光波分复用WDM技术.docx

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光波分复用WDM技术

光波分复用（WDM）技术

一、波分复用技术的概念

　　波分复用（WDM）是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器（亦称合波器，Multiplexer）汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器（亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer）将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。

这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。

　　通信系统的设计不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。

按照通道间隔的不同，WDM可以细分为CWDM（稀疏波分复用）和DWDM（密集波分复用）。

CWDM的信道间隔为20nm，而DWDM的信道间隔从0.2nm到1.2nm，所以相对于DWDM，CWDM称为稀疏波分复用技术。

　　CWDM和DWDM的区别主要有二点：

一是CWDM载波通道间距较宽，因此，同一根光纤上只能复用5到6个左右波长的光波，“稀疏”与“密集”称谓的差别就由此而来；二是CWDM调制激光采用非冷却激光，而DWDM采用的是冷却激光。

冷却激光采用温度调谐，非冷却激光采用电子调谐。

由于在一个很宽的波长区段内温度分布很不均匀，因此温度调谐实现起来难度很大，成本也很高。

CWDM避开了这一难点，因而大幅降低了成本，整个CWDM系统成本只有DWDM的30%。

CWDM是通过利用光复用器将在不同光纤中传输的波长结合到一根光纤中传输来实现。

在链路的接收端，利用解复用器将分解后的波长分别送到不同的光纤，接到不同的接收机。

二、波分复用技术的优点

　　WDM技术之所以在近几年得到迅猛发展是因为它具有下述优点：

（1）传输容量大，可节约宝贵的光纤资源。

对单波长光纤系统而言，收发一个信号需要使用一对光纤，而对于WDM系统，不管有多少个信号，整个复用系统只需要一对光纤。

例如对于16个2.5Gb/s系统来说，单波长光纤系统需要32根光纤，而WDM系统仅需要2根光纤。

（2）对各类业务信号“透明”，可以传输不同类型的信号，如数字信号、模拟信号等，并能对其进行合成和分解。

　　（3）网络扩容时不需要敷设更多的光纤，也不需要使用高速的网络部件，只需要换端机和增加一个附加光波长就可以引入任意新业务或扩充容量，因此WDM技术是理想的扩容手段。

　　（4）组建动态可重构的光网络，在网络节点使用光分插复用器（OADM）或者使用光交叉连接设备（OXC），可以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性的全光网络。

三、波分复用技术目前存在的问题

　　以WDM技术为基础的具有分插复用功能和交叉连接功能的光传输网具有易于重构、良好的扩展性等巨大优势，已成为未来高速传输网的发展方向，但在真正实现之前，还必须解决下列问题。

1．网络管理

　　目前，WDM系统的网络管理，特别是具有复杂的上/下通路需求的WDM网络管理仍处于不成熟期。

如果WDM系统不能进行有效的网络管理，将很难在网络中大规模采用。

例如在故障管理方面，由于WDM系统可以在光通道上支持不同类型的业务信号，一旦WDM系统发生故障，操作系统应能及时发现故障，并找出故障原因。

但到目前为止，相关的运行维护软件仍不成熟；在性能管理方面，WDM系统使用模拟方式复用及放大光信号，因此常用的比特误码率并不适用于衡量WDM的业务质量，必须寻找一个新的参数来准确衡量网络向用户提供的服务质量等。

如果这些问题不及时解决，将阻碍WDM系统的发展。

2．互连互通

　　由于WDM是一项新生的技术，其行业标准制定较粗，因此不同商家的WDM产品互通性较差，特别是在上层的网络管理方面。

为了保证WDM系统在网络中大规模实施，需保证WDM系统间的互操作性以及WDM系统与传统系统间互连、互通，因此应加强光接口设备的研究。

3．光器件

　　一些重要光器件的不成熟将直接限制未来光传输网的发展，如可调谐激光器等。

对于一些大的运营公司来说，在网络中处理几个不同的激光器就已经非常棘手了，更不用说几十路光信号了。

通常光网络中需要采用4～6个能在整个网络中进行调谐的激光器，但目前这种可调谐激光器还无法进入商用。

四、DWDM技术简介

1．DWDM对光纤性能的要求

　　DWDM是密集的多波长光信道复用技术，光纤的非线性效应是影响WDM传输系统性能的主要因素。

光纤的非线性效应主要与光功率密度、信道间隔和光纤的色散等因素密切相关；光功率密度越大、信道间隔越小，光纤的非线性效应就越严重；色散与各种非线性效应之间的关系比较复杂，其中四波混频随色散接近零而显著增加。

随着WDM技术的不断发展，光纤中传输的信道数越来越多，信道间距越来越小，传输功率越来越大，因而光纤的非线性效应对DWDM传输系统性能的影响也越来越大。

　　克服非线性效应的主要方法是改进光纤的性能，如增加光纤的有效传光面积，以减小光功率密度；在工作波段保留一定量的色散，以减小四波混频效应；减小光纤的色散斜率，以扩大DWDM系统的工作波长范围，增加波长间隔；同时，还应尽量减小光纤的偏振模色散，以及在减小四波混频效应的基础上尽量减小光纤工作波段上的色散，以适应单信道速率的不断提高。

2．DWDM系统中的光源

　　密集波分复用系统中的光源应具有以下4点要求：

（1）波长范围很宽；

（2）尽可能多的信道数；（3）每信道波长的光谱宽度应尽可能窄；（4）各信道波长及其间隔应高度稳定。

因此，在波分复用系统中使用的激光光源，几乎都是分布反馈激光器（DFB-LD），而且目前多为量子阱DFB激光器。

　　随着科学技术的发展与进步，用在波分复用系统中的光源除了分立的DFB-LD、可调谐激光器、面发射激光器外，还有两种形式。

其一是激光二极管的阵列，或是阵列的激光器与电子器件的集成，实际是光电集成回路（OEIC），与分立的DFB-LD相比，这种激光器在技术上前进了一大步，它体积缩小、功耗降低、可靠性高，应用上简单、方便。

另一种新的光源——超连续光源。

　　超连续光源，确切地说应该是限幅光谱超连续光源（SpectrumSlicedSupercontinuumSource）。

研究表明，当具有很高峰值功率的短脉冲注入光纤时，由于非线性传播会在光纤中产生超连续（SC）宽光谱，它能限幅成为许多波长，并适合于作波分复用的光源，这就是所谓的限幅光谱超连续光源。

3．实现DWDM的关键技术和设备

　　实现光波分复用和传输的设备种类很多，各个功能模块都有多种实现方法，具体采用何种设备应根据现场条件和系统性能的侧重点来决定。

总体上看，在DWDM系统当中有光发送/接收器、波分复用器、光放大器、光监控信道和光纤五个模块。

（1）光发送/接收器

　　光发送/接收器主要产生和接收光信号。

主要要求具有较高的波长精度控制技术和较为精确的输出功率控制技术。

两种技术都有两种实现方法。

常用控制波长的方式包括：

温度控制，使激光器工作在恒定的温度条件下来达到控制精度的要求；波长反馈技术，采用波长敏感器件监控和比较激光器的输出波长，并通过激光器控制电路对输出波长进行精确控制。

（2）波分复用器

　　波分复用器（OMD）包括合波器和分波器。

　　光合波器用于传输系统发送端，是一种具有多个输入端口和一个输出端口的器件，它的每一个输入端口输入一个预选波长的光信号，输入的不同波长的光波由同一个输出端口输出。

　　光分波器用于传输系统接收端，正好与光合波器相反，它具有一个输入端口和多个输出端口，它将多个不同波长的光信号分离开来。

　　光合波器一般有耦合器型、介质膜滤波器型和集成光波导型等种类。

光分波器主要有介质膜滤波器型、集成光波导型、布拉格光栅型等种类。

其中，集成光波导技术使用最为广泛，它利用光平面波导构成N×M个端口传输分配器件，可以接收多个支路输入并产生多个支路输出，利用不同通道的置换，可用作合波器，也可用作分波器。

具有集成化程度高的特点，但是对环境较为敏感。

（3）光放大器

　　光放大器可以作为前置放大器、线路放大器、功率放大器，是光纤通信中的关键部件之一。

目前使用的光放大器分为光纤放大器（OFA）和半导体光放大器（SOA）两大类，光纤放大器又有掺饵光纤放大器（EDFA）、掺镨光纤放大器（PDFA）、掺铌光纤放大器（NDFA）。

其中，掺饵光纤放大器（EDFA）的性能优越，已经在波分复用实验系统、商用系统中广泛应用，成为现阶段光放大器的主流。

对EDFA的基本要求是高增益且在通带内增益平坦、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振不相关等。

半导体光放大器（SOA）早期受噪声、偏振相关性等因素的影响，性能不达到实用要求，后来在应变量子阱材料的SOA研制成功后，再度引起人们的关注。

SOA结构简单、适于批量生产、成本低、寿命长、功耗小、还能与其它配件一块集成以及使用波长范围可望覆盖EDFA和PDFA的应用。

（4）光监控通道

　　根据ITU-TG.692建议要求，DWDM系统要利用EDFA工作频带以外的一个波长对EDFA进行监控和管理。

目前在这个技术上的差异主要体现在光监控通道（OSC）波长选择、监控信号速率、监控信号格式等方面。

4．DWDM应用

　　DWDM既可用于陆地与海底干线，也可用于市内通信网，还可用于全光通信网。

　　市内通信网与长途干线的根本不同点在于各交换局之间的距离不会很长，一般在10km上下，很少超过15km的，这就不用装设线路光放大器，只要DWDM系统终端设备成本足够低就将是合算的。

已有人试验过一种叫做MetroWDM都市波分多路系统的方案，表明将WDM用于市内网的局间干线可以比由TDM提升等级的办法节省约３０％的费用。

同时WDM系统还具有多路复用保护功能，对运行安全有利。

交换局到大楼FTTB或到路边FTTC这一段接入网也可用DWDM系统，或可节省费用或可更好地保护用户通信安全。

　　利用DWDM系统传输的不同波长可以提供选寻路由和交换功能。

在通信网的结点处装上波长的光的插分复接器WADMOADM，就可以在结点处任意取下或加上几个波长信号，对业务增减十分方便。

每一结点的交叉连接也会是波长的或光的交叉连接WXCOXC。

如果再配以光波长变换器OTU或光波长发生器，以使在波长交叉连接时可改用其他波长则更加灵活适应需要了。

这样整个通信网包括交换在内就可完全在光域中完成，通信网也就成了“全光通信网AON　”，即多波长光通信网MONET。

无疑，DWDM在构建AON中起了关键作用。

五、CWDM技术简介

1．CWDM标准制定情况

　　美国的1400nm商业利益组织正在致力于为CWDM系统制定标准。

目前建议草案考虑的CWDM系统波长栅格分为三个波段。

“O波段”包括四个波长:

1290、1310、1330和1350nm，“E波段”包括四个波长:

1380、1400、1420和1440nm，“S＋C+L”波段包括从1470nm到1610nm的范围，间距为20nm的八个波长。

这些波长利用了光纤的全部光谱，包括在1310、1510和1550nm处的传统光源，从而增加了复用的信道数

　　20nm的信道间距允许利用廉价的不带冷却器的激光发射机和宽带光滤波器，同时，它也躲开了1270nm高损耗波长，并且使相邻波段之间保持了30nm的间隙。

　　尽管目前还没有CWDM的技术标准,在市场上已经存在一个事实上的城域网标准：

IEEE已经制定了万兆以太网10GbE标准。

CWDM的标准将据此来制定。

　　CWDM的复用/解复用器和激光器正在逐渐形成自己的标准。

相邻波长间隔根据无冷却的激光器在很宽的温度范围内工作产生的波长漂移来决定。

目前被确定为20nm,其中心波长为：

1491,1511,1531等一直到1611nm。

而在1300nm波段,IEEE以太网定义通道宽度为20nm,但是中心波长为1290,1310,1330和1359nm。

在1400nm波段如何定义还不知道。

目前已经成立CWDM用户组开始结束CWDM城域网标准的混乱状态。

　　虽然CWDM目前尚没有形成统一的技术标准,不过,CWDM用户组已经成立,估计不远的将来,这种混乱的局面将结束。

目前已经有设备生产厂商着手开发CWDM的传输设备,并已经有设备投入商用化,能够支持从100Mbit/s-2.5Gbit/s的传输速率。

2．CWDM系统的关键技术与模块

（1）新型光纤技术

　　光纤具有丰富的频带资源和优异的传输性能，是通信网络理想的传输媒质。

影响光信号传输距离的光纤参数主要有衰减、色散和非线性。

城域网覆盖范围通常在50～80km左右，一般不需要光放大器和中继设备，光纤色散和非线性并非关键问题。

　　CWDM对传输媒质没有特殊要求，各种单模光纤和多模光纤都可以采用CWDM技术。

城域内目前大量使用G.652光纤。

这种光纤因残留有氢氧根离子，导致1383nm波长附近出现明显的吸收峰。

E波段吸收峰引起传输损耗的典型值约为1dB/km，极大影响了WDM系统的传输距离和可用波长范围。

目前商用的4波、8波和16波CWDM系统通常选取1290～1610nm的波长范围，如O波段：

1290nm、1310nm、1330nm、1350nm；E波段：

1380nm、1400nm、1420nm、1440nm；以及S+C+L波段8个波长：

1470～1610nm。

　　为了扩展光纤的可用波长范围，提高复用信道数量，许多公司纷纷推出各种新型的G.652C光纤。

其中零水峰光纤（ZWPF）有效消除氢氧根吸收峰的影响，提供更低的相邻信道信号衰减。

对ZWPF来说，损耗值以1/λ４的速度（由于瑞利散射效应减弱以及OH吸收峰的消除）逐渐减小，在1550nm附近得到最小值。

这种光纤的色散系数与传统单模光纤相同，大体分布在13～19ps/nm·km。

ZWPF光纤提供的有效波长范围比传统单模光纤多出100nm，使CWDM信道数量增益高达33%以上。

同时，G.652C光纤完全与传统单模光纤兼容，支持所有标准的系统规范。

　　目前，ZWPF光纤越来越受到业界的关注。

MRV公司和LUNX公司推出的16波CWDM系统就采用了OFS的AllWave光纤产品，传输距离可达70km。

Transmode公司宣称已经实现2.5Gbit/s速率的全波CWDM传输系统，无中继放大情况下传输距离超过80km。

（2）光收发模块

　　光收发模块是光通信系统的主要部件。

目前常见的光收发模块有分立的光发射模块、光接收模块和光收发一体模块三种。

它们的发展趋势是小型化、低成本、低功耗、远距离、高速率和热插拔。

　　CWDM收发模块通常采用DFB激光器或垂直腔表面发射激光器（VCSEL）作为光源。

CWDM系统使用的DFB激光器无需集成致冷器，温度漂移系数约为0.08nm/℃。

这种激光器在0到70℃温度范围内的波长热漂移约6nm左右，加上制造过程的波长容差±（2～3）nm，整体波长变化范围在12nm以内。

因此，CWDM信道间隔和通道宽度足够适应无致冷DFB激光器的波长变化，激光器的工作温度范围也相对较宽。

而DWDM系统采用的DFB激光器温度漂移系数为Δλ／１0（nm/℃），波长容差的典型值为±0.1nm。

除温度外，CWDM无致冷激光器还需要考虑的问题就是色散代价。

激光器芯片的优化设计能够延长色散受限系统的传输距离。

　　VCSEL是一种新型的半导体激光器。

与常规边缘发射激光器的结构不同，VCSEL激光器的出光窗口在芯片表面，发光束方向与芯片表面垂直，无需解调就可以进行在线测试和封装，有利于实现低成本、大规模的工业化生产。

VCSEL激光器具有的低功耗和高效的光纤耦合特性，能够便利地制成二维阵列，实现大规模光电集成。

目前应用最为广泛的商用VCSEL激光器及收发模块通常都是850nm发射波长的多模芯片，其原因是受成本、输出功率和技术成熟度等因素的限制。

近年来，VCSEL激光器相关技术发展迅速。

随着现代高速光纤网络的发展，VCSEL有望取代DFB激光器，成为光通信领域最理想、最有前途的低成本光源。

　　CWDM系统使用的接收模块与DWDM系统基本相同，主要采用PIN型或APD型探测器及其组件。

CWDM接收模块要求带宽覆盖的范围较宽，以便捕获所有特定的比特速率和传输协议。

PIN型接收模块成本较低，设计相对简单，而APD型接收模块的灵敏度至少提高9～10dB增益。

　　（3）复用器/解复用器（MUX/DEMUX）

　　复用器/解复用器是波分复用光传输系统的关键器件。

MUX/DEMUX的重要性能指标包括中心波长、插入损耗、信道隔离度和通带宽度等。

目前常用的MUX/DEMUX有干涉膜滤波器型、光纤光栅型和阵列波导光栅AWG型和熔融拉锥耦合型等。

　　其中，干涉膜滤波技术近年来发展较为成熟，这种器件具有信道灵活、隔离度较高、插入损耗较低和热稳定性好等优点，适合信道数量不多的波分复用系统。

目前商用的CWDM复用器/解复用器主要也是采用干涉膜滤波技术来设计。

CWDM复用器/解复用器对薄膜滤波技术要求相对较低，导致生产时间缩短、效率提高以及原材料需求降低。

基于干涉膜滤波技术的DWDM复用器/解复用器造价通常是CWDM同类产品的两倍左右。

DWDM系统使用的0.8nm滤波器一般大约需要150层介质薄膜，而CWDM系统的20nm滤波器大约有50层。

　　此外，熔融拉锥耦合技术在CWDM产品中也有应用。

熔融拉锥耦合技术的工作原理是将两根（或两根以上）去除涂覆层的光纤以一定的方式靠拢排放，在高温下熔融并同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形的特殊波导结构实现传输功率的耦合。

由于耦合系数与波长有关，因此主要用来制作信道间隔较宽的波分复用器件。

相对薄膜滤波型模块来说，熔融拉锥耦合型CWDM模块成本要低得多。

3．CWDM的优势

　　从纯技术角度来讲，CWDM技术存在着明显的劣势。

CWDM系统单纤总传输容量与DWDM系统相差甚远。

然而，市场并非只受技术驱动，成本同样也是相当重要的考虑因素。

成本效益与信道间隔密切相关。

CWDM产品具有低成本、低功耗和小尺寸等优势，能有效降低系统的建设和运营成本。

（1）CWDM的硬件成本低

　　DWDM的收发设备要比CWDM系统的同类产品贵四、五倍，这与激光器的许多因素相关。

DWDM系统采用DFB激光器作为光源，温度漂移系数为Δλ/10（nm/℃），它需要采用冷却技术来稳定波长，以防止由于温度变化波长漂移到复用器和解复用器的滤波器通带之外，DWDM激光器的波长容差的典型值为±0.1nm。

CWDM系统采用的DFB激光器不需要冷却，温度漂移系数为0.08nm/℃，CWDM激光器的波长容差高达±2～3nm。

另外，激光片的成品率低也增加了DWDM激光器的造价。

　　在复用器和解复用器方面，DWDM和CWDM的造价差别主要是由于CWDM的滤波器包含的层数少，故CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本低。

CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本要少50％。

在CWDM系统中，相邻波长通道的间隔放宽到20nm，这就有可能将各个部件的容错范围放大，因此可以使用廉价的复用器、解复用器等，以降低CWDM系统的成本。

　　由于器件成本和系统要求的降低，使得CWDM系统的造价比DWDM系统有大幅下降。

（2）CWDM结构简单

　　CWDM系统不包含OLA，即光放大中继机。

另外，由于CWDM信道间隔比较大，所以相对于DWDM而言，不需要考虑功率均衡。

　　（3）CWDM的功耗低

　　光传输系统的运营成本取决于系统的维护和系统消耗的功率。

即使DWDM和CWDM系统的维护成本都可以接受，DWDM系统的功耗要比CWDM系统的功耗高得多。

在DWDM系统中，随着复用的波长总数的增加以及单信道传输速率的增加，功率损耗及其温度管理变成了电路板设计的关键问题。

CWDM系统中采用不带冷却器的激光器，系统功耗低，有利于系统运营商节约开支。

　　（4）CWDM器件的物理尺寸更小

　　CWDM激光器要比DWDM激光器小得多,不带冷却器的激光器一般是由激光片和密封在带有玻璃窗口的金属容器中的监控光电二极管构成的。

DWDM激光发射机的尺寸大约是CWDM激光发射机体积的五倍，也就是说，如果DWDM激光发射机的体积为100cm3，那么没有冷却器的CWDM激光器体积仅仅为20cm3。

　　（5）CWDM对传输介质要求较低

　　DWDM在运行10G以上业务的时候，需要采用G.655光纤，而CWDM对光纤没有特殊要求，G.652、G.653、G.655光纤均可采用CWDM技术，因此可以大量利用以前敷设的旧光缆。

　　（6）应用环境的比较

　　目前适合城域网的DWDM大多继承长途骨干网的特点，大多是端到端的逻辑连接，拓扑结构不灵活，不支持网状结构，不适应城域网内复杂机动的多逻辑拓扑。

长途骨干网DWDM设备的成本远低于铺设新光纤及增加光放的成本，所以经济。

但在城域网范围内，网络成本主要来源于接入端设备的成本而不是传输线路成本，所以DWDM在价格方面不具备很大的优势。

而CWDM通过降低对波长的窗口要求而实现全波长范围内（1260～1620nm）的波分复用，并大大降低光器件的成本，可实现在0～80km内较高的性能价格比。

4．CWDM存在的不足

　　CWDM是成本与性能折衷的产物，不可避免地存在一些性能上的局限。

业内专家指出，CWDM目前尚存在以下不足：

（1）CWDM在单根光纤上支持的复用波长个数较少，导致日后扩容成本较高。

（2）复用器、复用解调器等设备的成本还应进一步降低，这些设备不能只是DMDM相应设备的简单改型。

　　（3）CWDM还未形成国际标准。

5．CWDM系统的应用

　　新型城域网建设引进CWDM系统将带来许多优势。

首先，CWDM技术具有传统TDM技术无法比拟的灵活性，更适应高速数据业务的发展。

CWDM系统可以为路由器及交换机提供光纤直连接口，将数据分组直接映射至波长信道而无需TDM复用器的处理，从而降低层间协议适配的复杂度。

其次，CWDM系统能够节省光纤资源，并根据网络业务的具体发展情况实现平滑升级。

再次，CWDM系统对各种协议和速率透明，允许运营商以波长为基础提供不同的业务。

CWDM系统允许单根光纤提供不同速率的数据通道，同时兼容已经广泛应用的传统1310nm波长SDH系统。

另外，CWDM系统还提供光网络层的业务保护恢复能力。

　　CWDM技术还能应用于无源光网络PON系统。

随着未来带宽需求的增加，APON和EPON沿用的TDM方式将无法满足业务需求，PON接入系统最终将演进至WDM-PON。

现有PON系统结合采用TDM与CWDM技术是比较现实的演进策略。

CWDMPON系统可以为视频信号、数据和语音信号分配不同的波长，完成信号的单纤双向传输。

　　CWDM用很低的成本提供了很高的接入带宽，适用于点对点、以太网、SONET环等各种流行的网络结构，特别适合短距离、高带宽、接入点密集的通信应用场合，如大楼内或大楼之间的网络通信。

　　CWDM系统以其低成本、大容量、易开通、应用灵活、业务透明性和易扩展性成为一种经济实用的短距离WDM传输系统。

目前，CWDM在城域网应用中越来越受到大家的认可并已经实用化。

CWDM作为一种新兴的传输网，为城域接入网与核心网的连接提供了全新的解决方案。

利用稀疏分复用技术在城域网现有的网络基础上提高通信容量（波长带宽×N）、扩展带宽，能够有效解决光纤的资源问题。

因此，目前在行业范围内CWDM得到了广泛认可。

CWDM可应用于大都市的城域接入网，同时还可以应用于中小城市的城域核心网，且后者在我国的实际应用中应该非常有前途。

当其应用于中小城市的城域核心网时，组网方式大多采用环形网且均采用双纤双向环。

而稀疏分复用（CWDM）技术在系统成本、性能及可维护性等方面具有优势，正逐渐成为今后日益增长的城域网市场的主流技术。

六、波分复用技术在无源光网络中