周芳 陶智勇 武汉邮电科学研究院
摘 要 光城域网将成为光网络发展的重点。城域网是一种主要面向企业事业用户的、可覆盖城市及郊区范围的、提供丰富业务和支持多种通信协议的公用网。城域粗波分复用CWDM（Coarse WDM）技术由于其巨大带宽和传输数据的透明性引起广泛关注，本文对城域CWDM传输、器件及系统应用代码等几方面对城域CWDM进行了研究。
关键词 光城域网 CWDM 垂直腔表面发射激光器 应用代码
从技术方面讲，不论选取的解决方案、传输手段如何，宽带城域网都需要WDM技术支持。但要在城域网中采用DWDM技术，则面临着很多障碍，难以获得运营商的青睐。这主要是因为城域网在很多方面有别于广域网，WDM技术要在城域网上获得应用，必须针对城域网的特点，解决成本问题。图1给出了2001年和2005年城域网对波分复用系统的波长数量的需求，预计到2006年以后，城域网市场会对波长的需求达到32或64波长，到那时城域DWDM会快速增长。
有鉴于此，一种新的波分复用技术--粗波分复用（Coarse WDM,CWDM）技术最近几年被推上了城域网的舞台，成为市场上的新宠。在同一根光纤中传输的不同波长之间的间距是区分DWDM和CWDM的主要参数。DWDM系统的波长间距一般为200GHz（1.6nm），100GHz（0.8nm）或50GHz（0.4nm），将来的系统中可能会有更窄的间距。CWDM技术充分适应了城域传输网传输距离短的特点，而且不受EDFA放大波段的限制，可以工作在1310～1560nm的整个光纤传输窗口上，以比DWDM系统宽得多的波长间隔进行波分复用。
1 ITU-T G.694.2定义了CWDM的波长间隔。
ITU－T SG15于2000年4月在日内瓦召开的1887－2000年研究期会议上，G.652光纤进一步分为G.652A，G.652B，G.652C 3个子类，G.652C（即波长段扩展的非色散位移单模光纤），又称低水峰光纤或全波光纤。即在光纤制造过程中，经过严格的脱水处理，就制成了全波光纤。全波光纤实质上仍是常规单模光纤，只是在1350～1450nm区消除了氢氧根吸收峰，使该波长的损耗降到0.3dB/km以下。这种光纤的损耗，从1300nm波长的0.34dB/km开始，一直下降到1600nm波长的0.2dB/km，从而使工作范围拓宽了50％以上。同时，城域网典型传输距离不超过80km，信号速率不是太高，色散也不是主要的限制因素。因此用于城域网的理想光纤就是在1280～1625nm范围内全部波长都能传输信号的光纤。为了进一步标准化利用光纤的频带资源，拓展光纤的使用频段，ITU－T第15研究组（SG15）把单模光纤在1260nm以上的频带划分出O、E、S、C、L、U等6个波段，如表1所示。
表1 单模光纤的O、E、S、C、L、U6个波段
应用于城域CWDM传输的光纤，不仅考虑光纤本身的特性，还要考虑网中业务量的发展、组网方式、传输手段、网络运营商和地理区段的差异等多个方面。不仅在现阶段能够提供必要的网络带宽，还要为城域网的未来发展留有足够的扩容余地。全波光纤有独特的优点。但是在半导体光放大器普遍商用之前，尚无合适的光放大器对全波光纤的所有信道都放大，因此传输距离仅限制在数十公里。另外全波光纤的1550nm窗口色散较大，单波道速率也不能太高。G.652和G.655光纤都可应用于城域网，而且国际上主要光纤生产商都推出了城域网用光纤产品，如全波光纤、Metrocore光纤、TeralightMetro光纤，PureMetro和PureBand光纤等。
ITU-T G.694.2和G.695是CWDM的标准。 ITU-T G.694.2定义了CWDM的波长间隔。需要注意的是，CWDM具有的是波长间隔，而不是频率间隔。如同在DWDM中一样， G.694.2规定的间隔最近改变了1nm，以适应目前业界实践的需要。波长间隔为20nm，始于1271nm，止于1611nm（如图1）。
（常规的和低水峰的）
多数商用的CWDM系统把重点放在1471nm到1611nm的8个传输波长上。该区域使大多数已经安装的光纤避免了水峰，并使用了最低损耗窗口。将来的系统会使用CWDM的所有谱线，这会允许更多的容量和可量测性。
2 ITU-T G.695定义了CWDM的应用码和光参数值
ITU-T G.695建议于2月在日内瓦被标准化，是光传输方面的最新标准。ITU-T G.695定义了CWDM的应用码和光参数值。它描述的是光物理层。
ITU-T G.695描述了两种结构，因为CWDM可以用于两个区别非常明显的结构中。这两个结构称为“黑盒子“模型和“黑链路“模型。在黑盒子系统中，CWDM平台得到的是与G.695不兼容的支流输入。先要将它们转换成与G.695兼容的信号，并将同样的几个输入信号复用输出至同一个输出端口。黑盒子系统与已有的逻辑器件工作良好。在黑链路系统中，CWDM系统得到的是已和G.695兼容的输入支流，只需简单地将这些输入信号复用至同一个输出口。
在城域网中，由于传输距离短，不必使用放大器，对光纤的传输衰减值也不太敏感，采用CWDM粗波分复用技术可以降低对器件、部件的性能要求，从而大幅度降低成本。CWDM的复用/解复用器和激光器正在逐渐形成自己的标准。DWDM0.4nm、0.8nm解复用的薄膜滤波器由于生产工艺复杂，成品率低，价格昂贵。而20nm的滤波器生产工艺简单、成品谐调 ，价格要便宜得多。DWDM系统中使用的100GHz滤波器一般大约有150层，而CWDM系统的20nm滤波器大约有50层。CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本要少50％，预计在未来的2～3年内，自动化生产的成本可望再降1/3。此外，新的滤波器和复用器/解复用器技术的采用有望进一步缩减成本。
相邻波长间隔根据无冷却的激光器在很宽的温度范围内工作产生的波长漂移来决定。考虑到激光器的温度特性，中心波长将依次偏大1nm，这些波长利用了光纤的全部光谱，包括在1310、1510和1550nm处的传统光源，从而增加了复用的信道数。在DWDM系统中，采用DFB（分布反馈）激光器作为光源，它需采用冷却技术来稳定波长，以防止由于温度变化波长间隔宽、传输距离短，CWDM无须选择价格昂贵的高波长稳定度和高色散容限的激光器，可以使用无制冷激光器，使激光器制造和封装成本降低。
垂直腔表面发射激光器（VCSEL）作为一种新型的半导体激光器，已经在计算、网络、传感以及其他应用领域产生了巨大影响。第一片商用的VCSEL是Honeywell公司于1996年引入市场的。随着现代高速短波长光纤网络的发展，VCSEL已戏成为光通信领域最理想、最有前途的光源。与一般的边缘发射半导体激光器相比，VCSEL具有非常优越的性能和极其低廉的价格。其在千兆以太网和光纤通道中的应用取得了巨大的成功。
为什么说VCSEL优于传统半导体激光器呢？这是由其完全不同的生长工艺和结构特征决定的。VCSEL的垂直腔结构决定了它不需要“解理“等传统边发射激光器所必须的生产工序；可以像处理微电子硅片一样进行在线的晶片级测试或裸片安装；在一个晶片上可以一次性生长成千上万个VCSE阵列。这些都大提高了VCSEL的成品率，降低了其生产和测试成本。2000年12月光学国际互联网论坛（Optical Internetworking Forum, OIF-Fremont, CA）通过一项新规范，OIF-VSR-01.0，将VCSEL的应用推入了城或网和广域网领域。这一基于并行光学器件的甚短距离（VSR）OC-192(10G速率)接口的规范定义了850mm VCSEL系统使用传统广域网中的SONET协议展开短距离或城域网服务。这使得VCSEL收发模块在城域网这个2001年首个通信技术热点领域开拓了美好的应用前景。
同时，VCSEL的垂腔结构使得它的阵列应用非常诱人，在并行光传输、存储和交换领域已经可以看到许多商业化产品。其圆形出射出斑截面较之边发射激光器的椭圆形具有更小、更对称的光束发散角，这样与光纤之间的耦合将更加方便。当然还有更多优点，如更低的阈值和功耗；更高的效率、调制带宽和温度稳定性；更长的寿命等，决定了VCSEL美好的市场应用前景。已有单位研制出2×3、1×10VCSEL集成列阵。主要技术指标如下：工作波长为0.85um；信道传输速率为155Mbit/s、622Mbit/s、1 250Mbit/s、2 500 Mbit/s；阈值电压为≤1.5V；阈值电流为≤3mA；工作电流为≤10mA；输出功率为2mW；带宽为>4GHZ。
光传输系统的运营成本取决于系统的维护和系统消耗的功率。既使DWDM和CWDM系统的维护成本都可以接受，DWDM系统的功耗要比CWDM系统的功耗高得多。例如，DWDM激光器采用的冷却器及其控制电路每波长要消耗大约4W的功率。而没有冷却器的CWDM激光器仅消耗0.5W的功率。四波CWDM光传输系统大约消耗10～15W的功率，然而类似的DWDM系统却要消耗高达30W的功率。在DWDM系统中，随着复用波长总数的增长以及单信道传输速度的增加，功率损耗及其温度管理变成了电路板设计的关键问题。
如今，国内如烽火网络等厂家已经能够提供具有2～8个波长的商用CWDM系统，将来这些系统有望在1290nm～1610nm的频谱内扩展到16个复用波长。目前，大多数CWDM系统工作在从1470nm～1610nm的范围内，其信道间距为20nm，此外在1310nm窗口附近也在开发之中。由于到目前为止，已经安装的大部分光纤中有残留水分，使得其在1400nm波长附近的光信号衰减。这个附加损耗会限制系统在长途传输中的使用，但是对于城域网使用的CWDM系统而言，这并不是一个障碍。
虽然价格成本比DWDM低得多，CWDM系统也能和DWDM一样支持多业务接口，例如可以提供SDH接口，实现IP/Ethernet over SDH、ATM over SDH；可以为路由器和ATM交换机提供光纤直连接口，实现IP/Ethernet over Optical和ATM over Optical等。此外，CWDM可以兼容在城域网中已得到广泛应用的1 310nm的SDH系统，而目前的DWDM还做不到这点。宽带IP城域网采用IP Over CWDM系统和GE帧格式。传输采用CWDM系统，路由器采用N×GbE端口较SDH端口要便宜得多。
CWDM系统的应用代码如下：U-CnWx-ytz, B-CnWx-ytz，代码的含义如下：
U 代表单向链路
B 代表双向链路
C 代表CWDM
N 代表最大波长数
W 代表跨距段类型
L 代表长途（80km@SCL-band, 40km@OSCL-band）
x 代表最大跨距段数量
y 代表光支路信号的最高速率，其取值可以为S16、S64、E1G，代表的含义为：
S16代表NRZ 2.5 Gbit/s；
S14代表NRZ 10 G bit/s；
E1G代表NRZ 1.25 Gbit/s；
T 代表有无光放大器，其取值可以为A、B、C、D，代表的含义为：
A代表有光功率、前置放大器
B代表有光功率放大器
C 代表有光前置放大器
D代表无光放大器
z 代表光纤类型，其取值可以为1、2、3、5，代表的含义为：
1 NA；
2 G.652光纤
3 G.653光纤
5 G.655光纤
跨距段的衰减由光滤波器的数量而定，常见的应
用代码如下：他们的含义如表2所示。
对城域网和接入网的业务提供商而言，CWDM系统的开发及其标准的制定是很及时的。随着宽带需求遍及边缘网络，低价传输系统就显得非常迫切。今天的CWDM技术正好适应了这一需求，它为城域网和接入网提供了一种可升级的体系结构。因此，IP over CWDM系统的成本比IP over DWDM要低得多。这种系统的另外一个好处是对光缆的性能要求不高，一些由于性能下降原来已经不能使用的旧光缆也有了使用价值，由于采用以太网帧格式，任何有局域网使用经验的人都可以租借、购买光缆来构建自己的城域网甚至广域网。
参考文献
1 ITU-T COM 16-39 (October, 2001), “L-and C-band attenuation on installed fibre links“
2 ITU-T COM 15-39 (October, 2001), Application codes for the draft new Recommendation G.cap
3 ITU-T COM 15-39 (October, 2001), Proposal to standardize a Coarse WDM grid
4 Communications Industry Researchers, Inc,“The metro optical networking market,“ January, 2002
摘自 网络通信产品商贸网
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