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IFOC 2020论文 | AWG概述及其在5G中的应用

摘要:在过去的二十年中,AWG一直是密集波分复用系统中使用的关键滤波技术,它将不同波长的信道接入传输光纤和从传输光纤中断开。与波长选择开关(WSS)相比,AWG可提供更低的成本和更多的通道,是用于点对点高容量系统(如数据中心互连DCI)的理想波长复用和解复用技术。

 ICC讯   在过去的二十年中,AWG一直是密集波分复用系统中使用的关键滤波技术,它将不同波长的信道接入传输光纤和从传输光纤中断开。与波长选择开关(WSS)相比,AWG可提供更低的成本和更多的通道,是用于点对点高容量系统(如数据中心互连DCI)的理想波长复用和解复用技术。

  另外在如今火热的5G建设上,以AWG为代表的DWDM彩光波分也是前传的一种选择方案,受限于较高的成本,暂时还未能全面铺开使用。根据NGOF 发布的《5G 前传技术及应用白皮书》,中国移动在2019 年9 月光博会上的表态,根据中信证券研究分析认为在CRAN场景下,有光纤资源的地方主要采用25GBiDi,没有光纤资源的地方主要会采用波分方案,并预计前传波分设备将由4G 时期的1%提升到5G时期的15%~17%。据中国电信招标官网今年1月4日披露,中国电信将招标15万无源波分彩光设备,已经开启了5G前传集团集采的大幕。

  目前5G 前传有传统灰光方案、无源波分彩光方案以及半有源波分彩光方案等多种部署需求,对应普通光模块、彩光模块以及波分设备等不同产品形态。

  彩光模块从技术类型上可细分为CWDM(稀疏波分复用)和DWDM(密集波分复用)两种。CWDM的信道间隔为20nm,由于波长间隔较宽,对激光器的技术指标要求也较低,所以光复用器/解复用器的结构简化,制造成本相对较低。而DWDM系统中波长间隔在0.2nm到1.2nm之间,远比CWDM的波长间隔要小,因而可以提供16/20波或32/40波的单纤传输容量,最大甚至可达160波,具有强大的拓展能力,但其造价也比CWDM高;但是随着网络流量的大幅度增加,DWDM的更多数据承载能力才会凸显出其优越性。

  2019 年5G 牌照发放后,2020年国内迎来了5G大规模建设的元年,据工信部统计数据显示,截止2020年5月初,我国已建成5G基站超过25万座,平均每周以大于1万座的数量持续增长。预计年底,我国将建成超60万座5G基站,覆盖全国地级以上城市。5G网络速率大幅提升,作为传输端口的前传光模块相应的速率全面向25G升级,同时引入波分等新技术,产品价值量有望进一步提升。5G部署频段较高,为实现全覆盖基站密度将进一步增长,带动前传光模块需求数量进一步增长,行业有望迎来量价齐升发展机遇。

  运营商密集采购波分复用设备,波分复用成为新的产业趋势,前传光模块面临需求端变革。2020年以来三大运营商先后启动集团公司和省分公司的波分复用设备的规模采购。中国移动尚未对波分复用设备进行集团级集采,主要以省份公司采购为主,2019年至今已有21个省分公司开展了波分复用设备的招标,主要以无源波分方案为主,部分省公司已率先展开半有源波分设备的采购。中国移动有望在今年年内启动集团层级的波分复用设备的采购,涉及无源和半有源两种方案,并将以无源波分为主,提升彩光模块需求(实际上,AWG等DWDM采购由于成本等诸多原因暂时数量偏少)。

  DWDM

  密集波分复用技术(DWDM,Dense Wavelength Division Multiplexing)是将一组光波长组合复用在一根光纤上传输的技术,在发送端需要采用复用器件将待传输的光信号进行调制复合,在接收端采用解复用器件分离出不同波长的光信号。运用波分复用解复用技术,可以充分利用光线的宽带特性和现有的带宽资源获得巨大提升的传输容量。如果在一根光纤上复用8个波长,即在一根光纤上传输同时传输8个波长,此光纤的传输容量可以扩容8倍,比如可将2.5Gb/s提高到20Gb/s;实际上DWDM可以通过相应的技术手段实现最大160波的复用和解复用,可想而知对目前光纤传输能力的数量级提升的巨大潜力。近些年来DWDM技术的发展受到了广泛关注,在以后的时间里DWDM技术在通信中的应用将更加广泛。

  图1 DWDM应用示意图

  为了能够合理的利用单模光纤在 1.55pm 低损耗区产生的宽带资源 ,就需要根据不同的频率以及波长将光纤的低损耗区划分成多个光波道 ,而且需要在每个光波道建立载波即我们所说的光波 ,同时利用分波器在发送端合并各种不同规定波长的信号 ,将这些合并起来的信号集体传入一个光纤中, 进行信号传输。传输到接收端时,在利用一个光解复用器将这些合并到一起的具有不同波长。不同光波的信号分解开分成最初的状态实现了在一根光纤中可以传输多种不同信号的功能。

  实际使用中,由于光纤固有的传输损耗,光功率在传输过程中会逐渐损耗,所以在远程传输中必须使用光功率放大器,最常用的就是掺铒光纤放大器,也就是平常所说的EDFA。由于材料特性的限制EDFA的应用波长被限制在1530nm~1625nm之间。为了充分利用有限的带宽资源,信道之间的间隔就必须划分地特别窄,一般为200GHz(1.6nm)、100GHz(0.8nm)和50GHz(0.4nm),信道间隔过于狭窄对激光器的稳定性和单色性要求非常高,必须使用制冷激光光源。DWDM系统的工作波长是依据国际电信联盟的标准定义的,在此系统中采用DFB激光器作为光源,其温漂系数为0.08nm/℃,它需要采用冷却技术来稳定波长,以防止由于温度变化导致的波长漂移到所需要的通带之外。

  目前,WDM系统中常用的复用、解复用器大体可分为干涉滤光型波分复用器、熔融拉锥耦合型波分复用器、光栅型波分复用器、光纤光栅型波分复用器、阵列波导光栅型波分复用器(AWG)等。其中1988年由荷兰人M.K.Smit等人提出的AWG型最具市场前景,与同类技术制作的其他WDM器件相比,通过优化设计和工艺改进的AWG型DWDM器件在附加损耗、通带宽度、信道间隔、通道数目等方面均具有明显的优势;且具有设计灵活、滤波特性良好、长期可靠性能优异,易与光纤有效耦合且适于批量生产等优点。阵列波导光栅波分复用器是光通信密集波分复用系统的关键器件,在功能上它可以用作波分复用解复用、光路分插复用、光交叉连接、波长路由及波长检测,在DWDM光网络中有相当广泛的应用。

  AWG的结构

  AWG 是一种平面集成波导型的波分复用器件,具有复用与解复用功能。阵列波导光栅是由一个作衍射光栅用的阵列波导连接两个星型耦合器构成,其结构如图2所示,它由输入波导(Input waveguides)、输出波导(Output waveguides)和阵列波导(Array waveguide)构成。1st slab为输入块状波导,2nd slab为输出块状波导,整个功能集成在一个波导基片上。块状波导就是一个典型的罗兰圆结构(从罗兰圆上任意一点发出的光束,经凹面光栅衍射之后,必定聚焦在罗兰圆另一点上),阵列波导的端口分布在圆弧上,输入、输出波导端口则均匀分布于由该圆弧决定的罗兰圆上,并形成凹形衍射光栅。每个阵列中的波导端口正对中心的输入、输出波导端口,端面展开减小耦合损失,阵列波导数要保证所有入射的衍射光能被收集,即阵列波导的数值孔径要大于输入、输出波导的,这样输入波导进来的光就能无畸变(或小畸变)地传输到输出波导。相邻的阵列波导有相同固定的长度差,一般设计为中心波长对应的物理长度的整数倍。


  图2 AWG 的结构图

  图3 块状波导局部放大图

  AWG的工作原理

  阵列波导光栅(AWG)一般由N个输入波导、N个输出波导、2个N*M平板波导星形耦合器以及一个M个波导平板阵列波导光栅组成,这里M可以等于N,也可以不等于N。这种光栅相邻波导间具有恒定的路径长度差。

  如图4, 输入、输出波导的端口位于半径为R 的Rowland 圆周上(波导间距为x), 且对称地分布在焦距为f=2R 的平板波导的输入端, 阵列波导的端口(间距为d)分布在半径为2R 的光栅圆周上(圆心在中心输入/输出波导端部), 且阵列波导的中心位于光栅圆与Rowland 圆的切点, 相邻波导的光程差ΔL 等于AWG中心波长的整数倍。


  图4 罗兰圆周

  AWG 解复用的原理为: 输入的多波长信号光经第一个平板波导的散射后, 以相同的相位耦合入阵列波导(因为阵列波导部位于光栅圆周上), 在多个波导中传播产生相移, 并在第二个平板波导端部汇聚。由于各波导间的传播光程差等于中心波长的整数倍, 经阵列波导之后, 同一波长的光产生了相同的相移(只相差2π整数倍), 而不同波长的光则产生不同的相移, 因此, 波前发生了倾斜, 汇聚点也不同, 即各波长的光分别在特定的位置成像, 在空间上分开了。根据互易性, 也可利用AWG 把不同输入波导中的多个不同波长的光信号汇集到同一输出波导, 实现复用功能。

  AWG的相关参数

  插入损耗,IL

  AWG滤波器的某一通道的插入损耗定义为:在规定的工作温度范围内,考虑了偏振特性后的光功率损耗曲线(包括光功率损耗最大、最小两条曲线)上所对应的ITU-T通道带宽内的最大损耗值,以dB表示。

  AWG滤波器插入损耗:AWG各个通道中插入损耗的最大值,以dB表示。

  带宽,Bandwidth

  带宽有-0.5dB、-1dB、-3dB、-20dB带宽等,某个通道的带宽是从该通道最小光功率损耗曲线的顶点向下0.5dB、1dB、3dB、20dB与光功率损耗波形的交点之间的宽度。带宽计算时需要考虑偏振特性,取各种偏振态下的最差值。通常把“-X dB”带宽称为“X dB”带宽。

  AWG滤波器的带宽:AWG各个通道带宽至最差情况。

  相邻通道串扰,AX

  串扰是AWG滤波器的关键性指标。相邻串扰指某一特定通道在对应通带上输出光功率对相邻通带输出光功率的抑制比,用dB表示。

  右相邻串扰为本通道在通带内的最大插入损耗与右边相邻子通带内的最小插入损耗之差,AX+;左相邻串扰为本通道在通带内的最大插入损耗与左边相邻通带内的最小插入损耗之差,AX-。相邻串扰为右相邻串扰和左相邻串扰中的最小值。

 非相邻通道串扰,NX

  非相邻串扰是指某一特定通道的相应通带输出平均光功率对非相邻的其他通带输出平均光功率的抑制比,用dB表示,非相邻串扰为本通道在通带内的最大插入损耗与所有非相邻通带内的最小插入损耗之差。

  总串扰

  总串扰是指某一特定通道对应通带输出平均光功率对所有其他通带输出平均光功率总和的抑制比,用dB表示,表达式为:

  其中,TX:总串扰,单位为分贝dB;

  Pi:除对应的通带外,其他第i通带内的最大平均光功率,单位为毫瓦mW;

  P:对应通带的平均光功率,单位为毫瓦mW。

 设定温度

  设定温度是指将AWG滤波器的中心波长调整到ITU-T波长时需要的温度,单位为℃。

  设定温度稳定性

  AWG滤波器的温度稳定性是指AWG滤波器温控电路控制的AWG滤波器芯片温度的稳定程度,单位为℃。

  AWG的应用及发展状况

  (1)波长路由:波长路由器是光纤通信系统中的基本结构,在无源光网络中有着广泛的应用。光信号在经过网络节点时,根据它的波长来选择路由,无需经过光电转换,波长决定了光信号传输的路径,实现波长重用,提高了波长利用率。

  (2)LED 频谱分割多波长光源:使用阵列波导光栅(AWG),对 LED 的宽谱光进行分割, 就可以得到一种低成本多波长光源,以便用于 WDM-PON(波分复用无源光网络)。

  (3)光分插复用器:在光信号网络的接点上,经常需要把部分信号流从节点上“分”出来,或把某些信号流“插”进网络传输系统。这种可以把信号分出来,插进去的设备叫做“光分插复用器”。光分插复用器使得用户可方便地在节点处上载或者下载信号,大大提高了网络的灵活性。以AWG和空分阵列开关为核心的光分插复用器能很好地满足动态网络操作的要求。光分插复用器是全光通信网的核心设备,对全光网的传输能力、组网方式、关键性能都具有重要影响。光分插复用器是在光域实现支路信号的分插和复用的一种设备,是全光通信网的核心设备,对全光网的传输能力、组网方式、关键性能都具有重要影响。其作用是下载通道中的通往本地的信号,同时上载本地用户发往另一节点用户的信号。它使光纤通信网具有灵活性、选择性和透明性等优越功能。利用光分插复用器还能提高网络的可靠性,降低节点成本,提高网络运行效率,因此是组建全光网的关键技术之一。

  (4)光交叉互连:光交叉互连器主要用来完成多波长环网间的交叉连接,作为网格状光网络的结点,目的是实现光波网的自动配置、保护,恢复和重构。AWG器件因其对称性和多信道同步处理能力,在实现光交叉互连上显示了巨大的优势。

  (5)全光传输网:在全光网络结构和全光传输网中,光交叉连接(OXC)和光分插复用器(OADM)起到了信息传输和交叉互联的作用。对光信号进行交叉连接比较成熟的技术是波分复用技术和空分技术,后期AWG成本下降后也将成为5G通信建设中的主要复用和解复用的产品。

  当前,采用WDM技术,提高纤芯利用率,解决光纤稀缺区域建站需求是业界公认的最佳解决方案。但不同的WDM技术也应对不同的网络需求。CWDM价格低廉,前期投资小,适宜初期采用,但难以满足5G前传长远发展和易维护的要求。中国电信和中国移动分别提出MWDM和LAN-WDM方案;中国联通则统筹考虑到前传和专线等综合接入,与骨干及核心汇聚层DWDM网络一脉相承,推动面向城域DWDM的G.metro的方案;海外运营商多采用固定波长和可调波长DWDM方案。

  中国联通正在推动基于G.698.4的城域接入型WDM发展,实质上,从骨干网到城域核心,再到城域边缘,中国联通认为DWDM下沉已然成为发展趋势。同时,ITU-T也制定了面向城域综合承载的G.698.4标准(G.metro)。将低成本DWDM技术应用于城域边缘接入层,包括移动前传、室内分布和CPE专线接入等场景,提供光波长级连接的硬管道,可以较好地解决城域多业务综合接入对接入主干光缆和配线段光缆的光纤芯数依赖。采用波长可调谐DWDM光模块,具备端口无关,波长自适应特性,系统容量大,且极大简化网络建设和运维,并减少备品的种类和数量。 目前,已经有相关的试验验证正在进行,中国联通也在进一步推动光模块供应商的低成本可调谐DWDM用激光器工艺成熟完善,同时推动国内具有PLC工艺的单位进一步开发无源单纤双向AWG器件技术,国内外多个设备供应商已经具备或者正在同时开发相应的配套设备。通过以上多管齐下的措施和研发,期望在不远的未来,更具优越性的AWG等DWDM设备可以在5G前传网络建设中高效地发挥作用,减少可能的重复建设的浪费。

  本论文来源:鹤壁腾天光通信技术股份有限公司

  关于腾天光通信

  鹤壁腾天光通信技术股份有限公司创建于2012年4月,位于鹤壁市国家经济技术开发区,是一家生产光无源器件产品的专业生产厂家。公司生产的波分复用器、拉锥分路器、光连接器畅销国内市场,出口多个国家和地区,在国内外市场有一定的竞争力。公司的目标是通过持续创新、全球运营、成为世界一流的光通信企业。

  鹤壁腾天自建立以来,始终坚持“技术创新、全员参与、品质第一、客户满意”的质量方针为宗旨。在技术上保持与市场潮流同步,全力打造一流的最佳光通信产品。在内部严格遵照国际质量标准进行管理,组织生产,着力提升全员的品质意识及综合素质,有效地提高生产效率,确保产品质量。

  公司目前已获得实用新型专利35项,已被认定为河南省科技型企业,2016年已被评为国家高新技术企业。

  主要产品包括:高端光缆、皮线光缆系列、跳线、尾纤系列、WDM系列(CWDM/DWDM/LWDM/CCWDM/PWDM/FWDM)、FBT COUPLER系列(单模/多模,各种封装形式<小尺寸、插片式、机架式、盒式等>,定制化)。


内容来自:鹤壁腾天光通信
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关键字: AWG 5G
文章标题:IFOC 2020论文 | AWG概述及其在5G中的应用
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