CWDM標(biāo)準(zhǔn)與關(guān)鍵技術(shù)

1、CWDM1CWDM的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)CWDM是指信道之間的波長間隔較大的一種波分復(fù)用，即人們所稱的粗波分復(fù)用。CWDM（粗波分復(fù)用）技術(shù)的出現(xiàn)使運(yùn)營商找到一種低價(jià)格、高性能的傳輸解決方案，由于CWDM具有低成本、低功耗、小體積等諸多優(yōu)點(diǎn)，在城域傳送網(wǎng)已經(jīng)有了一定應(yīng)用。許多國內(nèi)外制造商也開始研發(fā)和陸續(xù)推出產(chǎn)品，ITU也在加速其標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。CWDM技術(shù)提高了光纖利用率，給運(yùn)營商和用戶以更大的靈活性。1.1ITUT的CWDM建議。ITUT面向城域網(wǎng)，2002年制定了G.694.2標(biāo)準(zhǔn)“針對WDM應(yīng)用的光譜間隔：CWDM波長間隔”。在12701610nm范圍內(nèi)，建議了波長間隔20nm的18個(gè)可用波長，可以在G

2、.652光纖上使用，如圖所示。1.2IEEE的10GbE系列標(biāo)準(zhǔn)。 圖 1 1ITUT G.694.2建議的CWDM波長可用范圍和波長間隔該系列主要包括850nm窗口的10GBaseSX-4 CWDM和1310nm窗口的10GBaseLX4CWDM兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。10GBaseLX-4 CWDM同TUT建議1310nm窗口的標(biāo)準(zhǔn)相似，只是其波長間隔為24.5nm，即WWDM。由于僅采用了4個(gè)波長，波長間隔較大的信道之間能夠容許更大的色散，每個(gè)信道傳輸速率可以達(dá)到3.125Gb/s，傳輸距離超過10km。在1310nm窗口建議的可選信道波長為：1275.7nm（1269.0l282.4nm）；1300

3、.2nm（1293.51306.9nm）；1324.7nm（1318.01331.4nm）：1349.2nm（1342.51355.9nm）。1.30IF的VSR5標(biāo)準(zhǔn)。在40Gb/s的VSR5中的4×10CWDM方案中，4路傳輸速率為10.264Gb/s至11.09Gb/s的并行數(shù)據(jù)信號，分別驅(qū)動4個(gè)波長在1269.0nm至1355.9nm的激光器。每個(gè)激光器的中心波長間隔為24.5nm，同IEEE的標(biāo)準(zhǔn)一致。從這些激光器發(fā)出的光經(jīng)一個(gè)光復(fù)用器耦合到一根普通的單模光纖中，復(fù)用后的光信號以39.813Gb/s至43.018Gb/s的速率在光纖鏈路上傳輸。以上幾個(gè)國際建議標(biāo)準(zhǔn)，趨向于統(tǒng)

4、采用波長間隔24.5nm的IEEE和0IF建議。這樣在12601625nm的波長范圍內(nèi)，可用波長數(shù)為17個(gè)，16個(gè)波長可以在城域網(wǎng)或者局域網(wǎng)的范圍內(nèi)分配給用戶使用，剩余一個(gè)波長用做管理信道。2CWDM系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)CWDM系統(tǒng)的最大的優(yōu)勢在于成本低，其主要表現(xiàn)在器件、功耗、集成度幾個(gè)方面。2.1器件成本低CWDM技術(shù)將大大降低建設(shè)和運(yùn)維成本，特別是激光器和復(fù)用器/解復(fù)用器成本。對于波長間隔小于50GHz DWDM系統(tǒng)，激光器需要采用精密的溫度控制電路來控制波長，有時(shí)需要采取波長鎖定器等來保證波長的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。光復(fù)用器（濾波器型）則需要精確的上百層多層介質(zhì)膜器件，為了防止同頻和異頻串?dāng)_，還必須采用

5、多次濾波等。而CWDM則不需要激光器制冷、波長鎖定和精確鍍膜等復(fù)雜技術(shù)，大大降低了設(shè)備成本。2.2功耗低DWDM系統(tǒng)激光器集成了Peltier致冷器，采用的溫度檢測和控制電路消耗較大的功率，每波長需要消耗4W左右，CWDM的無致冷激光器及其控制電路每波長只需要約0.5W左右。對于多波長和高速率的DWDM系統(tǒng)，單盤功耗控制是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)困難問題。采用無致冷激光器的CWDM系統(tǒng)的低功耗減少電源備用蓄電池，降低成本。2.3體積小，集成度高CWDM激光器物理尺寸上遠(yuǎn)小于DFB激光器。DWDM光發(fā)射機(jī)尺寸是CWDM光發(fā)射機(jī)的5倍左右。由于CWDM激光器結(jié)構(gòu)和簡單的控制電路，單個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)多路光收發(fā)

6、，目前商用器件已經(jīng)做到4路transceiver集成在一個(gè)尺寸僅為16cm9cm1.65cm的模塊，相當(dāng)于一路DWDM系統(tǒng)光轉(zhuǎn)發(fā)器大小。CWDM系統(tǒng)不使用光放大器，因此有可能設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)緊湊的臺式或者是盒式設(shè)備，非常方便安裝和維護(hù)。3CWDM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)3.1傳輸介質(zhì)。由于CWDM在12601625nm的范圍內(nèi)采用了等間隔的波長信道，因此，推薦的傳輸介質(zhì)是無水峰的ITUT的G.652C光纖。但是對于波長數(shù)量較少的情況，可以避開水峰，例如VSR5的4×CWDM方案，采用普通G.652光纖即可。色散位移G.653光纖由于四波混頻等非線性效應(yīng)的影響，對于C波段的DWDM系統(tǒng)不適用。四波混頻

7、效應(yīng)是影響C波段DWDM傳輸系統(tǒng)性能的主要因素，它主要與光功率密度、信道間隔和光纖的色散等因素密切相關(guān)。光功率密度越大，信道間隔越小，光纖的非線性效應(yīng)就越嚴(yán)重。DWDM通過增加光纖的有效傳光面積，以減小光功率密度；在工作波段保留一定量的色散，減小光纖的色散斜率，增加波長間隔等方法來減小四波混頻等非線性效應(yīng)。但是對于CWDM系統(tǒng)，波長間隔超過20nm，并且傳輸距離相對較短，四波混頻造成的信道串?dāng)_影響要小得多。因此G.653光纖也是CWDM系統(tǒng)的可選傳輸介質(zhì)。3.2光源。直接調(diào)制的無制冷分布反饋（Distributed Feedback Bragg，DFB）激光器的線寬窄，輸出功率達(dá)到1mW，直接

8、調(diào)制速率可以達(dá)到2.5Gb/s，在G.652光纖上傳輸距離能夠超過80km，是比較理想的CWDM光源。光源的線寬和波長信道間隔直接決定了CWDM和DWDM所采用的激光器的不同。波長信道間隔決定了光源容許的由于制作工藝、溫度特性及調(diào)制電流等造成的中心波長漂移范圍。在DWDM系統(tǒng)中，由于工作波長較為密集，一般波長間隔只有幾個(gè)納米到零點(diǎn)幾個(gè)納米，因此要求用于系統(tǒng)使用的激光器波長必須精確，并具有良好的穩(wěn)定性，要有與之相配套的波長檢測與穩(wěn)定技術(shù)。ITUT的G.694.2建議CWDM光濾波器的保護(hù)帶寬等于信道間隔的三分之一，因此對20nm間隔的信道，可用光濾波器的帶寬不能超過13nm，因此CWDM光源的中

9、心波長漂移不超過6.5nm即可。其溫度特性較DWDM方案的要求也相對降低，在070范圍內(nèi)，波長漂移可以達(dá)到±4.2nm。同DWDM技術(shù)采用的DFB光源相比，CWDM采用的無制冷DFB光源具有更大的優(yōu)勢，其封裝體積小，可以達(dá)到0.5cm×0.5cm×0.1cm，單個(gè)封裝好的激光器功耗為0.25W，電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到0.4。而DWDM的光源由于要求的波長漂移小，必須進(jìn)行制冷，因此其體積和功耗相對較大，經(jīng)過封裝后的體積是沒有制冷的DFB激光器的8倍，功耗達(dá)到5W，電光轉(zhuǎn)換效率只有0.02。因此，CWDM的激光器成本只有DWDM所采用的激光器成本的四分之一到五分之一。VCS

10、EL是CWDM系統(tǒng)的另一個(gè)可選方案。VCSEL諧振腔的構(gòu)造方式，決定了其成本比DFB激光器更低，無須制冷，封裝簡單，易于集成，特別適合二維和三維光互聯(lián)。在850nm窗口，主要采用了VCSEL激光器作為光源。在1310nm窗口，隨著VCSEL技術(shù)的成熟，其成本進(jìn)一步降低，CWDM標(biāo)準(zhǔn)傾向于采用VCSEL。在長波長1550nm的窗口，同DFB激光器相比，由于工藝水平限制，雖然閾值電流只有12mA，但是其輸出光功率要低一些，很難達(dá)到0dBm。DWDM系統(tǒng)的多波長光源的最簡單結(jié)構(gòu)是將不同波長的LD排列在一塊晶片上的陣列化光源，但因成品率低，基片尺寸大，使每塊晶片的收容率降低，顯示不出低成本的優(yōu)點(diǎn)。而V

11、CSEL陣列特別適合于多波長的CWDM系統(tǒng)，因此隨著工藝水平的進(jìn)步，在整個(gè)可用波長范圍內(nèi)，VCSEL是比較有競爭力的可選光源之一。3.3接收器。同DWDM光傳輸系統(tǒng)相比，在CWDM方案中，光電探測器的響應(yīng)帶寬要相對寬一些，要求能夠覆蓋整個(gè)的ITU CWDM方案的波長范圍，由光電探測器前的光濾波器實(shí)現(xiàn)信道間的區(qū)分。寬帶的PIN和APD均可以作為光電探測器，PIN的價(jià)格低一些，APD則可以提供910dB的增益。在接收器中對電路也要采用寬帶跨阻放大器（Trans Iinpedance Amplifiers，TIA），以提高靈敏度。典型的2.5Gb/s光接收系統(tǒng)，在誤碼率10-10的條件下，采用PIN

12、/TIA，其接收靈敏度為24dBm，采用APD/TIA，接收靈敏度可以達(dá)到-33dBm。3.4CWDM光復(fù)用/解復(fù)用器和光分插復(fù)用（OADM）。光復(fù)用器和解復(fù)用器都是WDM系統(tǒng)的重要組成部分，一般為無源器件。光復(fù)用器用于在傳輸系統(tǒng)的發(fā)送端，是一種具有多個(gè)輸入端口和一個(gè)輸出端口的器件。光復(fù)用器的每一個(gè)輸入端輸入一個(gè)預(yù)選波長的光信號，輸入的不同波長的光波由同一個(gè)輸出端口輸出。而光解復(fù)用器的作用與光復(fù)用器正好相反，它的作用是在傳輸系統(tǒng)的接收端將對端設(shè)各發(fā)送過來的多個(gè)波長光信道分開。用于光復(fù)用/解復(fù)用器的光濾波器器件的性能優(yōu)劣對系統(tǒng)傳輸質(zhì)量有決定性的影響。它們的主要性能指標(biāo)是插入損耗和串?dāng)_。通常要求光

13、濾波器的插入損耗低且單個(gè)通道的損耗偏差小，通道內(nèi)損耗平坦，通路間的隔離度高，偏振相關(guān)性好和溫度穩(wěn)定性好。根據(jù)ITUT的建議，單路CWDM光濾波器的帶寬應(yīng)在13nm范圍內(nèi)平坦，插入損耗1dB左右，8信道復(fù)用/解復(fù)用濾波器的插入損耗為4dB。信道間隔離度大于30dB。目前CWDM的光濾波器通常采用光學(xué)介質(zhì)薄膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其溫度漂移可以達(dá)到0.002nm/，相當(dāng)于在±35范圍內(nèi)溫度變化時(shí)，濾波器中心波長偏移在±0.07nm范圍內(nèi)。由于要求的濾波器帶寬較寬，在技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，例如，20nm帶寬的濾波器，大約50層的膜系就可以實(shí)現(xiàn)。同樣采用光學(xué)介質(zhì)薄膜的DWDM光濾波器由于要求帶寬窄，

14、要達(dá)到200GHz的帶寬，需要超過100層的膜系實(shí)現(xiàn)，因此DWDM通常采用光纖光柵實(shí)現(xiàn)，造價(jià)相對較高。圖 3 1是CWDM中常用的光復(fù)用/解復(fù)用器和OADM方案。 圖 3 1采用5個(gè)節(jié)點(diǎn)、8個(gè)波長的CWDM方案從圖中可見，8路CWDM濾波器和4路OADM中采用相同的基于介質(zhì)薄膜的光纖集成濾波器，波長間隔20nm。波長1、3、5、7分別在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)下路，在雙向傳輸系統(tǒng)中，波長2、4、6、8可以用做上行信道，在單向傳輸系統(tǒng)中，則可以用做下行信道的上路信號。如果光纖的損耗為0.4dB/km，在系統(tǒng)靈敏度為-33dBm的條件下，考慮到每個(gè)OADM的插入損耗為1dB，則該系統(tǒng)端到端傳輸距離可以達(dá)到60k

15、m，平均每段用戶間距離為15km，每段光纖損耗為6dB。基于OADM的CWDM的工作方式主要有兩種，即雙纖單向傳輸和單纖雙向傳輸。在雙纖單向傳輸方式中，一根光纖只完成一個(gè)方向光信號的傳輸，反向光信號的傳輸則由另一根光纖來完成。因此，同一波長在兩個(gè)方向上可以重復(fù)利用。這種CWDM系統(tǒng)可以充分利用光纖的巨大帶寬資源，可以靈活地通過增加波長來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。4×10CWDM VSR5系統(tǒng)采用的就是這種工作方式。單纖雙向傳輸是將兩個(gè)方向的光信號在一根光纖中同時(shí)傳輸。兩個(gè)方向的光信號安排在不同的波長上。這種工作方式允許單根光纖攜帶全雙工通路，因此，可以比單向傳輸節(jié)約一半光纖器件。缺點(diǎn)是系統(tǒng)需要采用特

16、殊的方式來減少光反射的影響，以防多徑干擾。3.5光放大和再生。通常在短距離傳輸系統(tǒng)中，例如VSR5系統(tǒng)，傳輸距離小于2km，一般不需要進(jìn)行光放大。在城域網(wǎng)范圍內(nèi)，為了擴(kuò)大傳輸距離，需要進(jìn)行光放大和再生，其原理和要求同WDM技術(shù)相似。可以是簡單的單路幅度放大，即1R（ReAmplifier），如在圖2中，在節(jié)點(diǎn)4下路后的波長7可以經(jīng)過一次光放大后，繼續(xù)在節(jié)點(diǎn)4上路進(jìn)行傳輸。也可以是3R（ReAmplifying，ReShaping，ReTiming）再生，這就需要對所有的波長進(jìn)行光功率平衡，并且要求寬帶光放大器，如半導(dǎo)體光放大器（SOA）和拉曼光纖放大器。SOA是采用與激光器相類似的工藝而制成的

17、一種行波放大器。當(dāng)偏置電流低于振蕩閾值時(shí)，激光二極管就能對輸入相干光實(shí)現(xiàn)光放大作用。由于半導(dǎo)體放大器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、壽命長、易于同其他光器件和電路集成、適合批量生產(chǎn)、成本低和可實(shí)現(xiàn)增益兼開關(guān)等特點(diǎn)，因此在全光波長變換、光交換、譜反轉(zhuǎn)、時(shí)鐘提取和解復(fù)用中的應(yīng)用受到了廣泛的重視，特別是應(yīng)變量子阱材料的半導(dǎo)體光放大器的研制成功，更引起了人們對SOA的廣泛研究興趣。由于半導(dǎo)體光放大器覆蓋了13001600nm波段，既可用于1300nm窗口的光放大，也可用于1550nm窗口的光放大。受激拉曼散射是光纖中的一種非線性現(xiàn)象，它將一小部分入射光功率轉(zhuǎn)移到頻率比其低的斯托克斯波上。如果一個(gè)弱信號與

18、一個(gè)強(qiáng)泵浦光波同時(shí)在光纖中傳輸，并使弱信號波長置于泵浦光的拉曼增益帶寬內(nèi)，弱信號光就可以得到光放大。拉曼光纖放大器就是利用光纖的這種SRS效應(yīng)而制成的放大器。理論上只要有合適的泵浦光，就能夠得到任意波長光信號的放大，成功地解決了EDFA放大區(qū)域小的缺點(diǎn)。拉曼光纖放大器的優(yōu)點(diǎn)主要有如下幾個(gè)方面：增益介質(zhì)為普通傳輸光纖，與光纖系統(tǒng)具有良好的兼容性；增益波長由泵浦光波長決定，不受其他因素的限制；增益高，串?dāng)_小，噪聲指數(shù)低，頻率范圍寬，溫度穩(wěn)定性好等。拉曼光纖放大器可在12921660nm光譜范圍內(nèi)進(jìn)行光放大，這大大超過了EDFA的增益帶寬。由于增益介質(zhì)為普通光纖，可制作分立式或分布式拉曼光纖放大器。

19、分布式拉曼光纖放大器可以對信號光進(jìn)行在線放大，增加光放大的傳輸距離，應(yīng)用于40Gb/s的高速光網(wǎng)絡(luò)中，也特別適用于海底光纜通信系統(tǒng)。4CWDM設(shè)備技術(shù)開發(fā)狀況CWDM由于具有器件成本低、設(shè)備體積小、功耗低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，在城域網(wǎng)、接入網(wǎng)、光纖區(qū)域存儲網(wǎng)中得到青睞。它的傳輸距離短、復(fù)用波長少的缺點(diǎn)在這些應(yīng)用環(huán)境中變得可以接受。特別是在城域網(wǎng)中，它與密集波分復(fù)用技術(shù)互相補(bǔ)充，能提供性價(jià)比很高的建網(wǎng)方案。從2001年開始，不斷有設(shè)備制造商推出CWDM設(shè)備，并在相關(guān)行業(yè)得到應(yīng)用。國外的Luminent，ONI，Sorrento，Transmode，LuxN，AFC等公司在2001年就推出CWDM產(chǎn)品

20、。Nortel、CISCO等在2002年也有產(chǎn)品推出，或在其設(shè)備中增加CWDM接口和功能。國內(nèi)烽火通訊公司的CWDM系統(tǒng)在2002、2003年已在國內(nèi)幾個(gè)地方開通了實(shí)驗(yàn)工程。下面是有代表性的幾加國內(nèi)外公司的產(chǎn)品對比。表 4 1幾個(gè)廠商的CWDM設(shè)備對比 其它可升級到16波有一個(gè)升級通道智能3R功能信號協(xié)議自動識別CWDM/DWDM公用平臺可選用DWDM保護(hù)方案信號采用SONET/SDH包封。目前已鋪設(shè)的光纖多數(shù)是常規(guī)的G.652光纖，在1385nm附件存在水吸峰。因此絕大部分CWDM設(shè)備采用從14701610nm的八個(gè)波長作為工作波長。當(dāng)然，對于采用朗訊的全波光纖(All Wave)和康寧的城

21、域光纖(MetroCore)的網(wǎng)絡(luò)，則可以使用全部波長。多數(shù)廠家的CWDM設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)19英寸的子架式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使設(shè)備具有模塊特性，可根據(jù)需要配置波長，也方便以后的升級。各廠商的設(shè)備都能提供220V交流電源或通信機(jī)房一般采用的-48V直流電源輸入，方便不同行業(yè)的客戶應(yīng)用。甚至有的廠家的設(shè)備可以在室外環(huán)境應(yīng)用。網(wǎng)管方面則采用相對較簡單的Telnet和SNMP協(xié)議。傳輸距離則是目前CWDM設(shè)備的一個(gè)弱項(xiàng)。因?yàn)椴皇褂霉夥糯笃?，?shí)際應(yīng)用傳輸距離通常不超過50km。上表中標(biāo)出的傳輸距離是各廠家宣傳的數(shù)據(jù)，實(shí)際傳輸距離與信號速率以及光纖衰耗等有關(guān)，再考慮工程余量，很難達(dá)到80km。下表是點(diǎn)到點(diǎn)CWDM系統(tǒng)的功率預(yù)算。從中可以看出其傳輸距離是有限的。當(dāng)然對于局域網(wǎng)和城域網(wǎng)的應(yīng)用而言，能適應(yīng)大多數(shù)應(yīng)用場合。表 4 2點(diǎn)到點(diǎn)CWDM系統(tǒng)的傳輸距離 備注：1.光復(fù)用器及解復(fù)用器(8路)的插損定為