粗波分复用技术及其应用

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2～3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4～5倍，目前的市场售价分别约800～1500美元和200～300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10～15W，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50～80km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1290～1610nm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：1470～1610nm。

　　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/λ４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13～19ps/nm·km。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±（2～3）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ＤＦＢ激光器温度漂移系数为Δλ／１0（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。1500～1610nm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9～10dB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。

----《中国数据通信》