WDM/DWDM技術(shù),什么是WDM/DWDM技術(shù)
WDM/DWDM技術(shù),什么是WDM/DWDM技術(shù)
波分復(fù)用(WDM)是將兩種或多種不同波長(zhǎng)的光載波信號(hào)(攜帶各種信息)在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器(亦稱合波器,Multiplexer)匯合在一起,并耦合到光線路的同一根光纖中進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù);在接收端,經(jīng)解復(fù)用器(亦稱分波器或稱去復(fù)用器,Demultiplexer)將各種波長(zhǎng)的光載波分離,然后由光接收機(jī)作進(jìn)一步處理以恢復(fù)原信號(hào)。這種在同一根光纖中同時(shí)傳輸兩個(gè)或眾多不同波長(zhǎng)光信號(hào)的技術(shù),稱為波分復(fù)用。
WDM本質(zhì)上是光域上的頻分復(fù)用FDM技術(shù)。每個(gè)波長(zhǎng)通路通過(guò)頻域的分割實(shí)現(xiàn),每個(gè)波長(zhǎng)通路占用一段光纖的帶寬。WDM系統(tǒng)采用的波長(zhǎng)都是不同的,也就是特定標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng),為了區(qū)別于SDH系統(tǒng)普通波長(zhǎng),有時(shí)又稱為彩色光接口,而稱普通光系統(tǒng)的光接口為"白色光口"或"白光口"。
通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不同,每個(gè)波長(zhǎng)之間的間隔寬度也有不同。按照通道間隔的不同,WDM可以細(xì)分為CWDM(稀疏波分復(fù)用)和DWDM(密集波分復(fù)用)。CWDM的信道間隔為20nm,而DWDM的信道間隔從0.2nm 到1.2nm,所以相對(duì)于DWDM,CWDM稱為稀疏波分復(fù)用技術(shù)。
DWDM簡(jiǎn)介
要了解DWDM以前,我們先由認(rèn)識(shí)WDM是什么開(kāi)始。WDM(Wavelength-Division Multi- plexing,多工分波器)是個(gè)能將一個(gè)(組)波長(zhǎng)分成許多個(gè)波長(zhǎng)的分波器,而所謂的分波器就如同大家所熟知的三棱鏡一樣,它可以把射入棱鏡的白光(一組波長(zhǎng))分成七色光(七種波長(zhǎng))。在最早的光通迅中,一條光纖僅設(shè)計(jì)給一個(gè)特定波長(zhǎng)的光傳遞,由于WDM技術(shù)的開(kāi)發(fā),使一條光纖可以由傳遞一個(gè)訊號(hào)變成傳遞多個(gè)訊號(hào),在相同的鋪設(shè)成本下,將光纖的使用率提高數(shù)倍,故WDM的觀念在光纖用于通迅后不久便被提出。但是經(jīng)WDM分波之后,每個(gè)波段分到的能量都太小,完全無(wú)法用于光纖訊號(hào)傳送。直到1994年,可適用于WDM的放大器摻鉺放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier,EDFA)成功商用化之后,WDM的使用才被業(yè)界注意。由于WDM實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的提升,一個(gè)WDM可將一個(gè)光源分出越來(lái)越多的波長(zhǎng)(或稱信道,channels),所以為了區(qū)別起見(jiàn),能分出較少波長(zhǎng)者稱作CWDM(Coarse WDM),分出波長(zhǎng)密度較高者稱作DWDM(Dense WDM)。
DWDM元件
DWDM就如同字面上的意思一樣,是一個(gè)分出波長(zhǎng)密度相對(duì)WDM較高的多工分波器,當(dāng)前在光通迅界常用的DWDM大多是在1530~1565nm的波段中,分出32個(gè)或更多的波長(zhǎng)。在當(dāng)前市售的DWDM中,阿爾卡特(Alcatel)已推出能分出256信道的DWDM,朗訊(Lucent)所屬的貝爾實(shí)驗(yàn)室也已經(jīng)研發(fā)出1022信道的DWDM。
能將光以數(shù)個(gè)波長(zhǎng)分出的元件就是DWDM元件,當(dāng)前實(shí)現(xiàn)DWDM的方式有三種,分別是:薄膜濾光片(Thin Film Filter,TFF)、光纖波導(dǎo)(Array WaveGuide,AWG)、以及光纖光柵(Fiber Bragg Gratting,F(xiàn)BG)。根據(jù)富士總研2000年的調(diào)查,目前DWDM濾波元件市場(chǎng)中,三種技術(shù)的元件銷(xiāo)售數(shù)量比重分別為:TFF 96%、FBG 3%和AWG 1%。但若以DWDM濾波模塊市場(chǎng)來(lái)說(shuō),三種技術(shù)銷(xiāo)售數(shù)量比重分別為:TFF 86%、FBG 6%和AWG 8%。雖然從銷(xiāo)售比重上可看出采TFF實(shí)現(xiàn)方式的DWDM是當(dāng)前市場(chǎng)的主流產(chǎn)品,不過(guò)由于TFF在規(guī)格進(jìn)一步提升上有一定的困難,所以AWG及FBG實(shí)現(xiàn)方式也越來(lái)越受市場(chǎng)重視。
TFF的原理是采鍍膜的方式,以氣相沉積的原理,將所需膜層一層層鍍?cè)诒∑桨宀AВㄈ鏞hara WMS-02)上,當(dāng)光線通過(guò)不同種的濾波片后,不同的波長(zhǎng)便被分別濾出,達(dá)到分波的效果。以此種實(shí)現(xiàn)方式生產(chǎn)的DWDM對(duì)環(huán)境的要求較小,因此易于投入商用化;不過(guò)在信道數(shù)目的提升上,TTF則因膜層數(shù)的等比增加而不易實(shí)現(xiàn),所以TFF常用于16信道以下的DWDM實(shí)現(xiàn)。
AWG是在矽晶圓上沉積二氧化矽膜層,續(xù)以微影制程及反應(yīng)式離子蝕刻法定義出數(shù)組波導(dǎo),最后加上保護(hù)層即可制成;AWG原理是利用波導(dǎo)的物理特性將不同波長(zhǎng)的波分出,這種技術(shù)能一次分出較多信道,不過(guò)波導(dǎo)易受溫度等環(huán)境的影響,在大量商業(yè)化前需較好的絕熱封裝,這也是光纖波導(dǎo)最困難的技術(shù)障礙。
FBG是以紫外線照射光纖,使光纖絲中的部分材質(zhì)變化成近似布拉格繞射光柵,利用光學(xué)繞射的特性將不同波長(zhǎng)的波分出;FBG雖為以上三種制成方法中技術(shù)中成本最低、光學(xué)色散損失最小、也是大部分業(yè)者在技術(shù)上有機(jī)會(huì)切入的制程,但因?qū)崿F(xiàn)方式的技術(shù)專(zhuān)利權(quán)屬于加拿大UTC與CRC兩家公司所有,廠商須花費(fèi)60萬(wàn)美金取得授權(quán),且量產(chǎn)后每個(gè)元件還需給付售價(jià)2.5%的權(quán)利金,因此目前廠商對(duì)開(kāi)發(fā)光纖光柵技術(shù)并不積極。
DWDM系統(tǒng)
DWDM系統(tǒng)一般包含兩類(lèi):一類(lèi)是DWDM分波前后所須的元件,如EDFA、Mux/DeMux(Multiplexer/DeMultiplexer,合波/分波多工器)便屬此類(lèi);一類(lèi)是DWDM的應(yīng)用,如OADM(Optical Add/Drop Multiplexer,光塞取多工器)、OXC(Optical Cross Connects,光交換鏈接器)。
EDFA是DWDM系統(tǒng)中最重要的元件之一。以32信道的DWDM為例,光源經(jīng)此DWDM后每信道的光能大約是原光源能量的1%,所以不需經(jīng)光電轉(zhuǎn)換便可放大光能量的EDFA對(duì)DWDM來(lái)說(shuō),是一個(gè)絕對(duì)必要的元件。在EDFA的制造上是以常規(guī)石英系光纖為母材摻進(jìn)鉺離子,由于鉺離子的摻入,提供了一個(gè)1550nm的能帶,使得原本的訊號(hào)和高功率泵激激光(pumping laser,波長(zhǎng)980nm或1480nm,功率10~1500mW)得以提高光訊號(hào)的強(qiáng)度,而不需將光訊號(hào)轉(zhuǎn)成電訊號(hào)后才得以放大。
Mux/DeMux是DWDM系統(tǒng)使用中不可或缺的兩種元件。DWDM使光導(dǎo)纖維網(wǎng)絡(luò)能同時(shí)傳送數(shù)個(gè)波長(zhǎng)的訊號(hào),而Mux則是負(fù)責(zé)將數(shù)個(gè)波長(zhǎng)匯集至一起的元件;DeMux則是負(fù)責(zé)將匯集至一起的波長(zhǎng)分開(kāi)的元件。當(dāng)前Mux/DeMux的開(kāi)發(fā)較不受重視,且一般能生產(chǎn)DWDM元件的廠商也多具備生產(chǎn)能力。但未來(lái)Mux/DeMux將朝向多信道數(shù)及高速開(kāi)發(fā)以外,推測(cè)也會(huì)陸續(xù)朝包含衰減器、加/解密等增加追加價(jià)值的方向開(kāi)發(fā)。
OADM是DWDM系統(tǒng)中一個(gè)重要的應(yīng)用元件,其作用是在一個(gè)光導(dǎo)纖維傳送網(wǎng)絡(luò)中塞入/取出(Add-Drop)多個(gè)波長(zhǎng)信道;置OADM于網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)處,以控制不同波長(zhǎng)信道的光訊號(hào)傳至適當(dāng)?shù)奈恢谩H耄〕霾ǖ拦潭ǖ腛ADM已進(jìn)入量產(chǎn),不過(guò)可藉由外部命令控制塞入/取出波道的OADM仍在開(kāi)發(fā)中。
OXC是下一代光通迅的路由交換機(jī),用在因DWDM而生成的多波道數(shù)據(jù)路由及線路調(diào)度,其功能包含網(wǎng)絡(luò)的路由器及電信的交換機(jī)。OXC設(shè)置于網(wǎng)絡(luò)上重要的匯接點(diǎn),匯集各方不同波長(zhǎng)的輸入,再將各訊號(hào)以適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)輸送至合適的光導(dǎo)纖維中。它可提供光導(dǎo)纖維切換(Fiber switching,連接不同光導(dǎo)纖維,波長(zhǎng)不轉(zhuǎn)換)、波長(zhǎng)切換 (Wavelength switching,連接不同光導(dǎo)纖維,波長(zhǎng)經(jīng)轉(zhuǎn)換)、及波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換(Wavelength conversion,輸出至同一光導(dǎo)纖維,波長(zhǎng)經(jīng)轉(zhuǎn)換)三種切換功能。OXC并提供路由恢復(fù)、波長(zhǎng)管理、及話務(wù)彈性調(diào)度,準(zhǔn)備在下一代IP Over DWDM的電信/網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中,直接以光訊號(hào)傳送替換現(xiàn)有的電訊號(hào)交換/路由的地位。
DWDM相關(guān)設(shè)備
目前DWDM 的相關(guān)設(shè)備有下列幾種:
(1) 光放大器,(2) DWDM 終端機(jī),(3) 光塞取多工機(jī),(4) 光交接機(jī)。 茲將DWDM 相關(guān)設(shè)備之主要功能敘述如下:
光放大器
具有光信號(hào)格式與位元速率之透通性,運(yùn)作于1550 nm區(qū)域有相當(dāng)高之增益、高光輸出功率及低雜訊指數(shù),光放大器依據(jù)不同應(yīng)用有下列三種:
光功率放大器 (Booster Amplifier, BA) 光前置放大器 (Pre-Amplifier, PA) 光線路放大器 (Line Amplifier, LA)
目前應(yīng)用于多波長(zhǎng)DWDM系統(tǒng)之光放大器大部分是摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)其主要組成包含一段摻鉺光纖、幫浦雷射(Pump Laser)及DWDM組件(用來(lái)混合傳輸光信號(hào)及幫浦光輸出)。EDFA直接放大1550 nm區(qū)域無(wú)需使用電子式再生器,可在相當(dāng)大之波長(zhǎng)范圍內(nèi)提供平坦增益,亦即單一EDFA能同時(shí)提供多個(gè)波長(zhǎng)通路之增益,已取代大部分之再生器應(yīng)用,成為長(zhǎng)途光纖網(wǎng)路之構(gòu)成部分。
DWDM 終端機(jī)
DWDM 終端機(jī)配合光放大器可應(yīng)用于光傳輸網(wǎng)路 ,在傳送端可接受多個(gè)波長(zhǎng)之光信號(hào)輸入,并轉(zhuǎn)換成符合ITU-T G.692固定波長(zhǎng)之光信號(hào),經(jīng)多工混合、光放大后傳至光傳送網(wǎng)路,在接收端可接收來(lái)自光傳送網(wǎng)路之信號(hào),經(jīng)光前置放大、解多工、及光濾波器后輸出。
DWDM 終端機(jī)有下列兩種型式:
(1) 開(kāi)放式系統(tǒng)(Open System):通常稱為轉(zhuǎn)頻式(transponder-based) DWDM,在SDH及DWDM設(shè)備間有轉(zhuǎn)頻器,可介接不同廠家的SDH設(shè)備。 (2) 整合式系統(tǒng)(Integrated System):通常稱為被動(dòng)式(passived) DWDM,SDH設(shè)備已具有ITU-T G.692之介面功能。 開(kāi)放式系統(tǒng)和整合式系統(tǒng)之優(yōu)缺點(diǎn)之比較如表1 所示
表1開(kāi)放式系統(tǒng)和整合式系統(tǒng)之比較
光塞取多工機(jī) (Optical Add-Drop Multiplexer, OADM)
光塞取多工機(jī) (Optical Add-Drop Multiplexer ,OADM),可以在一個(gè)光傳輸網(wǎng)路之中間站塞入或取出個(gè)別的波長(zhǎng)通道。一般而言,它是置于兩個(gè)DWDM終端機(jī)之間來(lái)代替某一光放大器,目前大部份廠家已研制出固定型光塞取多工機(jī),它對(duì)于要塞入或取出的波道必須事先設(shè)定,至于另一種稱為可任意設(shè)定之光塞取多工機(jī),則可藉由外部指令對(duì)于要塞入或取出的波道作任意的指配。
光交接機(jī)(Optical Cross-Connect, OXC)
在電信網(wǎng)路中使用于DWDM波長(zhǎng)愈來(lái)愈多時(shí),對(duì)于這些波道須作彈性之調(diào)度或路由之改接,此時(shí)必須藉由光交接機(jī) ,來(lái)完成此項(xiàng)功能,通常它可置于網(wǎng)路上重要的匯接點(diǎn),在其輸入端可接收不同波長(zhǎng)信號(hào),經(jīng)由光交接機(jī)將它們指配到任一輸出端,光交接機(jī)在連接至DWDM光纖時(shí)有以下三種切換方式:
(1) 光纖切換 (Fiber switching):可連接任一輸入光纖到任一輸出光纖,但不會(huì)改變光纖內(nèi)之波長(zhǎng)。 (2) 波長(zhǎng)切換 (Wavelength switching):同一輸入光纖內(nèi)之多個(gè)波長(zhǎng),可分別交接至不同輸出光纖,較有彈性。 (3) 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 (Wavelength conversion):不同輸入光纖內(nèi)之相同波長(zhǎng),經(jīng)轉(zhuǎn)換后可以不同波長(zhǎng)匯入同一輸出光纖。
光交接機(jī)可提供下列幾種應(yīng)用:
(1) 路由回復(fù) 在光纖被切斷(Cable Cut)或話務(wù)雍塞時(shí),對(duì)于網(wǎng)路上正在運(yùn)作的波道可提供自動(dòng)保護(hù)切換功能,尤其對(duì)于與日俱增的數(shù)據(jù)話務(wù)(如IP/WDM)將益形重要,因?yàn)镮P/WDM它沒(méi)有在SDH這層作保護(hù)。 (2) 波長(zhǎng)管理 在網(wǎng)路中對(duì)于DWDM系統(tǒng)中之多種波長(zhǎng)可作任意交接或指配,例如:可將部份波長(zhǎng)租給特定客戶或其它的網(wǎng)路業(yè)者。 (3) 話務(wù)之調(diào)度和集中 可將類(lèi)別相同之話務(wù)集中一起送至某指定目的地,或?qū)⒍嗦分挥胁糠菅b滿之話務(wù)務(wù)集中一起傳送,以提高光纖之利用率,讓網(wǎng)路調(diào)度更有彈性及效率。
DWDM的好處
(1)電網(wǎng)路演進(jìn)至光網(wǎng)路 DWDM技術(shù)奠定了由電網(wǎng)路演進(jìn)至光網(wǎng)路之基礎(chǔ),傳統(tǒng)的電網(wǎng)路(Electronic Networking) 無(wú)法直接在光層(Optical Layer)進(jìn)行多工(multiplexing)、切換(switching)、或路由改接(routing)等動(dòng)作,在網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)需使用光電轉(zhuǎn)換設(shè)備將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再將電信號(hào)轉(zhuǎn)回光信號(hào),如此一來(lái)總體傳輸速率會(huì)因使用光電轉(zhuǎn)換設(shè)備而受到限制,無(wú)法將光纖與生俱來(lái)無(wú)限頻寬的潛力好好發(fā)揮。
以DWDM為機(jī)制之光網(wǎng)路可直接在光層作信號(hào)之運(yùn)作來(lái)解決上述問(wèn)題,因此克服了傳統(tǒng)傳輸瓶頸而帶來(lái)了”Virtual fibre”的觀念,將既有光纖作最有效率的利用。
(2)網(wǎng)路多樣化的服務(wù) DWDM和傳送速率(Bite Rate)及規(guī)約(Protocols)無(wú)關(guān),也就是說(shuō)可提供和服務(wù)形式完全無(wú)關(guān)的傳送網(wǎng)路,例如:一個(gè)對(duì)傳送速率及規(guī)約完全透通(Transparent)的DWDM網(wǎng)路可和ATM、IP、SDH等信號(hào)介接,提供網(wǎng)路多樣化的服務(wù)。
(3)降低成本、提升服務(wù)品質(zhì) 由于在光層進(jìn)行信號(hào)的指配或調(diào)度,相較于傳統(tǒng)上在電層的頻寬調(diào)度來(lái)的更簡(jiǎn)單而有效率,可減少費(fèi)用支出。另外在網(wǎng)路上光纖被切斷(cable cut)或光信號(hào)故障時(shí),可在光層進(jìn)行信號(hào)保護(hù)切換或網(wǎng)路路由回復(fù) (Restoration)的動(dòng)作,相對(duì)于傳統(tǒng)上在電層作回復(fù)的動(dòng)作其切換時(shí)間較短,使網(wǎng)路之可用度(availability)提高而改善服務(wù)品質(zhì)。
(4)提升傳輸距離及增加網(wǎng)路容量 高速之STM-64 TDM (Time Division Multiplexing) 傳輸上的最大問(wèn)題在于光纖的分散(Dispersion) 現(xiàn)象嚴(yán)重,對(duì)于傳送之光信號(hào)會(huì)產(chǎn)生劣化效應(yīng),因此,若不使用電子式再生器或其他補(bǔ)償技巧 ,理論上STM-64信號(hào)可在G.652光纖內(nèi)傳送約60公里。若以8個(gè)波長(zhǎng)的DWDM技術(shù)傳送,每個(gè)波長(zhǎng)為2.5Gb/s之信號(hào),其傳輸容量可為20 Gb/s,其傳輸距離可達(dá)600公里以上而不需電子式再生器,而需要光放大器。
STM-64的多工對(duì)于支流信號(hào)(Tributary)的頻率與格式,通常都有一定的限制,而DWDM的多工幾乎完全不設(shè)限,PDH、ATM、SDH、及IP等任何信號(hào)格式皆可輸入,增加網(wǎng)路傳輸之彈性。若未來(lái)光塞取多工機(jī) (Optical Add-Drop Multiplexer ,OADM)及光交接機(jī)(Optical Cross-Connect, OXC)的問(wèn)世,可直接以光波長(zhǎng)為交接單位,免除O/E/O的轉(zhuǎn)換步驟,可提升網(wǎng)路調(diào)度的效率。在解決與日俱增的用戶頻寬需求及提升網(wǎng)路容量之方案中,DWDM在技術(shù)上提供了不同之選擇。
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