如何利用WDM波分復(fù)用技術(shù)來擴(kuò)展光纖容量？

文章導(dǎo)讀：
如何利用WDM來擴(kuò)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(yīng)用于接入網(wǎng)
WDM網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1225/" target="_blank">5G傳輸中的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)提供商一直面臨著如何應(yīng)對不斷擴(kuò)大的帶寬需求，維護(hù)隨著倍增光纖容量帶來的更多服務(wù)數(shù)量和用戶端點，WDM波分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用是除了增加鋪設(shè)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(fù)用技術(shù)可進(jìn)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(jìn)行大的改動，具有靈活性。在骨干網(wǎng)及長途網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用之外，基于CWDM和FOADM（固定光分插復(fù)用器）的波分復(fù)用技術(shù)也同時在城域網(wǎng)開始得到應(yīng)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(yīng)用前景。即將到來的5G應(yīng)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市場有望迎來快速增長，特別是在城域網(wǎng)中的應(yīng)用。

使用WDM擴(kuò)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(shù)稱之為波分復(fù)用技術(shù)（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(jīng)過合波器（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）將各種波長的光信號分離出來，然后由光接收機(jī)進(jìn)一步處理恢復(fù)為原信號。WDM波分復(fù)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(wǎng)的傳輸擴(kuò)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(wù)，就需要無數(shù)根不同的、獨立的光纖來進(jìn)行傳輸。但如果業(yè)務(wù)信息量多的話，就需要鋪設(shè)大量的光纖來進(jìn)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(yīng)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(wù)”信號，如ATM、IP等，通過復(fù)用、解復(fù)用的技術(shù)將多種業(yè)務(wù)信號通過一根光纖就可傳輸，大大的減少了光纖用量，是網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充和發(fā)展中理想的擴(kuò)容手段。 在引入寬帶新業(yè)務(wù)，比如CATV, HDTV, B-ISDN等，只需要增加一個附加波長即可。

傳統(tǒng)傳輸模式 & WDM傳輸模式

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

MUX & DEMUX

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個光發(fā)射機(jī)分別工作在N個不同波長上，這N個波長間有適當(dāng)?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(diào)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(jìn)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(fù)用傳輸。通過多路復(fù)用，通信運營商可以避免維護(hù)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(jī)作進(jìn)一步處理以恢復(fù)原信號。多路復(fù)用器(Demux)是一種對多路復(fù)用器進(jìn)行反向處理的設(shè)備。

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

MUX & DEMUX

CWDM & DWDM
WDM技術(shù)根據(jù)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(yīng)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 & DWDM

CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexer）是稀疏波分復(fù)用器，也稱粗波分復(fù)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(shù)指標(biāo)要求低、光復(fù)用器/解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)簡化的優(yōu)勢。結(jié)構(gòu)簡化，成品率提高，故成本下降。

DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexer）是密集波分復(fù)用器。DWDM的信道間隔為1.6/0.8/0.4 nm（200GHz/100 GHz/50 GHz），遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(nèi)工作。

CWDM和DWDM之間的最大區(qū)別是波長間隔，這會導(dǎo)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(fù)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(kuò)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(shè)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(nèi)工作。

OADM
OADM是光分插復(fù)用系統(tǒng)（Optical Add-Drop Multiplexer），在光域中實現(xiàn)支路信號的分插和復(fù)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(shè)備是全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點設(shè)備之一。

OADM

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(jìn)入到光分插復(fù)用器中，其他無關(guān)的信道直接通過光分插復(fù)用器繼續(xù)下一道業(yè)務(wù)處理。
上路就是在進(jìn)入到光分插復(fù)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(fù)用到光纖中。

分插即是上路、下路

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(kuò)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

WDM 常用波段劃分

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(chǎn)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(jié)合了VCSEL（垂直腔表面發(fā)射激光器）。 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波分復(fù)用技術(shù)
WDM傳輸?shù)幕驹枪鈱W(xué)濾波器，可通過光纖熔融拉錐（FBT）、薄膜濾光片（TFF）、陣列波導(dǎo)光柵（AWG）和光學(xué)梳狀濾波器等技術(shù)實現(xiàn)。TFF和AWG是最常用的兩種WDM技術(shù)。 AWG在長距離、高信道容量DWDM應(yīng)用中性價比更高，而TFF在低信道容量的CWDM城域應(yīng)用中更為理想。

WDM波分復(fù)用技術(shù)

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(fù)用商用以來最早得到應(yīng)用的波分復(fù)用技術(shù)。與其他技術(shù)相比，薄膜濾波器的主要優(yōu)點是它在小尺寸設(shè)備中應(yīng)用時有極高的準(zhǔn)確性。FWDM（Filter Wavelength Division Multiplexing）濾波片式波分復(fù)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(jié)構(gòu)可以清楚的看出TFF濾光片如何應(yīng)用在WDM器件中?；赥FF的三端口WDM器件結(jié)構(gòu)包括一個雙光纖準(zhǔn)直器、一個單光纖準(zhǔn)直器和一個TFF濾光片，TFF濾光片粘貼在雙光纖準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直透鏡的端面上。

基于TFF的三端口WDM器件結(jié)構(gòu)

為了將所有波長解復(fù)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(jīng)過不同數(shù)量的三端口WDM器件，因此產(chǎn)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模塊結(jié)構(gòu)

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(yīng)用領(lǐng)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(zhǔn)和固定輸入/輸出準(zhǔn)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(jīng)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(jīng)第一個玻片反射到下一個玻片進(jìn)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)。

CCWDM

陣列波導(dǎo)光柵AWG
AWG是以平面光路（PLC）技術(shù)制作的器件，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示，由輸入波導(dǎo)、輸入星形耦合器、陣列波導(dǎo)、輸出星形耦合器和輸出波導(dǎo)陣列五部分組成。DWDM信號從輸入波導(dǎo)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(dǎo)之中。這個分配過程是波長無關(guān)的，所有波長被無差別的分配到陣列波導(dǎo)之中。陣列波導(dǎo)對多光束產(chǎn)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(dǎo)接收，從而實現(xiàn)對DWDM信號的并行解復(fù)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(yīng)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。

陣列波導(dǎo)光柵AWG

陣列波導(dǎo)光柵AWG

WDM技術(shù)應(yīng)用

WDM應(yīng)用場景圖

WDM-PON應(yīng)用于接入網(wǎng)

WDM-PON應(yīng)用于接入網(wǎng)

為滿足光纖接入網(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(kuò)增光纖承載用戶數(shù)量，且WDM疊加方案對現(xiàn)有的業(yè)務(wù)不會產(chǎn)生影響，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑的升級。NG-PON2是現(xiàn)有的GPON/XG-PON的演進(jìn)系統(tǒng)。由于TDM-PON發(fā)展到單波長10Gbit/s速率后，再進(jìn)一步提升單波長速率面臨技術(shù)和成本的雙重挑戰(zhàn)，于是在PON系統(tǒng)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，實現(xiàn)與舊網(wǎng)絡(luò)的共存，在提升性能、滿足新興應(yīng)用需求的同時，兼顧了與現(xiàn)有PON的兼容性；它是PON技術(shù)演進(jìn)過程中的產(chǎn)物，在特定的時期，它是一種過度性產(chǎn)品，隨著網(wǎng)絡(luò)的升級，它也會不斷變化。

CEx WDM

支持N-CEx多種組合，節(jié)省空間。

N-CEx

WDM網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓?G傳輸中的應(yīng)用

半有源波分解決方案

在C-RAN大集中場景下，每個無線基站通常需要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個波長如表2，在6波CWDM激光芯片的基礎(chǔ)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個波長如表3，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。

MWDM, LWDM

審核編輯黃宇