波分復用器

WDM Wavelength Division Multiplexing ，波分復用器

CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing ，稀疏波分復用器，也稱粗波分復用器

DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing ，密集波分復用器

WDM是將一系列載有信息、但波長不同的光信號合成一束，沿著單根光纖傳輸；在接收端再用某種方法，將各個不同波長的光信號分開的通信技術。這種技術可以同時在一根光纖上傳輸多路信號，每一路信號都由某種特定波長的光來傳送，這就是一個波長通道。

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通道各自傳輸信息，稱為光波分復用技術，簡稱WDM。光波分復用包括頻分復用和波分復用。光頻分復用(frequency-division multiplexing, FDM)技術和光波分復用(WDM)技術無明顯區別，因為光波是電磁波的一部分，光的頻率與波長具有單一對應關係。通常也可以這樣理解，光頻分復用指光頻率的細分，光通道非常密集。光波分復用指光頻率的粗分，光倍道相隔較遠，甚至處於光纖不同窗口。

光波分復用一般應用波長分割復用器和解復用器(也稱合波/分波器)分別置於光纖兩端，實現不同光波的耦合與分離。這兩個器件的原理是相同的。光波分復用器的主要類型有熔融拉錐型，介質膜型，光柵型和平面型四種。其主要特性指標為插入損耗和隔離度。通常，由於光鏈路中使用波分復用設備后，光鏈路損耗的增加量稱為波分復用的插入損耗。當波長11,l2通過同一光纖傳送時，在與分波器中輸入端l2的功率與11輸出端光纖中混入的功率之間的差值稱為隔離度。

現在市場使用WDM技術的產品主要有CWDM和DWDM。

1、 CWDM系統原理

CWDM是一種面向城域網接入層的低成本WDM傳輸技術。從原理上講，CWDM就是利用光復用器將不同波長的光信號復用至單根光纖進行傳輸，在鏈路的接收端，藉助光解復用器將光纖中的混合信號分解為不同波長的信號，連接到相應的接收設備。其原理如圖1所示。與DWDM的主要區別在於：相對於DWDM系統中0.2nm到1.2nm的波長間隔而言，CWDM具有更寬的波長間隔，業界通行的標準波長間隔為20nm。ITU-T G.694.2規定的波長如表1所示。各波長所屬的波段如圖2所示，覆蓋了單模光纖系統的O、E、S、C、L等五個波段。

由於CWDM系統的波長間隔寬，對激光器的技術指標要求較低。由於波長間隔達到20nm，所以系統的最大波長偏移可達－6.5℃～＋6.5℃，激光器的發射波長精度可放寬到±3nm，而且在工作溫度範圍（－5℃～70℃）內，溫度變化導致的波長漂移仍然在容許範圍內，激光器無需溫度控制機制，所以激光器的結構大大簡化，成品率提高。

另外，較大的波長間隔意味著光復用器/解復用器的結構大大簡化。例如，CWDM系統的濾波器鍍膜層數可降為50層左右，而DWDM系統中的100GHz濾波器鍍膜層數約為150層，這導致成品率提高，成本下降，而且濾波器的供應商大大增加有利於競爭。CWDM濾波器的成本比DWDM濾波器的成本要少50%以上，而且隨著自動化生產技術和批量的增大會進一步降低。

2、CWDM系統的優點

CWDM的最重要的優點是設備成本低。具體情況前面已經介紹過了。除此之外，CWDM的另一個優點是可以降低網路的運營成本。由於CWDM設備體積小、功耗低、維護簡便、供電方便，可以使用220V交流電源。由於其波長數較少，所以板卡備份量小。使用8波的CWDM設備對光纖沒有特殊要求，G.652、G.653、G.655光纖均可採用，可利用現有的光纜。 CWDM系統可以顯著提高光纖的傳輸容量，提高對光纖資源的利用率。城域網的建設都面臨著一定程度的光纖資源的緊張或租賃光纖的昂貴價格。目前典型的粗波分復用系統可以提供8個光通道，按照ITU-T的G.694.2規範最多可以達到18個光通道。 CWDM的另一個優點是體積小、功耗低。CWDM系統的激光器無需半導體製冷器和溫度控制功能，所以可以明顯減小功耗，如DWDM系統每個激光器要消耗大約4W的功率，而沒有冷卻器的CWDM激光器僅消耗0.5W的功率。CWDM系統中簡化的激光器模塊使得其光收發一體化模塊的體積減小，設備結構的簡化也減小了設備的體積，節約機房空間。與傳統的TDM方式相比，CWDM具有速率和協議透明性，這使之更適應城域網高速數據業務的發展。城域網中有許多不同協議和不同的速率的業務，CWDM提供了在一根光纖上提供不同速率的、對協議透明的傳輸通道，如乙太網、ATM、POS、SDH等，而且CWDM的透明性和分插復用功能可以允許使用者直接上下某一個波長，而不用轉換原始信號的格式。也就是說，光層提供了獨立於業務層的傳送結構。CWDM具有很好的靈活性和可擴展性。對於城域業務來講，業務提供的靈活性，特別是業務提供速度和隨著業務發展進行擴展的能力非常重要。利用CWDM技術可以在1天或者幾個小時的時間內為用戶開通業務，而且可以隨著業務量的增加，可以通過插入新的OTU板進行容量的擴展。提高業務質量。在城域網中應用CWDM系統可以使光層恢復成為可能。光層恢複比電層恢復要經濟得多。考慮到光層恢復是獨立於業務和速率的，那麼原來一些自身體制無保護功能的體系（如千兆乙太網），則可以利用CWDM來進行保護。由於CWDM技術的上述優點，所以CWDM在電信、廣電、企業網、校園網等領域獲得越來越多的應用。

3、 CWDM產品存在的不足

CWDM技術的最大問題是其相對於DWDM設備的成本優勢仍不夠明顯。光收發模塊和光器件是降低成本的關鍵。但由於市場規模不大，供應商的出貨量不大，所以器件成本優勢不明顯。另外一個降低成本的方法是簡化設備功能，而這種方法導致系統的可靠性和可管理能力降低。價格不斷降低的DWDM產品也給CWDM技術很大的壓力，而且採用DWDM技術可以形成一個完整的城域DWDM網，所以可擴展性好，對CWDM的壓力比較大。目前的CWDM設備支持的光通道（波長）數目不超過8個，主要是E波段的光收發模塊製造工藝還不成熟，另外，消除了水吸收峰的G.652C光纜在現網中應用較少，所以對E波段光收發模塊的市場需求不大。更高速率和更遠傳輸距離的CWDM系統還存在很多技術問題。如10G系統的色散問題、超寬頻光放大技術等。另外，標準化進程需要加快，特別是對業務介面功能方面需要運營商的引導。

4、 CWDM的發展方向

目前制約CWDM產品發展的關鍵因素之一是光收發模塊和復用解復用器件的價格。隨著市場的發展和製造工藝的進步，進一步降低設備成本是一個重要的發展方向。開發E波段的光器件技術，使之儘快成熟。開發10G速率光通道技術，提高CWDM系統的容量和可升級性。支持各種業務介面是CWDM發展的方向。城域網接入層對多業務介面的需求是各廠商進一步開發多業務介面的動力，CWDM設備將提供FE、GE、SDH、ESCON、FC等多種業務介面。另外一個發展方向是能與MSTP或者高性能路由交換設備結合，作為MSTP設備或者高速路由器擴展線路側容量的手段。提供多層次的光層和業務層保護功能也是一個發展方向，以滿足不同客戶的需求。網路管理技術和設備安全性、可靠性等方面進一步提高，提高在市場上的競爭力。對於最新推出的G.652C光纖，由於G.652C光纜的價格是G.652B價格的兩倍，而且E波段的CWDM光收發模塊技術尚不成熟，短期內（1－2年）應用全波段CWDM設備的可能性不大，採用G.652C光纜存在投資大、短期內無效益的問題，所以G.652C光纖在城域用戶光纜網中的應用受到一定限制。

1、 DWDM系統原理概述

DWDM技術是利用單模光纖的帶寬以及低損耗的特性，採用多個波長作為載波，允許各載波通道在光纖內同時傳輸。

與通用的單通道系統相比，密集 WDM （ DWDM ）不僅極大地提高了網路系統的通信容量，充分利用了光纖的帶寬，而且它具有擴容簡單和性能可靠等諸多優點，特別是它可以直接接入多種業務更使得它的應用前景十分光明。

2、 DWDM結構分析

ＤＷＤＭ從結構上分，目前有集成系統和開放系統。集成式系統：要求接入的單光傳輸設備終端的光信號是滿足Ｇ．６９２標準的光源。開放系統，是在合波器前端及分波器的後端，加波長轉移單元ＯＴＵ，將當前通常使用的Ｇ．９５７介面波長轉換為Ｇ．６９２標準的波長光介面。這樣，開放式系統採用波長轉換技術？使任意滿足Ｇ．９５７建議要求的光信號能運用光－電－光的方法，通過波長變換之後轉換至滿足Ｇ．６９２要求的規範波長光信號，再通過波分復用，從而在ＤＷＤＭ系統上傳輸。

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。用戶初期可建１６/２０波的系統，之後根據需要再升級到３２/４０波，這樣可以節省初期投資。其升級方案原理：一種是在Ｃ波段紅帶１６波加藍帶１６波升級為３２波的方案；另一種是採用ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｒ，在Ｃ波段由２００ＧＨｚ間隔１６/３２波升級為１００ＧＨｚ間隔２０/４０波。進一步的擴容求，可提供Ｃ＋Ｌ波段的擴容方案，使系統傳輸容量進一步擴充為１６０波。

3、DWDM光通道

在ＤＷＤＭ系統中，採用獨立的１５１０ｎｍ波長（速率為２Ｍｂ/ｓ）承載光監控通道（ＯＳＣ），傳送網管、公務和監控信息，幀結構符合Ｇ．７０４，實際用於監控信息傳送的速率為１９２０ｋｂ/ｓ。０ＳＣ光監控通道是ＤＷＤＭ系統工作狀態的信息載體。在ＤＷＤＭ系統中，ＯＳＣ是一個相對獨立的子系統，傳送光通道層、光復用段層和光傳輸段層的維護和管理信息，提供公務聯絡及使用者通路，同時它還可以提供其它附加功能。ＯＳＣ主要包括的子系統功能為：ＯＳＣ通道接收和發送、時鐘恢復和再生、接收外部時鐘信號、ＯＳＣ通道故障檢測和處理及性能監測、ＣＭＩ編解碼、ＯＳＣ幀定位和組幀處理、監控信息處理。性能的監測（Ｂ１、Ｊ０、ＯＰＭ、光放監測），可由業務接入終端完成。模擬量監測功能和Ｂ１誤碼監測功能，提供不中斷業務的多路光通道性能監測（包括各通道波長、光功率、光信噪比），適時監測光傳送段和光通道性能質量，提供故障定位的有效手段。具有監測放大器的輸入光功率、輸出光功率、ＰＵＭＰ驅動電流、ＰＵＭＰ製冷電流、ＰＵＭＰ溫度和ＰＵＭＰ背向光功率的功能。具有監測多方向的波數、各通道的波長、光功率和光信噪比等性能，監測的波長精度可大於0.0５ｎｍ、光功率精度可大於0.５ｄＢｍ、信噪比精度可大於0.５ｄＢ。

⑴充分利用光纖的低損耗波段，增加光纖的傳輸容量，使一根光纖傳送信息的物理限度增加一倍至數倍。我們只是利用了光纖低損耗譜（1310nm-1550nm）極少一部分，波分復用可以充分利用單模光纖的巨大帶寬約25THz，傳輸帶寬充足。

⑵具有在同一根光纖中，傳送2個或數個非同步信號的能力，有利於數字信號和模擬信號的兼容，與數據速率和調製方式無關，在線路中間可以靈活取出或加入通道。

⑶對已建光纖系統，尤其早期鋪設的芯數不多的光纜，只要原系統有功率余量，可進一步增容，實現多個單向信號或雙向信號的傳送而不用對原系統作大改動，具有較強的靈活性。

⑷由於大量減少了光纖的使用量，大大降低了建設成本、由於光纖數量少，當出現故障時，恢復起來也迅速方便。

⑸有源光設備的共享性，對多個信號的傳送或新業務的增加降低了成本。

⑹系統中有源設備得到大幅減少，這樣就提高了系統的可靠性。，由於多路載波的光波分復用對光發射機、光接收機等設備要求較高，技術實施有一定難度，同時多纖芯光纜的應用對於傳統廣播電視傳輸業務未出現特別緊缺的局面，因而WDM的實際應用還不多。但是，隨著有線電視綜合業務的開展，對網路帶寬需求的日益增長，各類選擇性服務的實施、網路升級改造經濟費用的考慮等等，WDM的特點和優勢在CATV傳輸系統中逐漸顯現出來，表現出廣闊的應用前景，甚至將影響CATV網路的發展格局。

插入損耗

插入損耗是衡量無源光器件性能的一個重要指標，代表了器件對每通道光功率的影響。一般要求合分波器的插入損耗越低越好。

插入損耗（dB）=通道輸入光功率（dBm）-通道輸出光功率（dBm）。對於光合/分波器，每通道的插損要求大致相同，差別不能大於1 dB。

隔離度

隔離度是專門描述分波單元的參數，定義為某個波長的輸出光功率與串擾到該通道上的另一波長的光功率之比。

第一波對第二波的隔離度（dB）= P1（dBm）- P2（dBm），第二波對第一波的隔離度=P2 - P1，如果有更多波長，計算方法類推。隔離度一般要求大於25 dB。