如何利用WDM波分復用技術來擴展光纖容量？

文章導讀：

如何利用WDM來擴展光纖容量？

什么是Mux合波和Demux分波？

CWDM, DWDM, OADM

了解WDM的常用波段

WDM技術：TFF和AWG

WDM-PON應用于接入網

WDM網絡拓撲在5G傳輸中的應用

網絡提供商一直面臨著如何應對不斷擴大的帶寬需求，維護隨著倍增光纖容量帶來的更多服務數(shù)量和用戶端點，WDM波分復用技術的應用是除了增加鋪設光纜之外的另外一種解決方案。對已建的光纖系統(tǒng)，WDM波分復用技術可進一步增容，實現(xiàn)多個單向信號或雙向信號的傳送而不需要對原系統(tǒng)進行大的改動，具有靈活性。在骨干網及長途網絡中廣泛應用之外，基于CWDM和FOADM（固定光分插復用器）的波分復用技術也同時在城域網開始得到應用。WDM的特點和優(yōu)勢也在CATV傳輸系統(tǒng)中表現(xiàn)出廣泛的應用前景。即將到來的5G應用促進全光網的升級，作為全光網中的關鍵部分，ROADM市場有望迎來快速增長，特別是在城域網中的應用。

使用WDM擴展光纖容量

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的技術稱之為波分復用技術（WDM）。WDM (Wavelength Division Multiplexing) 是將兩種或多種不同波長的光載波信號（攜帶著各種信息），在發(fā)送端經過合波器（Multiplexer）匯合在一起，并耦合到同一根光纖中進行傳輸，而在接收端經分波器（Demultiplexer）將各種波長的光信號分離出來，然后由光接收機進一步處理恢復為原信號。WDM波分復用系統(tǒng)主要為高速率、大容量信息的長距離傳輸提供了易于實現(xiàn)的方案，便于為通信網的傳輸擴容。

如圖，在傳統(tǒng)傳輸模式中，一根光纖只能傳輸攜帶一種信息的光載波信號，如果是要不同的業(yè)務，就需要無數(shù)根不同的、獨立的光纖來進行傳輸。但如果業(yè)務信息量多的話，就需要鋪設大量的光纖來進行傳輸，這對布線空間以及成本都是一個極大的挑戰(zhàn)。而一個WDM系統(tǒng)的應用則可以快速解決上述問題。WDM系統(tǒng)可以承載多種格式的“業(yè)務”信號，如ATM、IP等，通過復用、解復用的技術將多種業(yè)務信號通過一根光纖就可傳輸，大大的減少了光纖用量，是網絡擴充和發(fā)展中理想的擴容手段。 在引入寬帶新業(yè)務，比如CATV, HDTV, B-ISDN等，只需要增加一個附加波長即可。

Mux & Demux

MUX和DEMUX是WDM波分復用系統(tǒng)中兩個最重要的器件，可以用光學棱鏡來理解兩者的作用。

合波器MUX的主要作用是將多個信號波長合在一根光纖中傳輸。在發(fā)送端，N個光****機分別工作在N個不同波長上，這N個波長間有適當?shù)拈g隔分隔，分別記為λ1，λ2...λn。這N個光波作為載波分別被信號調制而攜帶信號。一個合波器將這些不同波長的光載波信號進行合并，耦合入單模光纖。由于不同波長的光載波信號可以看作互相獨立（不考慮光纖非線性時），從而在一根光纖中可實現(xiàn)多路光信號的復用傳輸。通過多路復用，通信運營商可以避免維護多條線路，有效地節(jié)約了運營成本。

分波器DEMUX的主要作用是將一根光纖中傳輸?shù)亩鄠€波長信號分離出來。在接收部分由一個分波器將不同波長的光載波信號分開， 由光接收機作進一步處理以恢復原信號。多路復用器(Demux)是一種對多路復用器進行反向處理的設備。

從原理上說，該器件是互易（雙向可逆）的，即只要將解復用器的輸出端和輸入端反過來使用，就是復用器。

CWDM & DWDM

WDM技術根據不同的波長模式，又可以分為WDM，CWDM， DWDM。ITU對CWDM（ITU－T G．694．2）規(guī)定的波長范圍為1271至1611 nm，但在應用中考慮到1270－1470nm波段的衰減比較大，所以通常使用1470～1610nm的波段范圍。DWDM通道間隔更加密集，使用C波段（1530 nm－1565 nm）和L波段（1570nm－1610nm）傳輸窗口。普通WDM一般采用1310和1550nm波長。

CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexer）是稀疏波分復用器，也稱粗波分復用器。CWDM具有18個不同的波長通道，每個通道的不同波長相隔20nm，使用1270 nm至1610 nm的波長。CWDM支持的信道少于DWDM，因為它緊湊且具有成本效益，因此使其成為短距離通信的理想解決方案。CWDM系統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于成本低，器件成本主要表現(xiàn)在濾波器和激光器。20nm的寬波長間隔同樣給CWDM帶來了對激光器的技術指標要求低、光復用器/解復用器的結構簡化的優(yōu)勢。結構簡化，成品率提高，故成本下降。

DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexer）是密集波分復用器。DWDM的信道間隔為1.6/0.8/0.4 nm（200GHz/100 GHz/50 GHz），遠遠小于CWDM。與CWDM相比，具有更緊密波長間隔的DWDM，可以在一個光纖上承載8~160個波長，更適于長距離傳輸。 在EDFA的幫助下，DWDM系統(tǒng)可以在數(shù)千公里的范圍內工作。

CWDM和DWDM之間的最大區(qū)別是波長間隔，這會導致可以使用的波長或信道數(shù)量。 這是“Coast”和“Dense”之間的區(qū)別。 CWDM信道每個消耗20nm的空間, DWDM使用50,100或200 GHz（約0.4， 0.8或1.6nm）的間隔， 這樣可以將更多波長復合在同一光纖上。 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?？梢猿浞掷霉饫w的巨大帶寬資源，使一根光纖的傳輸容量比單波長傳輸增加幾倍至幾十倍，極大的節(jié)約了光纖資源，降低線路建設成本。

與CWDM相比，具有更緊密波長間隔的DWDM，可以在一個光纖上承載8~160個波長，更適于長距離傳輸。 在EDFA的幫助下，DWDM系統(tǒng)可以在數(shù)千公里的范圍內工作。

OADM

OADM是光分插復用系統(tǒng)（Optical Add-Drop Multiplexer），在光域中實現(xiàn)支路信號的分插和復用，主要功能是從多波長的傳輸光路中有選擇地分出或插入一個或多個波長信道，同時不影響其它波長信道的傳輸。OADM設備是全光網絡的關鍵節(jié)點設備之一。

分插即是上路、下路

下路就是在傳輸光路中的多種波長信道中分出一個或多個波長進入到光分插復用器中，其他無關的信道直接通過光分插復用器繼續(xù)下一道業(yè)務處理。

上路就是在進入到光分插復用器的光信號中，新增加一種波長的信道，和其他的信道一起復用到光纖中。

WDM 常用波段劃分

與WDM相關的波段有：

O 波段（原始）：1260-1360 nm

E 波段（擴展）：1360-1460 nm

S 波段（短波長）：1460-1530 nm

C 波段（常規(guī)）：1530-1565 nm

L波段（長波）：1565-1625 nm

O Band：O波段是歷史上用于長距離傳輸?shù)牡谝粋€波段，信號失真最小，因為色散是最低的。因為C波段和L波段這兩個傳輸窗口的傳輸衰減損耗最小，所以DWDM系統(tǒng)中信號光通常選擇在C波段和L波段。C波段是整個波段分類里面?zhèn)鬏敁p耗最低的，通常用于長距離傳輸；為了更大容量傳輸，出現(xiàn)了C band 和 L band 的DWDM產品。除了O波段到L波段外，還有另外兩個波段，即850 nm波段和U波段（超長波段：1625-1675 nm）。 850 nm波段是多模光纖通信系統(tǒng)的主要波長，結合了VCSEL（垂直腔表面****激光器）。 U波段的激光器成本較高，所以U波段目前通常會作為監(jiān)控波段。

WDM Technology

WDM傳輸?shù)幕驹枪鈱W濾波器，可通過光纖熔融拉錐（FBT）、薄膜濾光片（TFF）、陣列波導光柵（AWG）和光學梳狀濾波器等技術實現(xiàn)。TFF和AWG是最常用的兩種WDM技術。 AWG在長距離、高信道容量DWDM應用中性價比更高，而TFF在低信道容量的CWDM城域應用中更為理想。

介質薄膜濾波器TFF-Thin Film Filter（FWDM）

薄膜濾波器（TFF）技術是在波分復用商用以來最早得到應用的波分復用技術。與其他技術相比，薄膜濾波器的主要優(yōu)點是它在小尺寸設備中應用時有極高的準確性。FWDM（Filter Wavelength Division Multiplexing）濾波片式波分復用器，是基于成熟的薄膜濾器技術。

TFF技術核心的是TFF濾光片，下面三端口WDM器件的結構可以清楚的看出TFF濾光片如何應用在WDM器件中?；赥FF的三端口WDM器件結構包括一個雙光纖準直器、一個單光纖準直器和一個TFF濾光片，TFF濾光片粘貼在雙光纖準直器的準直透鏡的端面上。

為了將所有波長解復用，需要將n個三端口器件串聯(lián)起來，組成WDM模塊，如下圖所示，其中每個三端口器件中的TFF濾光片，其透射波長不同。模塊中的不同波長經過不同數(shù)量的三端口WDM器件，因此產生不同的插入損耗。隨著端口數(shù)增加，損耗均勻性劣化。

基于三端口WDM器件的WDM模塊，其尺寸相對較大，為了滿足一些特殊應用領域超小尺寸的要求，開發(fā)了緊湊型WDM模塊，即CCWDM或CDWDM。所有TFF濾光片固定在一塊玻璃基片上，然后逐個對準和固定輸入/輸出準直器。

原理是用輸入透鏡將輸入光纖上的波長分別為λ1， λ2…λn的光信號聚焦到第一個濾波片上；波長為λ1的光信號通過第一個濾波片并經第一個輸出透鏡耦合到第一個輸出光纖中，分離出波長為λ1的光信號；其余光信號經第一個玻片反射到下一個玻片進行光信號分離；依此類推，直到分離出所有信號。波長信道之間的耦合通過走“之”字路線的淮直光線的形式實現(xiàn)。

陣列波導光柵AWG

AWG是以平面光路（PLC）技術制作的器件，其基本結構如圖所示，由輸入波導、輸入星形耦合器、陣列波導、輸出星形耦合器和輸出波導陣列五部分組成。DWDM信號從輸入波導進入輸入星形耦合器，經自由傳輸之后，被分配到陣列波導之中。這個分配過程是波長無關的，所有波長被無差別的分配到陣列波導之中。陣列波導對多光束產生相位差，各光束的相位成等差級數(shù)，這與傳統(tǒng)光柵中的情況類似。不同波長被色散展開，并聚焦在輸出星形耦合器中的不同位置。不同波長被不同的波導接收，從而實現(xiàn)對DWDM信號的并行解復用。

AWG優(yōu)于TFF的主要優(yōu)勢在于其成本不依賴于波長計數(shù)，因此對于高通道數(shù)應用而言，它們具有極高的成本效益。AWG的另一個優(yōu)點是可以靈活選擇通道號和間距。

WDM技術應用

WDM-PON應用于接入網

為滿足光纖接入網高帶寬、多業(yè)務、低成本平滑演進的需要，在接入網中引入了WDM-PON技術?；赪DM技術，可以充分利用光纖的Tbit量級的帶寬容量，大大擴增光纖承載用戶數(shù)量，且WDM疊加方案對現(xiàn)有的業(yè)務不會產生影響，能夠實現(xiàn)平滑的升級。NG-PON2是現(xiàn)有的GPON/XG-PON的演進系統(tǒng)。由于TDM-PON發(fā)展到單波長10Gbit/s速率后，再進一步提升單波長速率面臨技術和成本的雙重挑戰(zhàn)，于是在PON系統(tǒng)中引入WDM技術成為必然的選擇。

CEx WDM(Coexistence WDM)，中文名：共存波分，CEx WDM模塊的使用是保證PON網絡平滑升級，實現(xiàn)與舊網絡的共存，在提升性能、滿足新興應用需求的同時，兼顧了與現(xiàn)有PON的兼容性；它是PON技術演進過程中的產物，在特定的時期，它是一種過度性產品，隨著網絡的升級，它也會不斷變化。

WDM網絡拓撲在5G傳輸中的應用

在C-RAN大集中場景下，每個無線****通常需要12個高速光接口，為此中國移動推出了12波MWDM傳輸方案，選用的12個波長如圖所示，在6波CWDM激光芯片的基礎上，通過TEC溫控，將激射波長分別左右漂移3.5nm，獲得12個傳輸波長。中國電信則選擇了12波LWDM傳輸方案，信道間隔為800GHz，12個波長如圖所示，由于波長間隔只有4.3-4.7nm，需要TEC溫控來穩(wěn)定光源的工作波長。MWDM及LWDM傳輸方案，因TEC的引入，光模塊的功耗通常會增加0.5W左右。