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CWDM系统被认为是DWDM系统的一种低成本替代品，因为它采用低成本、无须制冷的分布反馈（DFB）激光器，同时对波长复用/解复用器件的精度要求较低。 一般情况下，要求CWDM滤波器至少有13nm的平顶通带，且通带波纹小、频谱裙带尖锐，波长中心以ITU波长标准的20nm为间隔。CWDM的薄膜滤波器（TFF）封装要比DWDM的简单很多，因此其制作成本较低。另外，由于短期内大部分城域/接入市场都只需要4波到8波，因此，CWDM需要管理的备用滤波器比DWDM少，进一步提高了CWDM器件的性价比。 系统向CWDM转变时，技术方面不会有本质的变化，因此，转变的重点在于光复用器件的布局和封装上。具体来讲，CWDM复用器面临的挑战有： ●小的器件尺寸；这样多信道CWDM线卡才有可能实现，即在单一模块中集成复用器和多个波长收发器。 ●低的插入损耗；从而少用或者不用放大器。 ●性能和可靠性对温度的要求低；这样它们就可以适应各种环境。 市场上有两种满足以上要求的CWDM复用器，一种使用三端口级联TFF器件，另一种使用自由空间级联TFF。后者也被称为小型CWDM（CCWDM）封装。 图1是这两种复用器的基本原理。用于CWDM特定波长的三端口滤波器，其波长信道由两个透镜和一个与该特定波长相匹配的TFF组成。其中第一个透镜用于对准来自公共端口的光束；TFF负责直通或者反射波长；第二个透镜用于将直通光束再聚焦到传送端口。被TFF反射的光束会被再次聚焦到反射端口，之后被反射到下一级的第一个镜头。 自由空间小型CWDM模块的尺寸更小、损耗更低。 将多个这样的三端口滤波器级联，每一个滤波器的反射端口连接下一级滤波器的公共端口，滤波器之间通过光纤连接器连接，就可以做成一个CWDM复用器。受光纤线路的最小弯曲半径的限制，封装盒的尺寸不能做得太小。为了摆放三端口滤波器以及连接它们的光纤，目前实际采用的这类CWDM封装尺寸基本上都是110×80×12mm3，而其中的大部分空间都是空着的。 相比之下，CCWDM的封装尺寸小许多。CCWDM的相邻信道利用平行光束在自由空间级联，而不是用光纤。没有了级联所用的光纤，CCWDM封装盒的尺寸只有41×28×8.7mm3，比标准CWDM封装足足小了10倍。 插入损耗及一致性 如果希望CWDM系统中少用或者不用光放大器，就必须降低CWDM复用器的插入损耗。CWDM器件损耗的最根本因素是准直器-准直器之间的耦合损耗和滤波器损耗。由于三端口级联滤波器采用的准直器数量是CCWDM方式的两倍，因此它的损耗也必然较大，尤其是在信道数量较大的时候。 n信道的三端口CWDM和CCWDM的最大信道插入损耗可以分别用下列表达式来近似：Σ（IL准直器）n+Σ（IL接收滤波器）n-1+IL发送滤波器和IL准直器+Σ（IL接收滤波器）n-1+IL发送滤波器，三端口CWDM通常用GRINlens准直器，而CCWDM为了获得较长的工作距离，采用C-lens准直器。这两种方式下的准直器对的损耗都在0.2dB左右，但是，CCWDM的准直器总数较少，因此它的总耦合损耗也较低。 一般来讲，为了达到信道隔离度30dB的要求，滤波器的反射损耗都应低于0.005dB；同时，为了达到反射隔离度15dB的要求，滤波器的传输损耗都应低于0.15dB。 通过上面的公式可以看出，用三端口级联滤波器制作的4信道和8信道复用器最大插入损耗分别达到0.97dB和1.79dB，而CCWDM的这两种插入损耗最大是0.37dB和0.39dB。 应该指出的是，对于CCWDM模块，只有当所有准直器对都匹配得很好时（即，每一对准直器的光束腰部都可以重叠），才能获得最好的损耗特性。在理想情况下，一个n信道的CCWDM需要n+1种不同的准直器，这在大量生产的时候是不现实的。实际中，一个基底上都只安装一种或两种准直器。 当有些准直器对匹配得不好时就会使损耗增大。图2显示了室温下8信道三端口级联滤波器CWDM复用器和8信道CCWDM的典型插入损耗曲线。CCWDM器件的平均损耗是0.82dB，而三端口CWDM的平均损耗是2.1dB。 另一个与插入损耗密切相关的因素是多信道损耗曲线，如果不同的数据信道波长沿传输线路的衰减不同，则很多系统应用都将会受到影响。因此，信道间的插入损耗应该是一致的。 由于小型CWDM模块所需的准直器较少，所以它们的损耗要低于级联滤波器型CWDM。 根据上述对损耗的计算可以看出，三端口级联CWDM器件的各信道间损耗差异是很大的。例如，在8信道情况下，损耗差异可以达到1.5dB。为了解决这个问题，各个信道之间都必须严格地耦合，另外还必须在光纤断面和/或传送信道人为地加入衰减，这无疑延长了产品的生产周期。 相比而言，CCWDM器件的准直器损耗就低很多，这在很大程度上保证了损耗的一致性，实际上8信道CCWDM器件的损耗差异大约为0.4dB。产生CCWDM损耗差异的最主要因素是准直器不匹配，可以设计更多类型的准直器来缩小损耗差异。 器件和工艺的稳定性 当前很多CWDM城域/接入网在设计时都不采取温度控制措施，因此要求所有的有源和无源部件都能够工作在-5℃到+65℃的环境温度下，而新的“工业温度”标准已经扩大为从-40℃到+85℃。要保证在这种严酷的温度条件下器件内各个子部件的相对位置不发生变化，封装技术将面临巨大的挑战。 由于三端口滤波器级联CWDM和CCWDM采用的布局方式不同，因此它们的封装方式也不同，从而，它们产生损耗差异的因素也有所不同。在三端口级联滤波器复用器中，内部的光纤端面对温度相关损耗（TDL）的影响不大，产生TDL的最主要因素是各三端口滤波器的一对尾纤、GRIN透镜和滤波器。更确切地说，在8信道的情况下，各个滤波器的反射信道损耗差异是主宰整个复用器模块TDL的最重要因素。损耗的大小主要由滤波器、透镜和尾纤的固定方式的稳定性来决定。焊接面是导致温度不稳定的重要因素。 而CCWDM采用完全不同的办法，其准直器和滤波器焊在一个公共的基底上，基底由金属或玻璃构成，并且经过适当的环氧和固化处理。与三端口滤波器用光滑的封装表面进行连接的方式不同，CCWDM滤波器用粗糙的滤波器侧面进行连接，因此键合力要比三端口滤波器的大许多，这就有效地将反射光束的倾斜降到了最低，而反射光束倾斜是导致器件TDL的最重要因素。另外，CCWDM中的每个准直器都只带有一根尾纤。 图3对比了分别用三端口级联滤波器和CCWDM制造的8信道复用器的TDL。这两条TDL曲线都呈线性，与前文的分析相吻合。其中三端口滤波器级联复用器的曲线要比CCWDM复用器的曲线陡峭，说明三端口滤波器方式下反射信道受外界温度变化的影响更大。 小型CWDM器件对温度的敏感性要低于三端口级联模块，因为其构造方式降低了反射光束的倾斜。 要制造出优质的CCWDM器件就需要对制作过程进行严格的控制。所幸的是，这类工艺控制并不需要和传统的三端口滤波器制作工艺完全不同的方法，其产品质量呈现很好的正态分布，平均损耗大约为0.85dB，标准偏差为0.096dB。假设8信道CCWDM的损耗标准为1.3dB（这一指标比三端口级联滤波器器件的2.5dB标准高出很多），则加工能力指数（Cpk）为1.67，说明制作过程的稳定性很好。 可靠性 光网络一经安装，其寿命就成为大家关注的话题，TelcordiaGR-1209-Core和GR-1221-Core提供了一种估算实际使用寿命的方法，该方法包括多个经过特殊设计的测试过程。一般认为这些测试都适合于器件的测试，例如三端口滤波器。通过所有这些实验的标准是插入损耗变化小于0.5dB。Telcordia还有一个规定模块产品性能和可靠性的标准GR-63-Core，一般认为这部标准的测试条件不及GR-1221-Core中的严格。当前大多数无源产品供应商都对他们的器件进行GR-1221-Core测试，但对于一些特定的模块，其测试条件会相对宽松许多。 然而事实上，对于一个三端口滤波器而言，满足GR-1221-Core标准的插入损耗变化范围小于0.5dB的要求并不是一件困难的事情。但对于一个级联了8个三端口滤波器的模块而言，即使每个滤波器都通过了GR-1221-Core测试，其最大插入损耗变化也可能达到4dB，这对任何系统而言，都是不能接受的。因此，要保证复用器在系统运行期间整体的插入损耗变化保持在0.5dB范围内，单个三端口滤波器的可靠性就必须比测试规范中所规定的高很多才行。 而对CCWDM模块而言，多信道集成是在封装内的一个公共的基底上实现的，属于器件级集成。采用适当的处理方法和严格的控制步骤，器件就可以通过GR-1221-Core的全部七项测试标准，并取得很好的测试结果。事实上，七项测试中所采用的8信道CCWDM样品的最大插入损耗变化是0.29dB。总的来讲，如果三端口级联滤波器CWDM模块要获得这样的可靠性测试结果，则各个三端口滤波器所要通过的测试标准就必须比GR-1221-Core测试标准严格几个级别。 附表中是8信道CCWDM与传统三端口级联滤波器复用器的比较结果。显而易见，CCWDM不但封装更小，而且损耗更低、一致性更好、环境稳定性更好，因此它是一种更可靠的、比传统复用器更能满足当前系统要求的方案。 DaoyiWang、ChunHe和YaoLi博士分别是Alliances Fiber Optic Products的高级光学工程师、工程经理和首席技术专家。 |
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