IFOC 2020論文 | AWG概述及其在5G中的應用

  ICC訊   在過去的二十年中，AWG一直是密集波分復用系統(tǒng)中使用的關鍵濾波技術，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(WSS)相比，AWG可提供更低的成本和更多的通道，是用于點對點高容量系統(tǒng)(如數據中心互連DCI)的理想波長復用和解復用技術。

  另外在如今火熱的5G建設上，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，暫時還未能全面鋪開使用。根據NGOF 發(fā)布的《5G 前傳技術及應用白皮書》，中國移動在2019 年9 月光博會上的表態(tài)，根據中信證券研究分析認為在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采用波分方案，并預計前傳波分設備將由4G 時期的1%提升到5G時期的15%~17%。據中國電信招標官網今年1月4日披露，中國電信將招標15萬無源波分彩光設備，已經開啟了5G前傳集團集采的大幕。

  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，對應普通光模塊、彩光模塊以及波分設備等不同產品形態(tài)。

  彩光模塊從技術類型上可細分為CWDM(稀疏波分復用)和DWDM(密集波分復用)兩種。CWDM的信道間隔為20nm，由于波長間隔較寬，對激光器的技術指標要求也較低，所以光復用器/解復用器的結構簡化，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160波，具有強大的拓展能力，但其造價也比CWDM高;但是隨著網絡流量的大幅度增加，DWDM的更多數據承載能力才會凸顯出其優(yōu)越性。

  2019 年5G 牌照發(fā)放后，2020年國內迎來了5G大規(guī)模建設的元年，據工信部統(tǒng)計數據顯示，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1萬座的數量持續(xù)增長。預計年底，我國將建成超60萬座5G基站，覆蓋全國地級以上城市。5G網絡速率大幅提升，作為傳輸端口的前傳光模塊相應的速率全面向25G升級，同時引入波分等新技術，產品價值量有望進一步提升。5G部署頻段較高，為實現全覆蓋基站密度將進一步增長，帶動前傳光模塊需求數量進一步增長，行業(yè)有望迎來量價齊升發(fā)展機遇。

  運營商密集采購波分復用設備，波分復用成為新的產業(yè)趨勢，前傳光模塊面臨需求端變革。2020年以來三大運營商先后啟動集團公司和省分公司的波分復用設備的規(guī)模采購。中國移動尚未對波分復用設備進行集團級集采，主要以省份公司采購為主，2019年至今已有21個省分公司開展了波分復用設備的招標，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備的采購。中國移動有望在今年年內啟動集團層級的波分復用設備的采購，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(實際上，AWG等DWDM采購由于成本等諸多原因暫時數量偏少)。

  DWDM

  密集波分復用技術(DWDM,Dense Wavelength Division Multiplexing)是將一組光波長組合復用在一根光纖上傳輸的技術，在發(fā)送端需要采用復用器件將待傳輸的光信號進行調制復合，在接收端采用解復用器件分離出不同波長的光信號。運用波分復用解復用技術，可以充分利用光線的寬帶特性和現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用8個波長，即在一根光纖上傳輸同時傳輸8個波長，此光纖的傳輸容量可以擴容8倍，比如可將2.5Gb/s提高到20Gb/s;實際上DWDM可以通過相應的技術手段實現最大160波的復用和解復用，可想而知對目前光纖傳輸能力的數量級提升的巨大潛力。近些年來DWDM技術的發(fā)展受到了廣泛關注，在以后的時間里DWDM技術在通信中的應用將更加廣泛。

  圖1 DWDM應用示意圖

  為了能夠合理的利用單模光纖在 1.55pm 低損耗區(qū)產生的寬帶資源 ，就需要根據不同的頻率以及波長將光纖的低損耗區(qū)劃分成多個光波道 ，而且需要在每個光波道建立載波即我們所說的光波 ，同時利用分波器在發(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光纖中， 進行信號傳輸。傳輸到接收端時，在利用一個光解復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)實現了在一根光纖中可以傳輸多種不同信號的功能。

  實際使用中，由于光纖固有的傳輸損耗，光功率在傳輸過程中會逐漸損耗，所以在遠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)的工作波長是依據國際電信聯盟的標準定義的，在此系統(tǒng)中采用DFB激光器作為光源，其溫漂系數為0.08nm/℃，它需要采用冷卻技術來穩(wěn)定波長，以防止由于溫度變化導致的波長漂移到所需要的通帶之外。

  目前，WDM系統(tǒng)中常用的復用、解復用器大體可分為干涉濾光型波分復用器、熔融拉錐耦合型波分復用器、光柵型波分復用器、光纖光柵型波分復用器、陣列波導光柵型波分復用器(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，與同類技術制作的其他WDM器件相比，通過優(yōu)化設計和工藝改進的AWG型DWDM器件在附加損耗、通帶寬度、信道間隔、通道數目等方面均具有明顯的優(yōu)勢;且具有設計靈活、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等優(yōu)點。陣列波導光柵波分復用器是光通信密集波分復用系統(tǒng)的關鍵器件，在功能上它可以用作波分復用解復用、光路分插復用、光交叉連接、波長路由及波長檢測，在DWDM光網絡中有相當廣泛的應用。

  AWG的結構

  AWG 是一種平面集成波導型的波分復用器件，具有復用與解復用功能。陣列波導光柵是由一個作衍射光柵用的陣列波導連接兩個星型耦合器構成，其結構如圖2所示，它由輸入波導(Input waveguides)、輸出波導(Output waveguides)和陣列波導(Array waveguide)構成。1st slab為輸入塊狀波導，2nd slab為輸出塊狀波導，整個功能集成在一個波導基片上。塊狀波導就是一個典型的羅蘭圓結構(從羅蘭圓上任意一點發(fā)出的光束，經凹面光柵衍射之后，必定聚焦在羅蘭圓另一點上)，陣列波導的端口分布在圓弧上，輸入、輸出波導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。每個陣列中的波導端口正對中心的輸入、輸出波導端口，端面展開減小耦合損失，陣列波導數要保證所有入射的衍射光能被收集，即陣列波導的數值孔徑要大于輸入、輸出波導的，這樣輸入波導進來的光就能無畸變(或小畸變)地傳輸到輸出波導。相鄰的陣列波導有相同固定的長度差，一般設計為中心波長對應的物理長度的整數倍。

  圖2 AWG 的結構圖

  圖3 塊狀波導局部放大圖

  AWG的工作原理

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

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

  圖4 羅蘭圓周

  AWG 解復用的原理為: 輸入的多波長信號光經第一個平板波導的散射后, 以相同的相位耦合入陣列波導(因為陣列波導部位于光柵圓周上), 在多個波導中傳播產生相移, 并在第二個平板波導端部匯聚。由于各波導間的傳播光程差等于中心波長的整數倍, 經陣列波導之后, 同一波長的光產生了相同的相移(只相差2π整數倍), 而不同波長的光則產生不同的相移, 因此, 波前發(fā)生了傾斜, 匯聚點也不同, 即各波長的光分別在特定的位置成像, 在空間上分開了。根據互易性, 也可利用AWG 把不同輸入波導中的多個不同波長的光信號匯集到同一輸出波導, 實現復用功能。

  AWG的相關參數

  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，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)上所對應的ITU-T通道帶寬內的最大損耗值，以dB表示。

  AWG濾波器插入損耗：AWG各個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，某個通道的帶寬是從該通道最小光功率損耗曲線的頂點向下0.5dB、1dB、3dB、20dB與光功率損耗波形的交點之間的寬度。帶寬計算時需要考慮偏振特性，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各個通道帶寬至最差情況。

  相鄰通道串擾，AX

  串擾是AWG濾波器的關鍵性指標。相鄰串擾指某一特定通道在對應通帶上輸出光功率對相鄰通帶輸出光功率的抑制比，用dB表示。

  右相鄰串擾為本通道在通帶內的最大插入損耗與右邊相鄰子通帶內的最小插入損耗之差，AX+;左相鄰串擾為本通道在通帶內的最大插入損耗與左邊相鄰通帶內的最小插入損耗之差，AX-。相鄰串擾為右相鄰串擾和左相鄰串擾中的最小值。

  非相鄰通道串擾，NX

  非相鄰串擾是指某一特定通道的相應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，非相鄰串擾為本通道在通帶內的最大插入損耗與所有非相鄰通帶內的最小插入損耗之差。

  總串擾

  總串擾是指某一特定通道對應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，表達式為：

  其中，TX：總串擾，單位為分貝dB;

  Pi：除對應的通帶外，其他第i通帶內的最大平均光功率，單位為毫瓦mW;

  P：對應通帶的平均光功率，單位為毫瓦mW。

  設定溫度

  設定溫度是指將AWG濾波器的中心波長調整到ITU-T波長時需要的溫度，單位為℃。

  設定溫度穩(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的應用及發(fā)展狀況

  (1)波長路由：波長路由器是光纖通信系統(tǒng)中的基本結構，在無源光網絡中有著廣泛的應用。光信號在經過網絡節(jié)點時，根據它的波長來選擇路由，無需經過光電轉換，波長決定了光信號傳輸的路徑，實現波長重用，提高了波長利用率。

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

  (3)光分插復用器：在光信號網絡的接點上，經常需要把部分信號流從節(jié)點上“分”出來，或把某些信號流“插”進網絡傳輸系統(tǒng)。這種可以把信號分出來，插進去的設備叫做“光分插復用器”。光分插復用器使得用戶可方便地在節(jié)點處上載或者下載信號，大大提高了網絡的靈活性。以AWG和空分陣列開關為核心的光分插復用器能很好地滿足動態(tài)網絡操作的要求。光分插復用器是全光通信網的核心設備,對全光網的傳輸能力、組網方式、關鍵性能都具有重要影響。光分插復用器是在光域實現支路信號的分插和復用的一種設備，是全光通信網的核心設備，對全光網的傳輸能力、組網方式、關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,同時上載本地用戶發(fā)往另一節(jié)點用戶的信號。它使光纖通信網具有靈活性、選擇性和透明性等優(yōu)越功能。利用光分插復用器還能提高網絡的可靠性,降低節(jié)點成本,提高網絡運行效率,因此是組建全光網的關鍵技術之一。

  (4)光交叉互連：光交叉互連器主要用來完成多波長環(huán)網間的交叉連接，作為網格狀光網絡的結點，目的是實現光波網的自動配置、保護，恢復和重構。AWG器件因其對稱性和多信道同步處理能力，在實現光交叉互連上顯示了巨大的優(yōu)勢。

  (5)全光傳輸網：在全光網絡結構和全光傳輸網中，光交叉連接(OXC)和光分插復用器(OADM)起到了信息傳輸和交叉互聯的作用。對光信號進行交叉連接比較成熟的技術是波分復用技術和空分技術，后期AWG成本下降后也將成為5G通信建設中的主要復用和解復用的產品。

  當前，采用WDM技術，提高纖芯利用率，解決光纖稀缺區(qū)域建站需求是業(yè)界公認的最佳解決方案。但不同的WDM技術也應對不同的網絡需求。CWDM價格低廉，前期投資小，適宜初期采用，但難以滿足5G前傳長遠發(fā)展和易維護的要求。中國電信和中國移動分別提出MWDM和LAN-WDM方案;中國聯通則統(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網絡一脈相承，推動面向城域DWDM的G.metro的方案;海外運營商多采用固定波長和可調波長DWDM方案。

  中國聯通正在推動基于G.698.4的城域接入型WDM發(fā)展，實質上，從骨干網到城域核心，再到城域邊緣，中國聯通認為DWDM下沉已然成為發(fā)展趨勢。同時，ITU-T也制定了面向城域綜合承載的G.698.4標準(G.metro)。將低成本DWDM技術應用于城域邊緣接入層，包括移動前傳、室內分布和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)務綜合接入對接入主干光纜和配線段光纜的光纖芯數依賴。采用波長可調諧DWDM光模塊，具備端口無關，波長自適應特性，系統(tǒng)容量大，且極大簡化網絡建設和運維，并減少備品的種類和數量。 目前，已經有相關的試驗驗證正在進行，中國聯通也在進一步推動光模塊供應商的低成本可調諧DWDM用激光器工藝成熟完善，同時推動國內具有PLC工藝的單位進一步開發(fā)無源單纖雙向AWG器件技術，國內外多個設備供應商已經具備或者正在同時開發(fā)相應的配套設備。通過以上多管齊下的措施和研發(fā)，期望在不遠的未來，更具優(yōu)越性的AWG等DWDM設備可以在5G前傳網絡建設中高效地發(fā)揮作用，減少可能的重復建設的浪費。

  本論文來源：鶴壁騰天光通信技術股份有限公司

  關于騰天光通信

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

  鶴壁騰天自建立以來，始終堅持“技術創(chuàng)新、全員參與、品質第一、客戶滿意”的質量方針為宗旨。在技術上保持與市場潮流同步，全力打造一流的最佳光通信產品。在內部嚴格遵照國際質量標準進行管理，組織生產，著力提升全員的品質意識及綜合素質，有效地提高生產效率，確保產品質量。

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

  主要產品包括：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、機架式、盒式等>，定制化)。