文章導(dǎo)讀：

如何利用WDM來(lái)擴(kuò)展光纖容量？

什么是Mux合波和Demux分波？

CWDM, DWDM, OADM

了解WDM的常用波段

WDM技術(shù)：TFF和AWG

WDM-PON應(yīng)用于接入網(wǎng)

WDM網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓?G傳輸中的應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)提供商一直面臨著如何應(yīng)對(duì)不斷擴(kuò)大的帶寬需求，維護(hù)隨著倍增光纖容量帶來(lái)的更多服務(wù)數(shù)量和用戶(hù)端點(diǎn)，WDM波分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用是除了增加鋪設(shè)光纜之外的另外一種解決方案。對(duì)已建的光纖系統(tǒng)，WDM波分復(fù)用技術(shù)可進(jìn)一步增容，實(shí)現(xiàn)多個(gè)單向信號(hào)或雙向信號(hào)的傳送而不需要對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行大的改動(dòng)，具有靈活性。在骨干網(wǎng)及長(zhǎng)途網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用之外，基于CWDM和FOADM（固定光分插復(fù)用器）的波分復(fù)用技術(shù)也同時(shí)在城域網(wǎng)開(kāi)始得到應(yīng)用。WDM的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)也在CATV傳輸系統(tǒng)中表現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。即將到來(lái)的5G應(yīng)用促進(jìn)全光網(wǎng)的升級(jí)，作為全光網(wǎng)中的關(guān)鍵部分，ROADM市場(chǎng)有望迎來(lái)快速增長(zhǎng)，特別是在城域網(wǎng)中的應(yīng)用。

使用WDM擴(kuò)展光纖容量

在同一根光纖中同時(shí)讓兩個(gè)或兩個(gè)以上的光波長(zhǎng)信號(hào)通過(guò)不同光信道各自傳輸信息的技術(shù)稱(chēng)之為波分復(fù)用技術(shù)（WDM）。WDM (Wavelength Division Multiplexing) 是將兩種或多種不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)（攜帶著各種信息），在發(fā)送端經(jīng)過(guò)合波器（Multiplexer）匯合在一起，并耦合到同一根光纖中進(jìn)行傳輸，而在接收端經(jīng)分波器（Demultiplexer）將各種波長(zhǎng)的光信號(hào)分離出來(lái)，然后由光接收機(jī)進(jìn)一步處理恢復(fù)為原信號(hào)。WDM波分復(fù)用系統(tǒng)主要為高速率、大容量信息的長(zhǎng)距離傳輸提供了易于實(shí)現(xiàn)的方案，便于為通信網(wǎng)的傳輸擴(kuò)容。

如圖，在傳統(tǒng)傳輸模式中，一根光纖只能傳輸攜帶一種信息的光載波信號(hào)，如果是要不同的業(yè)務(wù)，就需要無(wú)數(shù)根不同的、獨(dú)立的光纖來(lái)進(jìn)行傳輸。但如果業(yè)務(wù)信息量多的話(huà)，就需要鋪設(shè)大量的光纖來(lái)進(jìn)行傳輸，這對(duì)布線(xiàn)空間以及成本都是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。而一個(gè)WDM系統(tǒng)的應(yīng)用則可以快速解決上述問(wèn)題。WDM系統(tǒng)可以承載多種格式的“業(yè)務(wù)”信號(hào)，如ATM、IP等，通過(guò)復(fù)用、解復(fù)用的技術(shù)將多種業(yè)務(wù)信號(hào)通過(guò)一根光纖就可傳輸，大大的減少了光纖用量，是網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充和發(fā)展中理想的擴(kuò)容手段。 在引入寬帶新業(yè)務(wù)，比如CATV, HDTV, B-ISDN等，只需要增加一個(gè)附加波長(zhǎng)即可。

Mux & Demux

MUX和DEMUX是WDM波分復(fù)用系統(tǒng)中兩個(gè)最重要的器件，可以用光學(xué)棱鏡來(lái)理解兩者的作用。

合波器MUX的主要作用是將多個(gè)信號(hào)波長(zhǎng)合在一根光纖中傳輸。在發(fā)送端，N個(gè)光****機(jī)分別工作在N個(gè)不同波長(zhǎng)上，這N個(gè)波長(zhǎng)間有適當(dāng)?shù)拈g隔分隔，分別記為λ1，λ2...λn。這N個(gè)光波作為載波分別被信號(hào)調(diào)制而攜帶信號(hào)。一個(gè)合波器將這些不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)進(jìn)行合并，耦合入單模光纖。由于不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)可以看作互相獨(dú)立（不考慮光纖非線(xiàn)性時(shí)），從而在一根光纖中可實(shí)現(xiàn)多路光信號(hào)的復(fù)用傳輸。通過(guò)多路復(fù)用，通信運(yùn)營(yíng)商可以避免維護(hù)多條線(xiàn)路，有效地節(jié)約了運(yùn)營(yíng)成本。

分波器DEMUX的主要作用是將一根光纖中傳輸?shù)亩鄠€(gè)波長(zhǎng)信號(hào)分離出來(lái)。在接收部分由一個(gè)分波器將不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)分開(kāi)， 由光接收機(jī)作進(jìn)一步處理以恢復(fù)原信號(hào)。多路復(fù)用器(Demux)是一種對(duì)多路復(fù)用器進(jìn)行反向處理的設(shè)備。

從原理上說(shuō)，該器件是互易（雙向可逆）的，即只要將解復(fù)用器的輸出端和輸入端反過(guò)來(lái)使用，就是復(fù)用器。

CWDM & DWDM

WDM技術(shù)根據(jù)不同的波長(zhǎng)模式，又可以分為WDM，CWDM， DWDM。ITU對(duì)CWDM（ITU－T G．694．2）規(guī)定的波長(zhǎng)范圍為1271至1611 nm，但在應(yīng)用中考慮到1270－1470nm波段的衰減比較大，所以通常使用1470～1610nm的波段范圍。DWDM通道間隔更加密集，使用C波段（1530 nm－1565 nm）和L波段（1570nm－1610nm）傳輸窗口。普通WDM一般采用1310和1550nm波長(zhǎng)。

CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexer）是稀疏波分復(fù)用器，也稱(chēng)粗波分復(fù)用器。CWDM具有18個(gè)不同的波長(zhǎng)通道，每個(gè)通道的不同波長(zhǎng)相隔20nm，使用1270 nm至1610 nm的波長(zhǎng)。CWDM支持的信道少于DWDM，因?yàn)樗o湊且具有成本效益，因此使其成為短距離通信的理想解決方案。CWDM系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)在于成本低，器件成本主要表現(xiàn)在濾波器和激光器。20nm的寬波長(zhǎng)間隔同樣給CWDM帶來(lái)了對(duì)激光器的技術(shù)指標(biāo)要求低、光復(fù)用器/解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的優(yōu)勢(shì)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，成品率提高，故成本下降。

DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexer）是密集波分復(fù)用器。DWDM的信道間隔為1.6/0.8/0.4 nm（200GHz/100 GHz/50 GHz），遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CWDM。與CWDM相比，具有更緊密波長(zhǎng)間隔的DWDM，可以在一個(gè)光纖上承載8~160個(gè)波長(zhǎng)，更適于長(zhǎng)距離傳輸。 在EDFA的幫助下，DWDM系統(tǒng)可以在數(shù)千公里的范圍內(nèi)工作。

CWDM和DWDM之間的最大區(qū)別是波長(zhǎng)間隔，這會(huì)導(dǎo)致可以使用的波長(zhǎng)或信道數(shù)量。 這是“Coast”和“Dense”之間的區(qū)別。 CWDM信道每個(gè)消耗20nm的空間, DWDM使用50,100或200 GHz（約0.4， 0.8或1.6nm）的間隔， 這樣可以將更多波長(zhǎng)復(fù)合在同一光纖上。 目前的DWDM系統(tǒng)可提供16/20波或32/40波的單纖傳輸容量，最大可到160波，具有靈活的擴(kuò)展能力?？梢猿浞掷霉饫w的巨大帶寬資源，使一根光纖的傳輸容量比單波長(zhǎng)傳輸增加幾倍至幾十倍，極大的節(jié)約了光纖資源，降低線(xiàn)路建設(shè)成本。

與CWDM相比，具有更緊密波長(zhǎng)間隔的DWDM，可以在一個(gè)光纖上承載8~160個(gè)波長(zhǎng)，更適于長(zhǎng)距離傳輸。 在EDFA的幫助下，DWDM系統(tǒng)可以在數(shù)千公里的范圍內(nèi)工作。

OADM

OADM是光分插復(fù)用系統(tǒng)（Optical Add-Drop Multiplexer），在光域中實(shí)現(xiàn)支路信號(hào)的分插和復(fù)用，主要功能是從多波長(zhǎng)的傳輸光路中有選擇地分出或插入一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)信道，同時(shí)不影響其它波長(zhǎng)信道的傳輸。OADM設(shè)備是全光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)備之一。

分插即是上路、下路

下路就是在傳輸光路中的多種波長(zhǎng)信道中分出一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)入到光分插復(fù)用器中，其他無(wú)關(guān)的信道直接通過(guò)光分插復(fù)用器繼續(xù)下一道業(yè)務(wù)處理。

上路就是在進(jìn)入到光分插復(fù)用器的光信號(hào)中，新增加一種波長(zhǎng)的信道，和其他的信道一起復(fù)用到光纖中。

WDM 常用波段劃分

與WDM相關(guān)的波段有：

O 波段（原始）：1260-1360 nm

E 波段（擴(kuò)展）：1360-1460 nm

S 波段（短波長(zhǎng)）：1460-1530 nm

C 波段（常規(guī)）：1530-1565 nm

L波段（長(zhǎng)波）：1565-1625 nm

O Band：O波段是歷史上用于長(zhǎng)距離傳輸?shù)牡谝粋€(gè)波段，信號(hào)失真最小，因?yàn)樯⑹亲畹偷摹Ｒ驗(yàn)镃波段和L波段這兩個(gè)傳輸窗口的傳輸衰減損耗最小，所以DWDM系統(tǒng)中信號(hào)光通常選擇在C波段和L波段。C波段是整個(gè)波段分類(lèi)里面?zhèn)鬏敁p耗最低的，通常用于長(zhǎng)距離傳輸；為了更大容量傳輸，出現(xiàn)了C band 和 L band 的DWDM產(chǎn)品。除了O波段到L波段外，還有另外兩個(gè)波段，即850 nm波段和U波段（超長(zhǎng)波段：1625-1675 nm）。 850 nm波段是多模光纖通信系統(tǒng)的主要波長(zhǎng)，結(jié)合了VCSEL（垂直腔表面****激光器）。 U波段的激光器成本較高，所以U波段目前通常會(huì)作為監(jiān)控波段。

WDM Technology

WDM傳輸?shù)幕驹枪鈱W(xué)濾波器，可通過(guò)光纖熔融拉錐（FBT）、薄膜濾光片（TFF）、陣列波導(dǎo)光柵（AWG）和光學(xué)梳狀濾波器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。TFF和AWG是最常用的兩種WDM技術(shù)。 AWG在長(zhǎng)距離、高信道容量DWDM應(yīng)用中性?xún)r(jià)比更高，而TFF在低信道容量的CWDM城域應(yīng)用中更為理想。

介質(zhì)薄膜濾波器TFF-Thin Film Filter（FWDM）

薄膜濾波器（TFF）技術(shù)是在波分復(fù)用商用以來(lái)最早得到應(yīng)用的波分復(fù)用技術(shù)。與其他技術(shù)相比，薄膜濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)是它在小尺寸設(shè)備中應(yīng)用時(shí)有極高的準(zhǔn)確性。FWDM（Filter Wavelength Division Multiplexing）濾波片式波分復(fù)用器，是基于成熟的薄膜濾器技術(shù)。

TFF技術(shù)核心的是TFF濾光片，下面三端口WDM器件的結(jié)構(gòu)可以清楚的看出TFF濾光片如何應(yīng)用在WDM器件中?；赥FF的三端口WDM器件結(jié)構(gòu)包括一個(gè)雙光纖準(zhǔn)直器、一個(gè)單光纖準(zhǔn)直器和一個(gè)TFF濾光片，TFF濾光片粘貼在雙光纖準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直透鏡的端面上。

為了將所有波長(zhǎng)解復(fù)用，需要將n個(gè)三端口器件串聯(lián)起來(lái)，組成WDM模塊，如下圖所示，其中每個(gè)三端口器件中的TFF濾光片，其透射波長(zhǎng)不同。模塊中的不同波長(zhǎng)經(jīng)過(guò)不同數(shù)量的三端口WDM器件，因此產(chǎn)生不同的插入損耗。隨著端口數(shù)增加，損耗均勻性劣化。

基于三端口WDM器件的WDM模塊，其尺寸相對(duì)較大，為了滿(mǎn)足一些特殊應(yīng)用領(lǐng)域超小尺寸的要求，開(kāi)發(fā)了緊湊型WDM模塊，即CCWDM或CDWDM。所有TFF濾光片固定在一塊玻璃基片上，然后逐個(gè)對(duì)準(zhǔn)和固定輸入/輸出準(zhǔn)直器。

原理是用輸入透鏡將輸入光纖上的波長(zhǎng)分別為λ1， λ2…λn的光信號(hào)聚焦到第一個(gè)濾波片上；波長(zhǎng)為λ1的光信號(hào)通過(guò)第一個(gè)濾波片并經(jīng)第一個(gè)輸出透鏡耦合到第一個(gè)輸出光纖中，分離出波長(zhǎng)為λ1的光信號(hào)；其余光信號(hào)經(jīng)第一個(gè)玻片反射到下一個(gè)玻片進(jìn)行光信號(hào)分離；依此類(lèi)推，直到分離出所有信號(hào)。波長(zhǎng)信道之間的耦合通過(guò)走“之”字路線(xiàn)的淮直光線(xiàn)的形式實(shí)現(xiàn)。

陣列波導(dǎo)光柵AWG

AWG是以平面光路（PLC）技術(shù)制作的器件，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示，由輸入波導(dǎo)、輸入星形耦合器、陣列波導(dǎo)、輸出星形耦合器和輸出波導(dǎo)陣列五部分組成。DWDM信號(hào)從輸入波導(dǎo)進(jìn)入輸入星形耦合器，經(jīng)自由傳輸之后，被分配到陣列波導(dǎo)之中。這個(gè)分配過(guò)程是波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的，所有波長(zhǎng)被無(wú)差別的分配到陣列波導(dǎo)之中。陣列波導(dǎo)對(duì)多光束產(chǎn)生相位差，各光束的相位成等差級(jí)數(shù)，這與傳統(tǒng)光柵中的情況類(lèi)似。不同波長(zhǎng)被色散展開(kāi)，并聚焦在輸出星形耦合器中的不同位置。不同波長(zhǎng)被不同的波導(dǎo)接收，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DWDM信號(hào)的并行解復(fù)用。

AWG優(yōu)于TFF的主要優(yōu)勢(shì)在于其成本不依賴(lài)于波長(zhǎng)計(jì)數(shù)，因此對(duì)于高通道數(shù)應(yīng)用而言，它們具有極高的成本效益。AWG的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以靈活選擇通道號(hào)和間距。

WDM技術(shù)應(yīng)用

WDM-PON應(yīng)用于接入網(wǎng)

為滿(mǎn)足光纖接入網(wǎng)高帶寬、多業(yè)務(wù)、低成本平滑演進(jìn)的需要，在接入網(wǎng)中引入了WDM-PON技術(shù)?；赪DM技術(shù)，可以充分利用光纖的Tbit量級(jí)的帶寬容量，大大擴(kuò)增光纖承載用戶(hù)數(shù)量，且WDM疊加方案對(duì)現(xiàn)有的業(yè)務(wù)不會(huì)產(chǎn)生影響，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑的升級(jí)。NG-PON2是現(xiàn)有的GPON/XG-PON的演進(jìn)系統(tǒng)。由于TDM-PON發(fā)展到單波長(zhǎng)10Gbit/s速率后，再進(jìn)一步提升單波長(zhǎng)速率面臨技術(shù)和成本的雙重挑戰(zhàn)，于是在PON系統(tǒng)中引入WDM技術(shù)成為必然的選擇。

CEx WDM(Coexistence WDM)，中文名：共存波分，CEx WDM模塊的使用是保證PON網(wǎng)絡(luò)平滑升級(jí)，實(shí)現(xiàn)與舊網(wǎng)絡(luò)的共存，在提升性能、滿(mǎn)足新興應(yīng)用需求的同時(shí)，兼顧了與現(xiàn)有PON的兼容性；它是PON技術(shù)演進(jìn)過(guò)程中的產(chǎn)物，在特定的時(shí)期，它是一種過(guò)度性產(chǎn)品，隨著網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)，它也會(huì)不斷變化。

WDM網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓?G傳輸中的應(yīng)用

在C-RAN大集中場(chǎng)景下，每個(gè)無(wú)線(xiàn)****通常需要12個(gè)高速光接口，為此中國(guó)移動(dòng)推出了12波MWDM傳輸方案，選用的12個(gè)波長(zhǎng)如圖所示，在6波CWDM激光芯片的基礎(chǔ)上，通過(guò)TEC溫控，將激射波長(zhǎng)分別左右漂移3.5nm，獲得12個(gè)傳輸波長(zhǎng)。中國(guó)電信則選擇了12波LWDM傳輸方案，信道間隔為800GHz，12個(gè)波長(zhǎng)如圖所示，由于波長(zhǎng)間隔只有4.3-4.7nm，需要TEC溫控來(lái)穩(wěn)定光源的工作波長(zhǎng)。MWDM及LWDM傳輸方案，因TEC的引入，光模塊的功耗通常會(huì)增加0.5W左右。