详述光波分复用(WDM)技术（中篇）

五、CWDM技术简介

1．CWDM标准制定情况

美国的1400nm商业利益组织正在致力于为CWDM系统制定标准。目前建议草案考虑的CWDM系统波长栅格分为三个波段。“O波段”包括四个波长: 1290、1310、1330和1350nm，“E波段”包括四个波长: 1380、1400、1420 和1440nm，“S＋C+L”波段包括从1470nm到1610nm的范围，间距为20nm的八个波长。这些波长利用了光纤的全部光谱，包括在1310、1510和1550nm处的传统光源，从而增加了复用的信道数

20nm的信道间距允许利用廉价的不带冷却器的激光发射机和宽带光滤波器，同时，它也躲开了1270nm高损耗波长，并且使相邻波段之间保持了30nm的间隙。

尽管目前还没有CWDM的技术标准,在市场上已经存在一个事实上的城域网标准：IEEE已经制定了万兆以太网10GbE标准。CWDM的标准将据此来制定。

CWDM的复用/解复用器和激光器正在逐渐形成自己的标准。相邻波长间隔根据无冷却的激光器在很宽的温度范围内工作产生的波长漂移来决定。目前被确定为20nm,其中心波长为：1491,1511,1531等一直到1611nm。而在1300nm波段,IEEE以太网定义通道宽度为20nm,但是中心波长为1290,1310,1330和1359nm。在1400nm波段如何定义还不知道。目前已经成立CWDM用户组开始结束CWDM城域网标准的混乱状态。

虽然 CWDM目前尚没有形成统一的技术标准,不过,CWDM用户组已经成立,估计不远的将来,这种混乱的局面将结束。目前已经有设备生产厂商着手开发 CWDM的传输设备,并已经有设备投入商用化,能够支持从100Mbit/s-2.5Gbit/s的传输速率。

2．CWDM系统的关键技术与模块

（1）新型光纤技术

光纤具有丰富的频带资源和优异的传输性能，是通信网络理想的传输媒质。影响光信号传输距离的光纤参数主要有衰减、色散和非线性。城域网覆盖范围通常在50～80km左右，一般不需要光放大器和中继设备，光纤色散和非线性并非关键问题。

CWDM对传输媒质没有特殊要求，各种单模光纤和多模光纤都可以采用CWDM技术。城域内目前大量使用G.652光纤。这种光纤因残留有氢氧根离子，导致1383nm波长附近出现明显的吸收峰。E波段吸收峰引起传输损耗的典型值约为1dB/km，极大影响了WDM系统的传输距离和可用波长范围。目前商用的4波、8波和16波CWDM系统通常选取1290～1610nm的波长范围，如O波段：1290nm、1310nm、1330nm、1350nm；E波段：1380nm、1400nm、1420nm、1440nm；以及S + C+L波段8个波长：1470～1610nm。

为了扩展光纤的可用波长范围，提高复用信道数量，许多公司纷纷推出各种新型的G.652C光纤。其中零水峰光纤（ZWPF）有效消除氢氧根吸收峰的影响，提供更低的相邻信道信号衰减。对ZWPF来说，损耗值以1/λ４的速度(由于瑞利散射效应减弱以及OH吸收峰的消除)逐渐减小，在1550nm附近得到最小值。这种光纤的色散系数与传统单模光纤相同，大体分布在13～19ps/nm·km。ZWPF光纤提供的有效波长范围比传统单模光纤多出100nm，使CWDM信道数量增益高达33%以上。同时，G.652C光纤完全与传统单模光纤兼容，支持所有标准的系统规范。

目前，ZWPF光纤越来越受到业界的关注。MRV公司和LUNX公司推出的16波CWDM系统就采用了OFS的AllWave光纤产品，传输距离可达70km。Transmode公司宣称已经实现2.5Gbit/s速率的全波CWDM传输系统，无中继放大情况下传输距离超过80km。

（2）光收发模块

光收发模块是光通信系统的主要部件。目前常见的光收发模块有分立的光发射模块、光接收模块和光收发一体模块三种。它们的发展趋势是小型化、低成本、低功耗、远距离、高速率和热插拔。

CWDM收发模块通常采用DFB激光器或垂直腔表面发射激光器（VCSEL）作为光源。CWDM系统使用的DFB激光器无需集成致冷器，温度漂移系数约为0.08nm/℃。这种激光器在0到70℃温度范围内的波长热漂移约6nm左右，加上制造过程的波长容差±（2～3）nm，整体波长变化范围在12nm以内。因此，CWDM信道间隔和通道宽度足够适应无致冷DFB激光器的波长变化，激光器的工作温度范围也相对较宽。而DWDM系统采用的DFB激光器温度漂移系数为Δλ／１0（nm/℃），波长容差的典型值为±0.1nm。除温度外，CWDM无致冷激光器还需要考虑的问题就是色散代价。激光器芯片的优化设计能够延长色散受限系统的传输距离。

VCSEL是一种新型的半导体激光器。与常规边缘发射激光器的结构不同，VCSEL激光器的出光窗口在芯片表面，发光束方向与芯片表面垂直，无需解调就可以进行在线测试和封装，有利于实现低成本、大规模的工业化生产。VCSEL激光器具有的低功耗和高效的光纤耦合特性，能够便利地制成二维阵列，实现大规模光电集成。目前应用最为广泛的商用VCSEL激光器及收发模块通常都是850nm发射波长的多模芯片，其原因是受成本、输出功率和技术成熟度等因素的限制。近年来，VCSEL激光器相关技术发展迅速。随着现代高速光纤网络的发展，VCSEL有望取代DFB激光器，成为光通信领域最理想、最有前途的低成本光源。

 

CWDM系统使用的接收模块与DWDM系统基本相同，主要采用PIN型或APD型探测器及其组件。CWDM接收模块要求带宽覆盖的范围较宽，以便捕获所有特定的比特速率和传输协议。PIN型接收模块成本较低，设计相对简单，而APD型接收模块的灵敏度至少提高9～10dB增益。

（3）复用器/解复用器（MUX/DEMUX）

复用器/解复用器是波分复用光传输系统的关键器件。MUX/DEMUX的重要性能指标包括中心波长、插入损耗、信道隔离度和通带宽度等。目前常用的MUX/DEMUX有干涉膜滤波器型、光纤光栅型和阵列波导光栅AWG型和熔融拉锥耦合型等。

其中，干涉膜滤波技术近年来发展较为成熟，这种器件具有信道灵活、隔离度较高、插入损耗较低和热稳定性好等优点，适合信道数量不多的波分复用系统。目前商用的CWDM复用器/解复用器主要也是采用干涉膜滤波技术来设计。CWDM复用器/解复用器对薄膜滤波技术要求相对较低，导致生产时间缩短、效率提高以及原材料需求降低。基于干涉膜滤波技术的DWDM复用器/解复用器造价通常是CWDM同类产品的两倍左右。DWDM系统使用的0.8nm滤波器一般大约需要150层介质薄膜，而CWDM系统的20nm滤波器大约有50层。

此外，熔融拉锥耦合技术在CWDM产品中也有应用。熔融拉锥耦合技术的工作原理是将两根（或两根以上）去除涂覆层的光纤以一定的方式靠拢排放，在高温下熔融并同时向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形的特殊波导结构实现传输功率的耦合。由于耦合系数与波长有关，因此主要用来制作信道间隔较宽的波分复用器件。相对薄膜滤波型模块来说，熔融拉锥耦合型CWDM模块成本要低得多。

3．CWDM的优势

从纯技术角度来讲，CWDM技术存在着明显的劣势。CWDM系统单纤总传输容量与DWDM系统相差甚远。然而，市场并非只受技术驱动，成本同样也是相当重要的考虑因素。成本效益与信道间隔密切相关。CWDM产品具有低成本、低功耗和小尺寸等优势，能有效降低系统的建设和运营成本。

（1）CWDM的硬件成本低

DWDM的收发设备要比CWDM系统的同类产品贵四、五倍，这与激光器的许多因素相关。DWDM系统采用DFB激光器作为光源，温度漂移系数为Δλ/10(nm/℃)，它需要采用冷却技术来稳定波长，以防止由于温度变化波长漂移到复用器和解复用器的滤波器通带之外，DWDM激光器的波长容差的典型值为±0.1nm。CWDM系统采用的DFB激光器不需要冷却，温度漂移系数为0.08nm/℃，CWDM激光器的波长容差高达±2～3nm。另外，激光片的成品率低也增加了DWDM激光器的造价。

在复用器和解复用器方面，DWDM和CWDM的造价差别主要是由于CWDM的滤波器包含的层数少，故CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本低。CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本要少50％。在CWDM系统中，相邻波长通道的间隔放宽到20nm，这就有可能将各个部件的容错范围放大，因此可以使用廉价的复用器、解复用器等，以降低CWDM系统的成本。

由于器件成本和系统要求的降低，使得CWDM系统的造价比DWDM系统有大幅下降。

（2）CWDM结构简单

CWDM系统不包含OLA，即光放大中继机。另外，由于CWDM信道间隔比较大，所以相对于DWDM而言，不需要考虑功率均衡。

（3）CWDM的功耗低

光传输系统的运营成本取决于系统的维护和系统消耗的功率。即使DWDM和CWDM系统的维护成本都可以接受，DWDM系统的功耗要比CWDM系统的功耗高得多。在DWDM系统中，随着复用的波长总数的增加以及单信道传输速率的增加，功率损耗及其温度管理变成了电路板设计的关键问题。CWDM系统中采用不带冷却器的激光器，系统功耗低，有利于系统运营商节约开支。

（4）CWDM器件的物理尺寸更小

CWDM激光器要比DWDM激光器小得多,不带冷却器的激光器一般是由激光片和密封在带有玻璃窗口的金属容器中的监控光电二极管构成的。DWDM激光发射机的尺寸大约是CWDM激光发射机体积的五倍，也就是说，如果DWDM激光发射机的体积为100cm3，那么没有冷却器的CWDM激光器体积仅仅为20cm3。

（5）CWDM对传输介质要求较低

DWDM在运行10G以上业务的时候，需要采用G.655光纤，而CWDM对光纤没有特殊要求，G.652、G.653、G.655光纤均可采用CWDM技术，因此可以大量利用以前敷设的旧光缆。

（6）应用环境的比较

目前适合城域网的DWDM大多继承长途骨干网的特点，大多是端到端的逻辑连接，拓扑结构不灵活，不支持网状结构，不适应城域网内复杂机动的多逻辑拓扑。长途骨干网DWDM设备的成本远低于铺设新光纤及增加光放的成本，所以经济。但在城域网范围内，网络成本主要来源于接入端设备的成本而不是传输线路成本，所以DWDM在价格方面不具备很大的优势。而CWDM通过降低对波长的窗口要求而实现全波长范围内（1260～1620nm）的波分复用，并大大降低光器件的成本，可实现在0～80km内较高的性能价格比。

4．CWDM存在的不足

CWDM是成本与性能折衷的产物，不可避免地存在一些性能上的局限。业内专家指出，CWDM目前尚存在以下不足：

（1）CWDM在单根光纤上支持的复用波长个数较少，导致日后扩容成本较高。

（2）复用器、复用解调器等设备的成本还应进一步降低，这些设备不能只是DMDM相应设备的简单改型。

（3）CWDM还未形成国际标准。

5．CWDM系统的应用

新型城域网建设引进CWDM系统将带来许多优势。首先，CWDM技术具有传统TDM技术无法比拟的灵活性，更适应高速数据业务的发展。CWDM系统可以为路由器及交换机提供光纤直连接口，将数据分组直接映射至波长信道而无需TDM复用器的处理，从而降低层间协议适配的复杂度。其次，CWDM系统能够节省光纤资源，并根据网络业务的具体发展情况实现平滑升级。再次，CWDM系统对各种协议和速率透明，允许运营商以波长为基础提供不同的业务。CWDM系统允许单根光纤提供不同速率的数据通道，同时兼容已经广泛应用的传统1310nm波长SDH系统。另外，CWDM系统还提供光网络层的业务保护恢复能力。

CWDM技术还能应用于无源光网络PON系统。随着未来带宽需求的增加，APON和EPON沿用的TDM方式将无法满足业务需求，PON接入系统最终将演进至WDM-PON。现有PON系统结合采用TDM与CWDM技术是比较现实的演进策略。CWDM PON系统可以为视频信号、数据和语音信号分配不同的波长，完成信号的单纤双向传输。

CWDM用很低的成本提供了很高的接入带宽，适用于点对点、以太网、SONET环等各种流行的网络结构，特别适合短距离、高带宽、接入点密集的通信应用场合，如大楼内或大楼之间的网络通信。

CWDM系统以其低成本、大容量、易开通、应用灵活、业务透明性和易扩展性成为一种经济实用的短距离WDM传输系统。目前，CWDM在城域网应用中越来越受到大家的认可并已经实用化。CWDM作为一种新兴的传输网，为城域接入网与核心网的连接提供了全新的解决方案。利用稀疏分复用技术在城域网现有的网络基础上提高通信容量(波长带宽×N)、扩展带宽，能够有效解决光纤的资源问题。因此，目前在行业范围内CWDM得到了广泛认可。CWDM可应用于大都市的城域接入网，同时还可以应用于中小城市的城域核心网，且后者在我国的实际应用中应该非常有前途。当其应用于中小城市的城域核心网时，组网方式大多采用环形网且均采用双纤双向环。而稀疏分复用(CWDM) 技术在系统成本、性能及可维护性等方面具有优势，正逐渐成为今后日益增长的城域网市场的主流技术。