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波分复用(WDM)技术
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摘要：本文从波分复用技术的概念，波分复用技术的优点，波分复用技术目前存在的问题，DWDM技术简介，CWDM技术简介，波分复用技术在无源光网络中的应用，波分复用技术在城域网建设中的应用等方面，详细地介绍了光波分复用（WDM）技术。
关键词：WDM，DWDM，CWDM，IP over WDM
随着全球互联网（Internet）的迅猛发展，以因特网技术为主导的数据通信在通信业务总量中的比列迅速上升，因特网业务已成为多媒体通信业中发展最为迅速、竞争最为激烈的领域。同时，无论是从数据传输的用户数量还是从单个用户需要的带宽来讲，都比过去大很多。特别是后者，它的增长将直接需要系统的带宽以数量级形式增长。因此如何提高通信系统的性能，增加系统带宽，以满足不断增长的业务需求成为大家关心的焦点。
面对市场需求的增长，现有通信网络的传输能力的不足的问题，需要从多种可供选择的方案中找出低成本的解决方法。缓和光纤数量的不足的一种途径是敷设更多的光纤，这对那些光纤安装耗资少的网络来说，不失为一种解决方案。但这不仅受到许多物理条件的限制，也不能有效利用光纤带宽。另一种方案是采用时分复用（TDM）方法提高比特率，但单根光纤的传输容量仍然是有限的，何况传输比特率的提高受到电子电路物理极限限制。第三种方案是波分复用（WDM）技术， WDM系统利用已经敷设好的光纤，使单根光纤的传输容量在高速率TDM的基础上成N倍地增加。WDM能充分利用光纤的带宽，解决通信网络传输能力不足的问题，具有广阔的发展前景。
WDM波分复用并不是一个新概念，在光纤通信出现伊始，人们就意识到可以利用光纤的巨大带宽进行波长复用传输，但是在20世纪90年代之前，该技术却一直没有重大突破，其主要原因在于TDM的迅速发展，从155Mbit/s到622Mbit/s，再到2.5Gbit/s系统，TDM速率一直以过几年就翻4倍的速度提高。人们在一种技术进行迅速的时候很少去关注另外的技术。1995年左右，WDM系统的发展出现了转折，一个重要原因是当时人们在TDM10Gbit/s技术上遇到了挫折，众多的目光就集中在光信号的复用和处理上，WDM系统才在全球范围内有了广泛的应用。
一、波分复用技术的概念
波分复用(WDM)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。
通信系统的设计不同，每个波长之间的间隔宽度也有不同。按照通道间隔的不同，WDM可以细分为CWDM（稀疏波分复用）和DWDM（密集波分复用）。CWDM的信道间隔为20nm，而DWDM的信道间隔从0.2nm 到1.2nm，所以相对于DWDM，CWDM称为稀疏波分复用技术。
CWDM和DWDM的区别主要有二点：一是CWDM载波通道间距较宽，因此，同一根光纤上只能复用5到6个左右波长的光波，“稀疏”与“密集”称谓的差别就由此而来；二是CWDM调制激光采用非冷却激光，而DWDM采用的是冷却激光。冷却激光采用温度调谐，非冷却激光采用电子调谐。由于在一个很宽的波长区段内温度分布很不均匀，因此温度调谐实现起来难度很大，成本也很高。CWDM避开了这一难点，因而大幅降低了成本，整个CWDM系统成本只有DWDM的30%。CWDM是通过利用光复用器将在不同光纤中传输的波长结合到一根光纤中传输来实现。在链路的接收端，利用解复用器将分解后的波长分别送到不同的光纤，接到不同的接收机。
二、波分复用技术的优点
WDM技术之所以在近几年得到迅猛发展是因为它具有下述优点：
(1) 传输容量大，可节约宝贵的光纤资源。对单波长光纤系统而言，收发一个信号需要使用一对光纤，而对于WDM系统，不管有多少个信号，整个复用系统只需要一对光纤。例如对于16个2.5Gb/s系统来说，单波长光纤系统需要32根光纤，而WDM系统仅需要2根光纤。
(2) 对各类业务信号“透明”，可以传输不同类型的信号，如数字信号、模拟信号等，并能对其进行合成和分解。
(3) 网络扩容时不需要敷设更多的光纤，也不需要使用高速的网络部件，只需要换端机和增加一个附加光波长就可以引入任意新业务或扩充容量，因此WDM技术是理想的扩容手段。
(4) 组建动态可重构的光网络，在网络节点使用光分插复用器（OADM）或者使用光交叉连接设备（OXC），可以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性的全光网络。
三、波分复用技术目前存在的问题
以WDM技术为基础的具有分插复用功能和交叉连接功能的光传输网具有易于重构、良好的扩展性等巨大优势，已成为未来高速传输网的发展方向，但在真正实现之前，还必须解决下列问题。
1．网络管理
目前，WDM系统的网络管理，特别是具有复杂的上/下通路需求的WDM网络管理仍处于不成熟期。如果WDM系统不能进行有效的网络管理，将很难在网络中大规模采用。例如在故障管理方面，由于WDM系统可以在光通道上支持不同类型的业务信号，一旦WDM系统发生故障，操作系统应能及时发现故障，并找出故障原因。但到目前为止，相关的运行维护软件仍不成熟；在性能管理方面，WDM系统使用模拟方式复用及放大光信号，因此常用的比特误码率并不适用于衡量WDM的业务质量，必须寻找一个新的参数来准确衡量网络向用户提供的服务质量等。如果这些问题不及时解决，将阻碍WDM系统的发展。
2．互连互通
由于WDM是一项新生的技术，其行业标准制定较粗，因此不同商家的WDM产品互通性较差，特别是在上层的网络管理方面。为了保证WDM系统在网络中大规模实施，需保证WDM系统间的互操作性以及WDM系统与传统系统间互连、互通，因此应加强光接口设备的研究。
3．光器件
一些重要光器件的不成熟将直接限制未来光传输网的发展，如可调谐激光器等。对于一些大的运营公司来说，在网络中处理几个不同的激光器就已经非常棘手了，更不用说几十路光信号了。通常光网络中需要采用4～6个能在整个网络中进行调谐的激光器，但目前这种可调谐激光器还无法进入商用。
四、DWDM技术简介
1．DWDM对光纤性能的要求
DWDM是密集的多波长光信道复用技术，光纤的非线性效应是影响WDM传输系统性能的主要因素。光纤的非线性效应主要与光功率密度、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；色散与各种非线性效应之间的关系比较复杂，其中四波混频随色散接近零而显著增加。随着WDM技术的不断发展，光纤中传输的信道数越来越多，信道间距越来越小，传输功率越来越大，因而光纤的非线性效应对DWDM传输系统性能的影响也越来越大。
克服非线性效应的主要方法是改进光纤的性能，如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，以减小四波混频效应；减小光纤的色散斜率，以扩大DWDM系统的工作波长范围，增加波长间隔；同时，还应尽量减小光纤的偏振模色散，以及在减小四波混频效应的基础上尽量减小光纤工作波段上的色散，以适应单信道速率的不断提高。
2．DWDM系统中的光源
密集波分复用系统中的光源应具有以下4点要求：(1)波长范围很宽；(2)尽可能多的信道数；(3)每信道波长的光谱宽度应尽可能窄；(4)各信道波长及其间隔应高度稳定。因此，在波分复用系统中使用的激光光源，几乎都是分布反馈激光器(DFB-LD)，而且目前多为量子阱DFB激光器。
随着科学技术的发展与进步，用在波分复用系统中的光源除了分立的DFB-LD、可调谐激光器、面发射激光器外，还有两种形式。其一是激光二极管的阵列，或是阵列的激光器与电子器件的集成，实际是光电集成回路(OEIC)，与分立的DFB-LD相比，这种激光器在技术上前进了一大步，它体积缩小、功耗降低、可靠性高，应用上简单、方便。另一种新的光源——超连续光源。
超连续光源，确切地说应该是限幅光谱超连续光源(Spectrum Sliced Supercontinuum Source)。研究表明，当具有很高峰值功率的短脉冲注入光纤时，由于非线性传播会在光纤中产生超连续(SC)宽光谱，它能限幅成为许多波长，并适合于作波分复用的光源，这就是所谓的限幅光谱超连续光源。
3．实现DWDM的关键技术和设备
实现光波分复用和传输的设备种类很多，各个功能模块都有多种实现方法，具体采用何种设备应根据现场条件和系统性能的侧重点来决定。总体上看，在DWDM系统当中有光发送/接收器、波分复用器、光放大器、光监控信道和光纤五个模块。
（1）光发送/接收器
光发送/接收器主要产生和接收光信号。主要要求具有较高的波长精度控制技术和较为精确的输出功率控制技术。两种技术都有两种实现方法。常用控制波长的方式包括：温度控制，使激光器工作在恒定的温度条件下来达到控制精度的要求；波长反馈技术，采用波长敏感器件监控和比较激光器的输出波长，并通过激光器控制电路对输出波长进行精确控制。
（2）波分复用器
波分复用器（OMD）包括合波器和分波器。
光合波器用于传输系统发送端，是一种具有多个输入端口和一个输出端口的器件，它的每一个输入端口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。
光分波器用于传输系统接收端，正好与光合波器相反，它具有一个输入端口和多个输出端口，它将多个不同波长的光信号分离开来。
光合波器一般有耦合器型、介质膜滤波器型和集成光波导型等种类。光分波器主要有介质膜滤波器型、集成光波导型、布拉格光栅型等种类。其中，集成光波导技术使用最为广泛，它利用光平面波导构成N×M个端口传输分配器件，可以接收多个支路输入并产生多个支路输出，利用不同通道的置换，可用作合波器，也可用作分波器。具有集成化程度高的特点，但是对环境较为敏感。
（3）光放大器
光放大器可以作为前置放大器、线路放大器、功率放大器，是光纤通信中的关键部件之一。目前使用的光放大器分为光纤放大器（OFA）和半导体光放大器（SOA）两大类，光纤放大器又有掺饵光纤放大器（EDFA）、掺镨光纤放大器（PDFA）、掺铌光纤放大器（NDFA）。其中，掺饵光纤放大器（EDFA）的性能优越，已经在波分复用实验系统、商用系统中广泛应用，成为现阶段光放大器的主流。对EDFA的基本要求是高增益且在通带内增益平坦、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振不相关等。半导体光放大器（SOA）早期受噪声、偏振相关性等因素的影响，性能不达到实用要求，后来在应变量子阱材料的SOA研制成功后，再度引起人们的关注。SOA结构简单、适于批量生产、成本低、寿命长、功耗小、还能与其它配件一块集成以及使用波长范围可望覆盖EDFA和PDFA的应用。
（4）光监控通道
根据ITU-TG.692建议要求，DWDM系统要利用EDFA工作频带以外的一个波长对EDFA进行监控和管理。目前在这个技术上的差异主要体现在光监控通道（OSC）波长选择、监控信号速率、监控信号格式等方面。
4．DWDM应用
DWDM既可用于陆地与海底干线，也可用于市内通信网，还可用于全光通信网。
市内通信网与长途干线的根本不同点在于各交换局之间的距离不会很长，一般在10km上下，很少超过15km的，这就不用装设线路光放大器，只要DWDM系统终端设备成本足够低就将是合算的。已有人试验过一种叫做MetroWDM都市波分多路系统的方案，表明将WDM用于市内网的局间干线可以比由TDM提升等级的办法节省约３０％的费用。同时WDM系统还具有多路复用保护功能，对运行安全有利。交换局到大楼FTTB或到路边FTTC这一段接入网也可用DWDM系统，或可节省费用或可更好地保护用户通信安全。
利用DWDM系统传输的不同波长可以提供选寻路由和交换功能。在通信网的结点处装上波长的光的插分复接器WADM OADM，就可以在结点处任意取下或加上几个波长信号，对业务增减十分方便。每一结点的交叉连接也会是波长的或光的交叉连接WXCOXC。如果再配以光波长变换器OTU或光波长发生器，以使在波长交叉连接时可改用其他波长则更加灵活适应需要了。这样整个通信网包括交换在内就可完全在光域中完成，通信网也就成了“全光通信网AON ”，即多波长光通信网MONET。无疑，DWDM在构建AON中起了关键作用。
