如何利用WDM波分复用技术来扩展光纤容量？

文章导读：
如何利用WDM来扩展光纤容量？
什么是Mux合波和Demux分波？
CWDM, DWDM, OADM
了解WDM的常用波段
WDM技术：TFF和AWG
WDM-PON应用于接入网
WDM网络拓扑在5G传输中的应用

网络提供商一直面临着如何应对不断扩大的带宽需求，维护随着倍增光纤容量带来的更多服务数量和用户端点，WDM波分复用技术的应用是除了增加铺设光缆之外的另外一种解决方案。对已建的光纤系统，WDM波分复用技术可进一步增容，实现多个单向信号或双向信号的传送而不需要对原系统进行大的改动，具有灵活性。在骨干网及长途网络中广泛应用之外，基于CWDM和FOADM（固定光分插复用器）的波分复用技术也同时在城域网开始得到应用。WDM的特点和优势也在CATV传输系统中表现出广泛的应用前景。即将到来的5G应用促进全光网的升级，作为全光网中的关键部分，ROADM市场有望迎来快速增长，特别是在城域网中的应用。

使用WDM扩展光纤容量
在同一根光纤中同时让两个或两个以上的光波长信号通过不同光信道各自传输信息的技术称之为波分复用技术（WDM）。WDM (Wavelength Division Multiplexing) 是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带着各种信息），在发送端经过合波器（Multiplexer）汇合在一起，并耦合到同一根光纤中进行传输，而在接收端经分波器（Demultiplexer）将各种波长的光信号分离出来，然后由光接收机进一步处理恢复为原信号。WDM波分复用系统主要为高速率、大容量信息的长距离传输提供了易于实现的方案，便于为通信网的传输扩容。

如图，在传统传输模式中，一根光纤只能传输携带一种信息的光载波信号，如果是要不同的业务，就需要无数根不同的、独立的光纤来进行传输。但如果业务信息量多的话，就需要铺设大量的光纤来进行传输，这对布线空间以及成本都是一个极大的挑战。而一个WDM系统的应用则可以快速解决上述问题。WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号，如ATM、IP等，通过复用、解复用的技术将多种业务信号通过一根光纤就可传输，大大的减少了光纤用量，是网络扩充和发展中理想的扩容手段。在引入宽带新业务，比如CATV, HDTV, B-ISDN等，只需要增加一个附加波长即可。
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Mux & Demux
MUX和DEMUX是WDM波分复用系统中两个最重要的器件，可以用光学棱镜来理解两者的作用。
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合波器MUX的主要作用是将多个信号波长合在一根光纤中传输。在发送端，N个光发射机分别工作在N个不同波长上，这N个波长间有适当的间隔分隔，分别记为λ1，λ2...λn。这N个光波作为载波分别被信号调制而携带信号。一个合波器将这些不同波长的光载波信号进行合并，耦合入单模光纤。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。通过多路复用，通信运营商可以避免维护多条线路，有效地节约了运营成本。

分波器DEMUX的主要作用是将一根光纤中传输的多个波长信号分离出来。在接收部分由一个分波器将不同波长的光载波信号分开，由光接收机作进一步处理以恢复原信号。多路复用器(Demux)是一种对多路复用器进行反向处理的设备。
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从原理上说，该器件是互易（双向可逆）的，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。

CWDM & DWDM
WDM技术根据不同的波长模式，又可以分为WDM，CWDM， DWDM。ITU对CWDM（ITU－T G．694．2）规定的波长范围为1271至1611 nm，但在应用中考虑到1270－1470nm波段的衰减比较大，所以通常使用1470～1610nm的波段范围。DWDM通道间隔更加密集，使用C波段（1530 nm－1565 nm）和L波段（1570nm－1610nm）传输窗口。普通WDM一般采用1310和1550nm波长。
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CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexer）是稀疏波分复用器，也称粗波分复用器。CWDM具有18个不同的波长通道，每个通道的不同波长相隔20nm，使用1270 nm至1610 nm的波长。CWDM支持的信道少于DWDM，因为它紧凑且具有成本效益，因此使其成为短距离通信的理想解决方案。CWDM系统的最大优势在于成本低，器件成本主要表现在滤波器和激光器。20nm的宽波长间隔同样给CWDM带来了对激光器的技术指标要求低、光复用器/解复用器的结构简化的优势。结构简化，成品率提高，故成本下降。

DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexer）是密集波分复用器。DWDM的信道间隔为1.6/0.8/0.4 nm（200GHz/100 GHz/50 GHz），远远小于CWDM。与CWDM相比，具有更紧密波长间隔的DWDM，可以在一个光纤上承载8~160个波长，更适于长距离传输。在EDFA的帮助下，DWDM系统可以在数千公里的范围内工作。

CWDM和DWDM之间的最大区别是波长间隔，这会导致可以使用的波长或信道数量。这是“Coast”和“Dense”之间的区别。 CWDM信道每个消耗20nm的空间, DWDM使用50,100或200 GHz（约0.4， 0.8或1.6nm）的间隔，这样可以将更多波长复合在同一光纤上。目前的DWDM系统可提供16/20波或32/40波的单纤传输容量，最大可到160波，具有灵活的扩展能力。可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍，极大的节约了光纤资源，降低线路建设成本。

与CWDM相比，具有更紧密波长间隔的DWDM，可以在一个光纤上承载8~160个波长，更适于长距离传输。在EDFA的帮助下，DWDM系统可以在数千公里的范围内工作。

OADM
OADM是光分插复用系统（Optical Add-Drop Multiplexer），在光域中实现支路信号的分插和复用，主要功能是从多波长的传输光路中有选择地分出或插入一个或多个波长信道，同时不影响其它波长信道的传输。OADM设备是全光网络的关键节点设备之一。
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分插即是上路、下路
下路就是在传输光路中的多种波长信道中分出一个或多个波长进入到光分插复用器中，其他无关的信道直接通过光分插复用器继续下一道业务处理。
上路就是在进入到光分插复用器的光信号中，新增加一种波长的信道，和其他的信道一起复用到光纤中。
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WDM 常用波段划分
与WDM相关的波段有：
O 波段（原始）：1260-1360 nm
E 波段（扩展）：1360-1460 nm
S 波段（短波长）：1460-1530 nm
C 波段（常规）：1530-1565 nm
L波段（长波）：1565-1625 nm
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O Band：O波段是历史上用于长距离传输的第一个波段，信号失真最小，因为色散是最低的。因为C波段和L波段这两个传输窗口的传输衰减损耗最小，所以DWDM系统中信号光通常选择在C波段和L波段。C波段是整个波段分类里面传输损耗最低的，通常用于长距离传输；为了更大容量传输，出现了C band 和 L band 的DWDM产品。除了O波段到L波段外，还有另外两个波段，即850 nm波段和U波段（超长波段：1625-1675 nm）。 850 nm波段是多模光纤通信系统的主要波长，结合了VCSEL（垂直腔表面发射激光器）。 U波段的激光器成本较高，所以U波段目前通常会作为监控波段。

WDM波分复用技术
WDM传输的基本元件是光学滤波器，可通过光纤熔融拉锥（FBT）、薄膜滤光片（TFF）、阵列波导光栅（AWG）和光学梳状滤波器等技术实现。TFF和AWG是最常用的两种WDM技术。 AWG在长距离、高信道容量DWDM应用中性价比更高，而TFF在低信道容量的CWDM城域应用中更为理想。
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介质薄膜滤波器TFF-Thin Film Filter（FWDM）
薄膜滤波器（TFF）技术是在波分复用商用以来最早得到应用的波分复用技术。与其他技术相比，薄膜滤波器的主要优点是它在小尺寸设备中应用时有极高的准确性。FWDM（Filter Wavelength Division Multiplexing）滤波片式波分复用器，是基于成熟的薄膜滤器技术。

TFF技术核心的是TFF滤光片，下面三端口WDM器件的结构可以清楚的看出TFF滤光片如何应用在WDM器件中。基于TFF的三端口WDM器件结构包括一个双光纤准直器、一个单光纤准直器和一个TFF滤光片，TFF滤光片粘贴在双光纤准直器的准直透镜的端面上。
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为了将所有波长解复用，需要将n个三端口器件串联起来，组成WDM模块，如下图所示，其中每个三端口器件中的TFF滤光片，其透射波长不同。模块中的不同波长经过不同数量的三端口WDM器件，因此产生不同的插入损耗。随着端口数增加，损耗均匀性劣化。
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基于三端口WDM器件的WDM模块，其尺寸相对较大，为了满足一些特殊应用领域超小尺寸的要求，开发了紧凑型WDM模块，即CCWDM或CDWDM。所有TFF滤光片固定在一块玻璃基片上，然后逐个对准和固定输入/输出准直器。

原理是用输入透镜将输入光纤上的波长分别为λ1， λ2…λn的光信号聚焦到第一个滤波片上；波长为λ1的光信号通过第一个滤波片并经第一个输出透镜耦合到第一个输出光纤中，分离出波长为λ1的光信号；其余光信号经第一个玻片反射到下一个玻片进行光信号分离；依此类推，直到分离出所有信号。波长信道之间的耦合通过走“之”字路线的淮直光线的形式实现。
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阵列波导光栅AWG
AWG是以平面光路（PLC）技术制作的器件，其基本结构如图所示，由输入波导、输入星形耦合器、阵列波导、输出星形耦合器和输出波导阵列五部分组成。DWDM信号从输入波导进入输入星形耦合器，经自由传输之后，被分配到阵列波导之中。这个分配过程是波长无关的，所有波长被无差别的分配到阵列波导之中。阵列波导对多光束产生相位差，各光束的相位成等差级数，这与传统光栅中的情况类似。不同波长被色散展开，并聚焦在输出星形耦合器中的不同位置。不同波长被不同的波导接收，从而实现对DWDM信号的并行解复用。

AWG优于TFF的主要优势在于其成本不依赖于波长计数，因此对于高通道数应用而言，它们具有极高的成本效益。AWG的另一个优点是可以灵活选择通道号和间距。
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WDM技术应用
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WDM-PON应用于接入网
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为满足光纤接入网高带宽、多业务、低成本平滑演进的需要，在接入网中引入了WDM-PON技术。基于WDM技术，可以充分利用光纤的Tbit量级的带宽容量，大大扩增光纤承载用户数量，且WDM叠加方案对现有的业务不会产生影响，能够实现平滑的升级。NG-PON2是现有的GPON/XG-PON的演进系统。由于TDM-PON发展到单波长10Gbit/s速率后，再进一步提升单波长速率面临技术和成本的双重挑战，于是在PON系统中引入WDM技术成为必然的选择。

CEx WDM(Coexistence WDM)，中文名：共存波分，CEx WDM模块的使用是保证PON网络平滑升级，实现与旧网络的共存，在提升性能、满足新兴应用需求的同时，兼顾了与现有PON的兼容性；它是PON技术演进过程中的产物，在特定的时期，它是一种过度性产品，随着网络的升级，它也会不断变化。
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支持N-CEx多种组合，节省空间。

WDM网络拓扑在5G传输中的应用
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在C-RAN大集中场景下，每个无线基站通常需要12个高速光接口，为此中国移动推出了12波MWDM传输方案，选用的12个波长如表2，在6波CWDM激光芯片的基础上，通过TEC温控，将激射波长分别左右漂移3.5nm，获得12个传输波长。中国电信则选择了12波LWDM传输方案，信道间隔为800GHz，12个波长如表3，由于波长间隔只有4.3-4.7nm，需要TEC温控来稳定光源的工作波长。MWDM及LWDM传输方案，因TEC的引入，光模块的功耗通常会增加0.5W左右。
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