如何利用WDM波分復用技術(shù)來(lái)擴展光纖容量？

文章導讀：

如何利用WDM來(lái)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(shù)：TFF和AWG

WDM-PON應用于接入網(wǎng)

WDM網(wǎng)絡(luò )拓撲在5G傳輸中的應用

網(wǎng)絡(luò )提供商一直面臨著(zhù)如何應對不斷擴大的帶寬需求，維護隨著(zhù)倍增光纖容量帶來(lái)的更多服務(wù)數量和用戶(hù)端點(diǎn)，WDM波分復用技術(shù)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，WDM波分復用技術(shù)可進(jìn)一步增容，實(shí)現多個(gè)單向信號或雙向信號的傳送而不需要對原系統進(jìn)行大的改動(dòng)，具有靈活性。在骨干網(wǎng)及長(cháng)途網(wǎng)絡(luò )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(shù)也同時(shí)在城域網(wǎng)開(kāi)始得到應用。WDM的特點(diǎn)和優(yōu)勢也在CATV傳輸系統中表現出廣泛的應用前景。即將到來(lái)的5G應用促進(jìn)全光網(wǎng)的升級，作為全光網(wǎng)中的關(guān)鍵部分，ROADM市場(chǎng)有望迎來(lái)快速增長(cháng)，特別是在城域網(wǎng)中的應用。

使用WDM擴展光纖容量

在同一根光纖中同時(shí)讓兩個(gè)或兩個(gè)以上的光波長(cháng)信號通過(guò)不同光信道各自傳輸信息的技術(shù)稱(chēng)之為波分復用技術(shù)（WDM）。WDM (Wavelength Division Multiplexing) 是將兩種或多種不同波長(cháng)的光載波信號（攜帶著(zhù)各種信息），在發(fā)送端經(jīng)過(guò)合波器（Multiplexer）匯合在一起，并耦合到同一根光纖中進(jìn)行傳輸，而在接收端經(jīng)分波器（Demultiplexer）將各種波長(cháng)的光信號分離出來(lái)，然后由光接收機進(jìn)一步處理恢復為原信號。WDM波分復用系統主要為高速率、大容量信息的長(cháng)距離傳輸提供了易于實(shí)現的方案，便于為通信網(wǎng)的傳輸擴容。

如圖，在傳統傳輸模式中，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(wù)，就需要無(wú)數根不同的、獨立的光纖來(lái)進(jìn)行傳輸。但如果業(yè)務(wù)信息量多的話(huà)，就需要鋪設大量的光纖來(lái)進(jìn)行傳輸，這對布線(xiàn)空間以及成本都是一個(gè)極大的挑戰。而一個(gè)WDM系統的應用則可以快速解決上述問(wèn)題。WDM系統可以承載多種格式的“業(yè)務(wù)”信號，如ATM、IP等，通過(guò)復用、解復用的技術(shù)將多種業(yè)務(wù)信號通過(guò)一根光纖就可傳輸，大大的減少了光纖用量，是網(wǎng)絡(luò )擴充和發(fā)展中理想的擴容手段。 在引入寬帶新業(yè)務(wù)，比如CATV, HDTV, B-ISDN等，只需要增加一個(gè)附加波長(cháng)即可。

Mux & Demux

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

合波器MUX的主要作用是將多個(gè)信號波長(cháng)合在一根光纖中傳輸。在發(fā)送端，N個(gè)光****機分別工作在N個(gè)不同波長(cháng)上，這N個(gè)波長(cháng)間有適當的間隔分隔，分別記為λ1，λ2...λn。這N個(gè)光波作為載波分別被信號調制而攜帶信號。一個(gè)合波器將這些不同波長(cháng)的光載波信號進(jìn)行合并，耦合入單模光纖。由于不同波長(cháng)的光載波信號可以看作互相獨立（不考慮光纖非線(xiàn)性時(shí)），從而在一根光纖中可實(shí)現多路光信號的復用傳輸。通過(guò)多路復用，通信運營(yíng)商可以避免維護多條線(xiàn)路，有效地節約了運營(yíng)成本。

分波器DEMUX的主要作用是將一根光纖中傳輸的多個(gè)波長(cháng)信號分離出來(lái)。在接收部分由一個(gè)分波器將不同波長(cháng)的光載波信號分開(kāi)， 由光接收機作進(jìn)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(jìn)行反向處理的設備。

從原理上說(shuō)，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(guò)來(lái)使用，就是復用器。

CWDM & DWDM

WDM技術(shù)根據不同的波長(cháng)模式，又可以分為WDM，CWDM， DWDM。ITU對CWDM（ITU－T G．694．2）規定的波長(cháng)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(cháng)。

CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexer）是稀疏波分復用器，也稱(chēng)粗波分復用器。CWDM具有18個(gè)不同的波長(cháng)通道，每個(gè)通道的不同波長(cháng)相隔20nm，使用1270 nm至1610 nm的波長(cháng)。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系統的最大優(yōu)勢在于成本低，器件成本主要表現在濾波器和激光器。20nm的寬波長(cháng)間隔同樣給CWDM帶來(lái)了對激光器的技術(shù)指標要求低、光復用器/解復用器的結構簡(jiǎn)化的優(yōu)勢。結構簡(jiǎn)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(cháng)間隔的DWDM，可以在一個(gè)光纖上承載8~160個(gè)波長(cháng)，更適于長(cháng)距離傳輸。 在EDFA的幫助下，DWDM系統可以在數千公里的范圍內工作。

CWDM和DWDM之間的最大區別是波長(cháng)間隔，這會(huì )導致可以使用的波長(cháng)或信道數量。 這是“Coast”和“Dense”之間的區別。 CWDM信道每個(gè)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(cháng)復合在同一光纖上。 目前的DWDM系統可提供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(cháng)傳輸增加幾倍至幾十倍，極大的節約了光纖資源，降低線(xiàn)路建設成本。

與CWDM相比，具有更緊密波長(cháng)間隔的DWDM，可以在一個(gè)光纖上承載8~160個(gè)波長(cháng)，更適于長(cháng)距離傳輸。 在EDFA的幫助下，DWDM系統可以在數千公里的范圍內工作。

OADM

OADM是光分插復用系統（Optical Add-Drop Multiplexer），在光域中實(shí)現支路信號的分插和復用，主要功能是從多波長(cháng)的傳輸光路中有選擇地分出或插入一個(gè)或多個(gè)波長(cháng)信道，同時(shí)不影響其它波長(cháng)信道的傳輸。OADM設備是全光網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵節點(diǎn)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(cháng)信道中分出一個(gè)或多個(gè)波長(cháng)進(jìn)入到光分插復用器中，其他無(wú)關(guān)的信道直接通過(guò)光分插復用器繼續下一道業(yè)務(wù)處理。

上路就是在進(jìn)入到光分插復用器的光信號中，新增加一種波長(cháng)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(guān)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(cháng)）：1460-1530 nm

C 波段（常規）：1530-1565 nm

L波段（長(cháng)波）：1565-1625 nm

O Band：O波段是歷史上用于長(cháng)距離傳輸的第一個(gè)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(gè)傳輸窗口的傳輸衰減損耗最小，所以DWDM系統中信號光通常選擇在C波段和L波段。C波段是整個(gè)波段分類(lèi)里面傳輸損耗最低的，通常用于長(cháng)距離傳輸；為了更大容量傳輸，出現了C band 和 L band 的DWDM產(chǎn)品。除了O波段到L波段外，還有另外兩個(gè)波段，即850 nm波段和U波段（超長(cháng)波段：1625-1675 nm）。 850 nm波段是多模光纖通信系統的主要波長(cháng)，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(huì )作為監控波段。

WDM Technology

WDM傳輸的基本元件是光學(xué)濾波器，可通過(guò)光纖熔融拉錐（FBT）、薄膜濾光片（TFF）、陣列波導光柵（AWG）和光學(xué)梳狀濾波器等技術(shù)實(shí)現。TFF和AWG是最常用的兩種WDM技術(shù)。 AWG在長(cháng)距離、高信道容量DWDM應用中性?xún)r(jià)比更高，而TFF在低信道容量的CWDM城域應用中更為理想。

介質(zhì)薄膜濾波器TFF-Thin Film Filter（FWDM）

薄膜濾波器（TFF）技術(shù)是在波分復用商用以來(lái)最早得到應用的波分復用技術(shù)。與其他技術(shù)相比，薄膜濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)是它在小尺寸設備中應用時(shí)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(shù)。

TFF技術(shù)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(gè)雙光纖準直器、一個(gè)單光纖準直器和一個(gè)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(cháng)解復用，需要將n個(gè)三端口器件串聯(lián)起來(lái)，組成WDM模塊，如下圖所示，其中每個(gè)三端口器件中的TFF濾光片，其透射波長(cháng)不同。模塊中的不同波長(cháng)經(jīng)過(guò)不同數量的三端口WDM器件，因此產(chǎn)生不同的插入損耗。隨著(zhù)端口數增加，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(mǎn)足一些特殊應用領(lǐng)域超小尺寸的要求，開(kāi)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(gè)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(cháng)分別為λ1， λ2…λn的光信號聚焦到第一個(gè)濾波片上；波長(cháng)為λ1的光信號通過(guò)第一個(gè)濾波片并經(jīng)第一個(gè)輸出透鏡耦合到第一個(gè)輸出光纖中，分離出波長(cháng)為λ1的光信號；其余光信號經(jīng)第一個(gè)玻片反射到下一個(gè)玻片進(jìn)行光信號分離；依此類(lèi)推，直到分離出所有信號。波長(cháng)信道之間的耦合通過(guò)走“之”字路線(xiàn)的淮直光線(xiàn)的形式實(shí)現。

陣列波導光柵AWG

AWG是以平面光路（PLC）技術(shù)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(jìn)入輸入星形耦合器，經(jīng)自由傳輸之后，被分配到陣列波導之中。這個(gè)分配過(guò)程是波長(cháng)無(wú)關(guān)的，所有波長(cháng)被無(wú)差別的分配到陣列波導之中。陣列波導對多光束產(chǎn)生相位差，各光束的相位成等差級數，這與傳統光柵中的情況類(lèi)似。不同波長(cháng)被色散展開(kāi)，并聚焦在輸出星形耦合器中的不同位置。不同波長(cháng)被不同的波導接收，從而實(shí)現對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(lài)于波長(cháng)計數，因此對于高通道數應用而言，它們具有極高的成本效益。AWG的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以靈活選擇通道號和間距。

WDM技術(shù)應用

WDM-PON應用于接入網(wǎng)

為滿(mǎn)足光纖接入網(wǎng)高帶寬、多業(yè)務(wù)、低成本平滑演進(jìn)的需要，在接入網(wǎng)中引入了WDM-PON技術(shù)?；赪DM技術(shù)，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(hù)數量，且WDM疊加方案對現有的業(yè)務(wù)不會(huì )產(chǎn)生影響，能夠實(shí)現平滑的升級。NG-PON2是現有的GPON/XG-PON的演進(jìn)系統。由于TDM-PON發(fā)展到單波長(cháng)10Gbit/s速率后，再進(jìn)一步提升單波長(cháng)速率面臨技術(shù)和成本的雙重挑戰，于是在PON系統中引入WDM技術(shù)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(wǎng)絡(luò )平滑升級，實(shí)現與舊網(wǎng)絡(luò )的共存，在提升性能、滿(mǎn)足新興應用需求的同時(shí)，兼顧了與現有PON的兼容性；它是PON技術(shù)演進(jìn)過(guò)程中的產(chǎn)物，在特定的時(shí)期，它是一種過(guò)度性產(chǎn)品，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的升級，它也會(huì )不斷變化。

WDM網(wǎng)絡(luò )拓撲在5G傳輸中的應用

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