城域网CWDM技术相关问题的探讨

　　摘要：本文分析了城域网CWDM技术的特点及其优势，介绍了CWDM的频率栅格，并阐述了通道间隔定义的依据；同时介绍了目前CWDM技术的主要相关器件及其现状。

　　关键词；CWDM

　　一引言

　　目前骨干网的建设已经饱和，其传输容量利用率不到20％。光网络领域研究的重点逐渐由骨干网转移到了城域网。城域网主要负责分发长途骨干网上下来的信号，同时将来自网络边缘的信号汇聚到长途骨干网中。城域网在网络中所入的地位决定了其具有与长途骨干网明显不同的业务特性。城域网的业务灵活多样，其用户群较长途骨干网用户群来说要小得多，同时它又需要足够的带宽以满足业务汇聚的要求。这就根本上决定了应用于城域网的网络技术要同时兼有带宽和成本的优势。CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing，粗波分复用）技术应运而生。

　　CWDM的通道间隔为20nm，远远大于DWDM（Dense WDM，密集波分复用）的通道间隔。这样，CWDM对光源，复用器/解复用器，OADM（Optical Add/Drop Multiplexing，光上下路复用）等器件的要求大大降低。CWDM的成本只有DWDM的三分之一，同时它又具有DWDM在带宽和数据传输透明性方面的优点。CWDM在建设成本和网络性能之间找到了很好的平衡点，正在成为城域传送网最重要的解决方案。

　　二CWDM技术的技术特征和优点

　　CWDM技术和普通WDM技术，DWDM技术本质上一样，都是一种波分复用技术，不同的是CWDM的通道间隔处于普通WDM和DWDM两者之间。一般认为通道间隔小于1.6nm的为DWDM，通道间隔大于1.6nm而小于25nm的为CWDM。而普通WDM则工作在1310nm和1550nm两个波长上。

　　2.1CWDM和WDM,DWDM的技术特征的比较

　　CWDM充分认识到了城域网传输距离短的特点，不必使用长途骨干网DWDM必须使用的EDFA（掺饵光纤放大器）光纤放大器和色散补偿器件。这样CWDM不会像DWDM一样受到EDFA工作频谱范围的限制，可以充分利用整个光纤通信频谱范围。这样CWDM可以使用较宽的通道间隔，同时又具有较高的带宽能力。宽通道间隔引起了CWDM与普通WDM,DWDM的一系列技术上的区别。

　　2.2CWDM的频率栅格

　　2002年6月，ITU-T第15工作组定义了CWDM的频率栅格，即ITU-T 694.2。CWDM的工作波长为1270-1610nm，通道间隔为20nm，共18个可传送通道。

　　该标准指出CWDM定位于城域网应用，波长栅格必须保证能够使用无致冷光源。考虑目前无致冷DFB激光器的工艺水平，在0-7℃范围内光源中心波长的温漂大概为6-7nm，在激光器的芯片制造过程中中心波长大约有±3nm的误差，这样光源中心波长总的变化在12-13nm。这个量级也是当前滤波器技术可以实现的工作带宽。考虑防卫带，取通道间隔的三分之一就足够了。因此，为了充分利用频谱，通道间隔取为20nm是比较合适的，这样最多有18个可利用通道。作者认为通道间隔是波分复用技术的关键，宽通道间隔保证了低成本无致冷激光器和宽带滤波器的使用。

　　2.3CWDM的优点

　　城域网的业务特点决定了城域网的解决方案必须是低成本和高容量的结合。CWDM正是具有这种特点，它有如下优点：小尺寸，低功耗、高带宽，低成本。

　　2.3.1小尺寸

　　小尺寸主要是因为无致冷激光器的使用和复用器结构的简化。CWDM无致冷激光器的典型结构是把激光器芯片和监控二极管置于一金属管座内。然后金属管座与光纤跳线准直，构成了发射器的光学部分。相对而言，DWDM激光器另外还需要热敏电阻，帕尔贴致冷器等控制电路以保证激光器的中心波长在很小的容差范围之内。DWDM激光器尺寸大约是CWDM激光器尺寸的5倍。另外，CWDM中不存在光放大器，所以其复用器不需要通路功率均衡。这样CWDM复用器的结构简单，尺寸远远小于DWDM复用器。

　　考虑16通道系统，包括发射机，滤波器和电源等，CWDM的积架式标准机柜高度仅为1RU。而由于波长温漂控制和散热装置等额外部分，200GHz的DWDM的积架式标准机柜高度则为6RU。DWDM占用的空间是CWDM的六倍。

　　2.3.2低功耗

　　CWDM的功耗要比DWDM的功耗小得多。DWDM功耗大的根本原因在于：DWDM技术的通道间隔小，为1.6nm或0.8nm甚至0.4nm，因此激光器的中心波长必须严格的控制在很小的范围之内波动。这样DWDM激光器需要热敏电阻，帕尔贴致冷器等一系列复杂的控制电路。这些电路大大增加了激光器的功耗。仍以前面16通道为例，DWDM功耗大约为100W，CWDM仅为5W。DWDM的功耗是CWDM功耗的将近20倍。

　　2.3.3高带宽

　　CWDM器件要求的降低并没有带来其传送能力的下降。以18通道系统为例，目前单通道可以达到2.5G，这样系统就有45G的带宽能力，完全可以满足目前城域网的需求。

　　2.3.4低成本

　　低成本主要来自于无致冷光源和宽带复用器的使用。CWDM的波长漂移容差范围放宽，基于薄腊滤波片技术的复用器的对准公差要求比相应的DWDM器件宽松得多。100GHz的DWDM滤波器需要镀膜150多层，200Ghz的DWDM滤波器需要镀膜100多层，而CWDM滤波器则只需镀膜50层左右。另外由于不需要通路均衡，其结构也得到简化。CWDM复用器的成本不及DWDM复用器成本的50％。另外器件的小型化和低功耗也是CWDM成本低的一个重要方面。CWDM的建设成本大约只有DWDM的三分之一。

　　必须指出的是，CWDM具有一般WDM技术所具有的优点。其带宽颗粒丰富，可以适应从100Mb/s到2.5Gb/s范围的所有信号。同时CWDM对传送的数据格式透明，支持多种协议。另外城域网采用CWDM也符合通信网络向全光网转变的趋势。

　　三CWDM技术的主要相关器件

　　CWDM技术之所以令人关注在于它具有WDM技术所具有的优点，但同时成本低。因此，低成本贯穿于CWDM技术的各个部分。

　　3.1光纤

　　由于CWDM工作在1270nm-1610nm，覆盖了传统光纤的1380nm处的水峰，所以CWDM要开通18个通道，那么必需全波段的光纤与之相配合工作。通过特殊的生产工艺可以消除1383nm附近的水峰，从而得到可以全波段工作的全波光纤，即符合ITU-T G.652.C规范要求的光纤。对于G.625.C光纤，采用CWDM技术，在1270nm-1610nm的波长范围内以20nm的通道间隔可开通18个通道；而对于传统的标准单模光纤G.652.C光纤，由于水峰的影响，E波段5个通道不可以使用，最多只能开通13个通道。两者相比，G.625.C光纤增加了38.5％的可用带宽。

　　从CWDM的工作频段可以看出CWDM可以工作在G.652，G.653，G.654和G.652.C中任何一种光纤之上，只是可开通的通道数多少而已。所以，CWDM技术可以保护已铺设光纤的投资。

　　3.2光源

　　3.2.1直接调制无致冷DFB激光器

　　CWDM的通道间隔为20nm，通道带宽为13nm左右，这就使得采用无需温度控制的DFB激光器作为光源成为了可能。由于不存在温度控制，那么在激光器中就不需要热层，温度控制电路和帕尔贴致冷器等部分。这很大程度上减少了激光器的功耗和尺寸。同时DFB激光器采用DFB技术，这样具有窄的线宽和高的边模抑制比。它具有与直接调制DWDM激光器可比的低色散特性。目前，市场上已可获得2.5Gbit/s直接调制无致冷DFB激光器，它的输出功率可达5个毫瓦，波长随温度的漂移低于0.08nm/℃。用于千兆以太网的SFP收发器可支持120公里，速度速率1.25Gbit/s，典型链路预算可达36dB。

　　3.2.2垂直腔面发射激光器（VCSEL）

　　VCSEL光源最特别之处是产生激光的共振腔位于晶粒层之间，所以光束是从晶粒的垂直面发射，而非传统的侧面发射。VCSEL的垂直腔结构决定了它不需要“解理”等传统边发射激光器所必须的生产工序：可以象处理微电子硅片一样进行在线的晶片级测试或裸片安装；在一个晶片上可以一次性生长成千上万个VCSEL阵列。这些都大大提高了VCSEL的成品率，降低了其生产和测试成本。同时它具有快速调变功能，利于高速光纤网路传输。另外它的输出光束对称性好，易于光纤耦合。因此VCSEL的生产成本与LED相当，而性能可以与LD激光器相比。目前商用的VCSEL产品主要是应用在千兆以太网中的850nm的VCSEL光源，速度高达1G,而驱动电流只有3mA。今年三月Picolight公司在OFC上展示了1310nmSFP封装的VCSEL光源，相同数据速率下，1310nm的VCSEL光源功耗只有边发射型的1/4--1/6，而与传统的FP激光器相比，传输距离增加一倍。

　　3.3复用器/解复用器

　　3.3.1薄膜滤波片型

　　目前CWDM技术中应用的复用器主要是薄膜滤波片型。其原理同DWDM滤波器，只是所需镀膜层数更少，一般为50层左右。其结构包括双纤头，棱镜，滤波片等。多通道滤波器主要是由单个滤波器的串联而成。

　　目前商业化的8通道（1470-1610nm）薄膜滤波片型复用器的工作带宽可达13nm，相邻通道隔离度30dB以上，插损小于2.6dB，偏振相关损耗不到0.2dB，稳定性好。目前CWDM薄膜滤波片型复用器的缺点是随着通道数的增加，插入损耗增大，另外还需进一步降低其成本。

　　3.3.2熔融拉锥型

　　熔融拉锥技术就是两根相同的光纤平行靠近，对其接触部分高温熔融，然后进行拉伸成锥。两个输出端口的光功率与波长相关，从而可以用来制作复用器/解复用器。拉伸经历60个耦合周期，波长间隔就可以达20nm。熔融拉锥型复用器是全光纤型器件，具有插科损耗低和与光纤易耦合等优点，更重要的是其单通道成本远远低于薄膜滤波片型复用器的生产成本，十分适合城域网和接入网低成本的要求。不过由于偏振的影响，目前熔融拉锥型复用器的相邻通道隔离度不高，国外和台湾推出的产品的相邻通道隔离度一般为13-15dB。同时其稳定性能也不好。改善的一个办法就是熔融拉锥耦合器与马赫-曾德进干涉仪相结合，但是马赫-曾德干涉仪精度难以控制，仍然需进一步研究。另外封装也需解决。

　　3.4接收机

　　CWDM技术对于接收机的要求主要是接收机具有足够的工作带宽，能够接收各种比特速率和协议的信号。另外接收机能够响应CWDM整个工作频谱范围。接收机有两类：一种是PIN型检测器，其成本低，设计简单；另一种是APD型检测器，它则在接受灵敏度方面有9-10dB的改善。

　　四结束语

　　CWDM技术从本质上说不是新技术，但其以满足网络性能要求的前提下尽量降低成本为目标，正确分析了城域传送网的传送距离短和带宽要求高的业务特点，提出了20nm通道间隔，在网络性能和建设成本之间找到了很好的平衡点。本文分析了CWDM技术特征及其优点，指出宽通道间隔是其一系列特点和优势的依据，并分析了CWDM通道间隔定义的依据。同时本文介绍了CWDM技术无致冷激光器，VCSEL光源，复用器等相关器件及其目前进展。长波长VCSEL光源，熔融拉锥型复用器等器件以及CWDM的网络性能等仍然值得研究。

　　摘自《光纤通信新产品》