全面了解WDM波分复用

文章导读
1. 什么是WDM波分复用 以及WDM工作原理
2. 通用WDM系统的基本结构
3. WDM波分复用的优势
4. 什么是复用Mux和解复用Demux？
5. WDM波分复用器 和 光分路器的区别
6. 影响WDM波分复用器的性能指标有哪些？
7. 如何区分O、E、S、C、L、U波段波长？
8. 什么是CWDM, DWDM, FWDM, LWDM, MWDM？

什么是WDM波分复用 以及WDM工作原理
在同一根光纤中同时让两个或两个以上的光波长信号通过不同光信道各自传输信息的技术称之为波分复用技术（WDM）。WDM (Wavelength Division Multiplexing) 是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带着各种信息），在发送端经过合波器（Multiplexer）汇合在一起，并耦合到同一根光纤中进行传输，而在接收端经分波器（Demultiplexer）将各种波长的光信号分离出来，然后由光接收机进一步处理恢复为原信号。

简单来说，可以看下图，在传统传输模式中，一根光纤只能传输携带一种信息的光载波信号，如果是要不同的业务，就需要无数根不同的、独立的光纤来进行传输。但如果业务信息量多的话，就需要铺设大量的光纤来进行传输，这对布线空间以及成本都是一个极大的挑战。而一个WDM系统的应用则可以快速解决上述问题。WDM系统可以承载多种格式的“业务”信号，如ATM、IP等，通过复用、解复用的技术将多种业务信号通过一根光纤就可传输，大大的减少了光纤用量，是网络扩充和发展中理想的扩容手段。 在引入宽带新业务，比如CATV, HDTV, B-ISDN等，只需要增加一个附加波长即可。

通用WDM系统的基本结构

WDM系统的基本构成主要分双纤单向传输和单纤双向传输两种方式。双纤单向是指所有光路同时在一根光纤上沿同一方向传送，不同的波长承载不同的光信号，在发送端复合通过一根光纤进行传输，在接收端经解复用，完成多路光信号的传输，而反方向则通过另一根光纤传送。两个方向的传输分别由两根光纤完成。单纤双向是指光通路在一要光纤上同时向两个不同的方向传输，所用的波长相互分开，以实现彼此双方全双工的通信联络。


通用的WDM系统主要由网络管理系统、光发送机、光中继放大、光接收机、光监控信道五个部分组成。

WDM系统总体结构示意图

其中简单的WDM系统里面主要有收发器、WDM波分复用器、跳线、暗光纤组件。


在整个WDM系统中，光波分复用器和解复用器是WDM技术中的关键部件，其性能的优劣对系统的传输质量具有决定性作用。

WDM波分复用的优势
大容量
WDM的一个重要特点是可以充分利用光纤的带宽资源，在不改变现有网络基本架构的基础上，增加数据传输容量，使一根光纤的传输容量比单波长增加多倍。如DWDM系统在一对光纤中最多可支持192个波长，每个波长的传输能力高达100Gbit/s ~约400Gbit/s和一个Terabit / s。

兼容性好
WDM对不同的信号具有很好的兼容性，在同一根光纤中传输图像、数据及话音等不同性质信号时，各个波长相互独立，互不干扰，保证传输的透明性。

高度的网络灵活性，经济性和可靠性
波分复用技术允许在不中断现有流量服务的情况下根据需要连接新通道，从而使升级变得更加容易。在网络升级和扩容时，无需对光缆线路进行改造，增加波长即可开通或叠加新业，在大容量长途传输时节省大量光纤和3R再生器，传输成本显著下降。

波长路由
WDM技术是实现全光网络的关键技术之一。在将来有望实现的全光网络中，通过改变和调整光信号在光路上的波长，可以实现各种电信业务的上/下和交叉连接。

什么是复用Mux和解复用Demux？
复用器MUX
合波器MUX的主要作用是将多个信号波长合在一根光纤中传输。在发送端，N个光发射机分别工作在N个不同波长上，这N个波长间有适当的间隔分隔，分别记为λ1，λ2...λn。这N个光波作为载波分别被信号调制而携带信号。一个合波器将这些不同波长的光载波信号进行合并，耦合入单模光纤。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。通过多路复用，通信运营商可以避免维护多条线路，有效地节约了运营成本。

解复用器DEMUX
分波器DEMUX的主要作用是将一根光纤中传输的多个波长信号分离出来。在接收部分由一个分波器将不同波长的光载波信号分开， 由光接收机作进一步处理以恢复原信号。多路复用器(Demux)是一种对多路复用器进行反向处理的设备。

从原理上说，该器件是互易（双向可逆）的，即只要将解复用器的输出端和输入端反过来使用，就是复用器。

WDM波分复用器 和 光分路器的区别
有很多人不能理解波分复用和光分路器之间的区别。简单点来说，WDM是将线路中多个波长的光分开单独传输，当然也可以复合多个波长的光一起传输；分路器是将一个波长的光按照使用的分成多束传播，各束光的功率按照所使用的分路器规格来定。两者的最重要区分就在前者是可以复合传输各种业务波长的光信号，而后者是仅仅传输一个波长的光来按照一定的分光比例来分光。


影响WDM波分复用器的性能指标有哪些？
1. 工作波段
WDM器件的工作波段，如1550波长区分三个波段：S波段（短波长波段 1460~1528nm）、C波段（常规波段 1530~1565nm）、L波段（长波长波段 1565~1625nm）。

2. 信道数和信道间隔
信道数指波分复用/解复用器可以合成或分离的信道的数量，这个数字可以从4到160不等，通过增加更多的频道来增强设计, 常见的信道数有4、8、16、32、40、48等。信道间隔（channel spacing）是指两个相邻信道的标称载频的差值，可以用来防止信道间干扰。按ITU-T G.692的建议，间隔小于200GHz(1.6nm)的有100GHz（0.8nm）、50GHz（0.4nm）和25GHz等，目前优先选用的是100GHz和50GHz信道间隔。

3. 插入损耗
插入损耗是光传输系统中波分复用器(WDM)插入引起的衰减。 波分复用器本身对光信号的衰减作用，直接影响系统的传输距离。通常地，插入损耗越低，信号衰减越少。

4. 隔离度
隔离度指各个波道信号之间的隔离程度， 隔离度值高能够有效防止信号之间相互串扰导致传输信号失真。

5. 偏振相关损耗PDL
偏振相关损耗PDL是在固定温度、波长及同Band下，不同极化态所造成的最大与最小Loss之间距离，即所有输入偏振状态下插入损耗的最大偏差。

除了以上，当然还有其它影响WDM器件的性能参数，如工作温度、带宽等。

如何区分O、E、S、C、L、U波段波长？

什么是O band？
O 波段是原始波段1260-1360 nm。O波段是历史上用于光通信的第一个波长波段，信号失真（由于色散）最小。

什么是E band？
E波段（扩展波长波段：1360-1460 nm）是这几个波段中最不常见的波段。 E波段主要用做O波段的扩展，但应用很少，主要是由于许多现有光缆在E波段都显示出高衰减，并且制造过程非常耗能，因此在光通信的使用受到限制。

什么是 S band？
S波段（Short-wavelength Band）（短波波段：1460-1530 nm）中的光纤损耗比O波段的损耗低，S波段作为许多PON（无源光网络）系统使用。

什么是C band？
C波段（Conventional Band）范围从1530 nm到1565 nm，代表的是常规波段。光纤在C波段中表现出最低的损耗，在长距离传输系统中占有较大的优势，通常应用在与WDM结合的许多城域，长途，超长途和海底光传输系统中使用 和EDFA技术。随着传输距离变长，并且开始使用光纤放大器代替光对电子对光中继器，C波段变得越来越重要。随着可使多个信号共享一条光纤的DWDM（密集波分复用）的出现，C波段的使用得到了扩展。

什么是L band？
L波段（Long-wavelength Band）（长波长波段：1565-1625 nm）是第二低损耗的波长波段，常常在C波段不足以满足带宽需求时被使用。随着掺b光纤放大器（EDFA）广泛可用，DWDM系统向上扩展到了L波段，最初常被用于扩展地面DWDM光网络的容量。现在，它已被引入海底电缆运营商，以做同一件事-扩展海底电缆的总容量。

因为C波段和L波段这两个传输窗口的传输衰减损耗最小，所以DWDM系统中信号光通常选择在C波段和L波段。除了O波段到L波段外，还有另外两个波段，即850 nm波段和U波段（超长波段：1625-1675 nm）。 850 nm波段是多模光纤通信系统的主要波长，结合了VCSEL（垂直腔表面发射激光器）。 U频段主要用于网络监控。

WDM技术根据不同的波长模式，又可以分为WDM，CWDM, DWDM。ITU对CWDM（ITU-T G.694.2）规定的波长范围为1271至1611 nm，但在应用中考虑到1270-1470nm波段的衰减比较大，所以通常使用1470~1610nm的波段范围。DWDM通道间隔更加密集，使用C波段（1530 nm-1565 nm）和L波段（1570nm-1610nm）传输窗口。普通WDM一般采用1310和1550nm波长。


什么是CWDM, DWDM, FWDM, LWDM, MWDM？
WDM承载方案有粗波分复用（CWDM）、密集波分复用（DWDM）以及中等波分复用（MWDM）、细波分复用（LWDM）。

CWDM粗波分复用器
CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexer）是稀疏波分复用器，也称粗波分复用器。CWDM具有18个不同的波长通道，每个通道的不同波长相隔20nm，使用1270 nm至1610 nm的波长。CWDM支持的信道少于DWDM，因为它紧凑且具有成本效益，因此使其成为短距离通信的理想解决方案。CWDM系统的最大优势在于成本低，器件成本主要表现在滤波器和激光器。20nm的宽波长间隔同样给CWDM带来了对激光器的技术指标要求低、光复用器/解复用器的结构简化的优势。结构简化，成品率提高，故成本下降。


DWDM密集波分复用器
DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexer）是密集波分复用器。DWDM的信道间隔为1.6/0.8/0.4 nm（200GHz/100 GHz/50 GHz），远远小于CWDM。与CWDM相比，具有更紧密波长间隔的DWDM，可以在一个光纤上承载8~160个波长，更适于长距离传输。 在EDFA的帮助下，DWDM系统可以在数千公里的范围内工作。


FWDM滤波片式波分复用器
FWDM（Filter Wavelength Division Multiplexing）滤波片式波分复用器，是基于成熟的薄膜滤器技术。滤波片型波分复用器能在较宽的波长范围内将不同波长的光糅合或分开，广泛应用于掺铒光放大器、拉曼放大器和WDM光纤网络中。

MWDM中等波分复用
MWDM是重用CWDM的前6波，将CWDM的20nm的波长间隔压缩为7nm，采用TEC（Thermal Electronic Cooler, 半导体制冷器）温控技术实现1波扩为2个波。这样就实现了容量提升的同时可以进一步节省光纤。MWDM就是在CWDM 6波的基础上，左右偏移3.5nm扩展为12波（1267.5、1274.5、1287.5、1294.5、1307.5、1314.5、1327.5、1334.5、1347.5、1354.5、1367.5、1374.5nm）。MWDM主要是在中国5G前传网络环境下提出的。

LWDM
LWDM是基于以太网通道的波分复用Lan-WDM技术，也被称为细波分复用。其通道间隔为200~800GHz，此范围介于DWDM（100GHz、50GHz）和CWDM（约3THz）之间。LWDM是采用了位于O-band（1260nm～1360nm）范围的1269nm到1332nm波段的12个波长，波长间隔为4nm（1269.23、1273.54、1277.89、1282.26、1286.66、1291.1、1295.56、1300.05、1304.58、1309.14、1313.73、1318.35nm）。LWDM工作波长的特点是位于零色散附近，色散小，稳定性好。同时LWDM可支持12波25G，容量提升，可进一步节省光纤。


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