無熱化設計；用於部分 LR4 模組和 DWDM 設備
自由空間光柵 / 稜鏡	體光學器件	2–4 dB	在可插拔模組中少見
矽光合波器	片上環形諧振腔或階梯光柵	1–3 dB	在 SiPh FR4 方案中與調制器集成；可能需要熱調諧
BiDi 濾波器	單片 45° 分色片：透過一個波段到 PD，將激光器的波段反射進光纖	0.5–1 dB	Tx 與 Rx 波段之間隔離度 30–40 dB

內部合波/分波損耗（往返 2–5 dB）是 WDM 模組每通道發射功率高於並行模組的原因之一，也是其每通道 DDM Tx 讀數低於激光器實際輸出功率的原因（典型值）。

為甚麼 LR4 需要製冷而 CWDM4 不需要

未製冷 DFB 的漂移約 0.1 nm/°C——在 0–70 °C 殼溫範圍內相當於 7 nm。

網格	間距	濾波器通帶	未製冷漂移是否合適？
CWDM（CWDM4、FR4）	20 nm	±6.5 nm	合適——無需 TEC，功耗更低，成本更低
LAN-WDM（LR4、ER4）	800 GHz ≈ 4.5 nm	±1 nm 或更小	不合適——每個激光器都置於恆溫 TEC 上（或採用寬溫激光器設計）
DWDM	100 GHz ≈ 0.8 nm，50 GHz ≈ 0.4 nm	±0.1 nm	不合適——TEC 加波長鎖定器

這就是為甚麼 100G LR4 模組功耗為 3.5–4.5 W，而 CWDM4 只需 2–3 W，也是 LR4 TOSA 採用盒式封裝而非 TO 管殼的原因（光學封裝）。

保持 DWDM 波長穩定

 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 + 熱敏電阻——激光器基座下方的珀爾帖元件將其溫度保持在設定點（25–45 °C），精度 ±0.1 °C；MCU 運行該控制迴路。DDM 可能提供 激光器溫度 和 TEC 電流 （溫度與電壓）。
波長鎖定器——一種透過率隨 ITU 網格週期起伏的標準具；將經過它的取樣功率與參考值比較，控制器便可判斷激光器偏向信道的哪一側。整個使用壽命內精度為 ±1–2.5 GHz。
可調諧激光器新增一種粗調機制：取樣光柵 DBR 段、帶合束器和熱調諧的 DFB 陣列，或 外腔（ECL）；在相干模組中封裝為 ITLA / micro-ITLA / nano-ITLA，或在 SFP+/XFP 中封裝為緊湊型可調諧 TOSA。信道選擇和狀態通過 SFF-8690 / CMIS 04h–12h 頁傳遞；調諧需要數秒，期間 Tx 被靜默（可調諧光模組）。

BiDi 與 PON 光學器件

BOSA 將激光器和光電二極管安裝在同一個光纖端口之後。45° WDM 濾波器將激光器的波長反射進光纖，並把接收方向的波長透過給光電二極管；兩個波段之間的 隔離度（30–40 dB）以及濾波器邊沿的陡峭程度，決定了模組自身發出的光有多少會洩漏進自己的接收器。PON 在 ONU 上增加突發模式電路（激光器僅在其時隙內開啟），在 OLT 上也是如此（接收器在來自不同 ONU 的突發信號之間重置閾值）——這就是為甚麼 OLT 的 DDM Rx 讀數是多個發送端的平均值（PON 光模組）。

BiDi 模組存在成對的變體（-U/-D，或按波長區分），因為兩端的濾波器調諧方向相反；兩個相同型號的模組永遠無法建立鏈路（物理不匹配）。

偏振與反射

內部濾波器和 AWG 都存在輕微的偏振相關性（PDL 0.1–0.3 dB）；光纖中的偏振狀態會漂移，因此接收功率可能出現零點幾 dB 的波動，並非故障。每個內部表面也會產生少量反射；每個激光器後方的隔離器可防止反射光返回管芯（光學封裝）。

內部 WDM 特有的故障模式

故障	特徵	備註
LR4/DWDM 上的 TEC 故障	激光器溫度漂移，TEC 電流達到極限；某通道波長滑出濾波器通帶後，對端該通道的 Rx 隨之下降	模組溫度可能顯示正常
濾波器脫層 / 失調	某通道 Tx（入纖功率）和對端 Rx 同時偏低，且與波長相關	機械衝擊、溫度循環
波長鎖定器漂移	DWDM 信道偏離網格，被合波器濾除 → Rx 偏低，出現誤碼	DDM Tx 不變——光確實存在，只是波長不對
BiDi 濾波器洩漏	靈敏度差，短距鏈路上出現誤碼（自身 Tx 淹沒 Rx）	入纖功率高、反射較多時更嚴重
4 通道 WDM 模組中某一激光器老化	該通道偏置電流上升，隨後功率下降；其餘三個通道正常	逐通道診斷

在 CodingBox 中

識別位元組描述了 WDM 設計：波長（LR4/CWDM4 的標稱中心波長為 1310，DWDM 則為精確信道波長）、合規或應用代碼（區分 LR4、CWDM4、FR4），以及可調諧模組在可調諧頁面上的信道網格和當前信道。 DDM 介面上的逐通道 DDM 會分別顯示每個內部激光器；激光器溫度和 TEC 電流會顯示在模組上報這些參數的位置。

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