刘安 谭生树
摘 要：概述了光纤通信中特有的复用技术波分复用的作用、发展及其前景。对密波复用与疏波复用的特点及其对构建光纤通信网络的意义作了简要分析。简介了ＤＷＤＭ市场。
关键词：光纤通信 密波复用 疏波复用 城域网 接入网 干线网
１．引言
ＤＷＤＭ是Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇＭｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ的缩写，译为密集波长分割复用器，简称为密波复用或密波复用器。ＣＷＤＭ是Ｃｏａｒｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ－ｉｎｇＭｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ的缩写，宜称为疏波复用器。有人将ＣＷＤＭ称为粗波复用，那对应的ＤＷＤＭ就宜叫做细波复用或精波复用了。从汉语词意看，笔者坚持认为分别称密波复用和疏波复用为好。
ＤＷＤＭ和ＣＷＤＭ都是波分复用ＷＤＭ，是光纤通信系统中采用的一种特有的复用技术，即在同一根光纤上同时传输多个不同波长的光载波，每一光载波的波长相应地各自对应其光频率。不同光载波之间须有必要的频率间隔，例如１００ＧＨｚ或５０ＧＨｚ。各个光载波在频谱上依次排列。所以光纤通信的ＷＤＭ从本质上看则是光域上的频分复用ＦＤＭ。
从波长λ与频率ｆ的乘积等于波速ｖ，而ｖ又等于真空中的光速ｃ除以光所在媒质的折射率ｎ，即λｆ＝ｖ＝ｃｎ这一关系式也可明显看出ＷＤＭ实际上就是ＦＤＭ。每一光载波又各自载荷一群数字信号，因而ＷＤＭ又称为多群复用ＭＧＭ。
既然ＷＤＭ实际上就是ＦＤＭ，为什么要叫ＷＤＭ呢？这是因为光纤通信中的光载波使用波长表示比用光频率表示要简便得多。例如１５５０ｎｍ窗口，各个光载波的波长间隔为０．８ｎｍ或０．４ｎｍ，甚至０．２ｎｍ，对应的频率间隔就麻烦了。而且，虽然同为ＦＤＭ，在光纤上是光载波发送，而在电信线路上则是电载波遏止、单边带传输，方法上大不一样，光纤的ＷＤＭ系统不像电信线路那样称为多路载波电话。由于传输介质不同，ＷＤＭ系统是光信号上的频率分割，同轴电缆系统则是电信号上的频率分割利用。此外，在每一通路上，ＷＤＭ系统每一波长传输的是ＴＤＭ时分复用基带数字信号，每路话音速率为６４ｋｂｓ，目前多为ＳＤＨ同步数字系列１０Ｇｂｓ，也有２．５Ｇｂｓ或高达４０Ｇｂｓ的。如２５６路１０Ｇｂｓ系统可传输３千多万条数字话路，意味着６千多万人可同时对话。而同轴电缆传输的则是模拟信号，曾经做到的话路数小同轴为３００路，中同轴１８００路和１０ ８００路，每路话音４ｋＨｚ。
２．ＷＤＭ的特点及发展简史
ＷＤＭ还有下列重要特点。
１可以充分利用光纤的带宽资源，使单根光纤的传输容量比单波长的增加几倍、几十倍、几百倍以至上千倍。如Ｎ个波长复用起来在单根光纤中传输，可大量节约光纤。对早期装用的芯数不多的光缆来说，利用ＷＤＭ作不太大的改动即可方便扩容。在网络的扩充与发展中ＷＤＭ是较理想的扩容手段，也是引入宽带新业务诸如ＣＡＴＶ缆传电视、ＨＤＴＶ高清晰度电视、Ｂ－ＩＳＤＮ宽带综合业务数字网的方便手段。增加一个波长即可引入任意必要的新业务或新容量；
２同一光纤中传输信号的波长是彼此独立的，因而可以同时传输特性完全不同的信号，完成各种信息业务信号的综合与分离。即同一根光纤中可同时传输数字信号与模拟信号，包括ＰＤＨ准同步数字系列信号与ＳＤＨ信号；
３ＷＤＭ通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。一个ＷＤＭ系统可承载多种格式的“业务”信号，ＡＴＭ异步传送模式、ＩＰ或者未来可能出现的信号。对“业务”层信号而言，ＷＤＭ的每一个波长就好似“虚拟”的光纤一样；
４利用ＷＤＭ技术选路来实现网络的交换与恢复，可能构成未来透明的生存性极强的光网络；
５在骨干网中，ＥＤＦＡ掺铒光纤放大器的成功应用可以免去ＯＥ、ＥＯ光电、电光变换中继器，从而大大节省成本。
ＷＤＭ技术的发展历史可追溯到上世纪７０年代末就提出来了，当时光纤通信还处在探索试用阶段。８０年代光纤通信商用初起，人们想到并首先采用光纤长波长１３１０ｎｍ和１５５０ｎｍ两个低损耗窗口各传输一路波长信号，即１３１０ｎｍ１５５０ｎｍ两波分的ＷＤＭ。８０年代美国ＡＴ＆Ｔ网中就曾使用速率为２×１．７Ｇｂｓ的这种两波长的ＷＤＭ系统，波长间距宽达２４０ｎｍ。这种ＷＤＭ系统比较简单，一般采用熔融拉锥的ＷＤＭ器件实现ＷＤＭ，其插入损耗小，没有光放大器，在每一中继站上要进行解复用ＤＥＭＵＸ和ＯＥＯ再生中继，而后再复用ＭＵＸ在一起传向下一站。很长一段时期内人们理解的ＷＤＭ，其波长间距在数１０ｎｍ以上，可以说是典型的ＣＷＤＭ，但当时并没有提出疏波复用这一概念。那时要做到几个ｎｍ的波长间距也是不可能的。
上世纪９０年代中期前，ＷＤＭ的发展是缓慢的，其主要制约因素有：１ＴＤＭ技术的发展相对成熟而简单。在２．５Ｇｂｓ及其以下的系统，每升级一次，传输成本每比特约可下降３０％。因此，宁愿首选ＴＤＭ技术使系统升级；２ＷＤＭ系统所需的ＭＵＸＤＥＭＵＸ和光放大器尚欠成熟。
１９９５年起，ＷＤＭ技术得到迅猛发展，特别是基于ＥＤＦＡ的使用１５５０ｎｍ窗口的ＤＷＤＭ系统。朗讯科技率先推出８×２．５Ｇｂｓ系统后，ＤＷＤＭ系统在全球范围内得到广泛应用。能迅猛发展主要得益于：１光电器件的迅猛发展与成熟，特别是ＥＤＦＡ的成熟与商用化，使在其增益平坦区１５３０ｎｍ－１５６５ｎｍ能采用ＷＤＭ技术；２ＴＤＭ技术遭遇“电子瓶颈”挑战，速率达１０Ｇｂｓ时已接近电子元器件硅和砷技术的极限，以ＴＤＭ提高速率的代价过于昂贵；３已安装的Ｇ．６５２零色散在１３１０ｎｍ的色散不移位光纤在１５５０ｎｍ窗口的高色散限制了ＴＤＭ １０Ｇｂｓ系统的传输，光纤色度色散和偏振模色散的影响也愈加严重。从电的ＴＤＭ转向光域上用各种复用技术改进传输效率进一步提高复用速率就成为必然了。ＤＷＤＭ就是最简便最有效最省钱的光复用技术。
随着１５５０ｎｍ窗口ＥＤＦＡ商用的成功，ＷＤＭ系统的应用进入了一个新阶段。１３１０ｎｍ窗口遭遇冷落，人们将主要注意力集中在１５５０ｎｍ窗口传输多路光载波信号。这类ＷＤＭ系统的相邻波长间距比较窄，并且工作在同一窗口内共享ＥＤＦＡ。为区别于传统的ＷＤＭ，称这种波长间距更为紧密的ＷＤＭ为密集波分多路复用器ＤＷＤＭ，简称为密波复用器。ＤＷＤＭ只不过是ＷＤＭ的一种具体表现形式，波长间距多大算密尚无具体明确规定。而且疏密本来就是一个相对概念，波长间距２ｎｍ相对于５ｎｍ算密，相对于０．８ｎｍ而言则为疏了。目前习惯上把波长间距在几个ｎｍ及其以下的称为ＤＷＤＭ，间距在近２０ｎｍ以上的则称为ＣＷＤＭ。
既然ＤＷＤＭ和ＣＷＤＭ都只是ＷＤＭ的具体表现形式，为什么还要分疏密呢﹖这是因为ＤＷＤＭ和ＣＷＤＭ波长间距的宽窄不同，要求所用器件的性能就不同，应用的领域也就有所不同。
３．ＤＷＤＭ系统要求的光部件
ＤＷＤＭ的波长间距很窄，对发射用的激光器要求也就很高，既要发射光功率适当大又要光波束细谱线纯波长稳定而可选择可调谐。现行使用的１５５０ｎｍ波长窗口各不同波长的激光管都用ＩｎＧａＡｓＰＩｎＰ材料，用ＭＯＣＶＤ金属有机化学汽相沉积法生长ＭＱＷ多量子阱，还要用ＩｎＧａＡｓＰ光栅。一种ＰＩＣ光子集成电路的典型产品把多路ＶＣＳＥＬ垂直腔表面发射激光器及其各自的外调制器以及共用的温度控制器一起集成在一块芯片上，对简化ＷＤＭ系统设备和降低成本大有裨益。采用外调制器是为了避免激光器在高数字速率下工作时发生频率扫动。这种频率扫动可能引起波长的串扰而破坏ＤＷＤＭ系统的正常工作。ＤＷＤＭ系统的波分复用器件合波器和分波器必须是高分辨率的，可以用平面波导制成ＡＷＧ阵列波导光栅的，也可用ＦＧ光纤光栅或ＢＧ布喇格光栅制成。
新型１５５０ｎｍ波长窗口的ＤＷＤＭ系统使用的是ＮＺＤＦ非零色散光纤。这种专为该项应用设计的单模光纤在１５５０ｎｍ波长窗口存在少量的色散和较小的色散斜率，而零色散波长则位于工作波长窗口以外。还有加大光纤通光面积以减小光功率密度进而降低光纤非线性提高传输容量并延长传输距离的ＬＥＡＦ大有效面积光纤也适用于ＤＷＤＭ系统，只是价格较高，但从长远效益看仍是合算的。
ＤＷＤＭ系统迅猛发展得益于上世纪８０年代末９０年代初工作于１５５０ｎｍ波长窗口的ＥＤＦＡ研制成功。典型的ＥＤＦＡ可在３５ｎｍ波长宽度内具有平坦增益特性，增益高达４０ｄＢ以上，多个波长可共享同一ＥＤＦＡ。ＥＤＦＡ不但可用于传输线路中作中间放大器，而且可作发射端的功率放大器和接收端的预放大器。现在已有增益平坦波谱带宽度达８０ｎｍ的宽带掺铒光纤放大器ＷＥＤＦＡ，可涵盖１５５０ｎｍ波长窗口的Ｃ波带１５２５ｎｍ－１５６５ｎｍ和Ｌ波带１５６５ｎｍ １６１０ｎｍ，即１５５０ｎｍ整个波长窗口的Ｃ＋Ｌ带可共享同一只ＷＥＤＦＡ。如波长间距０．８ｎｍ则可为１００路各提供平坦增益约２５ｄＢ。每路波长传送１０Ｇｂｓ ＴＤＭ信号，１００路复用的总容量即是１Ｔｂｓ，相当于２４００多万人可同时对话。
现在已有２５６×４２．７Ｇｂｓ总容量达１０．２Ｔｂｓ的密波复用系统问世，各路波长间距只有０．３ｎｍ。１０．２Ｔｂｓ相当于２．４亿多人可同时对话，这当然远没有达到光纤潜力的尽头。
４．ＤＷＤＭ应用
ＤＷＤＭ既可用于陆地与海底干线，也可用于市内通信网，还可用于全光通信网。
市内通信网与长途干线的根本不同点在于各交换局之间的距离不会很长，一般在１０ｋｍ上下，很少超过１５ｋｍ的，这就不用装设线路光放大器，只要ＷＤＭ系统终端设备成本足够低就将是合算的。已有人试验过一种叫做ＭｅｔｒｏＷＤＭ都市波分多路系统的方案，表明将ＷＤＭ用于市内网的局间干线可以比由ＴＤＭ提升等级的办法节省约３０％的费用。同时ＷＤＭ系统还具有多路复用保护功能，对运行安全有利。交换局到大楼ＦＴＴＢ或到路边ＦＴＴＣ这一段接入网也可用ＷＤＭ系统，或可节省费用或可更好地保护用户通信安全。
利用ＤＷＤＭ系统传输的不同波长可以提供选寻路由和交换功能。在通信网的结点处装上波长的光的插分复接器ＷＡＤＭＯＡＤＭ，就可以在结点处任意取下或加上几个波长信号，对业务增减十分方便。每一结点的交叉连接也会是波长的或光的交叉连接ＷＸＣＯＸＣ。如果再配以光波长变换器ＯＴＵ或光波长发生器，以使在波长交叉连接时可改用其他波长则更加灵活适应需要了。这样整个通信网包括交换在内就可完全在光域中完成，通信网也就成了“全光通信网ＡＯＮ”，即多波长光通信网ＭＯＮＥＴ。无疑，ＷＤＭ在构建ＡＯＮ中起了关键作用。为什么要加引号呢？因为这种ＡＯＮ还不是完全意义上全光的，其光交换还必须由电信号来控制，这就会使交换速度受到“电”的限制。何时做到光控光交换了全光通信网也就真正构成了。光控光交换是一个极具挑战性的难题，有待认真解决。
５．ＤＷＤＭ系统全球市场
据ＫＭＩ资料，ＤＷＤＭ系统全球市场，１９９７年为１７亿美元，１９９８年为２１．４亿美元，１９９９年为４２亿美元，２０００年猛增到８９亿美元，复合年增率ＣＡＧＲ高达７３％。到２００５年可能增到５３９亿美元，ＣＡＧＲ仍有４３％。
提供ＤＷＤＭ系统级产品的厂商从１９９９年的１５家增到２０００年的３０家以上，一年翻了一番。铺设ＤＷＤＭ系统的载波公司数则从１９９９年的７５家狂增到２０００年的１７５家，一年增长１３３％。公开宣布的关于ＤＷＤＭ的合同数也从１９９９年的７５份增到２０００年的１５０份，同样翻了一番。
市场增长放慢反映出如下一些趋势。长途市场已趋饱和，低值产品比高值产品增长得更快，硬碰硬的竞争将使得价格下滑，短距离产品的份额将上升。到２００５年，短距市场将超过９６亿美元，约占ＤＷＤＭ系统总市场值的１８％，而１９９８年时，长距离产品占市场的９５％，２０００年占９０％。
６．ＣＷＤＭ简述
ＣＷＤＭ系统与ＤＷＤＭ的不同，它采用的是不带致冷器的ＤＦＢ分布反馈激光器和宽带滤波器。２０ｎｍ滤波器只５０层，制作较简单，而ＤＷＤＭ １００ＧＨｚ０．８ｎｍ滤波器要１５０层，当然制作复杂得多也昂贵得多。ＣＷＤＭ系统的功率损耗小、成本低，设备尺寸也相对小些。ＣＷＤＭ系统采用的不致冷ＤＦＢ激光器，工作温度范围０℃到７０℃，其波长会有６ｎｍ的漂移，再加上激光器生产工艺带来的±３ｎｍ波长变化，累计约有１２ｎｍ变化。这就要求滤波器通带和激光器波长信道间距必须足够宽。当ＣＷＤＭ系统中的信道带宽在１３ｎｍ以下时，信道间距一般取２０ｎｍ。复用信道数为１６及其以下时，在成本、功耗和设备尺寸等方面，ＣＷＤＭ比ＤＷＤＭ更具优势。这就是上世纪末本世纪初ＣＷＤＭ受到ＭＡＮＡＮ城域网接入网运营商的青睐开始走俏市场的原因。
现行的ＣＷＤＭ系统大多工作在１４７０ｎｍ到１６１０ｎｍ波长范围内，信道间距２０ｎｍ，复用信道数８个，１３８０ｎｍ处的氢氧离子ＯＨ—吸收损耗高峰已可在光纤制造中消除，用于ＭＡＮＡＮ已无大碍。当把１２９０ｎｍ到１６１０ｎｍ波谱内的两大波长窗口拉通时可资利用的波带宽度达３２０ｎｍ，复用信道数可达１６个。美国有一家组织提出ＣＷＤＭ标准建议，拟把ＣＷＤＭ系统的波长栅格分为三个波段。Ｑ波段１２９０ｎｍ－１３５０ｎｍ包括四个波长：１２９０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１３３０ｎｍ和１３５０ｎｍ；Ｅ波段１３８０ｎｍ－１４４０ｎｍ也包括四个波长：１３８０ｎｍ、１４００ｎｍ、１４２０ｎｍ和１４４０ｎｍ；Ｓ＋Ｃ＋Ｌ波段１４７０ｎｍ－１６１０ｎｍ包括间距为２０ｎｍ的八个波长。这个波段又包括Ｓ、Ｃ、Ｌ三个波段，其中的Ｃ、Ｌ即１５５０ｎｍ窗口的两个波段（前面已指出其波长范围），Ｓ波段１４６０ｎｍ－ １５３０ｎｍ约有７０ｎｍ的带宽。
这些波长利用了光纤的全部长波长光谱包括１３１０ｎｍ、１５１０ｎｍ和１５５０ｎｍ三个窗口的传统光源，增加了波长信道的复用数。同时避开了１２７０ｎｍ高损耗波长区，而且各相邻波段间保持了３０ｎｍ的间隙。２０ｎｍ的波长信道间距允许采用廉价的不带致冷器的激光发射机和宽带光滤波器，大为降低网络建设成本，为ＭＡＮＡＮ运营商带来巨大的效益，同时也将减轻用户特别是宽带用户的通信业务费用负担。
宽带城域光纤网络的构建势将登上网络建设的主导地位，ＷＤＭ特别是ＣＷＤＭ正好适应了这一发展趋势的需求，前景亮丽。
注：周承刚先生允许笔者引用其待出版新书《宽带城域光纤网络技术》，特此致谢。
----《通信世界报》
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