WDM/DWDM技术,什么是WDM/DWDM技术

WDM/DWDM技术,什么是WDM/DWDM技术

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。

WDM本质上是光域上的频分复用FDM技术。每个波长通路通过频域的分割实现，每个波长通路占用一段光纤的带宽。WDM系统采用的波长都是不同的，也就是特定标准波长，为了区别于SDH系统普通波长，有时又称为彩色光接口，而称普通光系统的光接口为"白色光口"或"白光口"。

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。

DWDM简介

要了解DWDM以前，我们先由认识WDM是什么开始。WDM（Wavelength-Division Multi- plexing，多工分波器）是个能将一个（组）波长分成许多个波长的分波器，而所谓的分波器就如同大家所熟知的三棱镜一样，它可以把射入棱镜的白光（一组波长）分成七色光（七种波长）。在最早的光通迅中，一条光纤仅设计给一个特定波长的光传递，由于WDM技术的开发，使一条光纤可以由传递一个讯号变成传递多个讯号，在相同的铺设成本下，将光纤的使用率提高数倍，故WDM的观念在光纤用于通迅后不久便被提出。但是经WDM分波之后，每个波段分到的能量都太小，完全无法用于光纤讯号传送。直到1994年，可适用于WDM的放大器掺铒放大器（Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA）成功商用化之后，WDM的使用才被业界注意。由于WDM实现了技术的提升，一个WDM可将一个光源分出越来越多的波长（或称信道，channels），所以为了区别起见，能分出较少波长者称作CWDM（Coarse WDM），分出波长密度较高者称作DWDM（Dense WDM）。

DWDM元件

DWDM就如同字面上的意思一样，是一个分出波长密度相对WDM较高的多工分波器，当前在光通迅界常用的DWDM大多是在1530～1565nm的波段中，分出32个或更多的波长。在当前市售的DWDM中，阿尔卡特（Alcatel）已推出能分出256信道的DWDM，朗讯（Lucent）所属的贝尔实验室也已经研发出1022信道的DWDM。

能将光以数个波长分出的元件就是DWDM元件，当前实现DWDM的方式有三种，分别是：薄膜滤光片（Thin Film Filter，TFF）、光纤波导（Array WaveGuide，AWG）、以及光纤光栅（Fiber Bragg Gratting，FBG）。根据富士总研2000年的调查，目前DWDM滤波元件市场中，三种技术的元件销售数量比重分别为：TFF 96％、FBG 3％和AWG 1％。但若以DWDM滤波模块市场来说，三种技术销售数量比重分别为：TFF 86％、FBG 6％和AWG 8％。虽然从销售比重上可看出采TFF实现方式的DWDM是当前市场的主流产品，不过由于TFF在规格进一步提升上有一定的困难，所以AWG及FBG实现方式也越来越受市场重视。

TFF的原理是采镀膜的方式，以气相沉积的原理，将所需膜层一层层镀在薄平板玻璃（如Ohara WMS-02）上，当光线通过不同种的滤波片后，不同的波长便被分别滤出，达到分波的效果。以此种实现方式生产的DWDM对环境的要求较小，因此易于投入商用化；不过在信道数目的提升上，TTF则因膜层数的等比增加而不易实现，所以TFF常用于16信道以下的DWDM实现。

AWG是在矽晶圆上沉积二氧化矽膜层，续以微影制程及反应式离子蚀刻法定义出数组波导，最后加上保护层即可制成；AWG原理是利用波导的物理特性将不同波长的波分出，这种技术能一次分出较多信道，不过波导易受温度等环境的影响，在大量商业化前需较好的绝热封装，这也是光纤波导最困难的技术障碍。

FBG是以紫外线照射光纤，使光纤丝中的部分材质变化成近似布拉格绕射光栅，利用光学绕射的特性将不同波长的波分出；FBG虽为以上三种制成方法中技术中成本最低、光学色散损失最小、也是大部分业者在技术上有机会切入的制程，但因实现方式的技术专利权属于加拿大UTC与CRC两家公司所有，厂商须花费60万美金取得授权，且量产后每个元件还需给付售价2.5％的权利金，因此目前厂商对开发光纤光栅技术并不积极。

DWDM系统

DWDM系统一般包含两类：一类是DWDM分波前后所须的元件，如EDFA、Mux／DeMux（Multiplexer／DeMultiplexer，合波／分波多工器）便属此类；一类是DWDM的应用，如OADM（Optical Add／Drop Multiplexer，光塞取多工器）、OXC（Optical Cross Connects，光交换链接器）。

EDFA是DWDM系统中最重要的元件之一。以32信道的DWDM为例，光源经此DWDM后每信道的光能大约是原光源能量的1％，所以不需经光电转换便可放大光能量的EDFA对DWDM来说，是一个绝对必要的元件。在EDFA的制造上是以常规石英系光纤为母材掺进铒离子，由于铒离子的掺入，提供了一个1550nm的能带，使得原本的讯号和高功率泵激激光（pumping laser，波长980nm或1480nm，功率10～1500mW）得以提高光讯号的强度，而不需将光讯号转成电讯号后才得以放大。

Mux／DeMux是DWDM系统使用中不可或缺的两种元件。DWDM使光导纤维网络能同时传送数个波长的讯号，而Mux则是负责将数个波长汇集至一起的元件；DeMux则是负责将汇集至一起的波长分开的元件。当前Mux／DeMux的开发较不受重视，且一般能生产DWDM元件的厂商也多具备生产能力。但未来Mux／DeMux将朝向多信道数及高速开发以外，推测也会陆续朝包含衰减器、加／解密等增加追加价值的方向开发。

OADM是DWDM系统中一个重要的应用元件，其作用是在一个光导纤维传送网络中塞入／取出（Add-Drop）多个波长信道；置OADM于网络的结点处，以控制不同波长信道的光讯号传至适当的位置。塞入／取出波道固定的OADM已进入量产，不过可藉由外部命令控制塞入／取出波道的OADM仍在开发中。

OXC是下一代光通迅的路由交换机，用在因DWDM而生成的多波道数据路由及线路调度，其功能包含网络的路由器及电信的交换机。OXC设置于网络上重要的汇接点，汇集各方不同波长的输入，再将各讯号以适当的波长输送至合适的光导纤维中。它可提供光导纤维切换（Fiber switching，连接不同光导纤维，波长不转换）、波长切换 （Wavelength switching，连接不同光导纤维，波长经转换）、及波长转换（Wavelength conversion，输出至同一光导纤维，波长经转换）三种切换功能。OXC并提供路由恢复、波长管理、及话务弹性调度，准备在下一代IP Over DWDM的电信／网络体系结构中，直接以光讯号传送替换现有的电讯号交换／路由的地位。

DWDM相关设备

目前DWDM 的相关设备有下列几种：

(1) 光放大器，(2) DWDM 终端机，(3) 光塞取多工机，(4) 光交接机。 兹将DWDM 相关设备之主要功能叙述如下：

光放大器

具有光信号格式与位元速率之透通性，运作于1550 nm区域有相当高之增益、高光输出功率及低杂讯指数，光放大器依据不同应用有下列三种：

光功率放大器 (Booster Amplifier, BA) 光前置放大器 (Pre-Amplifier, PA) 光线路放大器 (Line Amplifier, LA)

目前应用于多波长DWDM系统之光放大器大部分是掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)其主要组成包含一段掺铒光纤、帮浦雷射(Pump Laser)及DWDM组件(用来混合传输光信号及帮浦光输出)。EDFA直接放大1550 nm区域无需使用电子式再生器，可在相当大之波长范围内提供平坦增益，亦即单一EDFA能同时提供多个波长通路之增益,已取代大部分之再生器应用，成为长途光纤网路之构成部分。

DWDM 终端机

DWDM 终端机配合光放大器可应用于光传输网路 ,在传送端可接受多个波长之光信号输入，并转换成符合ITU-T G.692固定波长之光信号，经多工混合、光放大后传至光传送网路，在接收端可接收来自光传送网路之信号，经光前置放大、解多工、及光滤波器后输出。

DWDM 终端机有下列两种型式：

(1) 开放式系统(Open System)：通常称为转频式(transponder-based) DWDM，在SDH及DWDM设备间有转频器，可介接不同厂家的SDH设备。 (2) 整合式系统(Integrated System)：通常称为被动式(passived) DWDM，SDH设备已具有ITU-T G.692之介面功能。 开放式系统和整合式系统之优缺点之比较如表1 所示

表1开放式系统和整合式系统之比较

光塞取多工机 (Optical Add-Drop Multiplexer, OADM)

光塞取多工机 (Optical Add-Drop Multiplexer ,OADM)，可以在一个光传输网路之中间站塞入或取出个别的波长通道。一般而言，它是置于两个DWDM终端机之间来代替某一光放大器，目前大部份厂家已研制出固定型光塞取多工机，它对于要塞入或取出的波道必须事先设定，至于另一种称为可任意设定之光塞取多工机，则可藉由外部指令对于要塞入或取出的波道作任意的指配。

光交接机(Optical Cross-Connect, OXC)

在电信网路中使用于DWDM波长愈来愈多时，对于这些波道须作弹性之调度或路由之改接，此时必须藉由光交接机 ，来完成此项功能，通常它可置于网路上重要的汇接点，在其输入端可接收不同波长信号，经由光交接机将它们指配到任一输出端，光交接机在连接至DWDM光纤时有以下三种切换方式：

(1) 光纤切换 (Fiber switching)：可连接任一输入光纤到任一输出光纤，但不会改变光纤内之波长。 (2) 波长切换 (Wavelength switching)：同一输入光纤内之多个波长，可分别交接至不同输出光纤，较有弹性。 (3) 波长转换 (Wavelength conversion)：不同输入光纤内之相同波长，经转换后可以不同波长汇入同一输出光纤。

光交接机可提供下列几种应用:

(1) 路由回复 在光纤被切断(Cable Cut)或话务雍塞时，对于网路上正在运作的波道可提供自动保护切换功能，尤其对于与日俱增的数据话务(如IP/WDM)将益形重要，因为IP/WDM它没有在SDH这层作保护。 (2) 波长管理 在网路中对于DWDM系统中之多种波长可作任意交接或指配，例如:可将部份波长租给特定客户或其它的网路业者。 (3) 话务之调度和集中 可将类别相同之话务集中一起送至某指定目的地，或将多路只有部份装满之话务务集中一起传送，以提高光纤之利用率，让网路调度更有弹性及效率。

DWDM的好处

（1）电网路演进至光网路 DWDM技术奠定了由电网路演进至光网路之基础，传统的电网路(Electronic Networking) 无法直接在光层(Optical Layer)进行多工(multiplexing)、切换(switching)、或路由改接(routing)等动作，在网路节点需使用光电转换设备将光信号转换为电信号再将电信号转回光信号，如此一来总体传输速率会因使用光电转换设备而受到限制，无法将光纤与生俱来无限频宽的潜力好好发挥。

以DWDM为机制之光网路可直接在光层作信号之运作来解决上述问题，因此克服了传统传输瓶颈而带来了”Virtual fibre”的观念，将既有光纤作最有效率的利用。

（2）网路多样化的服务 DWDM和传送速率(Bite Rate)及规约(Protocols)无关，也就是说可提供和服务形式完全无关的传送网路，例如:一个对传送速率及规约完全透通(Transparent)的DWDM网路可和ATM、IP、SDH等信号介接，提供网路多样化的服务。

（3）降低成本、提升服务品质 由于在光层进行信号的指配或调度，相较于传统上在电层的频宽调度来的更简单而有效率，可减少费用支出。另外在网路上光纤被切断(cable cut)或光信号故障时，可在光层进行信号保护切换或网路路由回复 (Restoration)的动作，相对于传统上在电层作回复的动作其切换时间较短，使网路之可用度(availability)提高而改善服务品质。

（4）提升传输距离及增加网路容量 高速之STM-64 TDM (Time Division Multiplexing) 传输上的最大问题在于光纤的分散(Dispersion) 现象严重，对于传送之光信号会产生劣化效应，因此，若不使用电子式再生器或其他补偿技巧 ，理论上STM-64信号可在G.652光纤内传送约60公里。若以8个波长的DWDM技术传送，每个波长为2.5Gb/s之信号，其传输容量可为20 Gb/s，其传输距离可达600公里以上而不需电子式再生器，而需要光放大器。

STM-64的多工对于支流信号(Tributary)的频率与格式，通常都有一定的限制，而DWDM的多工几乎完全不设限，PDH、ATM、SDH、及IP等任何信号格式皆可输入，增加网路传输之弹性。若未来光塞取多工机 (Optical Add-Drop Multiplexer ,OADM)及光交接机(Optical Cross-Connect, OXC)的问世，可直接以光波长为交接单位，免除O/E/O的转换步骤，可提升网路调度的效率。在解决与日俱增的用户频宽需求及提升网路容量之方案中，DWDM在技术上提供了不同之选择。