粗波分复用（CWDM）技术

　　在40Gb/s VSR标准中，定义了一个使用了波分复用（WDM）技术的方案，即在1310 nm波长区的4×10 CWDM光技术 方案。CWDM是指信道之间的波长间隔较大的一种波分复用，即人们所称的粗波分复用。

　　WDM技术是一种在光域进行的多信道复用方案，即利用单模光纤低损耗区的巨大带宽，将不同波长的光信号混合 在一起进行传输。不同波长的光信号所承载的数字信号可以是相同速率，相同数据格式，也可以是不同速率，不 同数据格式。波分复用技术方案可与时分复用（TDM）和频分复用（FDM）结合使用，即将在电域已复用的TDM和 FDM复用比特流调制多个光载波，然后通过同一根光纤传输，实现多层复用。在接收端依次利用光域和电域解复用 不同的信道，从而限度地利用光纤的带宽能力。

　　目前，WDM技术在光纤通信网中已获得到了广泛的应用。单根光纤在1 310 nm和1 550 nm处有两个低损耗窗口， 分别有12 THz和15 THz的带宽。早的波分复用是对已铺设的1 310 nm光波系统，利用1 310/1 550 nmWDM技术， 在1 550 nm增加另一个信道，构成两路复用，信道间隔Δλ＝250 nm。随着技术的进步，信道间隔不断减小，复 用信道数不断增加。在20世纪80年代末，随着具有极窄线宽的可调激光器的出现，以及1550 nm窗口掺铒光纤放大 器的商用化，WDM系统的相邻信道间隔可以很窄（一般小于1.6 nm），且工作在一个窗口中，共享EDFA光放大器。 为了区别于传统的WDM系统，人们称这种波长间隔更紧密的WDM系统为密集波分复用系统（DWDM）。所谓密集，是 指相邻波长间隔而言，过去WDM系统是几十nm的波长间隔，现在的波长间隔可以只有0.4～2 nm。

　　在20世纪80年代出现的多模光纤局域网中，已经在850 nm窗口定义了间隔25 nm的光波长复用方式，只是那时被 称为“WDM”，而不是现在的CWDM。1996年，为了区分广泛使用的WDM技术，CWDM这一概念正式提出，但是缺乏统 一的标准。90年代后期，IEEE 802.3小组为了解决万兆位以太网中的色散和损耗问题，在已经铺设的多模光纤中 ，建议在850 nm窗口采用基于VCSEL的4路CWDM技术，在1 310 nm窗口也采用4路波长间隔25 nm的波分复用技术， 并将这种在1 310 nm窗口的波分复用技术称之为WWDM（WideWDM）。

　　目前，DWDM是长途干线传输的主流技术，它涉及到光放大、色散补偿、非线性效应补偿、前向纠错、光源等复 杂的技术，系统整体造价高。而CWDM技术是一种简化的WDM技术，对光源、色散补偿、非线性效应等要求相对降低 ，系统造价随之降低，适用于短距离传输，如VSR技术、局域网和城域网技术。

　　1．CWDM的技术标准

　　（1）ITU－T的CWDM建议。

　　ITU－T面向城域网，2002年制定了G.694.2标准“针对WDM应用的光谱间隔：CWDM波长间隔”。在1 270～1 610  nm范围内，建议了波长间隔20nm的18个可用波长，可以在G.652光纤上使用，如图1所示。

　　（2）IEEE的10GbE系列标准。

　　该系列主要包括850 nm窗口的10GBaseSX-4 CWDM和1 310 nm窗口的10GBaseLX－4CWDM两个标准。10GBaseLX-4 CWDM同］TU－T建议1 310 nm窗口的标准相似，只是其波长间隔为24.5 nm，即WWDM 。由于仅采用了4个波长，波长间隔较大的信道之间能够容许更大的色散，每个信道传输速率可以达到3.125 Gb/s ，传输距离超过10 km。在1 310 nm窗口建议的可选信道波长为：1 275.7 nm（1 269.0～l 282.4 nm）；1 300.2  nm（1 293.5～1 306.9 nm）；1 324.7 nm （1318.0～1 331.4 nm）： 1 349.2 nm （1 342.5～1 355.9 nm）。

图1 ITU－TG.694.2建议的CWDM波长可用范围和波长间隔

　　（3）0IF的VSR－5标准。

　　在40Gb/s的VSR5中的4×10CWDM方案中，4路传输速率为10.264 Gb/s至11.09 Gb/s的并行数据信号，分别驱动4个 波长在1 269.0 nm至1 355.9 nm的激光器。每个激光器的中心波长间隔为24.5 nm，同IEEE的标准一致。从这些激 光器发出的光经一个光复用器耦合到一根普通的单模光纤中，复用后的光信号以39.813 Gb/s至43.018 Gb/s的速 率在光纤链路上传输。

　　以上几个国际建议标准，趋向于统—采用波长间隔24.5 nm的IEEE和0IF建议。这样在1 260～1 625 nm的波长范 围内，可用波长数为17个，16个波长可以在城域网或者局域网的范围内分配给用户使用，剩余一个波长用做管理 信道。

　　2．CWDM系统的关键技术

　　（I）传输介质。

　　由于CWDM在1 260～1 625 nm的范围内采用了等间隔的波长信道，因此，推荐的传输介质是无水峰的ITU－T的G． 652C光纤。但是对于波长数量较少的情况，可以避开水峰，例如VSR5的4×CWDM方案，采用普通G.652光纤即可。

　　色散位移G.653光纤由于四波混频等非线性效应的影响，对于C波段的DWDM系统不适用。四波混频效应是影响C波段DWDM传输系统性能的主要因素，它主要与光功率密度、信道间隔和光纤的色散等 因素密切相关。光功率密度越大，信道间隔越小，光纤的非线性效应就越严重。DWDM通过增加光纤的有效传光面 积，以减小光功率密度；在工作波段保留一定量的色散，减小光纤的色散斜率，增加波长间隔等方法来减小四波 混频等非线性效应。但是对于CWDM系统，波长间隔超过20nm，并且传输距离相对较短，四波混频造成的信道串扰 影响要小得多。因此G.653光纤也是CWDM系统的可选传输介质。

　　（2）光源。

　　直接调制的无制冷分布反馈（Distributed Feedback Bragg，DFB）激光器的线宽窄，输出功率达到1mW，直接 调制速率可以达到2.5 Gb/s，在G.652光纤上传输距离能够超过80 km，是比较理想的CWDM光源。光源的线宽和波 长信道间隔直接决定了CWDM和DWDM所采用的激光器的不同。波长信道间隔决定了光源容许的由于制作工艺、温度 特性及调制电流等造成的中心波长漂移范围。在DWDM系统中，由于工作波长较为密集，一般波长间隔只有几个纳 米到零点几个纳米，因此要求用于系统使用的激光器波长必须，并具有良好的稳定性，要有与之相配套的波 长检测与稳定技术。

　　ITU－T的G.694.2建议CWDM光滤波器的保护带宽等于信道间隔的三分之一，因此对于⒛nm间隔的信道，可用光滤 波器的带宽不能超过13 nm，因此CWDM光源的中心波长漂移不超过6.5 nm即可。其温度特性较DWDM方案的要求也相 对降低，在0～70℃范围内，波长漂移可以达到±4.2 nm。

　　同DWDM技术采用的DFB光源相比，CWDM采用的无制冷DFB光源具有更大的优势，其封装体积小，可以达到0.5 cm ×0.5 cm×0.1 cm，单个封装好的激光器功耗为0.25W，电光转换效率达到0.4％。而DWDM的光源由于要求的波长 漂移小，必须进行制冷，因此其体积和功耗相对较大，经过封装后的体积是没有制冷的DFB激光器的8倍，功耗达 到5 W，电光转换效率只有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 。

　　VCSEL是CWDM系统的另一个可选方案。VCSEL谐振腔的构造方式，决定了其成本比DFB激光器更低，无须制冷，封 装简单，易于集成，特别适合二维和三维光互联。在850 nm窗口，主要采用了VCSEL激光器作为光源。在1 310 nm 窗口，随着VCSEL技术的成熟，其成本进一步降低，CWDM标准倾向于采用VCSEL。在长波长1 550 nm的窗口，同DFB 激光器相比，由于工艺水平限制，虽然阈值电流只有1～2 mA，但是其输出光功率要低一些，很难达到0dBm。DWDM 系统的多波长光源的简单结构是将不同波长的LD排列在一块晶片上的阵列化光源，但因成品率低，基片尺寸大 ，使每块晶片的收容率降低，显示不出低成本的优点。而VCSEL阵列特别适合于多波长的CWDM系统，因此随着工艺 水平的进步，在整个可用波长范围内，VCSEL是比较有竞争力的可选光源之一。

　　（3）接收器。

　　同DWDM光传输系统相比，在CWDM方案中，光电探测器的响应带宽要相对宽一些，要求能够覆盖整个的ITU CWDM方案的波长范围，由光电探测器前的光滤波器实现信道间的区分。宽带的PIN和APD 均可以作为光电探测器，PIN的价格低一些，APD则可以提供9～10 dB的增益。在接收器中对电路也要采用宽带跨 阻放大器（Trans Iinpedance Amplifiers，TIA），以提高灵敏度。典型的2.5 Gb/s光接收系统，在误码率10-10 的条件下，采用PIN/TIA，其接收灵敏度为－24 dBm，采用APD/TIA，接收灵敏度可以达到-33 dBm。

　　（4）CWDM光复用/解复用器和光分插复用（OADM）。

　　光复用器和解复用器都是WDM系统的重要组成部分，一般为无源器件。光复用器用于在传输系统的发送端，是一 种具有多个输入端口和一个输出端口的器件。光复用器的每一个输入端输入一个预选波长的光信号，输入的不同 波长的光波由同一个输出端口输出。而光解复用器的作用与光复用器正好相反，它的作用是在传输系统的接收端 将对端设各发送过来的多个波长光信道分开。用于光复用/解复用器的光滤波器器件的性能优劣对系统传输质量有 决定性的影响。它们的主要性能指标是插入损耗和串扰。通常要求光滤波器的插入损耗低且单个通道的损耗偏差 小，通道内损耗平坦，通路间的隔离度高，偏振相关性好和温度稳定性好。

　　根据ITU－T的建议，单路CWDM光滤波器的带宽应在13 nm范围内平坦，插入损耗1 dB左右，8信道复用/解复用滤 波器的插入损耗为4 dB。信道间隔离度大于30 dB。

　　目前CWDM的光滤波器通常采用光学介质薄膜技术实现，其温度漂移可以达到0.002 nm/℃，相当于在±35℃范围 内温度变化时，滤波器中心波长偏移在±0.07 nm范围内。由于要求的滤波器带宽较宽，在技术上容易实现，例如 ，20nm带宽的滤波器，大约50层的膜系就可以实现。同样采用光学介质薄膜的DWDM光滤波器由于要求带宽窄，要 达到200 GHz的带宽，需要超过100层的膜系实现，因此DWDM通常采用光纤光栅实现，造价相对较高。

　　图2 是CWDM中常用的光复用/解复用器和0ADM方案。

图2  6 采用5个节点、8个波长的CWDM方案

　　从图中可见，8路CWDM滤波器和4路OADM中采用相同的基于介质薄膜的光纤集成滤波器，波长间隔20 nm。波长1、 3、5、7分别在每一个节点下路，在双向传输系统中，波长2、4、6、8可以用做上行信道，在单向传输系统中，则 可以用做下行信道的上路信号。如果光纤的损耗为0.4 dB/km，在系统灵敏度为-33 dBm的条件下，考虑到每个 OADM的插入损耗为1 dB，则该系统端到端传输距离可以达到60 km，平均每段用户间距离为15 km，每段光纤损耗为6 dB。

　　基于OADM的CWDM的工作方式主要有两种，即双纤单向传输和单纤双向传输。在双纤单向传输方式中，一根光纤只 完成一个方向光信号的传输，反向光信号的传输则由另一根光纤来完成。因此，同一波长在两个方向上可以重复 利用。这种CWDM系统可以充分利用光纤的巨大带宽资源，可以灵活地通过增加波长来实现扩容。4×10 CWDM VSR5 系统采用的就是这种工作方式。

　　单纤双向传输是将两个方向的光信号在一根光纤中同时传输。两个方向的光信号安排在不同的波长上。这种工作 方式允许单根光纤携带全双工通路，因此，可以比单向传输节约一半光纤器件。缺点是系统需要采用特殊的方式 来减少光反射的影响，以防多径干扰。

　　（5）光放大和再生。

　　通常在短距离传输系统中，例如VSR5系统，传输距离小于2 km，一般不需要进行光放大。在城域网范围内，为了 扩大传输距离，需要进行光放大和再生，其原理和要求同WDM技术相似。可以是简单的单路幅度放大，即1R（Re－ Amplifier），如在图2中，在节点4下路后的波长7可以经过光放大后，继续在节点4上路进行传输。也可以是 3R（Re－Amplifying，Re－Shaping，Re－Timing）再生，这就需要对所有的波长进行光功率平衡，并且要求宽带 光放大器，如半导体光放大器（SOA）和拉曼光纤放大器。

　　SOA是采用与激光器相类似的工艺而制成的一种行波放大器。当偏置电流低于振荡阈值时，激光二极管就能对输 入相干光实现光放大作用。由于半导体放大器具有体积小、结构简单、功耗低、寿命长、易于同其他光器件和电 路集成、适合批量生产、成本低和可实现增益兼开关等特点，因此在全光波长变换、光交换、谱反转、时钟提取 和解复用中的应用受到了广泛的重视，特别是应变量子阱材料的半导体光放大器的研制成功，更引起了人们对SOA 的广泛研究兴趣。由于半导体光放大器覆盖了1 300～1 600 nm波段，既可用于1 300 nm窗口的光放大，也可用于 1 550 nm窗口的光放大。

　　受激拉曼散射是光纤中的一种非线性现象，它将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上。如果一 个弱信号与一个强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光就可以 得到光放大。拉曼光纤放大器就是利用光纤的这种SRS效应而制成的放大器。理论上只要有合适的泵浦光，就能够 得到任意波长光信号的放大，成功地解决了EDFA放大区域小的缺点。

　　拉曼光纤放大器的优点主要有如下几个方面：①增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具有良好的兼容性；②增 益波长由泵浦光波长决定，不受其他因素的限制；③增益高，串扰小，噪声指数低，频率范围宽，温度稳定性好 等。

　　拉曼光纤放大器可在1 292～1 660 nm光谱范围内进行光放大，这大大超过了EDFA的增益带宽。由于增益介质为 普通光纤，可制作分立式或分布式拉曼光纤放大器。分布式拉曼光纤放大器可以对信号光进行在线放大，增加光 放大的传输距离，应用于40 Gb／s的高速光网络中，也特别适用于海底光缆通信系统。

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