IFOC 2020論文 | AWG概述及其在5G中的應(yīng)用

  ICC訊   在過去的二十年中，AWG一直是密集波分復(fù)用系統(tǒng)中使用的關(guān)鍵濾波技術(shù)，它將不同波長的信道接入傳輸光纖和從傳輸光纖中斷開。與波長選擇開關(guān)(WSS)相比，AWG可提供更低的成本和更多的通道，是用于點(diǎn)對點(diǎn)高容量系統(tǒng)(如數(shù)據(jù)中心互連DCI)的理想波長復(fù)用和解復(fù)用技術(shù)。

  另外在如今火熱的5G建設(shè)上，以AWG為代表的DWDM彩光波分也是前傳的一種選擇方案，受限于較高的成本，暫時(shí)還未能全面鋪開使用。根據(jù)NGOF 發(fā)布的《5G 前傳技術(shù)及應(yīng)用白皮書》，中國移動(dòng)在2019 年9 月光博會(huì)上的表態(tài)，根據(jù)中信證券研究分析認(rèn)為在CRAN場景下，有光纖資源的地方主要采用25GBiDi，沒有光纖資源的地方主要會(huì)采用波分方案，并預(yù)計(jì)前傳波分設(shè)備將由4G 時(shí)期的1%提升到5G時(shí)期的15%~17%。據(jù)中國電信招標(biāo)官網(wǎng)今年1月4日披露，中國電信將招標(biāo)15萬無源波分彩光設(shè)備，已經(jīng)開啟了5G前傳集團(tuán)集采的大幕。

  目前5G 前傳有傳統(tǒng)灰光方案、無源波分彩光方案以及半有源波分彩光方案等多種部署需求，對應(yīng)普通光模塊、彩光模塊以及波分設(shè)備等不同產(chǎn)品形態(tài)。

  彩光模塊從技術(shù)類型上可細(xì)分為CWDM(稀疏波分復(fù)用)和DWDM(密集波分復(fù)用)兩種。CWDM的信道間隔為20nm，由于波長間隔較寬，對激光器的技術(shù)指標(biāo)要求也較低，所以光復(fù)用器/解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)簡化，制造成本相對較低。而DWDM系統(tǒng)中波長間隔在0.2nm到1.2nm之間，遠(yuǎn)比CWDM的波長間隔要小，因而可以提供16/20波或32/40波的單纖傳輸容量，最大甚至可達(dá)160波，具有強(qiáng)大的拓展能力，但其造價(jià)也比CWDM高;但是隨著網(wǎng)絡(luò)流量的大幅度增加，DWDM的更多數(shù)據(jù)承載能力才會(huì)凸顯出其優(yōu)越性。

  2019 年5G 牌照發(fā)放后，2020年國內(nèi)迎來了5G大規(guī)模建設(shè)的元年，據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截止2020年5月初，我國已建成5G基站超過25萬座，平均每周以大于1萬座的數(shù)量持續(xù)增長。預(yù)計(jì)年底，我國將建成超60萬座5G基站，覆蓋全國地級以上城市。5G網(wǎng)絡(luò)速率大幅提升，作為傳輸端口的前傳光模塊相應(yīng)的速率全面向25G升級，同時(shí)引入波分等新技術(shù)，產(chǎn)品價(jià)值量有望進(jìn)一步提升。5G部署頻段較高，為實(shí)現(xiàn)全覆蓋基站密度將進(jìn)一步增長，帶動(dòng)前傳光模塊需求數(shù)量進(jìn)一步增長，行業(yè)有望迎來量價(jià)齊升發(fā)展機(jī)遇。

  運(yùn)營商密集采購波分復(fù)用設(shè)備，波分復(fù)用成為新的產(chǎn)業(yè)趨勢，前傳光模塊面臨需求端變革。2020年以來三大運(yùn)營商先后啟動(dòng)集團(tuán)公司和省分公司的波分復(fù)用設(shè)備的規(guī)模采購。中國移動(dòng)尚未對波分復(fù)用設(shè)備進(jìn)行集團(tuán)級集采，主要以省份公司采購為主，2019年至今已有21個(gè)省分公司開展了波分復(fù)用設(shè)備的招標(biāo)，主要以無源波分方案為主，部分省公司已率先展開半有源波分設(shè)備的采購。中國移動(dòng)有望在今年年內(nèi)啟動(dòng)集團(tuán)層級的波分復(fù)用設(shè)備的采購，涉及無源和半有源兩種方案，并將以無源波分為主，提升彩光模塊需求(實(shí)際上，AWG等DWDM采購由于成本等諸多原因暫時(shí)數(shù)量偏少)。

  DWDM

  密集波分復(fù)用技術(shù)(DWDM,Dense Wavelength Division Multiplexing)是將一組光波長組合復(fù)用在一根光纖上傳輸?shù)募夹g(shù)，在發(fā)送端需要采用復(fù)用器件將待傳輸?shù)墓庑盘栠M(jìn)行調(diào)制復(fù)合，在接收端采用解復(fù)用器件分離出不同波長的光信號。運(yùn)用波分復(fù)用解復(fù)用技術(shù)，可以充分利用光線的寬帶特性和現(xiàn)有的帶寬資源獲得巨大提升的傳輸容量。如果在一根光纖上復(fù)用8個(gè)波長，即在一根光纖上傳輸同時(shí)傳輸8個(gè)波長，此光纖的傳輸容量可以擴(kuò)容8倍，比如可將2.5Gb/s提高到20Gb/s;實(shí)際上DWDM可以通過相應(yīng)的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)最大160波的復(fù)用和解復(fù)用，可想而知對目前光纖傳輸能力的數(shù)量級提升的巨大潛力。近些年來DWDM技術(shù)的發(fā)展受到了廣泛關(guān)注，在以后的時(shí)間里DWDM技術(shù)在通信中的應(yīng)用將更加廣泛。

  圖1 DWDM應(yīng)用示意圖

  為了能夠合理的利用單模光纖在 1.55pm 低損耗區(qū)產(chǎn)生的寬帶資源 ，就需要根據(jù)不同的頻率以及波長將光纖的低損耗區(qū)劃分成多個(gè)光波道 ，而且需要在每個(gè)光波道建立載波即我們所說的光波 ，同時(shí)利用分波器在發(fā)送端合并各種不同規(guī)定波長的信號 ，將這些合并起來的信號集體傳入一個(gè)光纖中， 進(jìn)行信號傳輸。傳輸?shù)浇邮斩藭r(shí)，在利用一個(gè)光解復(fù)用器將這些合并到一起的具有不同波長。不同光波的信號分解開分成最初的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了在一根光纖中可以傳輸多種不同信號的功能。

  實(shí)際使用中，由于光纖固有的傳輸損耗，光功率在傳輸過程中會(huì)逐漸損耗，所以在遠(yuǎn)程傳輸中必須使用光功率放大器，最常用的就是摻鉺光纖放大器，也就是平常所說的EDFA。由于材料特性的限制EDFA的應(yīng)用波長被限制在1530nm~1625nm之間。為了充分利用有限的帶寬資源，信道之間的間隔就必須劃分地特別窄，一般為200GHz(1.6nm)、100GHz(0.8nm)和50GHz(0.4nm)，信道間隔過于狹窄對激光器的穩(wěn)定性和單色性要求非常高，必須使用制冷激光光源。DWDM系統(tǒng)的工作波長是依據(jù)國際電信聯(lián)盟的標(biāo)準(zhǔn)定義的，在此系統(tǒng)中采用DFB激光器作為光源，其溫漂系數(shù)為0.08nm/℃，它需要采用冷卻技術(shù)來穩(wěn)定波長，以防止由于溫度變化導(dǎo)致的波長漂移到所需要的通帶之外。

  目前，WDM系統(tǒng)中常用的復(fù)用、解復(fù)用器大體可分為干涉濾光型波分復(fù)用器、熔融拉錐耦合型波分復(fù)用器、光柵型波分復(fù)用器、光纖光柵型波分復(fù)用器、陣列波導(dǎo)光柵型波分復(fù)用器(AWG)等。其中1988年由荷蘭人M.K.Smit等人提出的AWG型最具市場前景，與同類技術(shù)制作的其他WDM器件相比，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)的AWG型DWDM器件在附加損耗、通帶寬度、信道間隔、通道數(shù)目等方面均具有明顯的優(yōu)勢;且具有設(shè)計(jì)靈活、濾波特性良好、長期可靠性能優(yōu)異，易與光纖有效耦合且適于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器是光通信密集波分復(fù)用系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，在功能上它可以用作波分復(fù)用解復(fù)用、光路分插復(fù)用、光交叉連接、波長路由及波長檢測，在DWDM光網(wǎng)絡(luò)中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

  AWG的結(jié)構(gòu)

  AWG 是一種平面集成波導(dǎo)型的波分復(fù)用器件，具有復(fù)用與解復(fù)用功能。陣列波導(dǎo)光柵是由一個(gè)作衍射光柵用的陣列波導(dǎo)連接兩個(gè)星型耦合器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由輸入波導(dǎo)(Input waveguides)、輸出波導(dǎo)(Output waveguides)和陣列波導(dǎo)(Array waveguide)構(gòu)成。1st slab為輸入塊狀波導(dǎo)，2nd slab為輸出塊狀波導(dǎo)，整個(gè)功能集成在一個(gè)波導(dǎo)基片上。塊狀波導(dǎo)就是一個(gè)典型的羅蘭圓結(jié)構(gòu)(從羅蘭圓上任意一點(diǎn)發(fā)出的光束，經(jīng)凹面光柵衍射之后，必定聚焦在羅蘭圓另一點(diǎn)上)，陣列波導(dǎo)的端口分布在圓弧上，輸入、輸出波導(dǎo)端口則均勻分布于由該圓弧決定的羅蘭圓上，并形成凹形衍射光柵。每個(gè)陣列中的波導(dǎo)端口正對中心的輸入、輸出波導(dǎo)端口，端面展開減小耦合損失，陣列波導(dǎo)數(shù)要保證所有入射的衍射光能被收集，即陣列波導(dǎo)的數(shù)值孔徑要大于輸入、輸出波導(dǎo)的，這樣輸入波導(dǎo)進(jìn)來的光就能無畸變(或小畸變)地傳輸?shù)捷敵霾▽?dǎo)。相鄰的陣列波導(dǎo)有相同固定的長度差，一般設(shè)計(jì)為中心波長對應(yīng)的物理長度的整數(shù)倍。

  圖2 AWG 的結(jié)構(gòu)圖

  圖3 塊狀波導(dǎo)局部放大圖

  AWG的工作原理

  陣列波導(dǎo)光柵(AWG)一般由N個(gè)輸入波導(dǎo)、N個(gè)輸出波導(dǎo)、2個(gè)N*M平板波導(dǎo)星形耦合器以及一個(gè)M個(gè)波導(dǎo)平板陣列波導(dǎo)光柵組成，這里M可以等于N，也可以不等于N。這種光柵相鄰波導(dǎo)間具有恒定的路徑長度差。

  如圖4, 輸入、輸出波導(dǎo)的端口位于半徑為R 的Rowland 圓周上(波導(dǎo)間距為x), 且對稱地分布在焦距為f=2R 的平板波導(dǎo)的輸入端, 陣列波導(dǎo)的端口(間距為d)分布在半徑為2R 的光柵圓周上(圓心在中心輸入/輸出波導(dǎo)端部), 且陣列波導(dǎo)的中心位于光柵圓與Rowland 圓的切點(diǎn), 相鄰波導(dǎo)的光程差ΔL 等于AWG中心波長的整數(shù)倍。

  圖4 羅蘭圓周

  AWG 解復(fù)用的原理為: 輸入的多波長信號光經(jīng)第一個(gè)平板波導(dǎo)的散射后, 以相同的相位耦合入陣列波導(dǎo)(因?yàn)殛嚵胁▽?dǎo)部位于光柵圓周上), 在多個(gè)波導(dǎo)中傳播產(chǎn)生相移, 并在第二個(gè)平板波導(dǎo)端部匯聚。由于各波導(dǎo)間的傳播光程差等于中心波長的整數(shù)倍, 經(jīng)陣列波導(dǎo)之后, 同一波長的光產(chǎn)生了相同的相移(只相差2π整數(shù)倍), 而不同波長的光則產(chǎn)生不同的相移, 因此, 波前發(fā)生了傾斜, 匯聚點(diǎn)也不同, 即各波長的光分別在特定的位置成像, 在空間上分開了。根據(jù)互易性, 也可利用AWG 把不同輸入波導(dǎo)中的多個(gè)不同波長的光信號匯集到同一輸出波導(dǎo), 實(shí)現(xiàn)復(fù)用功能。

  AWG的相關(guān)參數(shù)

  插入損耗，IL

  AWG濾波器的某一通道的插入損耗定義為：在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，考慮了偏振特性后的光功率損耗曲線(包括光功率損耗最大、最小兩條曲線)上所對應(yīng)的ITU-T通道帶寬內(nèi)的最大損耗值，以dB表示。

  AWG濾波器插入損耗：AWG各個(gè)通道中插入損耗的最大值，以dB表示。

  帶寬，Bandwidth

  帶寬有-0.5dB、-1dB、-3dB、-20dB帶寬等，某個(gè)通道的帶寬是從該通道最小光功率損耗曲線的頂點(diǎn)向下0.5dB、1dB、3dB、20dB與光功率損耗波形的交點(diǎn)之間的寬度。帶寬計(jì)算時(shí)需要考慮偏振特性，取各種偏振態(tài)下的最差值。通常把“-X dB”帶寬稱為“X dB”帶寬。

  AWG濾波器的帶寬：AWG各個(gè)通道帶寬至最差情況。

  相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_，AX

  串?dāng)_是AWG濾波器的關(guān)鍵性指標(biāo)。相鄰串?dāng)_指某一特定通道在對應(yīng)通帶上輸出光功率對相鄰?fù)◣л敵龉夤β实囊种票龋胐B表示。

  右相鄰串?dāng)_為本通道在通帶內(nèi)的最大插入損耗與右邊相鄰子通帶內(nèi)的最小插入損耗之差，AX+;左相鄰串?dāng)_為本通道在通帶內(nèi)的最大插入損耗與左邊相鄰?fù)◣?nèi)的最小插入損耗之差，AX-。相鄰串?dāng)_為右相鄰串?dāng)_和左相鄰串?dāng)_中的最小值。

  非相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_，NX

  非相鄰串?dāng)_是指某一特定通道的相應(yīng)通帶輸出平均光功率對非相鄰的其他通帶輸出平均光功率的抑制比，用dB表示，非相鄰串?dāng)_為本通道在通帶內(nèi)的最大插入損耗與所有非相鄰?fù)◣?nèi)的最小插入損耗之差。

  總串?dāng)_

  總串?dāng)_是指某一特定通道對應(yīng)通帶輸出平均光功率對所有其他通帶輸出平均光功率總和的抑制比，用dB表示，表達(dá)式為：

  其中，TX：總串?dāng)_，單位為分貝dB;

  Pi：除對應(yīng)的通帶外，其他第i通帶內(nèi)的最大平均光功率，單位為毫瓦mW;

  P：對應(yīng)通帶的平均光功率，單位為毫瓦mW。

  設(shè)定溫度

  設(shè)定溫度是指將AWG濾波器的中心波長調(diào)整到ITU-T波長時(shí)需要的溫度，單位為℃。

  設(shè)定溫度穩(wěn)定性

  AWG濾波器的溫度穩(wěn)定性是指AWG濾波器溫控電路控制的AWG濾波器芯片溫度的穩(wěn)定程度，單位為℃。

  AWG的應(yīng)用及發(fā)展?fàn)顩r

  (1)波長路由：波長路由器是光纖通信系統(tǒng)中的基本結(jié)構(gòu)，在無源光網(wǎng)絡(luò)中有著廣泛的應(yīng)用。光信號在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)它的波長來選擇路由，無需經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，波長決定了光信號傳輸?shù)穆窂?，?shí)現(xiàn)波長重用，提高了波長利用率。

  (2)LED 頻譜分割多波長光源：使用陣列波導(dǎo)光柵(AWG)，對 LED 的寬譜光進(jìn)行分割， 就可以得到一種低成本多波長光源，以便用于 WDM-PON(波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò))。

  (3)光分插復(fù)用器：在光信號網(wǎng)絡(luò)的接點(diǎn)上，經(jīng)常需要把部分信號流從節(jié)點(diǎn)上“分”出來，或把某些信號流“插”進(jìn)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。這種可以把信號分出來，插進(jìn)去的設(shè)備叫做“光分插復(fù)用器”。光分插復(fù)用器使得用戶可方便地在節(jié)點(diǎn)處上載或者下載信號，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性。以AWG和空分陣列開關(guān)為核心的光分插復(fù)用器能很好地滿足動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)操作的要求。光分插復(fù)用器是全光通信網(wǎng)的核心設(shè)備,對全光網(wǎng)的傳輸能力、組網(wǎng)方式、關(guān)鍵性能都具有重要影響。光分插復(fù)用器是在光域?qū)崿F(xiàn)支路信號的分插和復(fù)用的一種設(shè)備，是全光通信網(wǎng)的核心設(shè)備，對全光網(wǎng)的傳輸能力、組網(wǎng)方式、關(guān)鍵性能都具有重要影響。其作用是下載通道中的通往本地的信號,同時(shí)上載本地用戶發(fā)往另一節(jié)點(diǎn)用戶的信號。它使光纖通信網(wǎng)具有靈活性、選擇性和透明性等優(yōu)越功能。利用光分插復(fù)用器還能提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性,降低節(jié)點(diǎn)成本,提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率,因此是組建全光網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

  (4)光交叉互連：光交叉互連器主要用來完成多波長環(huán)網(wǎng)間的交叉連接，作為網(wǎng)格狀光網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)，目的是實(shí)現(xiàn)光波網(wǎng)的自動(dòng)配置、保護(hù)，恢復(fù)和重構(gòu)。AWG器件因其對稱性和多信道同步處理能力，在實(shí)現(xiàn)光交叉互連上顯示了巨大的優(yōu)勢。

  (5)全光傳輸網(wǎng)：在全光網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和全光傳輸網(wǎng)中，光交叉連接(OXC)和光分插復(fù)用器(OADM)起到了信息傳輸和交叉互聯(lián)的作用。對光信號進(jìn)行交叉連接比較成熟的技術(shù)是波分復(fù)用技術(shù)和空分技術(shù)，后期AWG成本下降后也將成為5G通信建設(shè)中的主要復(fù)用和解復(fù)用的產(chǎn)品。

  當(dāng)前，采用WDM技術(shù)，提高纖芯利用率，解決光纖稀缺區(qū)域建站需求是業(yè)界公認(rèn)的最佳解決方案。但不同的WDM技術(shù)也應(yīng)對不同的網(wǎng)絡(luò)需求。CWDM價(jià)格低廉，前期投資小，適宜初期采用，但難以滿足5G前傳長遠(yuǎn)發(fā)展和易維護(hù)的要求。中國電信和中國移動(dòng)分別提出MWDM和LAN-WDM方案;中國聯(lián)通則統(tǒng)籌考慮到前傳和專線等綜合接入，與骨干及核心匯聚層DWDM網(wǎng)絡(luò)一脈相承，推動(dòng)面向城域DWDM的G.metro的方案;海外運(yùn)營商多采用固定波長和可調(diào)波長DWDM方案。

  中國聯(lián)通正在推動(dòng)基于G.698.4的城域接入型WDM發(fā)展，實(shí)質(zhì)上，從骨干網(wǎng)到城域核心，再到城域邊緣，中國聯(lián)通認(rèn)為DWDM下沉已然成為發(fā)展趨勢。同時(shí)，ITU-T也制定了面向城域綜合承載的G.698.4標(biāo)準(zhǔn)(G.metro)。將低成本DWDM技術(shù)應(yīng)用于城域邊緣接入層，包括移動(dòng)前傳、室內(nèi)分布和CPE專線接入等場景，提供光波長級連接的硬管道，可以較好地解決城域多業(yè)務(wù)綜合接入對接入主干光纜和配線段光纜的光纖芯數(shù)依賴。采用波長可調(diào)諧DWDM光模塊，具備端口無關(guān)，波長自適應(yīng)特性，系統(tǒng)容量大，且極大簡化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)維，并減少備品的種類和數(shù)量。 目前，已經(jīng)有相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證正在進(jìn)行，中國聯(lián)通也在進(jìn)一步推動(dòng)光模塊供應(yīng)商的低成本可調(diào)諧DWDM用激光器工藝成熟完善，同時(shí)推動(dòng)國內(nèi)具有PLC工藝的單位進(jìn)一步開發(fā)無源單纖雙向AWG器件技術(shù)，國內(nèi)外多個(gè)設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)具備或者正在同時(shí)開發(fā)相應(yīng)的配套設(shè)備。通過以上多管齊下的措施和研發(fā)，期望在不遠(yuǎn)的未來，更具優(yōu)越性的AWG等DWDM設(shè)備可以在5G前傳網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中高效地發(fā)揮作用，減少可能的重復(fù)建設(shè)的浪費(fèi)。

  本論文來源：鶴壁騰天光通信技術(shù)股份有限公司

  關(guān)于騰天光通信

  鶴壁騰天光通信技術(shù)股份有限公司創(chuàng)建于2012年4月，位于鶴壁市國家經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，是一家生產(chǎn)光無源器件產(chǎn)品的專業(yè)生產(chǎn)廠家。公司生產(chǎn)的波分復(fù)用器、拉錐分路器、光連接器暢銷國內(nèi)市場，出口多個(gè)國家和地區(qū)，在國內(nèi)外市場有一定的競爭力。公司的目標(biāo)是通過持續(xù)創(chuàng)新、全球運(yùn)營、成為世界一流的光通信企業(yè)。

  鶴壁騰天自建立以來，始終堅(jiān)持“技術(shù)創(chuàng)新、全員參與、品質(zhì)第一、客戶滿意”的質(zhì)量方針為宗旨。在技術(shù)上保持與市場潮流同步，全力打造一流的最佳光通信產(chǎn)品。在內(nèi)部嚴(yán)格遵照國際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理，組織生產(chǎn)，著力提升全員的品質(zhì)意識及綜合素質(zhì)，有效地提高生產(chǎn)效率，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

  公司目前已獲得實(shí)用新型專利35項(xiàng)，已被認(rèn)定為河南省科技型企業(yè),2016年已被評為國家高新技術(shù)企業(yè)。

  主要產(chǎn)品包括：高端光纜、皮線光纜系列、跳線、尾纖系列、WDM系列(CWDM/DWDM/LWDM/CCWDM/PWDM/FWDM)、FBT COUPLER系列(單模/多模，各種封裝形式<小尺寸、插片式、機(jī)架式、盒式等>，定制化)。