CWDM标准与关键技术剖析

CWDM

1 CWDM的技术标准

CWDM是指信道之间的波长间隔较大的一种波分复用，即人们所称的粗波分复用。CWDM （粗波分复用）技术的出现使运营商找到一种低价格、高性能的传输解决方案，由于CWDM 具有低成本、低功耗、小体积等诸多优点，在城域传送网已经有了一定应用。许多国内外制造商也开始研发和陆续推出产品，ITU也在加速其标准化进程。CWDM技术提高了光纤利用率，给运营商和用户以更大的灵活性。

1.1 ITU－T的CWDM建议。

ITU－T面向城域网，2002年制定了G.694.2标准“针对WDM应用的光谱间隔：CWDM波长间隔”。在1270～1610nm范围内，建议了波长间隔20nm的18个可用波长，可以在G.652光纤上使用，如图所示。

1.2 IEEE的10GbE系列标准。

图1 1ITU－T G.694.2建议的CWDM波长可用范围和波长间隔

该系列主要包括850nm窗口的10GBaseSX-4 CWDM和1310nm窗口的10GBaseLX－4CWDM两个标准。10GBaseLX-4 CWDM同］TU－T建议1310nm窗口的标准相似，只是其波长间隔为24.5nm，即WWDM。由于仅采用了4个波长，波长间隔较大的信道之间能够容许更大的色散，每个信道传输速率可以达到3.125Gb/s，传输距离超过10km。在1310nm 窗口建议的可选信道波长为：1275.7nm（1269.0～l282.4nm）；1300.2nm（1293.5～1306.9nm）；1324.7nm（1318.0～1331.4nm）：1349.2nm（1342.5～1355.9nm）。

1.3 0IF的VSR－5标准。

在40Gb/s的VSR5中的4×10CWDM方案中，4路传输速率为10.264Gb/s至11.09Gb/s的并行数据信号，分别驱动4个波长在1269.0nm至1355.9nm的激光器。每个激光器的中心波长间隔为24.5nm，同IEEE的标准一致。从这些激光器发出的光经一个光复用器耦合到一根普通的单模光纤中，复用后的光信号以39.813Gb/s至43.018Gb/s的速率在光纤链路上传输。以上几个国际建议标准，趋向于统—采用波长间隔24.5nm的IEEE和0IF建议。这样在1260～1625nm的波长范围内，可用波长数为17个，16个波长可以在城域网或者局域网的范围内分配给用户使用，剩余一个波长用做管理信道。

2 CWDM系统优点

CWDM系统的最大的优势在于成本低，其主要表现在器件、功耗、集成度几个方面。

2.1 器件成本低

CWDM技术将大大降低建设和运维成本，特别是激光器和复用器/解复用器成本。对于波长间隔小于50GHz DWDM系统，激光器需要采用精密的温度控制电路来控制波长，有时需要采取波长锁定器等来保证波长的准确性和稳定性。光复用器（滤波器型）则需要精确的上百层多层介质膜器件，为了防止同频和异频串扰，还必须采用多次滤波等。而CWDM则不需要激光器制冷、波长锁定和精确镀膜等复杂技术，大大降低了设备成本。

2.2 功耗低

DWDM系统激光器集成了Peltier致冷器，采用的温度检测和控制电路消耗较大的功率，每波长需要消耗4W左右，CWDM的无致冷激光器及其控制电路每波长只需要约0.5W左右。对于多波长和高速率的DWDM系统，单盘功耗控制是系统设计中的一个困难问题。采用无致冷激光器的CWDM系统的低功耗减少电源备用蓄电池，降低成本。

2.3 体积小，集成度高

CWDM激光器物理尺寸上远小于DFB激光器。DWDM光发射机尺寸是CWDM光发射机的5倍左右。由于CWDM激光器结构和简单的控制电路，单个模块可以实现多路光收发，目前商用器件已经做到4路transceiver集成在一个尺寸仅为16cm′9cm′1.65cm的模块，相当于一路DWDM系统光转发器大小。CWDM系统不使用光放大器，因此有可能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 CWDM系统的关键技术

3.1 传输介质。

由于CWDM在1260～1625nm的范围内采用了等间隔的波长信道，因此，推荐的传输介质是无水峰的ITU－T的G.652C光纤。但是对于波长数量较少的情况，可以避开水峰，例如VSR5的4×CWDM方案，采用普通G.652光纤即可。

色散位移G.653光纤由于四波混频等非线性效应的影响，对于C波段的DWDM系统不适用。四波混频效应是影响C波段DWDM传输系统性能的主要因素，它主要与光功率密度、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。DWDM通过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，减小光纤的色散斜率，增加波长间隔等方法来减小四波混频等非线性效应。但是对于CWDM系统，波长间隔超过20nm，并且传输距离相对较短，四波混频造成的信道串扰影响要小得多。因此G.653光纤也是CWDM系统的可选传输介质。

3.2 光源。

直接调制的无制冷分布反馈（Distributed Feedback Bragg，DFB）激光器的线宽窄，输出功率达到1mW，直接调制速率可以达到2.5Gb/s，在G.652光纤上传输距离能够超过80km，是比较理想的CWDM光源。光源的线宽和波长信道间隔直接决定了CWDM和DWDM所采用的激光器的不同。波长信道间隔决定了光源容许的由于制作工艺、温度特性及调制电流等造成的中心波长漂移范围。在DWDM系统中，由于工作波长较为密集，一般波长间隔只有几个纳米到零点几个纳米，因此要求用于系统使用的激光器波长必须精确，并具有良好的稳定性，要有与之相配套的波长检测与稳定技术。

ITU－T的G.694.2建议CWDM光滤波器的保护带宽等于信道间隔的三分之一，因此对20nm 间隔的信道，可用光滤波器的带宽不能超过13nm，因此CWDM光源的中心波长漂移不超过6.5nm即可。其温度特性较DWDM方案的要求也相对降低，在0～70℃范围内，波长漂移可以达到±4.2nm。

同DWDM技术采用的DFB光源相比，CWDM采用的无制冷DFB光源具有更大的优势，

其封装体积小，可以达到0.5cm×0.5cm×0.1cm，单个封装好的激光器功耗为0.25W，电光转换效率达到0.4％。而DWDM的光源由于要求的波长漂移小，必须进行制冷，因此其体积和功耗相对较大，经过封装后的体积是没有制冷的DFB激光器的8倍，功耗达到5W，电光转换效率只有0.02％。因此，CWDM的激光器成本只有DWDM所采用的激光器成本的四分之一到五分之一。

VCSEL是CWDM系统的另一个可选方案。VCSEL谐振腔的构造方式，决定了其成本比DFB 激光器更低，无须制冷，封装简单，易于集成，特别适合二维和三维光互联。在850nm窗口，主要采用了VCSEL激光器作为光源。在1310nm窗口，随着VCSEL技术的成熟，其成本进一步降低，CWDM标准倾向于采用VCSEL。在长波长1550nm的窗口，同DFB激光器相比，由于工艺水平限制，虽然阈值电流只有1～2mA，但是其输出光功率要低一些，很难达到0dBm。DWDM系统的多波长光源的最简单结构是将不同波长的LD排列在一块晶片上的阵列化光源，但因成品率低，基片尺寸大，使每块晶片的收容率降低，显示不出低成本的优点。而VCSEL阵列特别适合于多波长的CWDM系统，因此随着工艺水平的进步，在整个可用波长范围内，VCSEL是比较有竞争力的可选光源之一。

3.3 接收器。

同DWDM光传输系统相比，在CWDM方案中，光电探测器的响应带宽要相对宽一些，要求能够覆盖整个的ITU CWDM方案的波长范围，由光电探测器前的光滤波器实现信道间的区分。宽带的PIN和APD均可以作为光电探测器，PIN的价格低一些，APD则可以提供9～10dB的增益。在接收器中对电路也要采用宽带跨阻放大器（Trans Iinpedance Amplifiers，TIA），以提高灵敏度。典型的2.5Gb/s光接收系统，在误码率10-10的条件下，采用PIN/TIA，其接收灵敏度为－24dBm，采用APD/TIA，接收灵敏度可以达到-33dBm。

3.4 CWDM光复用/解复用器和光分插复用（OADM）。

光复用器和解复用器都是WDM系统的重要组成部分，一般为无源器件。光复用器用于在传输系统的发送端，是一种具有多个输入端口和一个输出端口的器件。光复用器的每一个输入端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。而光解复用器的作用与光复用器正好相反，它的作用是在传输系统的接收端将对端设各发送过来的多个波长光信道分开。用于光复用/解复用器的光滤波器器件的性能优劣对系统传输质量有决定性的影响。它们的主要性能指标是插入损耗和串扰。通常要求光滤波器的插入损耗低且单个通道的损耗偏差小，通道内损耗平坦，通路间的隔离度高，偏振相关性好和温度稳定性好。根据ITU－T的建议，单路CWDM光滤波器的带宽应在13nm范围内平坦，插入损耗1dB 左右，8信道复用/解复用滤波器的插入损耗为4dB。信道间隔离度大于30dB。

目前CWDM的光滤波器通常采用光学介质薄膜技术实现，其温度漂移可以达到0.002nm/℃，相当于在±35℃范围内温度变化时，滤波器中心波长偏移在±0.07nm范围内。由于要求的滤波器带宽较宽，在技术上容易实现，例如，20nm带宽的滤波器，大约50层的膜系就可以实现。同样采用光学介质薄膜的DWDM光滤波器由于要求带宽窄，要达到200GHz的带宽，需要超过100层的膜系实现，因此DWDM通常采用光纤光栅实现，造价相对较高。

图3 1是CWDM中常用的光复用/解复用器和OADM方案。

图3 1采用5个节点、8个波长的CWDM方案

从图中可见，8路CWDM滤波器和4路OADM中采用相同的基于介质薄膜的光纤集成滤波器，波长间隔20nm。波长1、3、5、7分别在每一个节点下路，在双向传输系统中，波长2、4、6、8可以用做上行信道，在单向传输系统中，则可以用做下行信道的上路信号。如果光纤的损耗为0.4dB/km，在系统灵敏度为-33dBm的条件下，考虑到每个OADM的插入损耗为1dB，则该系统端到端传输距离可以达到60km，平均每段用户间距离为15km，每段光纤损耗为6dB。

基于OADM的CWDM的工作方式主要有两种，即双纤单向传输和单纤双向传输。在双纤单向传输方式中，一根光纤只完成一个方向光信号的传输，反向光信号的传输则由另一根光纤来完成。因此，同一波长在两个方向上可以重复利用。这种CWDM系统可以充分利用光纤的巨大带宽资源，可以灵活地通过增加波长来实现扩容。4×10CWDM VSR5系统采用的就是这种工作方式。

单纤双向传输是将两个方向的光信号在一根光纤中同时传输。两个方向的光信号安排在不同的波长上。这种工作方式允许单根光纤携带全双工通路，因此，可以比单向传输节约一半光纤器件。缺点是系统需要采用特殊的方式来减少光反射的影响，以防多径干扰。

3.5 光放大和再生。

通常在短距离传输系统中，例如VSR5系统，传输距离小于2km，一般不需要进行光放大。在城域网范围内，为了扩大传输距离，需要进行光放大和再生，其原理和要求同WDM技术相似。可以是简单的单路幅度放大，即1R（Re－Amplifier），如在图2中，在节点4下路后的波长7可以经过一次光放大后，继续在节点4上路进行传输。也可以是3R（Re－Amplifying，Re－Shaping，Re－Timing）再生，这就需要对所有的波长进行光功率平衡，并且要求宽带光放大器，如半导体光放大器（SOA）和拉曼光纤放大器。

SOA是采用与激光器相类似的工艺而制成的一种行波放大器。当偏置电流低于振荡阈值时，激光二极管就能对输入相干光实现光放大作用。由于半导体放大器具有体积小、结构简单、功耗低、寿命长、易于同其他光器件和电路集成、适合批量生产、成本低和可实现增益兼开关等特点，因此在全光波长变换、光交换、谱反转、时钟提取和解复用中的应用受到了广泛的重视，特别是应变量子阱材料的半导体光放大器的研制成功，更引起了人们对SOA的广泛研究兴趣。由于半导体光放大器覆盖了1300～1600nm波段，既可用于1300nm窗口的光放大，也可用于1550nm窗口的光放大。

受激拉曼散射是光纤中的一种非线性现象，它将一小部分入射光功率转移到频率比其低的斯托克斯波上。如果一个弱信号与一个强泵浦光波同时在光纤中传输，并使弱信号波长置于泵浦光的拉曼增益带宽内，弱信号光就可以得到光放大。拉曼光纤放大器就是利用光纤的这种SRS效应而制成的放大器。理论上只要有合适的泵浦光，就能够得到任意波长光信号的放大，成功地解决了EDFA放大区域小的缺点。

拉曼光纤放大器的优点主要有如下几个方面：①增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具有良好的兼容性；②增益波长由泵浦光波长决定，不受其他因素的限制；③增益高，串扰小，噪声指数低，频率范围宽，温度稳定性好等。

拉曼光纤放大器可在1292～1660nm光谱范围内进行光放大，这大大超过了EDFA的增益带宽。由于增益介质为普通光纤，可制作分立式或分布式拉曼光纤放大器。分布式拉曼光纤放大器可以对信号光进行在线放大，增加光放大的传输距离，应用于40Gb/s的高速光网络中，也特别适用于海底光缆通信系统。

4 CWDM设备技术开发状况

CWDM由于具有器件成本低、设备体积小、功耗低、可靠性高的优点，在城域网、接入网、光纤区域存储网中得到青睐。它的传输距离短、复用波长少的缺点在这些应用环境中变得可以接受。特别是在城域网中，它与密集波分复用技术互相补充，能提供性价比很高的建网方案。从2001年开始，不断有设备制造商推出CWDM设备，并在相关行业得到应用。国外的Luminent，ONI，Sorrento，Transmode，LuxN，AFC等公司在2001年就推出CWDM产品。Nortel、CISCO等在2002年也有产品推出，或在其设备中增加CWDM接口和功能。国内烽火通讯公司的CWDM系统在2002、2003年已在国内几个地方开通了实验工程。下面是有代表性的几加国内外公司的产品对比。

表4 1几个厂商的CWDM设备对比

其它可升级到16波有一个升级通道智能3R功能信号协议自动识别CWDM/DWDM公用平台可选用DWDM保护方案信号采用SONET/SDH包封。

目前已铺设的光纤多数是常规的G.652光纤，在1385nm附件存在水吸峰。因此绝大部分CWDM设备采用从1470～1610nm的八个波长作为工作波长。当然，对于采用朗讯的全波光纤(All Wave)和康宁的城域光纤(MetroCore)的网络，则可以使用全部波长。多数厂家的CWDM设备采用标准19英寸的子架式结构，这种结构使设备具有模块特性，可根据需要配置波长，也方便以后的升级。各厂商的设备都能提供220V交流电源或通信机房一般采用的-48V直流电源输入，方便不同行业的客户应用。甚至有的厂家的设备可以在室外环境应用。网管方面则采用相对较简单的Telnet和SNMP协议。传输距离则是目前CWDM设备的一个弱项。因为不使用光放大器，实际应用传输距离通常不超过50km。上表中标出的传输距离是各厂家宣传的数据，实际传输距离与信号速率以及光纤衰耗等有关，再考虑工程余量，很难达到80km。下表是点到点CWDM系统的功率预算。从中可以看出其传输距离是有限的。当然对于局域网和城域网的应用而言，能适应大多数应用场合。

表4 2点到点CWDM系统的传输距离

备注：

1. 光复用器及解复用器(8路)的插损定为(带连接头)3.3dB。

2. 线路衰耗考虑为0.3dB/km，蓝色斜体为线路衰耗考虑为0.275dB/km。

CWDM设备的发展趋势是小型化、低成本。垂直腔面发射激光器(VCSEL)成本低廉，在850nm的产品已经比较成熟，在1300nm和1550nm的VCSEL技术也正在取得进展。一旦VCSEL技术的CWDM激光器取得突破，将会使设备成本进一步降低。小封装、热插拔、具有数字诊断功能的CWDM光模块正在成为CWDM设备的主流接口。10Gbps速率的小封装光模块正在成熟，下一步将向CWDM应用发展，从而将CWDM系统的容量大大提高。价格低廉的薄膜滤波器是CWDM设备的主流器件，体积不断向小型化发展。同时，CWDM 系统也在向长距离发展。2002年9月12日，开发线性光放大器(LOA)的Genoa公司在ECOC 上同Finisar，OFS以及瑞典设备厂商Transmode一起展示了世界首个160公里无中继4通道CWDM系统。此次展览，OFS提供全波光纤，Finisar提供光模块，Genoa则提供了针对CWDM系统应用的放大器。Genoa的线性放大器在1500nm到1610nm范围内增益大于10dB，适合CWDM系统应用。在OFC2003上，日本Sumitomo公司报道了采用分布式喇曼放大技术的CWDM光放，净增益为10dB，增益带宽可达140nm，覆盖从1470nm～1610nm的8个常用CWDM波段。OFS公司报道了在全波光纤上传输16×2.5Gb/s信号的CWDM系统实验，其中1410nm的波长采用SOA,1510nm～1610nm的四个波长采用Genoa公司的LOA，传输距离可达125km[3，4]。