CWDM粗波分复用技术的发展

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CWDM粗波分复用技术的发展

Cww.net.cn 2003年9月25日 09:14 通信世界网
南京邮电学院    范忠礼
    编者按：通信技术和业务的发展掀起了全球通信网络建设的高潮，从而引发了DWDM技术的迅速发展和应用。但由于成本等原因，DWDM产品在城域网中的应用受到阻碍，因此，人们又开发出CWDM技术和产品以降低城域网的建设成本。最近，有关CWDM技术的定位、发展趋势和应用范围等问题引起了人们的关注。本期“专家答疑”栏目邀请南京邮电学院范忠礼教授就CWDM技术的相关问题进行了解答。               

    Q ：CWDM粗波分复用技术提出的背景是什么？
    A：CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing )粗波分复用技术是从DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）演变而来的，CWDM早在80年代初期就曾经被尝试过，例如 Quante企业推出了一种工作在850nm窗口的四波长系统，每波长传输的信号速率为140Mbit/s。二十世纪80年代末大家曾在LAN上使用普通LD、LED和PIN，利用多模光纤850nm和1300nm窗口传送视频、话音和数据信号，其系统对器件要求不严，成本极低，这就是最早的粗波分的设想与应用，而电信运营商并未对CWDM技术产生明显的兴趣。近年来，由于城域网及接入网的发展应用，需要寻求更加经济有效扩展带宽，这种情况才发生了改变。
    1998年3月15日在美国加州MRV Communications实验室里，美籍华人詹裕恒博士与马克汉布可(Mark Heimbuch)博士利用无致冷半导体激光器以及其他无源器件设计出粗波分复用器，如此一来就可以制造较低价的通信系统应用到短途的城域网及接入网。利用CWDM无致冷激光器及相应无源器件组装成第一套四波段CWDM模块很快研制成功。1999年4月14日，MRV又推出了第一台结合CWDM与Gigabit超高速以太网的开关路由器(GFS3016 GigabitSwitch Router)，打入韩国城域网的应用市场。2000年2月由于CWDM开发成功，MRV的光纤器件部以及上诠光纤同意合并成立新企业专攻CWDM在城域网及接入网上的应用市场。合并后3月30日即宣布推出第一个由CWDM组成的10 Gbit/s的收发器(Transcelver)模块。目前又有很多企业生产出CWDM系统产品在城域网和接入网的应用。
    2002年5月，ITU-T第15研究组通过了G.694. 2 CWDM中心波长标准的建议，这将促进CWDM产品普遍为城域网及接入网的应用发展。
    Q  CWDM的工作波长范围是什么？   
    A CWDM和DWDM都是波分复用器件，是根据其复用信道的波长间隔而定义的，从CWDM、DWDM的波长宽带范围可以了解其工作波长和对器件、系统的要求。1
    CWDM系统的结构基本上和DWDM系统相类似，但由于其用于城域传输网，传输距离较短，无需采用光放大器(当然，由于其信号频谱分布很宽，目前也没有这种增益谱有如此宽的韵光放大器)。DWDM的目前宽带范围如图所示为1530nm到1625nm带宽仅为95nm，DWDM通常采用的波长间隔是200GHz（1.6nm）、100GHz(0.8nm)或者50GHz(0.4nm)的波长间隔 。
    在已经使用的大部分光纤中有残留水分，即含OH离子，这使得尤其在1385nm波长附近的光信号衰减较大。该传输损耗会极大限制WDM系统在长距离传输中的使用，这也是DWDM只能使用1500 nm波段窗口的原因之一。而带内受限的EDFA DWDM系统的工作波长／频率是在综合考虑了激光器、滤波、EDFA特性的基础上制定出来的。正是由于波长间隔很小，DWDM能借助于光放大器(EDFA)在C波段长距离传输高密度多波长的光信号。在DWDM系统中采用的DFB激光器的输出波长随温度的变化率通常是0.08nm／℃，因此必须采用致冷电路来稳定DFB激光器的工作温度，以便稳定DFB激光器的输出光波长，从而可避免由于环境温度的波动而造成激光器的输出信号光波长偏离到合波器或者分波器的滤波带宽之外。
    CWDM传输距离小于DWDM，一般应用的距离小于100公里，可以考虑不用光纤放大器，也就不受限于EDFA的带宽，则光纤可使用的带宽从95nm扩展到345nm，也就是波长从1280nm至1625nm。如果设定的波长间隔为20nm，则在光纤中可有16个频道可用。这种技术方案相对于DWDM来说，频道密度要低得多，因而称之为粗波分复用技术（CWDM）。因频道间隔变大，设备中诸如滤波器等其它器件由于技术要求低就放宽了要求，而且CWDM系统使用的激光器是不需要致冷的，对CWDM激光器的要求也就降低了。
    Q  CWDM相对于DWDM有哪些优势？
    A  CWDM系统的结构基本上和DWDM系统相类似，但在城域网和接入网的应用中，这些优势主要包括更低的硬件成本、功耗和体积更小，同样可提供多种业务的透明传输，并可以得到充分的发挥。
    1．更低的硬件成本
    CWDM相对于DWDM在系统硬件设备、成本和运行维护成本两方面都有明显的优势。首先，DWDM系统需要使用的致冷DFB激光器比CWDM系统使用的无致冷DFB激光器成本高出许多，虽然带致冷的激光器为大容量长距离的核心网DWDM传输系统提供了高性能价格比的解决方案，但城域网与骨干网存在着巨大的差别，因为在核心网中，它的成本被它所服务的大量用户共同分摊。对于城域网或者接入网系统，却必须有容量稍小一些但价格必须更便宜的系统才能满足市场的需要。因为这样的系统主要直接向最终用户提供宽带服务。用于DWDM系统的光收发器的价格比用于CWDM系统的同等的光收发器贵4~5倍，昂贵的DWDM光收发器的价格主要是由一些与激光器有关的因素造成的，其中为了保证很高的波长准确度，激光器管芯的制造成本是一个关键的因素，典型的DWDM激光器的波长精度要求为±0.1nm，而CWDM激光器的波长精度要求为±2.3nm，甚至可以在制造DVD光驱的激光器生产线上制造出来，因此，CWDM激光器管芯制造成本远远低于DWDM激光器管芯制造成本，另一方面，在激光器管芯的封装工艺上也存在着成本的明显差别，用于DWDM系统的激光器必须要将将激光器管芯、Peltier致冷器以及热敏电阻进行蝶型封装，这也比无致冷的CWDM激光器的同轴封装成本更高。
    同样在复用器和解复用器的制造方面也存在成本的巨大差别。以薄膜滤波器为例．在设计滤波器时，用于DWDM系统的滤波器的镀膜层数就远多于CWDM滤波器，因此CWDM滤波器成本自然比DWDM滤波器更便宜。对于比较典型的100GHz间隔的滤波器，通常要进行150层左右的镀膜工艺，而对20nm间隔的CWDM滤波器只需要进行50层左右镀膜即可。可想而知，由于工艺更简单，CWDM滤波器在制造过程中成品率比DWDM滤波器高得多。同时相对于DWDM滤波器而言，CWDM滤波器所用的3端口器件的对准精度要求宽松得多，由于这个原因，有可能采用完全自动化的制造工艺，从而可以更进一步降低生产成本。
    另一方面，CWDM系统所使用的DFB激光器能在一个较宽的温度内进行工作。一般地，在输出光功率为2毫瓦时，中心波长的温漂大约是0.08nm／℃，也就是说在0到70℃范围内激光器的波长漂移在6nm左右，另外在激光器的芯片制造的过程中中心波长大约有±3nm的误差，也就是说整个波长变化范围在12nm以内。因此，滤波器的带宽和激光器的频宽必须足够大以适应CWDM系统中无致冷激光器的波长的变动。典型的CWDM系统的波长间隔为20nm，带宽为13nm，正是由于CWDM激光器可以在一个较宽的温度范围内工作，所以它可以采用结构较为简单的同轴封装形式
    有人担心，由于CWDM相较DWDM对部分器件规格有所放宽，（例如，激光器的温漂特性、滤波器的带宽等），这样会不会影响整个系统的可靠性，其实毋庸担心，CWDM器件规格范围的放宽并不意味着器件质量的下降。道理很简单，同样的环境和制造工艺水平，器件的结构越简单，其可靠性越高；器件的结构越复杂越精密，其可靠性就越低。
    2．功耗更低
    系统的运营成本基本上由维护成本和系统运行所消耗的功率所决定。事实上DWDM系统所消耗的功率远远高于CWDM系统。例如：由于DWDM系统所使用的激光器集成了Peltier致冷器，而由此所采用的温度检测和控制电路将消耗较大的功率，大概每波长需要消耗4瓦左右，而用于CWDM的无致冷激光器及其控制电路每波长只需要约0.5瓦左右的功耗。而一个8个波长的CWDM系统其光发射机的功耗才不过4瓦，而相同容量的DWDM系统的激光器的功率消耗将在30瓦以上，对于更多波长数和更高传输速率的DWDM系统，其单盘的功耗控制是系统设计中的一个十分棘手的问题。
    对于系统运行而言，更低的功率消耗带来的可能不仅仅是电费的节省。因为在通信机房尤其是中心局，电源都将配备蓄电池等进行电源备份，而蓄电池的配备将取决于设备的功率，因此采用无致冷激光器的CWDM系统所带来的低功耗将带来机房电源备用蓄电池的大幅减少，这对于运营商的建设成本也将带来很大的下降。
    3．体积更小
    CWDM激光器要比DWDM激光器小很多。CWDM无致冷激光器的典型结构是激光器芯片和监控光电二极管置于一带玻璃窗口的金属管座内。金属管座与光纤跳线准直或与容纳连接器的陶瓷管准直。大家将金属管座加上陶瓷管所形成的圆柱形封装叫作发射器的光学部分(TOSA)。典型的TOSA的尺寸为长2cm，自径为0．5cm。而DWDM致冷激光器的结构要复杂得多，其典型封装形式为蝶形双排插针，内置激光器，芯片，监控光电二极管，热敏电阻，帕尔帖致冷器。尺寸为4cm长、2cm高、2cm宽。这些器件几乎全是带尾纤输出，并具有热沉、相应的监测和控制电路。因此其尺寸不大可能做得很小。一般来说，DWDM激光器的尺寸约为CWDM激光器尺寸的5倍，
    由于CWDM激光器的尺寸结构以及较简单的控制电路，在单个模块中实现多路光收发器成为可能，目前集成度最高的商用器件已经可以做到将4路transceiver集成在一个尺寸仅为16cmX9cmXl.65cm的模块之中，仅相当于一路DWDM系统光转发器大小。而且CWDM系统还可以不使用光放大器，因此完全有可能将CWDM设备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。
    3．可以提供多种业务的透明传输
    采用多种光转发器单元可以实现多种业务的接入和传输。目前常用的业务接入能力包括：SDH网络、ATM网络、千兆以太网、万兆以太网以及CATV模拟或数字视频信号接口，而且通过子速率复用电路以及专用的业务处理电路还可以实现这些业务的复用、汇聚和疏导，充分提高光波长通道的带宽利用率，同时，还能实现对这些业务的QoS监视，并据此启动业务的保护倒换，提高系统的可靠性和可生存性。（未完待续）


CWDM粗波分复用技术及其标准化进展（下）

Cww.net.cn 2003年9月24日 13:46 通信世界网
南京邮电学院   范忠礼
    编者按：通信技术和业务的发展掀起了全球通信网络建设的高潮，从而引发了DWDM技术的迅速发展和应用。但由于成本等原因，DWDM产品在城域网中的应用受到阻碍，因此，人们又开发出CWDM技术和产品以降低城域网的建设成本。最近，有关CWDM技术的定位、发展趋势和应用范围等问题引起了人们的关注。本期专家答疑栏目邀请南京邮电学院范忠礼教授就CWDM技术的相关问题进行了解答。                       

    Q ： CWDM产品现状及在城域网中应用前景如何？
    A ：在CWDM在其国际标准产生之前，已有一些企业已推出CWDM相关产品。美国LuxN企业出品的CWDM模块支撑8个CWDM信道，或者支撑4个CWDM信道加16个DWDM信道。将来这些系统有望在1290nm到1610nm的频谱内扩展到16个CWDM复用波长。美国Nbase Xyplex企业也推出了类似的CWDM系列设备，而且系统具有全面的网络管理功能，能对设备远程监控、配置和告警。而Ocular企业推出的采用CWDM技术的产品有OSX-6000和0SX-1000两个系列的交换设备，其最大特色在于能为高端用户提供专用波长信道服务和SAN服务。前不久，时代华纳企业已签署长期采购协议，将用包含CWDM模块的WavSystem设备在纽约、俄亥俄等地部署千兆城域网等。北电网络的passport 8600 系列路由交换机支撑通过千兆以太组成城域网骨干，用具有8种彩色波长的CWDM GBIC模块，目前已在我国城域网应用，在我国，最近已有企业如上诠、朗光等也陆续推出CWDM产品。在光纤方面，日本住友电气推出了两种最适于CWDM的Metro低水峰 （LWP）光纤。该光纤最大限度消除纤中OH离子残留量，降低了传输损耗。具体来说，是将1385nm附近的传输传输损耗降低到与1310nm段损耗同等以下的水平，便于1260 nm到1625 nm全光波段波分复用。此外，康宁、朗讯等企业也生产出低含水量光纤。预计这些光纤的使用，将极大促进CWDM技术的广泛应用。
    DWDM系统通常采用的波长间隔是200GHz(1.6nm）、100GHz(0.8nm)或者50GHz(0.4nm)的波长间隔，当然将来可能还将会使用更窄的波长间隔。通常在CWDM系统中的通道间隔为20nm，而滤波器的通带宽度为13nm左右。对于光通道数在16路或少于16路时，CWDM系统相对于DWDM系统具有十分明显的优势，这些优势主要包括成本更低、功耗更小，而且体积更小。更低的硬件成本，同样可以提供多种业务透明传输，只不过CWDM是成本和性能的折中和最优化，因此它的应用也是广泛的，尤其是目前在城域网和接入网应用十分有前途的技术如：A-PON、E-PON 、RPR（弹性分组环）、千兆以太网、万兆以太网、CATV等都是可以使用CWDM技术，适宜MSO（多种业务运营商）及其它电信业务提供者以提高其竞争优势，前景十分看好。
    例如，在下一代城域智能光网络中，在光网络接点集成MPLS流量工程控制技术,如果用CWDM的一个波长作为信令通道，在此通路上MPLS接点可以发送和接收标签分发（LDP）协议或RSVP等信令信息，通过对信令信息的处理，可以对波长通道进行交换选择。显然用CWDM在城域网络实现智能化既灵活、动态又经济。
    Q：CWDM系统的标准化进展如何？
    A：CWDM系统的标准化工作首先要解决的是所使用的光波长的标准化，其次还有相应的宽带光滤波器以及所涉及到更宽可用频带的光纤的标准化等问题。CWDM的标准化工作已取得进展。2001年2月在日内瓦举行的ITU-T  SG15研究组会议上，郎讯科技提出了CWDM频率划分进行了标准化的建议，并推荐了两种频率划分方案（D，55（GEN/15）。
    方案一是用20nm间隔，具体波长如下：
    O-Band：1270 nm、1290 nm、1310 nm、1330nm；
    E-Band：1370 nm、1390 nm、1410 nm、1430nm；
    S+C+L-Band：1470 nm、1490 nm、1510 nm、1530 nm、1550 nm、1570 nm、1590 nm、1610nm。
    在该方案中，1350nm、1450nm两个波长没有被推荐，其目的是为了在实际应用中使用带通滤波器而留出足够的保护带。
    方案二是以IEEE802.3ae关于10G比特Ethernet的建议推荐的波长为基础，其通道间波长间隔为24.5nm，具体波长如下：
    O-Band：1275.7 nm、1300.2 nm、1324.7 nm、1349.2；
    E-Band：1380 nm、1400 nm、1420 nm、1440 nm；
    S+C+L-Band：1470 nm、1490 nm、1510 nm、1530 nm、1550 nm、1570 nm、1590 nm、1610 nm。
    和方案一相比较，方案二在E-band两边只留出了30nm的保护带，而方案一留出的保护带宽度是40nm。同时对于方案一来说，采用了1310nm波长，这个波长是光纤通信第一窗口的中心波长，有现成的激光器可以使用。对于S+C+L-Band的波长选择来说，两种方案是完全一致的。
    在2001年10月ITU-T第15研究组会议上，Hitachi、Fujitsu、NEC、Oki Electric lndustry等日本企业联合提出了为CWDM起草新的建议，指出CWDM系统作为一种短距离低成本的光传输解决方案，除了有必要对其波长选择进行标准化之外，还应该对其他相关内容进行规范。比如CWDM系统的光谱如此之宽，覆盖了O-Band、E-Band以及S+C+L-Band等几百nm宽的频带，而且对于不同的光纤，其具体情况也会不同，因此应该对其进行新的应用代码以及应用分类等的标准化。
    经过ITU-T第15研究组Q．16／15专家组讨论以后，认为有必要对CWDM应用的波长栅格进行标准化，并进一步达成共识，认为应该起草一个新的建议专门对CWDM系统的波长选取进行定义，并计划在2002年4～5的会议上对其进行consent。通过了新建议范围的描述：“本建议的目的是提供一个能支撑CWDM应用的波长栅格的定义，波长栅格的设计允许若干间隔足够宽的波长同时传输以便可以使用不致冷光源”，在2002年5月份ITU-T SG15研究组会议上，通过的CWDM波长栅隔标准，正式名称为： G.694.2 Spectral grids for WDM application: CWDM wavelength grid 。
    其中规定的具体波长如下：1270nm、1290 nm、1310 nm、1330 nm、1350 nm、1370 nm、1390 nm，1410 nm、1430 nm、1450 nm、1470 nm、 1490 nm、1510 nm、1530 nm、1550 nm、1570 nm、1590 nm、1610 nm。比2001年2月在日内瓦举行的ITU-T SG15研究组会议上郎讯科技提出的CWDM频率划分进行了标准化的建议多了两个波长即1350 nm和1450 nm，共18个中心波长，不过两边端点的波长只是一个示例，意思是波长栅隔选取还可以按照此规律向两边扩展。CWDM标准化工作的进展，无凝将推动CWDM市场的应用。   

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