波分復用器

一 名詞解釋

　　WDM Wavelength Division Multiplexing ，波分復用器

　　CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing ，稀疏波分復用器，也稱粗波分復用器　　

　　DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing ，密集波分復用器

二 WDM

　　WDM是將一系列載有信息、但波長不同的光信號合成一束，沿著單根光纖傳輸；在接收端再用某種方法，將各個不同波長的光信號分開的通信技術(shù)。這種技術(shù)可以同時在一根光纖上傳輸多路信號，每一路信號都由某種特定波長的光來傳送，這就是一個波長信道。

　　在同一根光纖中同時讓兩個或兩個以上的光波長信號通過不同光信道各自傳輸信息,稱為光波分復用技術(shù),簡稱WDM。光波分復用包括頻分復用和波分復用。光頻分復用(frequency-division multiplexing, FDM)技術(shù)和光波分復用(WDM)技術(shù)無明顯區(qū)別,因為光波是電磁波的一部分,光的頻率與波長具有單一對應關(guān)系。通常也可以這樣理解,光頻分復用指光頻率的細分,光信道非常密集。光波分復用指光頻率的粗分,光倍道相隔較遠,甚至處于光纖不同窗口。

　　光波分復用一般應用波長分割復用器和解復用器(也稱合波/分波器)分別置于光纖兩端,實現(xiàn)不同光波的耦合與分離。這兩個器件的原理是相同的。光波分復用器的主要類型有熔融拉錐型,介質(zhì)膜型,光柵型和平面型四種。其主要特性指標為插入損耗和隔離度。通常,由于光鏈路中使用波分復用設備后,光鏈路損耗的增加量稱為波分復用的插入損耗。當波長11,l2通過同一光纖傳送時,在與分波器中輸入端l2的功率與11輸出端光纖中混入的功率之間的差值稱為隔離度。

　　現(xiàn)在市場使用WDM技術(shù)的產(chǎn)品主要有CWDM和DWDM。

三 CWDM

　　CWDM是一種面向城域網(wǎng)接入層的低成本W(wǎng)DM傳輸技術(shù)。從原理上講，CWDM就是利用光復用器將不同波長的光信號復用至單根光纖進行傳輸，在鏈路的接收端，借助光解復用器將光纖中的混合信號分解為不同波長的信號，連接到相應的接收設備。其原理如圖1所示。與DWDM的主要區(qū)別在于：相對于DWDM系統(tǒng)中0.2nm到1.2nm的波長間隔而言，CWDM具有更寬的波長間隔，業(yè)界通行的標準波長間隔為20nm。ITU-T G.694.2規(guī)定的波長如表1所示。各波長所屬的波段如圖2所示，覆蓋了單模光纖系統(tǒng)的O、E、S、C、L等五個波段。

　　由于CWDM系統(tǒng)的波長間隔寬，對激光器的技術(shù)指標要求較低。由于波長間隔達到20nm，所以系統(tǒng)的最大波長偏移可達－6.5℃～+6.5℃，激光器的發(fā)射波長精度可放寬到±3nm，而且在工作溫度范圍（－5℃～70℃）內(nèi)，溫度變化導致的波長漂移仍然在容許范圍內(nèi)，激光器無需溫度控制機制，所以激光器的結(jié)構(gòu)大大簡化，成品率提高。

　　另外，較大的波長間隔意味著光復用器/解復用器的結(jié)構(gòu)大大簡化。例如，CWDM系統(tǒng)的濾波器鍍膜層數(shù)可降為50層左右，而DWDM系統(tǒng)中的100GHz濾波器鍍膜層數(shù)約為150層，這導致成品率提高，成本下降，而且濾波器的供應商大大增加有利于競爭。CWDM濾波器的成本比DWDM濾波器的成本要少50%以上，而且隨著自動化生產(chǎn)技術(shù)和批量的增大會進一步降低。

　　CWDM系統(tǒng)的優(yōu)點

　　CWDM的最重要的優(yōu)點是設備成本低。具體情況前面已經(jīng)介紹過了。除此之外，CWDM的另一個優(yōu)點是可以降低網(wǎng)絡的運營成本。由于CWDM設備體積小、功耗低、維護簡便、供電方便，可以使用220V交流電源。由于其波長數(shù)較少，所以板卡備份量小。使用8波的CWDM設備對光纖沒有特殊要求，G.652、G.653、G.655光纖均可采用，可利用現(xiàn)有的光纜。 CWDM系統(tǒng)可以顯著提高光纖的傳輸容量，提高對光纖資源的利用率。城域網(wǎng)的建設都面臨著一定程度的光纖資源的緊張或租賃光纖的昂貴價格。目前典型的粗波分復用系統(tǒng)可以提供8個光通道，按照ITU-T的G.694.2規(guī)范最多可以達到18個光通道。 CWDM的另一個優(yōu)點是體積小、功耗低。CWDM系統(tǒng)的激光器無需半導體制冷器和溫度控制功能，所以可以明顯減小功耗，如DWDM系統(tǒng)每個激光器要消耗大約4W的功率，而沒有冷卻器的CWDM激光器僅消耗0.5W的功率。CWDM系統(tǒng)中簡化的激光器模塊使得其光收發(fā)一體化模塊的體積減小，設備結(jié)構(gòu)的簡化也減小了設備的體積，節(jié)約機房空間。 與傳統(tǒng)的TDM方式相比，CWDM具有速率和協(xié)議透明性，這使之更適應城域網(wǎng)高速數(shù)據(jù)業(yè)務的發(fā)展。城域網(wǎng)中有許多不同協(xié)議和不同的速率的業(yè)務，CWDM提供了在一根光纖上提供不同速率的、對協(xié)議透明的傳輸通道，如以太網(wǎng)、ATM、POS、SDH等，而且CWDM的透明性和分插復用功能可以允許使用者直接上下某一個波長，而不用轉(zhuǎn)換原始信號的格式。也就是說，光層提供了獨立于業(yè)務層的傳送結(jié)構(gòu)。CWDM具有很好的靈活性和可擴展性。對于城域業(yè)務來講，業(yè)務提供的靈活性，特別是業(yè)務提供速度和隨著業(yè)務發(fā)展進行擴展的能力非常重要。利用CWDM技術(shù)可以在1天或者幾個小時的時間內(nèi)為用戶開通業(yè)務，而且可以隨著業(yè)務量的增加，可以通過插入新的OTU板進行容量的擴展?！√岣邩I(yè)務質(zhì)量。在城域網(wǎng)中應用CWDM系統(tǒng)可以使光層恢復成為可能。光層恢復比電層恢復要經(jīng)濟得多?？紤]到光層恢復是獨立于業(yè)務和速率的，那么原來一些自身體制無保護功能的體系（如千兆以太網(wǎng)），則可以利用CWDM來進行保護。由于CWDM技術(shù)的上述優(yōu)點，所以CWDM在電信、廣電、企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)等領(lǐng)域獲得越來越多的應用。

　　CWDM產(chǎn)品存在的不足
　　CWDM技術(shù)的最大問題是其相對于DWDM設備的成本優(yōu)勢仍不夠明顯。光收發(fā)模塊和光器件是降低成本的關(guān)鍵。但由于市場規(guī)模不大，供應商的出貨量不大，所以器件成本優(yōu)勢不明顯。另外一個降低成本的方法是簡化設備功能，而這種方法導致系統(tǒng)的可靠性和可管理能力降低。 價格不斷降低的DWDM產(chǎn)品也給CWDM技術(shù)很大的壓力，而且采用DWDM技術(shù)可以形成一個完整的城域DWDM網(wǎng)，所以可擴展性好，對CWDM的壓力比較大。 目前的CWDM設備支持的光通道（波長）數(shù)目不超過8個，主要是E波段的光收發(fā)模塊制造工藝還不成熟，另外，消除了水吸收峰的G.652C光纜在現(xiàn)網(wǎng)中應用較少，所以對E波段光收發(fā)模塊的市場需求不大。更高速率和更遠傳輸距離的CWDM系統(tǒng)還存在很多技術(shù)問題。如10G系統(tǒng)的色散問題、超寬帶光放大技術(shù)等。另外，標準化進程需要加快，特別是對業(yè)務接口功能方面需要運營商的引導。
 

　　CWDM的發(fā)展方向
　　目前制約CWDM產(chǎn)品發(fā)展的關(guān)鍵因素之一是光收發(fā)模塊和復用解復用器件的價格。隨著市場的發(fā)展和制造工藝的進步，進一步降低設備成本是一個重要的發(fā)展方向。 開發(fā)E波段的光器件技術(shù)，使之盡快成熟。開發(fā)10G速率光通道技術(shù)，提高CWDM系統(tǒng)的容量和可升級性。支持各種業(yè)務接口是CWDM發(fā)展的方向。城域網(wǎng)接入層對多業(yè)務接口的需求是各廠商進一步開發(fā)多業(yè)務接口的動力，CWDM設備將提供FE、GE、SDH、ESCON、FC等多種業(yè)務接口。另外一個發(fā)展方向是能與MSTP或者高性能路由交換設備結(jié)合，作為MSTP設備或者高速路由器擴展線路側(cè)容量的手段。 提供多層次的光層和業(yè)務層保護功能也是一個發(fā)展方向，以滿足不同客戶的需求。 網(wǎng)絡管理技術(shù)和設備安全性、可靠性等方面進一步提高，提高在市場上的競爭力。 對于最新推出的G.652C光纖，由于G.652C光纜的價格是G.652B價格的兩倍，而且E波段的CWDM光收發(fā)模塊技術(shù)尚不成熟，短期內(nèi)（1－2年）應用全波段CWDM設備的可能性不大，采用G.652C光纜存在投資大、短期內(nèi)無效益的問題，所以G.652C光纖在城域用戶光纜網(wǎng)中的應用受到一定限制。
 

四 DWDM

　　DWDM技術(shù)是利用單模光纖的帶寬以及低損耗的特性，采用多個波長作為載波，允許各載波信道在光纖內(nèi)同時傳輸。

　　與通用的單信道系統(tǒng)相比，密集 WDM （ DWDM ）不僅極大地提高了網(wǎng)絡系統(tǒng)的通信容量，充分利用了光纖的帶寬，而且它具有擴容簡單和性能可靠等諸多優(yōu)點，特別是它可以直接接入多種業(yè)務更使得它的應用前景十分光明。

　　DWDM結(jié)構(gòu)分析
　　DWDM從結(jié)構(gòu)上分，目前有集成系統(tǒng)和開放系統(tǒng)。集成式系統(tǒng)：要求接入的單光傳輸設備終端的光信號是滿足G．692標準的光源。開放系統(tǒng)，是在合波器前端及分波器的后端，加波長轉(zhuǎn)移單元OTU，將當前通常使用的G．957接口波長轉(zhuǎn)換為G．692標準的波長光接口。這樣，開放式系統(tǒng)采用波長轉(zhuǎn)換技術(shù)？使任意滿足G．957建議要求的光信號能運用光－電－光的方法，通過波長變換之后轉(zhuǎn)換至滿足G．692要求的規(guī)范波長光信號，再通過波分復用，從而在DWDM系統(tǒng)上傳輸。

　　目前的DWDM系統(tǒng)可提供16/20波或32/40波的單纖傳輸容量，最大可到160波，具有靈活的擴展能力。用戶初期可建16/20波的系統(tǒng)，之后根據(jù)需要再升級到32/40波，這樣可以節(jié)省初期投資。其升級方案原理：一種是在C波段紅帶16波加藍帶16波升級為32波的方案；另一種是采用interleaver，在C波段由200GHz間隔16/32波升級為100GHz間隔20/40波。進一步的擴容求，可提供C+L波段的擴容方案，使系統(tǒng)傳輸容量進一步擴充為160波。

　　DWDM光信道
　　在DWDM系統(tǒng)中，采用獨立的1510nm波長（速率為2Mb/s）承載光監(jiān)控信道（OSC），傳送網(wǎng)管、公務和監(jiān)控信息，幀結(jié)構(gòu)符合G．704，實際用于監(jiān)控信息傳送的速率為1920kb/s。0SC光監(jiān)控信道是DWDM系統(tǒng)工作狀態(tài)的信息載體。在DWDM系統(tǒng)中，OSC是一個相對獨立的子系統(tǒng)，傳送光信道層、光復用段層和光傳輸段層的維護和管理信息，提供公務聯(lián)絡及使用者通路，同時它還可以提供其它附加功能。OSC主要包括的子系統(tǒng)功能為：OSC信道接收和發(fā)送、時鐘恢復和再生、接收外部時鐘信號、OSC信道故障檢測和處理及性能監(jiān)測、CMI編解碼、OSC幀定位和組幀處理、監(jiān)控信息處理。性能的監(jiān)測（B1、J0、OPM、光放監(jiān)測），可由業(yè)務接入終端完成。模擬量監(jiān)測功能和B1誤碼監(jiān)測功能，提供不中斷業(yè)務的多路光通道性能監(jiān)測（包括各信道波長、光功率、光信噪比），適時監(jiān)測光傳送段和光通道性能質(zhì)量，提供故障定位的有效手段。具有監(jiān)測放大器的輸入光功率、輸出光功率、PUMP驅(qū)動電流、PUMP制冷電流、PUMP溫度和PUMP背向光功率的功能。具有監(jiān)測多方向的波數(shù)、各信道的波長、光功率和光信噪比等性能，監(jiān)測的波長精度可大于0．05nm、光功率精度可大于0．5dBm、信噪比精度可大于0．5dB。
 

光波分復用的技術(shù)特點與優(yōu)勢

　　(1)充分利用光纖的低損耗波段,增加光纖的傳輸容量,使一根光纖傳送信息的物理限度增加一倍至數(shù)倍。目前我們只是利用了光纖低損耗譜(1310nm-1550nm)極少一部分,波分復用可以充分利用單模光纖的巨大帶寬約25THz,傳輸帶寬充足。
　　(2)具有在同一根光纖中,傳送2個或數(shù)個非同步信號的能力,有利于數(shù)字信號和模擬信號的兼容,與數(shù)據(jù)速率和調(diào)制方式無關(guān),在線路中間可以靈活取出或加入信道。
　　(3)對已建光纖系統(tǒng),尤其早期鋪設的芯數(shù)不多的光纜,只要原系統(tǒng)有功率余量,可進一步增容,實現(xiàn)多個單向信號或雙向信號的傳送而不用對原系統(tǒng)作大改動,具有較強的靈活性。
　　(4)由于大量減少了光纖的使用量,大大降低了建設成本、由于光纖數(shù)量少,當出現(xiàn)故障時,恢復起來也迅速方便。
　　(5)有源光設備的共享性,對多個信號的傳送或新業(yè)務的增加降低了成本。
　　(6)系統(tǒng)中有源設備得到大幅減少,這樣就提高了系統(tǒng)的可靠性。目前,由于多路載波的光波分復用對光發(fā)射機、光接收機等設備要求較高,技術(shù)實施有一定難度,同時多纖芯光纜的應用對于傳統(tǒng)廣播電視傳輸業(yè)務未出現(xiàn)特別緊缺的局面,因而WDM的實際應用還不多。但是,隨著有線電視綜合業(yè)務的開展,對網(wǎng)絡帶寬需求的日益增長,各類選擇性服務的實施、網(wǎng)絡升級改造經(jīng)濟費用的考慮等等,WDM的特點和優(yōu)勢在CATV傳輸系統(tǒng)中逐漸顯現(xiàn)出來,表現(xiàn)出廣闊的應用前景,甚至將影響CATV網(wǎng)絡的發(fā)展格局。