CWDM

技术标准

　　（1）ITU－T的CWDM建议。

系统优点

　　CWDM 系统的的优势在于成本低，其主要表现在器件、功耗、集成度几个方面。

　　1.1器件成本低

　　CWDM技术将大大降低建设和运维成本，特别是激光器和复用器/解复用器成本。对于波长间隔小于50GHz DWDM系统，激光器需要采用精密的温度控制电路来控制波长，有时需要采取波长锁定器等来保证波长的准确性和稳定性。光复用器（滤波器型）则需要精确的上百层多层介质膜器件，为了防止同频和异频串扰，还必须采用多次滤波等。而CWDM 则不需要激光器制冷、波长锁定和精确镀膜等复杂技术，大大降低了设备成本。

　　1.2 功耗低

　　DWDM系统激光器集成了Peltier致冷器，采用的温度检测和控制电路消耗较大的功率，每波长需要消耗4W左右，CWDM的无致冷激光器及其控制电路每波长只需要约0.5W左右。对于多波长和高速率的DWDM系统，单盘功耗控制是系统设计中的一个困难问题。采用无致冷激光器的CWDM系统的低功耗减少电源备用蓄电池，降低成本。

　　1.3体积小，集成度高

　　CWDM激光器物理尺寸上远小于DFB激光器。DWDM光发射机尺寸是CWDM光发射机的5倍左右。由于CWDM激光器结构和简单的控制电路，单个模块可以实现多路光收发，目前商用器件已经做到4路transceiver集成在一个尺寸仅为16cm′9cm′1.65cm的模块，相当于一路DWDM系统光转发器大小。CWDM系统不使用光放大器，因此有可能设计成结构紧凑的台式或者是盒式设备，非常方便安装和维护。

系统的关键技术

　　（1）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精确，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最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 是CWDM中常用的光复用/解复用器和0ADM方案。

　　图  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可以经过一次光放大后，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。

设备技术开发状况

　　CWDM由于具有器件成本低、设备体积小、功耗低、可靠性高的优点，在城域网、接入网、光纤区域存储网中得到青睐。它的传输距离短、复用波长少的缺点在这些应用环境中变得可以接受。特别是在城域网中，它与密集波分复用技术互相补充，能提供性价比很高的建网方案。从2001年开始，不断有设备制造商推出CWDM设备，并在相关行业得到应用。国外的Luminent，ONI , Sorrento，Transmode, LuxN，AFC等公司在2001年就推出CWDM产品。Nortel、CISCO等在2002年也有产品推出，或在其设备中增加CWDM接口和功能。国内烽火通讯公司的CWDM系统在2002、2003年已在国内几个地方开通了实验工程。下面是有代表性的几加国内外公司的产品对比。

　　表1 几个厂商的CWDM设备对比

　　其它 可升级到16波 有一个升级通道智能3R功能信号协议自动识别 CWDM/DWDM公用平台可选用DWDM保护方案 信号采用SONET/SDH包封。

　　目前已铺设的光纤多数是常规的G.652光纤，在1385nm附件存在水吸峰。因此绝大部分CWDM设备采用从1470～1610nm的八个波长作为工作波长。当然，对于采用朗讯的全波光纤(All Wave)和康宁的城域光纤(MetroCore)的网络，则可以使用全部波长。多数厂家的CWDM设备采用标准19英寸的子架式结构，这种结构使设备具有模块特性，可根据需要配置波长，也方便以后的升级。各厂商的设备都能提供220V交流电源或通信机房一般采用的-48V直流电源输入，方便不同行业的客户应用。甚至有的厂家的设备可以在室外环境应用。网管方面则采用相对较简单的Telnet和SNMP协议。传输距离则是目前CWDM设备的一个弱项。因为不使用光放大器，实际应用传输距离通常不超过50km。上表中标出的传输距离是各厂家宣传的数据，实际传输距离与信号速率以及光纤衰耗等有关，再考虑工程余量，很难达到80km。下表是点到点CWDM系统的功率预算。从中可以看出其传输距离是有限的。当然对于局域网和城域网的应用而言，能适应大多数应用场合。

　　表2 点到点CWDM系统的传输距离

　　备注：

　　1 ) 光复用器及解复用器(8路)的插损定为(带连接头)3.3dB。

　　2 ) 线路衰耗考虑为0.3dB/km，蓝色斜体为线路衰耗考虑为0.275dB/km。

　　CWDM设备的发展趋势是小型化、低成本。垂直腔面发射激光器(VCSEL)成本低廉，在850nm的产品已经比较成熟，在1300nm和1550nm的VCSEL技术也正在取得进展。一旦VCSEL技术的CWDM激光器取得突破，将会使设备成本进一步降低。小封装、热插拔、具有数字诊断功能的CWDM光模块正在成为CWDM设备的主流接口。10Gbps速率的小封装光模块正在成熟，下一步将向CWDM应用发展，从而将CWDM系统的容量大大提高。价格低廉的薄膜滤波器是CWDM设备的主流器件，体积不断向小型化发展。同时，CWDM系统也在向长距离发展。2002年9月12日，开发线性光放大器(LOA)的Genoa公司在ECOC上同Finisar, OFS以及瑞典设备厂商Transmode一起展示了世界160公里无中继4通道CWDM系统。此次展览，OFS提供全波光纤，Finisar提供光模块，Genoa则提供了针对CWDM系统应用的放大器。Genoa的线性放大器在1500nm到1610nm范围内增益大于10dB，适合CWDM系统应用。在OFC2003上，日本Sumitomo公司报道了采用分布式喇曼放大技术的CWDM光放，净增益为10dB，增益带宽可达140nm，覆盖从1470nm～1610nm的8个常用CWDM波段。OFS公司报道了在全波光纤上传输16×2.5Gb/s信号的CWDM系统实验，其中1410nm的波长采用SOA,1510nm～1610nm的四个波长采用Genoa公司的LOA，传输距离可达125km[3,4]。