wdm(wavelength division multiplexing,波分复用)介绍

WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分复用） 是利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术。每个信号经过数 据（文本、语音、视频等）调制后都在它独有的色带内传输。WDM 能使电话公司和其他 运营商的现有光纤基础设施容量大增。制造商已推出了 WDM 系统，也叫 DWDM（密集波 分复用）系统。DWDM 可以支持 150 多束不同波长的光波同时传输，每束光波最高达到 10Gb/s 的数据传输率。这种系统能在一条比头发丝还细的光缆上提供超过 1Tb/s 的数据传 输率 密集波分复用器(DWDM) 是密集波分复用(DWDM)系统中一种重要的无源光纤器件。由密集波分复用器构成的 合波和分波部分是系统的基本组成之一，它直接决定了系统的容量、复用波长稳定性、插 入损耗大小等性能参数的好坏。密集波分复用器还可以衍生为其它多种适用于 DWDM 的 重要功能器件，如波长路由器用于宽带服务和波长选址的点对点服务的全光通讯网络； 上路/ 下路器用于指定波长的上 /下路；梳状滤波器 用于多波长光源的产生和光谱 的测量；波长选择性开关不同波长信号的路由等，因此对于密集波分复用器的研究和 制作具有重要的理论意义和良好的市场前景。 密集波分复用器的核心是窄带光滤波技术。 目前常见的光通信用滤波器主要有以下几种：介质膜滤光片、光纤光栅、阵列波导光 栅、M-Z 干涉仪和 F-P 标准具等。 DWDM（密集波分复用）无疑是当今光纤应用领域的首选技术，但其昂贵的价格令不 少手头不够宽裕的运营商颇为踌躇。有没有或能以较低的成本享用波分复用技术呢？面对 这一需求，CWDM（稀疏波分复用） 应运而生。 CWDM（稀疏波分复用） 稀疏波分复用，顾名思义，是密集波分复用的近亲，它们的区别主要有二点：一、 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、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，因则大幅降低了成本，整个 CWDM 系统成本只有 DWDM 的 30。 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。尤其值得一提的是 CWDM 与 PON（无源光网络）的搭配使用。 PON 是一种廉价的，一点对多点的光纤通信方式，通过与 CWDM 相结合，每个单独波长 信道都可作为 PON 的虚拟光链路，实现中心节点与多个分布节点的宽带数据传输。 目前，有几家公司正推出与 CWDM 相关的产品。LuxN 公司出品的 widewav 系列的 CWDM 模块支持 8 个 CWDM 信道，或者支持 4 个 CWDM 信道加 16 个 DWDM 信道。时 代华纳公司已与 LuxN 公司签署长期采购协议，用包含 widewave 模块的 wavsystem DWDM 设备在纽约、俄亥俄等地部署千兆以太网。Ocular 公司推出的采用 CWDM 技术的 产品有 OSX-6000 和 OSX-1000 两个系列的交换机，其最大特色在于能为高端用户提供专 用波长信道服务的 SAN 服务。 但是，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 目前沿存在以下 4 点不足：一、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；二、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 DWDM 相应设备的简单改型；三、CWDM 不适用于城域网，城域网节 点间距离较短，运营商用在 CWDM 设备扩容上的钱完全可以用来埋设更多的光缆，得到 更好的效果；四、CWDM 还未形成标准 BWDM (Bandpass Wavelength Division Multiplexer) 带通波分复用器。 单模光纤 具备 10 micron 的芯直径，可容许单模光束传输，可减除频宽及振模色散 (Modal dispersion)的限制，但由于单模光纤芯径太小，较难控制光束传输，故 需要极为昂贵的激光作为光源体，而单模光缆的主要限制在于材料色散 (Material dispersion)，单模光缆主要利用激光才能获得高频宽，而由于 LED 会 发放大量不同频宽的光源，所以材料色散要求非常重要。 单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在 100MBPS 的以太网以 至这行的 1G 千兆网，单模光纤都可支持超过 5000m 的传输距离。 从成本角度考虑，由于光端机非常昂贵，故采用单模光纤的成本会比多模光纤 电缆的成本高。 单模光纤（SingleMode Fiber, SMF） 如图 (c)，折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有 810 m，光线以直 线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式（两个偏振 态简并） ，所以称为单模光纤，其信号畸变很小。 光纤的种类很多，分类方法也是各种各样的。 （一）按照制造光纤所用的材料分：石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、 全塑料光纤和氟化物光纤。 塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）制成的。它的特点是 制造成本低廉，相对来说芯径较大，与光源的耦合效率高，耦合进光纤的光功率大，使用 方便。但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算 机网链路、船舶内通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纤。 （二）按光在光纤中的传输模式分：单模光纤和多模光纤。 多模光纤的纤芯直径为 5062.5m，包层外直径 125m，单模光纤的纤芯直径为 8.3m，包层外直径 125m。光纤的工作波长有短波长 0.85m、长波长 1.31m 和 1.55m。光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85m 的损耗为 2.5dB/km,1.31m 的损耗 为 0.35dB/km，1.55m 的损耗为 0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，波长 1.65m 以上的 损耗趋向加大。由于 OH的吸收作用， 0.901.30m 和 1.341.52m 范围内都有损耗高 峰，这两个范围未能充分利用。80 年代起，倾向于多用单模光纤，而且先用长波长 1.31m。 多模光纤 多模光纤(Multi Mode Fiber)：中心玻璃芯较粗(50 或 62.5m)，可传多种模式的光。但其 模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如： 600MB/KM 的光纤在 2KM 时则只有 300MB 的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较 近，一般只有几公里。 单模光纤 单模光纤(Single Mode Fiber)：中心玻璃芯很细( 芯径一般为 9 或 10m)，只能传一种 模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散， 这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来又发 现在 1.31m 波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。 这就是说在 1.31m 波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31m 处 正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.31m 波长区就成了光纤通信的一个很理想的工 作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31m 常规单模光纤的主要参数 是由国际电信联盟 ITUT 在 G652 建议中确定的，因此这种光纤又称 G652 光纤。 （三）按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。 常规型：光纤生产长家将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如 1300m。 色散位移型：光纤生产厂家将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1300m 和 1550m。 我们知道单模光纤没有模式色散所以具有很高的带宽，那么如果让单模光纤工作在 1.55m 波长区，不就可以实现高带宽、低损耗传输了吗？但是实际上并不是这么简单。 常规单模光纤在 1.31m 处的色散比在 1.55m 处色散小得多。这种光纤如工作在 1.55m 波长区，虽然损耗较低，但由于色散较大，仍会给高速光通信系统造成严重影响。因此， 这种光纤仍然不是理想的传输媒介。 为了使光纤较好地工作在 1.55m 处，人们设计出一种新的光纤，叫做色散位移光纤 （DSF） 。这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从 1.31m 处移到 1.55m 附 近。这种光纤又称为 1.55m 零色散单模光纤，代号为 G653。 G653 光纤是单信道、超高速传输的极好的传输媒介。现在这种光纤已用于通信干线 网，特别是用于海缆通信类的超高速率、长中继距离的光纤通信系统中。 色散位移光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理想的传输媒介，但当它用于波分复 用多信道传输时，又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干扰。特别是在色散为 零的波长附近，干扰尤为严重。为此，人们又研制了一种非零色散位移光纤即 G655 光纤， 将光纤的零色散点移到 1.55m 工作区以外的 1.60m 以后或在 1.53m 以前，但在 1.55m 波长区内仍保持很低的色散。这种非零色散位移光纤不仅可用于现在的单信道、 超高速传输，而且还可适应于将来用波分复用来扩容，是一种既满足当前需要，又兼顾将 来发展的理想传输媒介。 还有一种单模光纤是色散平坦型单模光纤。这种光纤在 1.31m 到 1.55m 整个波段 上的色散都很平坦，接近于零。但是这种光纤的损耗难以降低，体现不出色散降低带来的 优点，所以目前尚未进入实用化阶段。 （四）按折射率分布情况分：阶跃型和渐变型光纤。 阶跃型：光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断 产生全反射而前进。这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。光纤中心 芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，所以称为阶跃型折射率多模光纤，简称 阶跃光纤，也称突变光纤。这种光纤的传输模式很多，各种模式的传输路径不一样，经传 输后到达终点的时间也不相同，因而产生时延差，使光脉冲受到展宽。所以这种光纤的模 间色散高，传输频带不宽，传输速率不能太高，用于通信不够理想，只适用于短途低速通 讯，比如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。这是研究 开发较早的一种光纤，现在已逐渐被淘汰了。 渐变型光纤：为了解决阶跃光纤存在的弊端，人们又研制、开发了渐变折射率多模光 纤，简称渐变光纤。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高次模的光按正弦 形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模 光纤多为渐变型光纤。渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一样，为均匀的。渐变光纤 的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半径方向逐渐减小。由于高次模和低次模的光线分别在不 同的折射率层界面上按折射定律产生折射，进入低折射率层中去，因此，光的行进方向与 光纤轴方向所形成的角度将逐渐变小。同样的过程不断发生，直至光在某一折射率层产生 全反射，使光改变方向，朝中心较高的折射率层行进。这时，光的行进方向与光纤轴方向 所构成的角度，在各折射率层中每折射一次，其值就增大一次，最后达到中心折射率最大 的地方。在这以后。和上述完全相同的过程不断重复进行，由此实现了光波的传输。可以 看出，光在渐变光纤中会自觉地进行调整，从而最终到达目的地，这叫做自聚焦。 （五）按光纤的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。 8 纤则是指 2m 以上的光纤 波分复用 光通信是由光来运载信号进行传输的方式。在光通信领域，人们习惯按波 长而不是按频率来命名。因此，所谓的波分复用(WDM， Wavelength Division Multiplexing)其本质上也是频分复用而已。 WDM 是在 1 根光纤上承载多个波长 (信道)系统，将 1 根光纤转换为多条“虚拟”纤，当然每条虚拟纤独立工作在不同 波长上，这样极大地提高了光纤的传输容量。由于 WDM 系统技术的经济性与 有效性，使之成为当前光纤通信网络扩容的主要手段。波分复用技术作为一种 系统概念，通常有 3 种复用方式，即 1 310 nm 和 1 550 nm 波长的波分复用、 粗波分复用(CWDM，Coarse Wavelength Division Multiplexing)和密集波分复 用(DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing)。 (1)1 310 nm 和 1 550 nm 波长的波分复用 这种复用技术在 20 世纪 70 年代初时仅用两个波长： 1 310 nm 窗口一个 波长，1 550 nm 窗口一个波长，利用 WDM 技术实现单纤双窗口传输，这是最 初的波分复用的使用情况。 (2)粗波分复用 继在骨干网及长途网络中应用后，波分复用技术也开始在城域网中得到使 用，主要指的是粗波分复用技术。CWDM 使用 1 2001 700 nm 的宽窗口，目 前主要应用波长在 1 550 nm 的系统中，当然 1 310 nm 波长的波分复用器也在 研制之中。粗波分复用(大波