城域粗波分复用CWDM技术浅析.doc

城域粗波分复用CWDM技术浅析上海贝尔有限公司成都光通信研发中心 陈 楠摘要：目前,密集波分复用（DWDM）技术是长途骨干网（广域网）建设的主流技术,在城域网（Metro）和接入网建设方面,DWDM高昂的系统成本极大地限制了它的应用,而粗波分复用（CWDM）技术在系统成本、性能及可维护性等方面的优势,正逐渐成为今后日益增长的城域网市场的主流技术。本文通过对CWDM技术优势的分析,探讨了CWDM在城域网建设方面的应用方案。关键词：城域网、DWDM、CWDM、宽带IP。一、 概述城域网（Metro）原是与局域网和广域网相对应的计算机网络的概念,指城域范围的计算机网络。数据通信和电信技术的发展赋予城域网新的内涵,将城域网的概念延伸到整个通信网络,泛指运营商在城市及其郊区范围内提供多种业务的所有网络。它以宽带光传输为开放平台。各类网关实现话音、数据、图像、多媒体、IP接入合各种增值业务及智能业务,并与各运营商的长途网和公用电话交换网（PSTN）互通的本地宽带综合业务网。城域网与广域网的主要区别在于城域网的业务范围不仅有话音,还有数据和图像,是全业务网络。城域网需要支持各种客户层信号,而且要能很快地提供客户层信号所需的带宽。局域网的地域限制使各行各业形成了一个个信息孤岛,广域网的带宽限制又使信息高速公路上的宽带应用大打折扣,核心问题可归结为带宽与距离的矛盾。而城域网则是解决带宽和增加网络覆盖范围的很好方法,这使得城域网成为未来最具发展潜力的网络系统。宽带城域网的建设正成为电信建设的热点。由于密集波分复用(Dense Wave Divisionmultiplexer,DWDM) 技术的巨大带宽和传输数据的透明性,人们自然希望能把DWDM作为城域网中的传输平台。在长途传输中,由于DWDM采用了EDFA（掺铒光纤放大器）将光信号直接放大,节省了大量的电中继设备,从而大大节约了成本。但由于EDFA平坦增益带宽较窄和它本身某些增益特性的限制,人们不得不采用高波长稳定度的激光器和密集波分复用器和解复用器,并且在整个线路上进行光功率均衡；此外,由于电中继传输距离加长,对激光器的色散容限和啁啾特性也提出了很高的要求。这些技术的应用又提高了系统成本。尽管这些高性能的器件和部件价格昂贵,由于广域网传输距离很长,DWDM系统中多个波长通道共用光纤和放大器,仍然可以大幅度降低成本。而在城域网由于传输距离短（一般100公里以内）,不需要使用放大器,增加一根光纤成本也不高,如果简单采用和广域网一样的DWDM设备,无疑将得不偿失。解决的方法是采用粗波分复用（Coarse WDM,CWDM）技术。二、城域网对波分复用(WDM)技术的需求首先是成本需求。众所周知,城域网的用户群相对长途网络较小,如果按照用户数量分摊成本,城域WDM技术占不到任何优势。考虑其它技术来降低用户成本,WDM技术才可能更有发展潜力。值得庆幸的是,城域网的传输距离较短,可以利用减少光纤放大器数目的办法初步降低设备成本。但这还是远远不够的,必须在系统内部找原因,减少关键部位的技术成本。其次是承载业务的灵活性需求。城域网的业务复杂多样,带宽颗粒分布几乎没有严格的规律及可预见性,对传输系统的适应性要求很强。而长途波分系统提供的波长通道一般为2.5G或10G。最后是业务的可靠性及质量保证措施需求。由于城域网中的业务特别是数据业务大都没有QoS保障,需要系统在光层全面考虑。由于城域网范围传输距离通常不超过 l00km,因而长途网必须使用的外调制器和光放大器在城域网中可以不使用。由于没有光放大器,波长数的增加和扩展也不再受光放大器频带的限制,可以容许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的光源、合波器、分波器和其他元件,使元器件特别是无源器件的成本大幅度下降,城域网系统对WDM技术的的成本需求是很低的。对于城域网,系统对单模光纤的传输衰减要求不高,也不需要使用光纤放大器。这样这可以使用1200-1700nm的宽窗口,将相邻波长间隔放宽到10或20nm同样可以构成数十路的波分复用系统。这就是粗波分复用（CWDM）系统。DWDM的收发设备要比CWDM系统的同类产品贵四、五倍,DWDM的收发设备价格高与激光器的许多因素相关。CWDM的激光器与DWDM激光器制造上的波长容差是一个非常关键的因素,DWDM激光器的波长容差的典型值为0.1nm。然而CWDM激光器的波长容差却高达23nm。另外,激光片的成品率低也增加了DWDM激光器的造价。此外,带Peltier冷却设备和热敏电阻的蝶形DWDM激光器要比无冷却的同轴CWDM激光器贵得多。CWDM系统采用的DFB激光器不需要冷却,当CWDM系统工作在0到70的温度范围内,其激光器的波长一般会有6nm的漂移。这个波长漂移再加上激光器生产过程造成的3nm波长变化,总共大约有12nm的变化。这样就要求光滤波器的通带和激光器信道间距必须足够宽。在这些系统中,在信道带宽为13nm的情况下信道间距一般为20nm。当复用的信道数为16或者更少时,在成本、功耗要求和设备尺寸方面,CWDM系统比DWDM系统更有优势。随着越来越多的城域网运营商开始寻求更合理的传输解决方案,CWDM越来越广泛地被业界所接受。CWDM最大的特点即是对波分复用设备系统要求不高。CWDM无须选择成本昂贵的密集波分解复用器和EDFA,只须采用便宜得多的多通道激光收/发器作为中继,因而成本大大下降。在地理范围不是特别大、数据业务发展不是非常快的城市,具有良好的应用价值。三、粗波分复用CWDM技术的优势在城域网中,由于传输距离短,不必使用放大器,对光纤的传输衰减值也不太敏感,采用CWDM粗波分复用技术可以降低对器件、部件的性能要求,从而大幅度降低成本。在同一根光纤中传输的不同波长之间的间距是区分DWDM和CWDM的主要参数。DWDM系统的波长间距一般为200GHz(1.6nm),100GHz(0.8nm)或50GHz(0.4nm),将来的系统中可能会有更窄的间距。在DWDM系统中,采用DFB（分布反馈）激光器作为光源,后者的温度漂移系数为0.08nm/,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。CWDM技术充分利用了城域网传输距离短的特点,不必受 EDFA放大波段的限制,而是可以在 1310-1560 nm的整个光纤传输窗口上,以比DWDM系统宽得多的波长间隔进行波分复用。由于波长间隔宽、传输距离短,CWDM无须选择价格昂贵的高波长稳定度和高色散容限的激光器,这可以大幅度降低激光器成本。此外,CWDM无须选择成本昂贵的密集波分解复用器和复用器,只须选择廉价的粗波分复用器和解复用器；无须采用比较复杂的控制技术以维护较高的系统要求；无须采用 EDFA,只须采用便宜得多的多通道激光收/发器作为中继。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。虽然价格成本比 DWDM低得多, CWDM系统也能和 DWDM一样支持多业务接口,例如可以提供 SDH接口,实现 IP/Ethernet over SDH、ATM over SDH；可以为路由器和ATM交换机提供光纤直连接口,实现 IP/Ethernet over Optical和ATM over Optical等。CWDM系统也可以通过使用 OUT（光传输单元）和 OADM（光分/插复用）,同使用标准波长的DWDM系统互连、成环或接入DWDM骨干层。此外,CWDM可以兼容在城域网中已得到广泛应用的1310nm的 SDH系统,而目前的 DWDM还做不到这点。 CWDM技术还具有应用于长途传输的潜在能力,一旦宽带的 LAMAN（拉曼）光放大器进入商用, CWDM技术就有可能进入长途传输市场。3.2 成本低在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,可以使用廉价的复用器、解复用器、插/分设备和交换机。例如,DWDM解复用的薄膜滤波器0.4nm、0.8nm的由于生产工艺复杂成品率低,价格昂贵。而20nm的滤波器生产工艺简单、成品率高,价格要便宜得多。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。DWDM系统中使用的100GHz滤波器一般大约有150层,而CWDM系统的20nm滤波器大约有50层。CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本要少50%,预计在未来的2到3年内,自动化生产的成本可望再降1/3。此外,新的滤波器和复用器/解复用器技术的采用有望进一步缩减成本。3.3 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。既使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。例如,DWDM激光器采用的冷却器及其控制电路每波长要消耗大约4W的功率。而没有冷却器的CWDM激光器仅消耗0.5W的功率。四波CWDM光传输系统大约消耗1015W的功率,然而类似的DWDM系统却要消耗高达30W的功率。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。3.4 体积小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100cm2,那么没有冷却器的CWDM激光器体积仅仅为20cm2。如今,厂家已经能够提供具有2到8个波长的商用CWDM系统,将来这些系统有望在1290nm到1610nm的频谱内扩展到16个复用波长。目前,大多数CWDM系统工作在从1470nm到1610nm的范围内,其信道间距为20nm。此外在1310nm窗口附近也在开发之中。由于到目前为止,已经安装的大部分光纤中有残留水分,使得其在1400nm波长附近的光信号衰减。这个附加损耗会限制系统在长途传输中的使用,但是对于城域网使用的CWDM系统而言,这并不是一个障碍。四、CWDM技术在城域网中的应用我国的大部分城市,包括东部发达地区的一部分城市和西部不发达地区的大部分城市,数据业务的发展在十五期间还仅仅处于起步状态或初步发展时期,很多城市城域业务量的需求不高,应用 DWDM不能体现良好的性价比。此时,用低成本的 CWDM技术对城域网进行组织就显得十分必要。CWDM系统由于和 DWDM系统一样,具有多种业务接口,因此具有很广泛的适应性。在不发达地区,可以直接应用 CWDM技术进行城域核心层和城域汇聚层组网;在比较发达地区,数据业务发展比较好、光纤资源不太紧张的城市,CWDM技术可以和路由器结合组织汇聚层网络,也可以和以太网结合组织城域接入层网络。CWDM技术充分适应了城域传输网传输距离短的特点,而且不受EDFA放大波段的限制,可以在1310nm-1560nm的整个光纤传输窗口上,以比DWDM系统宽得多的波长间隔进行波分复用。由于波长间隔宽、传输距离短,CWDM无须选择价格昂贵的高波长稳定度和高色散容限的激光器,这至少可以从三个方面大幅度降低激光器成本：1.由于使用无致冷激光器,使激光器制造和封装成本降低。2.对波长误差的放宽也便于生产更廉价的激光器。3.CWDM用的激光器可以使用和DVD激光器一样的生产和封装技术,成本低,工艺成熟简单,而今天DVD激光器正在大批量生产,这可进一步降低CWDM激光器的生产成本。此外,CWDM无须选择成本昂贵的密集波分复用器和解复用器,只需选择廉价的粗波分复用器和解复用器；无须采用比较复杂的控制技术以维护较高的系统要求；无须采用EDFA,只须采用便宜得多的多通道激光收/发器作为中继。由于器件成本和系统要求的降低,使得CWDM系统的造价比DWDM系统大幅下降。CWDM传输系统和高性能路由交换机连接起来就可以构成宽带IP城域网,也可以把CWDM传输设备直接与路由交换机相连,由路由交换机直接驱动光传输设备。路由交换机对各波长和数据流都可以进行分/插。CWDM技术是应宽带IP城域网到需求而发展起来的,将CWDM传输系统和高性能路由交换机连接起来就构成宽带IP城域网。另外一个趋势是将CWDM光传输设备和路由交换机结合在一起,这就可以由路由交换机端口直接驱动光传输设备。最简单情况,一根光纤只传输一路数据时,在裸光纤上直接运行吉位以太网（GE）。如果需要传输多路数据可采用CWDM系统,根据需要逐步增加波长通道。宽带IP城域网采用IP Over CWDM系统和NXGbE帧格式。传输采用CWDM系统,路由器采用NGbE端口较SDH端口要便宜得多。因此,IP o ve rCWDM系统的成本比IPoverDWDM 要低得多。这种系统的另外一个好处是由于采用自适应速率对光缆的性能要求不高,一些由于性能下降原来已经不能使用的旧光缆也有了使用价值。由于采用以太网帧格式,任何有局域网使用经验的人都可以租借,购买光缆来构成自己的城域网甚至广域网。IPoverCWDM宽带IP城域骨干网与100/1000Mb/s以太网接入网可以无缝连接,中间不需要格式转换,可以便宜高效率地实现100/1000M b/s接入速率的宽带IP城市域网。五、CWDM的技术标准美国的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,“SC+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。对城域网和接入网的业务提供商而言,CWDM系统的开发及其标准的制定是很及时的。随着宽带需求遍及边缘网络,低价传输系统就显得非常迫切。今天的CWDM技术正好适应了这一需求,它为城域网和接入网提供了一种可升级的体系结构。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。粗波分复用CWDM系统是一种适合宽带城域网使用的波分复用系统。这项技术正在发展中,有着良好的发展前景。我国目前正在进行宽带IP网建设,及时采用CWDM技术可以降低成本,促进发展建设。七、 结束语从纯技术角度, CWDM与 DWDM相比有明显的弱势,其传输距离以及通道数远低于 DWDM。但是市场从来就不是单单由技术推动的,成本也是一个很重要的因素。在城域网中,一方面用户需求并没有达到长途骨干网的通信容量,由于城域网对带宽的需求是有限的;另一方面城域网络服务提供商支付不起昂贵的DWDM设备费用。CWDM作为一种可选择的扩容方案,可以解决提供商的燃眉之急。粗波分复用CWDM系统是一种适合宽带城域网使用的波分复用系统。这项技术正在发展中,有着良好的发展前景。我国目前正在进行宽带IP网建设,及时采用CWDM技术可以降低成本,推动城域网建设的发展。参考文献1 肖剑.宽带城域网的组网技术分析.网络通信世界,2001,（1）2 唐雄燕. 城域宽带网的发展策略. 电信科学,2001,（1）3 王志军.城域DWDM光网络技术方案研究.邮电设计技术,2002,(5)4. Yi Chen et al. Metro Optical Networking. Bell Labs Technical Journal,1999, (1)粗波分复用技术及其应用2003-6-18潘三明 顾畹仪（北京邮电大学 北京100876）摘 要 波分复用（WDM）技术是满足传输网络带宽需求剧增的有效途径。相比密集波分复用（DWDM），粗波分复用（CWDM）具有较好的性能价格比，为城域网应用提供了一种成本低廉的高容量解决方案。本文首先概述CWDM技术的发展历史和特征，然后对CWDM系统应用的若干相关问题进行具体分析。关键词 CWDM DWDM 城域网 光纤1 引言随着信息时代的到来，全球通信业务量迅猛增长，网络业务类型日益多样化，通信网络的发展面临着前所未有的机遇和挑战。毋庸置疑，高速大容量的宽带综合业务网是现代通信网络发展的必然趋势。WDM技术的广泛应用，使困扰骨干网络发展的带宽容量问题得到解决，光通信领域研究与建设的重心逐渐转向城域网，城域光网成为建设和应用的新的增值亮点。与广域网相比较，城域网在传输距离（小于100km）和吞吐容量方面要求较低，故可大大简化光传输系统，降低了成本。而在支持的业务类型及配置的灵活性等方面， 城域网则提出了更高的要求。DWDM无疑是当今光纤应用领域的首选技术，凭借其带宽潜力和传输数据透明性等优势，在长途骨干传输市场取得巨大成功。然而，对中短距离应用而言，网络环境和市场需求截然不同。用户侧的网络成本主要取决于接入设备而非传输线路，带宽支付能力也相对较低。DWDM系统昂贵的价格令许多经济拮据的运营商颇为踌躇，能否适应城域网和接入网传输市场仍值得商榷。相比而言，CWDM技术是成本与性能折衷的产物，专为中短距离的网络应用而设计，具有较高的性能价格比，逐渐成为通信业界关注和竞争的热点。CWDM系统使用的信道间隔较宽，对波长窗口和器件的要求不严，也能够实现传输网络的扩容升级目标。随着制造过程自动化程度和模块集成度的不断提高，CWDM产品的造价预计在未来23年内将会大幅度降低。有理由相信，CWDM系统将在城域网中扮演越来越重要的角色。2 CWDM技术的特征2.1 CWDM技术背景CWDM是一种支持多协议传送的波分复用技术。CWDM系统利用复用器将不同波长承载的光信号复用至单根光纤进行传输，在链路的接收端，借助解复用器将分解后的波长送给不同的光纤，连接到相应的接收设备。CWDM信道间隔通常比DWDM宽得多， 为区别起见， 故称其为粗波分复用。20世纪80年代初，CWDM技术就已得到商用。Quante公司就曾经推出工作于多模光纤850nm波长窗口、单信道速率140Mbit/s的四波长CWDM系统。然而，在90年代中期以前，CWDM系统仍主要面向LAN应用，没有受到电信运营商的青睐，迟迟未能实现产业化应用。直到90年代末，CWDM技术才逐渐步入快速发展的阶段。IEEE 802.3高速研究组为解决10Gbit/s以太网LAN应用中的色散与损耗问题，提议采用CWDM技术提高系统总体容量。2000年，全光谱CWDM联盟（FCA）和1400nm商业利益组织成立，有力地推动了CWDM全光谱技术的发展和标准化进程。2002年5月，ITU-T第15研究组终于通过 G.694.2 CWDM波长栅格标准的建议，成为CWDM技术发展史上的里程碑。另外，第15研究组还提出G.capp标准草案，定义CWDM系统应用的物理接口的光学参数和数值。2.2 CWDM与DWDM的比较单根光纤中传输波长的信道间隔不同是CWDM和DWDM的根本区别。DWDM信道间隔通常为200GHz/1.6nm，100GHz/0.8nm或50GHz/0.4nm，将来还可能选取更小的波长间隔，工作波长范围集中在S、C和L波段。CWDM系统的常用信道间隔和通带宽度分别为20nm和13nm。G.694.2标准规定的全光谱CWDM信道共18个，波长范围覆盖O、E、S、C和L波段。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。CWDM产品的成本优势最直接体现在激光器上。考虑到信道间隔的限制，DWDM的光源需严格控制温度，以稳定发射波长，并可用温度微调波长。CWDM的光源不需要致冷器，采用同轴封装方式，采用电流调谐发射波长。这使得CWDM光源的成本大幅度下降。DWDM激光器的成本通常为CWDM激光器的45倍，目前的市场售价分别约8001500美元和200300美元左右。毫无疑问，需致冷的DWDM激光发射机的功耗远高于无致冷的CWDM激光发射机。致冷器及其控制电路使DWDM的单波长激光器要消耗大约4W的功率。然而，没有致冷器的CWDM激光器仅仅消耗0.5W的功率。对四波长传输系统来说，CWDM系统功耗约1015W，但DWDM系统却要消耗高达30W的功率。随着复用信道数量和传输速率的增加，功耗和温控等问题逐渐成为DWDM系统设计的关键问题。器件小型化是光通信设备的发展趋势，同时也是CWDM产品的固有优势。DWDM致冷激光器的尺寸约为CWDM激光器尺寸的5倍。也就意味着，CWDM产品更能节省宝贵的机架空间，减低运营开支。此外，高速DWDM往往采用外调制器，而CWDM一般采用直接调制方式。CWDM系统在多数应用环境下无需采用光放大器，即便传输距离相对较长也可选择廉价的收发器作为中继。3 CWDM系统的关键技术与模块3.1 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5080km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12901610nm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：14701610nm。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/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1319ps/nmkm。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。3.2 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（23）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系统采用的激光器温度漂移系数为0（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，无需解理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。Infineon公司在OFC2003上宣布推出1310nm VCSEL器件，并可以大量供货。15001610nm波长的VCSEL激光器芯片的研究工作已经获得重大突破。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910dB增益。3.3 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。4 CWDM系统的应用数据业务的快速增长和新型业务的不断涌现，是当前通信业的显著特点。传统城域网无法有效应对这些冲击，成为全网的带宽瓶颈。为满足用户需要以及提高市场竞争力，城域网运营商纷纷投资建设大容量多业务传输网络。宽带城域网建设的发展趋势是IP与WDM技术相结合。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。CWDM PON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。5 CWDM系统的扩容问题CWDM系统在信道数量和传输距离上明显存在缺陷。因此，CWDM系统的扩容问题格外受到运营商的关注。提高单信道传输速率可以实现CWDM系统的容量升级。目前，时分复用技术已经相当成熟，10Gbit/s产品已经投放市场应用，40Gbit/s芯片也正处于实验室研发阶段。大多数公司现在推出的商用CWDM系统最高速率为2.5Gbit/s，因此CWDM系统完全可以考虑采用TDM技术，将单信道速率提高至10Gbit/s甚至40Gbit/s。然而，信道速率的增加也将给CWDM系统带来诸如光纤设计、系统可靠性等技术难题。同样，选择适合CWDM系统应用的新型光纤也能够实现扩容目标。如前所述，ZWPF光纤扩展CWDM系统的可用波长范围，能使CWDM系统获得最大限度的频带资源。ZWPF光纤有能力支持全部18个标准的CWDM信道，比传统单模光纤的传输容量超出33%以上。随着光纤制造技术的进步，CWDM信道的可用光谱范围将来还有可能进一步拓宽。CWDM与DWDM技术尽管存在着激烈的竞争，但并非完全互斥。DWDM技术可以实现CWDM系统的在线容量升级。CWDM信道间隔20nm，通带宽度约13nm，而DWDM信道间隔通常为0.4nm、0.8nm或1.6nm。考虑到光放大器特性，1550nm的CWDM信道可以替换成若干个DWDM信道而增加有效信道数量。这种CWDM系统升级方案的投资成本低，同时适应更长距离的传输环境。6 结束语传统电信城域网不能适应数据业务的突发特性，承载多业务的带宽效率较低。因此，城域网的发展目标是建立面向宽带数据和多媒体应用的IP优化网络。各种新的城域网技术（如多业务传送平台MSTP、弹性分组环RPR、城域CWDM等）应运而生，其中以太网技术和CWDM技术共同构建新型宽带城域网是有竞争力的解决方案。技术和成本是通信网络市场的双重驱动力。随着互联网经济泡沫的破裂，全球电信运营商都面临着巨大的挑战，市场投资行为逐步趋于理性化。CWDM技术顺应通信传输市场的潮流，提供中短距离传输网络的低成本扩容解决方案，已经得到业界的广泛认同。CWDM传输网络的初期投资成本较低，具有多业务多协议支持能力，适应点到点、以太网和SDH环等各种网络结构。随着光传输设备制造商加大对CWDM技术的支持力度，以及相关器件的成本继续降低，CWDM系统在中短距离传输市场必将有着广阔的发展前景。波分复用技术的分析与展望 发布时间：2004.12.15 来源：光纤新闻网作者：张晓娜 高雪松 引 言 20年中光纤通信飞速发展，光通信网络成为现代通信网的基础平台。光纤通信系统经历了几个发展阶段，从80年代末的PDH系统，90年代中期的SDH系统，以及近来的WDM系统，光纤通信系统快速地更新换代1。双波长WDM（1310/1550nm）系统80年代在美国AT&T网中使用，速率为217Gb/s。90年代中期，WDM系统发展速度并不快，主要原因在于：（1）TDM（时分复用）技术的发展，155Mb/s-622Mb/s-2.5Gb/sTDM技术相对简单。据统计，在2.5Gb/s系统以下（含2.5Gb/s系统），系统每升级一次，每比特的传输成本下降30%左右。因此在系统升级中，人们首先想到并采用的是TDM技术。（2）波分复用器件不成熟。波分复用器/解复用器和光放大器在90年代初才开始商用化，1995年开始WDM技术发展很快，特别是基于掺铒光纤放大器EDFA的1550nm窗口密集波分复用（DWDM）系统。Ciena推出了162.5Gb/s系统，Lucent公司推出82.5Gb/s系统，目前试验室已达Tb/s速率。发展迅速的主要原因在于：（1）光电器件的迅速发展，特别是EDFA的成熟和商用化，使在光放大器（15301565nm）区域采用技术成为可能；（2）利用TDM方式已接近硅和镓砷技术的极限，TDM已无太多的潜力，且传输设备价格高；（3）已敷设G.652光纤1550nm窗口的高色散限制了TDM10Gb/s系统的传输，光纤色散的影响日益严重。从电复用转移到光复用，即从光频上用各种复用方式来提高复用速率，WDM技术是目前能够商用化最简单的光复用技术。 WDM技术原理 在模拟载波通信系统中，通常采用频分复用方法提高系统的传输容量，充分利用电缆的带宽资源，即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同，利用带通滤波器就可滤出每一个信道的信号。同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量，在接收端采用解复用器（等效于光带通滤波器）将各信号光载波分开。由于在光的频域上信号频率差别比较大，一般采用波长来定义频率上的差别，该复用方法称为波分复用2。WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一信道光波的频率（或波长）不同可以将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可实现双向传输。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从2个至几十个不等，一般商用化是8波长和16波长系统，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小，图1给出了其系统组成。 WDM本质上是光频上的频分复用（FDM）技术。从我国几十年应用的传输技术来看，走的是FDM-TDM-TDM+FDM的路线。开始的明线、同轴电缆采用的都是FDM模拟技术，即电域上的频分复用技术，每路话音的带宽为4KHz，每路话音占据传输媒质（如同轴电缆）一段带宽；PDH、SDH系统是在光纤上传输的TDM基带数字信号，每路话音速率为64kb/s；而技术是光纤上频分复用技术，16（8）2.5Gb/s的WDM系统则是光频上的FDM模拟技术和电频率上TDM数字技术的结合3。如表1所示： WDM本质上是光频上的频分复用FDM技术，每个波长通路通过频域的分割实现，如图2所示。每个波长通路占用一段光纤的带宽，与过去同轴电缆FDM技术不同的是：（1）传输媒质不同，WDM系统是光信号上的频率分割，同轴系统是电信号上的频率分割利用。（2）在每个通路上，同轴电缆系统传输的是模拟信号4KHz语音信号，而WDM系统目前每个波长通路上是数字信号SDH2.5Gb/s或更高速率的数字系统。 WDM技术的主要特点 WDM技术具有很多优势，在近几年得到快速发展。如图3所示，可利用光纤的带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍；多波长复用在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可大量节约光纤；对于早期安装的电缆，芯数较少，利用波分复用无需对原有系统作较大的改动即可进行扩容操作；由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合与分离，包括数字信号和模拟信号，以及PDH信号和SDH信号的综合与分离；波分复用通道对数据格式透明，即与信号速率及电调制方式无关。 如图4所示，一个WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号，如ATM、IP等；在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务（例如CATV、HDTV和B-ISDN等）的有利手段4，增加一个附加波长即可引入任意想要的新业务或新容量；利用WDM技术实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络；在国家骨干网的传输时，EDFA的应用可以减少长途干线系统SDH中继器的数目，从而减少成本5。 WDM技术目前存在的问题 以WDM技术为基础的具有分插复用和交叉连接功能的光传输网具有易于重构、良好的扩展性等优势，已成为未来高速传输网的发展方向，很好的解决下列技术问题有利于其实用化。 （1）WDM是一项新的技术，其行业标准制定较粗，因此不同商家的WDM产品互通性极差，特别是在上层的网络管理方面6。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。 （2）WDM系统的网络管理，特别是具有复杂上/下通路需求的WDM网络管理不是很成熟。在网络中大规模采用需要对WDM系统进行有效网络管理。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，操作系统应能及时自动发现，并找出故障原因；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。 （3）一些重要光器件的不成熟将直接限制光传输网的发展，如可调谐激光器等。通常光网络中需要采用46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很难商用化7。 WDM的发展方向 WDM技术问世时间不长，但由于具有许多显著的优点迅速得到推广应用，并向全光网络的方向发展。今后全光技术的发展表现在以下几个方面8： 可变波长激光器。到目前为止，光纤通信用的光源即半导体激光器只能发出固定波长的光波。将来会出现激光器光源的发射波长可按需要进行调谐发送，其光谱性能将更加优越，而且具有更高的输出功率、稳定性和可靠性。不仅如此，可变波长的激光器更有利于大批量生产，降低成本。 全光中继器。目前的中继器需要经过光-电-光的转换过程，即通过对电信号的处理来实现再生（整形、定时、数据再生）。电再生器体积大、耗电多、成本高。掺铒光纤放大器虽然可以用来作再生器使用，但它只是解决了系统损耗受限的难题，而无法解决色散的影响，这就对光源的光谱性能提出了极高的要求。未来的全光中继器不需要光-电-光的处理过程，可以对光信号直接进行再定时、再整形和再放大，而且与系统的工作波长、比特率、协议等无关。由于它具有光放大功能，所以解决了损耗受限的难题，又因为它可以对光脉冲波形直接进行再整形，所以也解决了色散受限方面的难题。 光交叉连接设备（OXC）。未来的OXC可以利用软件对各路光信号灵活的交叉连接。OXC对全光网络的调度、业务的集中与疏导、全光网络的保护与恢复等都将发挥作用。 光分插复用器（OADM）。目前采用的OADM只能在中间局站上、下固定波长的光信号，使用起来比较僵化。未来的OADM对上、下光信号将完全可控，通过网管系统就可以在中间局站有选择地上、下一个或几个波长的光信号，使用起来非常方便，组网（光网络）十分灵活9。 WDM的发展前景 应用WDM技术第一次把复用方式从电信号转移到光信号，在光域上用波分复用（即频率复用）的方式提高传输速率，光信号实现了直接复用和放大，并且各个波长彼此独立，对传输的数据格式透明。当前研究的热点之一是DWDM，DWDM实验室水平可达到10010Gbit/s，中继距离400km；3040Gbit/s，中继距离85km；645Gbit/s，中继距离720km。密集波分复用DWDM商用水平为320Gbit/s，即一对光纤可传送400万话路。目前商用系统的传输能力仅是单根光纤可能传输容量为数十Tbit/s的1/100。 我国开展WDM技术的研究起步比较晚，首先在长途干线上采用WDM技术进行点到点扩容，后在节点上采用OADM、OXC技术进行上/下话路。我国于1997年引进第一套8波长WDM系统，并安装在西安至武汉的干线上。1998年我国开始大规模引进82.5Gb/sWDM系统，对总长达2万多km的12条省际光缆干线进行扩容改造。同时各省内干线也相继采用WDM技术扩容，如在“南昌-九江”光缆扩容工程中，采用的就是AT&T公司的设备和双窗口WDM系统，即在G.652光纤的1310nm、1550nm两个低损耗工作窗口分别运行一个系统。这样可在不拆除1310nm窗口原有PDH设备的情况下，利用未使用的1550nm窗口，加开SDH2.5Gb/s系统。为保证我国干线网的高速率、大容量并有足够的余量确保网络安全和未来发展的需要，采用WDM技术的工作已全面展开。 WDM是一种在光域上的复用技术，形成一个光层的网络既全光网，将是光通讯的最高阶段10。 建立一个以WDM和OXC（光交叉连接）为基