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投稿指南波分复用（WDM）技术正是满足了运营商的诸多要求，才能被广泛地应用在当今的传输网络中。文章从 WDM技术的基本原理与特点入手，介绍了WDM系统在现代传送网和数据业务中的应用，并指出了WDM技术的发展方向。
关键词：波分复用 OADM OXC
一、WDM技术概述
所谓波分复用（WDM），就是把具有不同标称波长的几个或几十个光通路信号复用到一根光纤中进行传送，每个光通路承载一个TDM方式的SDH信号。
采用WDM技术可以把光纤的传输容量扩大几倍甚至几十倍。WDM系统中最基本、也是最重要的是各复用光通路的SDH光传输设备，它们负责信号码流的发送与接收，以及开销的处理等。
1．WDM的关键技术
WDM的关键技术包括三个方面：合／分波器、光放大器和光源器件。
合／分波器实际上就是光学滤波器，其作用是对各复用光通路信号进行复用与解复用。
对它们的基本要求是：插入损耗低、隔离度高、具有良好的带通特性、温度稳定性好、复用通路数多和具有较高的分辨率等。
光放大器的作用是对复用后的光信号进行直接光放大，以解决WDM系统的超长距离传输问题。一般来讲，合／分波器的插入损耗较大，大大减小了WDM系统的传输距离（仅为三四十公里左右），满足不了实际需求。使用光放大器后，不仅可使WDM系统的传输距离达到常规要求，而且还可以实现超长距离传输，达到640km无电中继传输。因此对光放大器的要求是：有很高的增益、很宽的带宽和较低的噪声系数等。目前在1550nm波长范围皆采用掺饵光纤放大器（EDFA），但在1310nm波长范围尚无实用化的光放大器，所以目前WDM技术主要用于1550nm波长范围。最近，半导体光放大器（SOA）技术已经成熟，这种放大器具有高增益、低噪声等特点，并能够对1310nm窗口的光信号进行放大，有望在近期得到商用。
WDM系统的超长距离传输对光源器件提出了非常苛刻的要求，光源器件必须具有十分狭窄的谱宽和非常稳定的发射波长。
光纤通信系统的传输距离可能会受到系统损耗的限制，也可能会受到系统色散的限制，而在高速率传输的情况下，往往是色散受限占主要地位。光放大器的使用只是解决了损耗受限的问题，而色散受限的问题则需要选择谱宽极窄的半导体激光器来解决。实践证明，采用传统的直接调制方式会使半导体激光器在高速率条件下工作时产生所谓调嗽声，它极大地限制了系统的传输距离。要想实现超长距离传输，必须减小或避免调嗽声现象，所以
WDM系统使用的光源器件必须放弃传统的直接调制方式而改用外调制方法，即所谓外调制型光源。
此外，ITU－T对WDM系统的工作波长及其偏差（频偏）作了严格的规定，如系统工作光波波长的偏差在±0.08nm范围，这就要求光源器件的发光波长非常稳定，否则复用光通路的信号可能会串到相邻的光通路之中，在解复用时会产生混乱。
2．WDM技术的优点
WDM技术之所以在近几年得到迅猛发展是因为它具有下述优点。
（1）超大容量传输
WDM系统的传输容量十分巨大。由于WDM系统的复用光通路速率可以为2.5，10Gbit／s等，而复用光通路的数量可以是4，8，16，32甚至更多，因此系统的传输容量可达到300－400Gbit／s。而这样巨大的传输容量是目前TDM方式根本无法做到的。
目前，（8－32）×2.5Gbit／s和16×10 Gbit／s的 WDM系统已经达到商用水平，而132×10Gbit／S的 WDM系统也已有报导。
（2）节约光纤资源
对单波长系统而言，1个SDH系统就需要一对光纤，而对WDM系统来讲，不管有多少个SDH分系统，整个复用系统只需要一对光纤就够了。例如对于16个2.5 Gbit／s系统来说，单波长系统需要 32根光纤，而WDM系统仅需要2根光纤。节约光纤资源这一点也许对于市话中继网络并非十分重要，但对于系统扩容或长途干线来说就显得非常可贵。
（3）各通路透明传输、平滑升级扩容
只要增加复用光通路数量与设备，就可以增加系统的传输容量以实现扩容，而且扩容时对其它复用光通路不会产生不良影响。所以WDM系统的升级扩容是平滑的，而且方便易行，从而最大限度地保护了建设初期的投资。
WDM系统的各复用通路是彼此相互独立的，所以各光通路可以分别透明地传送不同的业务信号，如话音、数据和图像等，彼此互不干扰，这给使用者带来了极大的便利。
（4）充分利用成熟的TDM技术
以TDM方式提高传输速率虽然在降低成本方面具有巨大的吸引力，但面临着许多因素的限制，如制造工艺、电子器件工作速率的限制等等。据分析，TDM方式的10 Gbit／s光传输设备已非常接近目前电子器件的工作速率极限，再进一步提高速率是相当困难的（至少目前的技术水平如此）。
而WDM技术则不然，它可以充分利用现已成熟的TDM技术，相当容易地使系统的传输容量达到80Gbit／s水平，从而避开开发更高速率TDM技术（10Gbit/s以上）所面临的种种困难。
目前TDM方式的2.5 Gbit／s光传输技术已十分成熟，WDM可以把几个甚至几十个2.5 Gbit/s的光传输系统作为复用通路进行复用，使传输容量成几倍甚至几十倍地增加，达到10，20，40，80Gbit／s甚至更高水平。而目前用TDM方式达到如此高的传输容量几乎是不可能的。
（5）利用EDFA实现超长距离传输
接饵光纤放大器（EDFA）具有高增益、宽带宽、低噪声等优点，在光纤通信中得到了广泛的应用。掺饵光纤放大器的光放大范围为1530－1565nm，但其增益曲线比较平坦的部分是1540－1560nm，它几乎可以覆盖整个WDM系统的1550nm工作波长范围。所以用一个带宽很宽的掺饵光纤放大器就可以对WDM系统各复用光通路信号同时进行放大，以实现系统的超长距离传输，避免了每个光传输系统都需要一个光放大器的情况。WDM系统的超长传输距离可达到数百公里，节省大量中继设备，并降低成本。
（6）对光纤的色散无过高要求
对WDM系统来讲，不管系统的传输速率有多高、传输容量有多大，它对光纤色度色散系数的要求基本上就是单个复用通路速率信号对光纤色度色散系数的要求。如 20 Gbiifs（8×2.5Gbit／s）的WDM系统对光纤色度色散系数的要求就是单个2.5 Gbit／s系统对光纤色度色散系数的要求，一般的G.652光纤都能满足。
但TDM方式的高速率信号却不同，其传输速率越高，传输同样距离所要求的光纤色度色散系数就越小。以目前敷设量最大的G.652光纤为例，用它直接传输2.5Gbit/s速率的光信号是没有多大问题的，但若传输TDM方式10Gbit/s速率的光信号，就对系统的色度色散等参数提出了更高的要求，同时对光纤的偏振模色散值也提出了较高的要求。
（7）可组成全光网络
全光网络是未来光纤传送网的发展方向。在全光网络中，各种业务的上下、交叉连接等都是在光路上通过对光信号进行调度来实现的，从而消除了电光转换中电子器件的瓶颈。
例如，在某个局站可根据需求用光分插复用器（OADM）直接上、下几个波长的信号，或者用光交叉连接设备（OXC）对光信号直接进行交叉连接，而不必像现在这样首先进行光一电转换，然后对电信号进行上、下或交叉连接处理，最后再进行电一光转换，把转换后的光信号输入到光纤中进行传输。
WDM系统可以与OADM，OXC混合使用，以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性的全光网络，以适应宽带传送网的发展需要。
二、光波长区的分配
1．系统工作波长区
石英光纤有两个低损耗窗口，即1310nm与1550nm，但由于目前尚无工作于1310nm窗口的实用化放大器，所以WDM系统的工作波长区为1530－1565nm。G692建议规定，WDM系统的工作波长范围为152877－156061nm，对应的工作频率为198.1－1921THZ。
要想把许多的光通路信号进行复用，必须对复用光通路信号的工作波长进行严格规范，否则系统会发生混乱，合波器与分波器也难以正常工作。因此，如何在此有限的波长区有效地进行通路分配，关系到能否提高带宽资源的利用率和减少相邻通路之间的非线性影响。
与一般单波长系统不同的是，WDM系统通常用频率来表示其工作范围，这是因为用频率比用光波长更准确、方便，这一点以后会看到。
工作波长λ与工作频率f的关系为：
λ＝c／f（1）其中：c为光在真空中的传播速度。
2．绝对频率参考（AFR）
绝对频率参考是指WDM系统标称中心频率的绝对参考点。用绝对参考频率加上规定的通路间隔就是各复用光通路的具体标称中心频率（中心波长）。
G.692建议规定，WDM系统的绝对频率参考为193.1THz，与之相对应的光波长为1552.52nm。
绝对频率参考的精确度是指绝对频率参考信号相对于理想频率的长期频率偏移；绝对频率参考的精度包括温度、湿度和其它环境条件变化所引起的频率变化，这些内容尚处于研究之中。
3．通路间隔
所谓通路间隔是指两个相邻复用通路之间的标称频率差。通路间隔可以是均匀的，也可以是非均匀的。非均匀通路间隔可以用来抑制G.653光纤的四波混频（FWM）效应，但目前大部分还是采用均匀通路间隔。
G.692建议规定，通路间隔是100GHz（约0.8nm）的整数倍，可以是100，200，400，500，600GHz等。显然，采用的通路间隔越小，要求分波器的分辨率越高。通常采用两种通路间隔标准，即 200 GHz(约1.6nm）或100GHz（约0.8n）。
4．标称中心频率
标称中心频率是指WDM系统中每个复用通路对应的中心波长（频率）。在G.692建议中，通路频率是基于绝对频率参考为193.1THz、最小通路间隔为100GHz的频率间隔系列，所以长期选择应满足以下要求：
①至少要提供16个波长，以保证当复用通路信号为 2.5Gbit／s时，系统的总传输容量可以达到40Gbit／s。但波长的数量也不宜过多，因为对众多波长的监控是一个相当复杂又较难应付的问题。
②所有波长都应位于光放大器增益曲线比较平坦的部分，这样可以保证光放大器对每个复用通路提供相对均匀的增益，有利于系统的设计和超长距离传输的实现。对于EDFA而言，其增益曲线比较平坦的部分为 1540－1560nm。
③这些波长应该与光放大器的泵浦波长无关，以防止发生混乱。掺饵光纤放大器的泵浦波长为980nm和1480nm。
G.692建议对WDM系统各复用光通路的标称中心频率做了详细规定。
6．中心频率偏移
中心频率偏移又称频偏，是指复用光通路的实际中心工作频率与标称中心频率间的偏差。
对于8通路的WDM系统，采用均匀间隔200 GHz（约1.6nm）为通路间隔，而且为了将来向16通路WDM系统升级，规定最大中心频率偏移为±20GHz（约±0.16nm）。该值为寿命终了值，即考虑到温度、湿度等各种因素，在系统设计寿命终了时仍能满足的数值。
对于16通路的WDM系统，采用均匀间隔100GHz为通路间隔，规定其最大中心频率偏移为±20 GHz（约±0.16nm），该值也为寿命终了值。
需要注意的是，通路间隔和频偏的频率与波长换算不能使用（1）式，因为该式是频率和波长绝对值之间的换算。频率差Δv与波长λ波长差Δλ的关系式如下：
Δ≈（C／λ1.λ2）Δλ （2）
三、WDM系统在传送网中的应用
传送网面临着巨大带宽需求和网络业务调度等压力，2000年传送网络的热点是：长途干线大规模应用DWDM系统，从而提供更多的带宽、降低中继成本；在大容量市话网络中规模应用STM－64和STM－16系统，支持业务的灵活调度。
1．WDM在长途干线传输网中的应用
与由分插复用器（ADM）和中继器构建的传统SDH长途干线网相比，DWDM系统由于采用具有多波长放大能力的接饵光纤放大器技术，从而降低了长途干线网的中继成本，获得了广泛应用。在长途干线传输网中，DWDM负责解决业务的长距离传送，SDH负责解决业务的调度、上下和保护。根据目前长途干线网建设和维护中对DWDM的要求，总结出以下几个要点：
①在长途干线网中，中继设备数量大为减少，具有统一管理DWDM和SDH设备能力的网管系统可降低网管系统的投资，简化维护工作。
②长途干线中设备节点距离较远，给系统维护和故障排除带来很大不便。如果采用具有定时扫描各种光谱特性的内置光谱分析单元，维护人员就可以在网管中心实时了解动态运行中的每个波长的光功率、中心波长、光信噪比等光谱特性，实现系统在线监控，满足干线网远程监控与维护的需要。
③目前ITU－T建议只定义了8×22dB，5×30dB，3×33 dB三种规模的光放大单元，但长途干线中实际再生段超出120km的情况很多，随着器件技术水平的提高，采用具有更多光放规格的DWDM系统，在工程设计时就可以超出上述受限范围，最终降低中继建设成本。
④目前大多数DWDM系统尚不支持系统误码性能监测和连接完整性确认等重要功能，相反，SDH利用丰富的开销字节能很好地支持上述功能。目前国内有些厂商的DWDM系统在收端和发端的波长转换单元（OTU）进行波长转换的同时，将SDH帧结构中的B1字节提取出来进行校验，可实现在线监测和故障准确定位。
⑤长途干线中具有再定时、再整形和再放大（3R）能力的OTU单元可在国距离原因导致光信噪比下降突破阈值、超出色散容限的节点替代SDH电中继设备，以降低建设成本。
2．WDM技术在城域网中的应用
随着技术的进步和业务的发展，WDM技术正从长途传输领域向城域网领域扩展，当然这种扩展不是直截了当的，还需要针对城域网的特定环境进行改造。适用于城域网领域的WDM系统称为城域网WDM系统，其主要特点和要求是：首先，低成本是城域网WDM系统最重要的特点，特别是按每波长计其成本必须明显低于长途网用的WDM系统。由于城域网范围传输距离通常不超过100km，因而不必使用长途网必须用的外调制器和光放大器。由于没有光放大器，也就不需要任何形式的通路均衡，从而减少了分波器和合波器的复杂性，也不会遭受与光放大器有关的非线性损伤。光放大段的设计仅仅是光损耗的设计，十分简单明了。最后，由于没有光放大器，波长数的增加和扩展也不再受光放大器频带的限制，容许使用波长间隔较宽、波长精度和稳定度要求较低的光源、合波器、分波器和其他元件，使元器件，特别是无源器件的成本大幅度下降，从而降低了整个系统的成本。
城域网WDM系统容许网络运营者提供透明的以波长为基础的业务，这样用户可以灵活地传送任何格式的信号而不必受限于SDH的结构和格式。特别是对于应用在城域网边缘的系统，直接与用户接口，要能灵活快速地支持各种速率和信号格式的业务，因而要求其光接口可以自动接收和适应从10Mbit/s到2.5Gbit/s范围的所有信号，包括SDH，ATM，IP，ESCON，FDDI、千兆以太网和光纤通路等。而对于应用在城域网核心的系统，将来有可能还会要求支持10 Gbit/s的SDH信号和10Gbit／s的以太网信号。
城域网WDM系统还应具备波长可扩展性，新的波长应能随时加上而不会影响原有工作波长。这样，系统可以通过简单地增加波长而迅速提供新的业务，极大地增强运营商的市场竞争能力。
四、WDM技术在数据业务中的应用
随着Internet的迅猛发展，对其骨干网的带宽提出了很大需求。从目前的发展看，最合适的解决方案是千兆以太网（GE）over DWDM，它可以提供几十个千兆比每秒的通信带宽，而且具有以太网的简易性，与其它类似速率的通信技术比较，具有价格低廉的特点。
GE over DWDM实现了以太网基础之上的平滑过渡，综合平衡了现有的端点工作站、管理工具和培训I基础等各种因素。千兆以太网采用802.32协议，与10M，100M以太网具有同样的帧格式和帧长。对于广大的网络用户来说，这意味着现有的投资可以在合理的初始开销上延续到千兆以太网，而不需要对技术支持人员和用户进行重新培训，也不需要作另外的协议和中间件的投资。
IP over DWDM的通俗说法就是让 IP数据包直接在光路上传送，减少网络层之间的冗余部分。由于省去了中间的ATM和SDH层，其传输效率最高，节省了网络运营商的成本，同时也降低了用户获得多媒体通信业务的费用，是一种最直接、最经济的IP网络体系结构。GE overDWDM是IP over DWDM的一种廉价方式，非常适用于大型城域IP骨干网的应用。
GE over DWDM的基本原理和工作方式是：在发送端，将交换机、路由器等设备发出的千兆以太网光信号送给千兆以太网波长转换板进行光／电转换，变为电信号；此电信号分为两路，一路送给千兆以太网的MAC芯片，另一路去调制具有特定波长的激光器；通过千兆以太网的MAC芯片可以获取千兆以太网的传输情况，如数据包流量和错误的数据包数量，可以很方便地在传输网管设备上观察到千兆以太网的运行情况，及时查找传输线路故障；经过波长激光器调制的千兆以太网光信号同其它波长的光信号组合（复用）送入一根光纤中传输。在接收端，通过分波器将各个波长的光信号从一根光纤分出，送入不同终端。分出的千兆以太网光信号被送给千兆以太网波长转换板，同样进行光-电-光转换，并在电层用千兆以太网的MAC芯片监视传输情况；最后将千兆以太网光信号送到交换机、路由器等设备的千兆以太网光口，完成GE over DWDM的全过程。
五、WDM的发展方向
虽然WDM技术问世时间不长，但由于具有许多显著的优点而表现出强大的生命力，从而迅速得到推广应用，并向全光网络的方向发展。
从发展的角度看，今后全光技术的发展可能表现在以下几个方面：
①光分插复用器（OADM）
目前采用的OADM只能在中间局站上、下固定波长的光信号，使用起来比较僵化。而未来的OADM对上、下光信号将是完全可控的，就像现在分插复用器上、下电路一样，通过网管系统就可以在中间局站有选择地上、下一个或几个波长的光信号，使用起来非常方便，组网（光网络）十分灵活。
②光交叉连接设备（OXC）
与OADM相类似，未来的OXC将像现在的DXC能对电信号随意进行交叉连接一样，可以利用软件对各路光信号进行灵活的交叉连接。OXC对全光网络的调度、业务的集中与疏导、全光网络的保护与恢复等都会发挥重大作用。
③可变波长激光器
到目前为止，光纤通信用的光源即半导体激光器只能发出固定波长的光波，尚不能做到按需要随意改变半导体激光器的发射波长。将来可能会出现可变波长激光器，即激光器光源的发射波长可按需要进行调谐发送，其光谱性能将更加优越，而且具有更高的输出功率、更高的稳定性和更高的可靠性。不仅如此，可变波长的激光器光源还更有利于大批量生产，降低成本。
④全光再生器
目前的再生器即所谓的电再生器，都需要经过光一电一光的转换过程，即通过对电信号的处理来实现再生（整形、定时、数据再生）。电再生器体积大、耗电多、运营成本高。掺饵光纤放大器虽然可以用来作再生器使用，但它只是解决了系统损耗受限的难题，而对于色散受限，掺何光纤放大器是无能为力的。色散受限还需要靠光源的色散容限值（DL）来解决，这就对光源的光谱性能提出了极高的要求。未来的全光再生器则不然，它不需要光一电一光的处理就可以对光信号直接进行再定时、再整形和再放大，而且与系统的工作波长、比特率、协议等无关。由于它具有光放大功能，所以解决了损耗受限的难题，又因为它可以对光脉冲波形直接进行再整形，所以也解决了色散受限方面的难题。
六、结语
总之，全光网络是未来信息传送网的发展方向，它可以直接对光信号进行处理，不仅大大简化了网络结构，降低了成本，而且极大地提高了网络的稳定性与可靠性。如果说20世纪的通信是电网络的时代，那么21世纪的信息传输将会是全新的光网络时代。
