八路波分只剩 4.55 纳米，TEC 卡在哪一步

O 波段的 100 nm 里，8 路 20 nm 间隔的粗波分根本排不下，只能压到 4.55 nm。栅格一密，波长能容忍的温度窗口从 148 K 掉到 33.8 K。TEC 不是被激光器逼回来的，是被栅格宽度逼回来的。

波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）是指在一根光纤上按波长划分多条通道的传输方式。1.6T 模块要在一根单模光纤上跑 8 条 200G 通道，就得选一套波长栅格；栅格宽度决定激光器要不要配热电制冷器（Thermoelectric Cooler，TEC）。

一句话答案　8 路挤进 32 nm 后栅格只有 4.55 nm，允许漂移 ±1.52 nm，对应 33.8 K 温差，而壳温跨度是 78 K。

O 波段装不下八个 20 纳米

O 波段只有 100 nm，装不下 8 个 20 nm 的间隔。单模光纤的 O 波段是 1260 到 1360 nm，可用宽度 100 nm。粗波分（Coarse WDM，CWDM）的栅格是 20 nm，从 1271 nm 起排，能落下 1271、1291、1311、1331、1351 五个波长，第六个就出了 O 波段。

8 条通道需要 7 个间隔，按 20 nm 算要占 140 nm。这个数字超过 O 波段总宽度的 1.4 倍，装不下。把栅格压到 4.55 nm 的稀疏波分（Lan WDM，LWDM），8 个波长从 1295.56 排到 1327.48，总共只占 32 nm。

两端还要留保护带。O 波段两端各留 10 nm 给光源与滤波器的滚降，可用宽度实际只有 80 nm，8 波 20 nm 需要 140 nm，差距进一步拉大。

为什么不能干脆用 4 波。1.6T 要的是 8 条 200G，若改成 4 条 400G，单波速率翻倍，电口与光口都要重做；400G 单波对 EML 的 3 dB 带宽要求超过 90 GHz，当前量产 EML 在 60 GHz 附近，差的 30 GHz 不是均衡能补回来的。

图 1　O 波段内 CWDM 与 LWDM-8 的波长占用对比（自行绘制，为原理示意，非原文原图复制）

栅格一密，温度窗口就窄

栅格宽度直接决定激光器能容忍多少温差。分布反馈激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）的发射波长随温度线性漂移，系数约 0.09 nm/K。要让通道不串到邻居，波长漂移必须小于栅格间隔，工程上取栅格的三分之一作为单侧允许量，留三分之二给制造公差与十年老化。

允许漂移除以温度系数，就是温度窗口：

温度窗口（K）= 2 ×（栅格宽度 ÷ 3）÷ 0.09

式中栅格宽度单位为 nm，0.09 是 DFB 的波长温度系数，单位为 nm/K。20 nm 栅格代入得 148 K，4.55 nm 代入得 33.8 K，后者是前者的 0.23 倍，与栅格比值一致。

合波器这一侧也在吃容差。阵列波导光栅的通带宽度和中心频率精度直接决定这条不等式守不守得住，中心频率偏 0.2 nm 就吃掉 13% 的单侧余量；8 通道以上的高通道数 AWG，中心频率精度的工艺分散还会再放大一倍。

温度系数本身也不是常数。DFB 的 0.09 nm/K 由折射率温度系数与热膨胀两部分构成，InP 材料在 1310 nm 波段约 0.08、1550 nm 波段约 0.10；硅光外腔的系数能低一个量级，代价是要加波长锁定环路，功耗只是从 TEC 挪到了别处。

按公开参数测算。假设 LWDM-8 栅格 4.55 nm，允许漂移 ±1.52 nm，温度系数 0.09 nm/K，模块壳温 0 到 70 ℃，激光器自热 8 K。单侧允许温差 = 1.52 / 0.09 = 16.9 K，双侧窗口 33.8 K。实际温差 = 70 + 8 = 78 K，是窗口的 2.3 倍。无 TEC 时漂移 78 × 0.09 = 7.0 nm，越过 1.5 个通道。

图 2　四种栅格下允许的温度窗口（自行绘制，据本文测算口径重绘，非原文原图复制）

78 K 对 33.8 K，只差一个机房的温度

数据中心机房的环境温度不是 0 到 70 ℃。冷通道 18 到 27 ℃，热通道 30 到 35 ℃，模块装在服务器面板上，实际环境 20 到 32 ℃，跨度 12 K；加上自热 8 K，总温差 20 K，落在 33.8 K 的窗口内，余量 13.8 K。

机房里的温度分布并不均匀。同一机柜上下差 6 K，前后差 4 K，柜与柜之间再差 5 K，设计时必须按最热点取值。33.8 K 的窗口里留给环境的 20 K，要覆盖这全部的空间分散，而不是取平均值。

表注：温度系数统一取 0.09 nm/K，允许漂移取栅格间隔的 1/3，8 波占带宽按 7 个间隔计算，激光器自热 8 K 计入。

TEC 的代价是可以算的。100 mW 的 DFB 要把结温稳住 ±0.1 K，TEC 电流约 0.4 A、压降 1.5 V，电功耗 0.6 W，搬运的热量只有 0.1 W，能效比 0.17。8 路就是 4.8 W，占 30 W 模块功耗的 16%。

控温精度也不是越高越好。稳到 ±0.1 K 要 0.6 W，稳到 ±0.5 K 只要 0.25 W，而 ±0.5 K 对应 0.045 nm 漂移，只占单侧余量的 3%。多花的 0.35 W 换不到链路收益，这是 TEC 驱动设计里最常见的过设计。

TEC 的安装位置也影响这笔账。制冷片贴在激光器壳上，热端要靠陶瓷基板传到模块外壳；热端到外壳的热阻 3 K/W 时，0.6 W 的泵热会让外壳额外升温 1.8 K，等于把整机温度抬高，反过来又增加 TEC 负担。所以配 TEC 的模块，散热设计要比无 TEC 版本更严，不是更松。

4.8 W 在模块功耗预算里排第三。1.6T 模块的 30 W 大致分成 DSP 12 W、驱动与跨阻 8 W、激光器 1 W、TEC 4.8 W，余下是电源与无源。TEC 比它所服务的激光器贵 5 倍，这是"要不要 TEC"必须逐案算的原因。

失效：风道末端那一排

失效场景。某 8 波 LWDM 模块按无 TEC 设计，机房冷通道 22 ℃ 时一切正常；夏季机柜顶部风道末端的一排服务器，进风升到 34 ℃，模块壳温到 62 ℃。现象是这一排的链路误码率从 1e-9 跳到 1e-4，FEC 纠错后仍有残留。

原因是壳温从 25 ℃ 升到 62 ℃，波长漂移 3.3 nm，越过 0.73 个通道；阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating，AWG）的通带只有 1.5 nm，漂移出通带后插损从 1.2 dB 涨到 9 dB，链路预算直接少 7.8 dB。处置是把无 TEC 模块限制在风道前段，或在机柜顶部加装导流板把进风压到 30 ℃ 以下。

这类失效在实验室里测不出来。恒温箱按 25 ℃ 标定，波长落在通道中心，插损 1.2 dB 是最佳值；现场的温度分布把工作点推到通带边缘，余量才被吃掉。

独到分析：真正的约束是两条不等式

真正的约束是两条不等式，不是"O 波段太窄"。通行说法是"8 波只能用 LWDM"，这只说对一半。完整的约束是两条不等式同时成立：栅格宽度乘以波数不能超过可用带宽，温度窗口不能小于实际温差。第一条把 CWDM 排除，第二条把 DWDM 排除，剩下的只有 LWDM 加机房温控。

这也解释了为什么 C 波段救不了场。C 波段 1530 到 1565 nm 只有 35 nm，比 O 波段的 100 nm 更窄，8 波 20 nm 需要 140 nm，同样装不下。想避开 LWDM，只有把波数降到 4、单波速率提到 400G 一条路，而 400G 单波对 EML 的带宽要求超过 90 GHz，目前还做不到量产。所以"无 TEC 的 1.6T"不是激光器技术进步的结果，是机房把温度窗口从 78 K 压到 20 K 的结果。

这条判断有边界。单波速率一旦升到 400G，8 波栅格会压到 2 nm 量级，窗口掉到 15 K 以下，机房温控也救不回来，那时 TEC 又变成必需品。

选型案例与判据

按以下约束走一遍选型。1.6T 模块，8 条 200G 通道，传输 2 km 单模，壳温标称 0 到 70 ℃，模块功耗上限 32 W，单模块成本上限 1200 美元。

候选三个：A 8 波 CWDM 20 nm；B 8 波 LWDM 无 TEC；C 8 波 LWDM 配 8 路 TEC。

逐项对比：占用带宽 A 140 nm、B 32 nm、C 32 nm；温度窗口 A 148 K、B 33.8 K、C 33.8 K；TEC 功耗 A 0、B 0、C 4.8 W；模块总功耗 A 28 W、B 29 W、C 33.8 W；成本 A 780 美元、B 920 美元、C 1180 美元。

三个候选都不满足全部约束。A 在 O 波段装不下 140 nm，物理上不成立；C 的 33.8 W 超出 32 W 上限 1.8 W；B 在 0 到 70 ℃ 下差 2.3 倍。选定 B 并把温度标称改成 15 到 35 ℃。理由是这一档覆盖了冷通道加风道末端的实测范围，模块功耗 29 W 留 3 W 余量，成本比 C 低 260 美元。

代价与风险：模块不能再按工业温度等级单独销售，必须与机房环境绑定，客户现场若没有冷通道封闭，退货率会上升；余量 13.8 K 是纸面值，考虑 AWG 中心频率 ±0.2 nm 的批次分散，实测按 9 K 更稳妥，对应机柜进风 29 ℃。

判据。如果模块要在 0 到 70 ℃ 全温区工作且用 8 波，就配 TEC，代价是每模块多 4.8 W、成本多 260 美元；如果只部署在 15 到 35 ℃ 的封闭冷通道，可以不配 TEC，代价是现场环境一旦失控就没有波长余量。两档的分界线是机房能不能承诺全年不超 35 ℃，这个承诺比模块参数更难兑现。

一句话 要不要 TEC 不取决于激光器做得多好，取决于栅格宽度和机房温差这两条不等式能不能同时成立。

文献依据：Optimization Method for Center Frequency Accuracy of High-Channel-Count Arrayed Waveguide Grating in Dense Wavelength Division Multiplexing Systems

文献标题：Optimization Method for Center Frequency Accuracy of High-Channel-Count Arrayed Waveguide Grating in Dense Wavelength Division Multiplexing Systems

作者：Xin Tang, Yu Zheng, Jianzhe Liu, Ji-an Duan

期刊卷期：Photonics, 2023, 10(11): 1178

DOI：10.3390/photonics10111178（CC BY 4.0）

标准依据：ITU-T G.694.1（DWDM 频率栅格）、ITU-T G.694.2（CWDM 波长栅格）、IEEE 802.3 400GBASE-FR4/LR4 波长分配

配图说明：图 1 为波长占用示意，图 2 据本文测算数据绘制，均为自行绘制，非原文原图复制

改动声明：基于开放获取文献的独立解读，标题、结构、行文、表格、案例与配图为原创

来源：21ic电子网