由于WDM-PON的AWG被動熱補償技術(shù)

        目前，電信運營商紛紛開始業(yè)務(wù)升級，從傳統(tǒng)的語音和寬帶業(yè)務(wù)升級到全方位三重業(yè)務(wù)，F(xiàn)TTH也贏得了越來越多的關(guān)注。市場預(yù)測顯示用戶的平均帶寬需求即將達到1Gbps，而現(xiàn)在用于接入網(wǎng)的共享帶寬的PON架構(gòu)（B/E/GPON）要提供這樣高的帶寬還是有問題的。另外，這些技術(shù)提供的上行帶寬也非常有限。所以有不少人認(rèn)為，下一代PON系統(tǒng)將使用WDM技術(shù)形成WDM-PON架構(gòu)，該架構(gòu)可以提供對稱的高帶寬。 

        這些WDM-PON系統(tǒng)都是無源的，且光學(xué)性能優(yōu)越。而在各種WDM技術(shù)中熱無關(guān)陣列波導(dǎo)光柵是完成WDM功能的最好選擇。另外AWG和接入網(wǎng)的分光器一樣，使用的是PLC平臺，量產(chǎn)后價格將和分光器相當(dāng)。 

        WDM-PON對AWG的要求 

        WDM-PON對于AWG的要求和其他普通城域網(wǎng)應(yīng)用對AWG的要求是不同的。在WDM-PON系統(tǒng)中，遠(yuǎn)端節(jié)點的AWG部署在外場，可能處于世界各地各種氣候環(huán)境當(dāng)中，部署方式也區(qū)別很大，不如在街邊的電話交接箱或者外線檢修孔。遠(yuǎn)端節(jié)點很可能放在一個非可控的環(huán)境中，環(huán)境溫度可能會很大。 

        主要的挑戰(zhàn)來源于溫度。溫度會影響一些光學(xué)性能，而這些性能對系統(tǒng)來說是非常重要的，如插入損耗、偏振損耗、信道隔離度（串話）。對每個AWG的信道，這些參數(shù)在一個給定的、以ITU標(biāo)準(zhǔn)信道為中心的通帶內(nèi)是一定的。對于信道間隔為100GHz的設(shè)備來說，通帶通常為±100pm。 

        如果不經(jīng)過補償，AWG對溫度非常敏感。溫度變化會引起AWG解復(fù)用后波長頻譜的漂移，即在通帶內(nèi)部的波長初始排列會隨溫度變化而漂移（波長溫漂）。所以即使AWG的固有光學(xué)特性不會直接受到溫度的影響，只要光學(xué)參數(shù)是通過固定的通帶來測量的，光波長頻譜的漂移還是會影響AWG的性能。 

        AWG波長溫漂的主要原因是PLC光學(xué)層的熱色散，也就是說他們的反射系數(shù)和溫度有關(guān)。對于基于硅片的PLC技術(shù)，AWG的波長溫漂是11pm/℃。溫漂實際上是溫度的二階多項式函數(shù)，這里簡化成了一階多項式。 

        AWG溫度不敏感技術(shù)就是當(dāng)溫度大幅度變化時，被動穩(wěn)定AWG的輸出頻譜，理想情況下溫度變化范圍達到120℃，即從-40℃到+80℃。 

        溫度補償技術(shù) 

        器件提供商用來被動補償AWG波長溫漂的主要技術(shù)有兩種：一種是利用材料的熱光學(xué)特性，另外一種是利用材料的熱機械特性。 

        采用光學(xué)方式，需要插入特殊的材料來改變波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，材料的熱學(xué)色散特性和主波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的熱學(xué)色散特性相反，在硅基技術(shù)中，這就意味著加入的材料需要有負(fù)的熱色散特性。且熱色散需要足夠大以在短距離內(nèi)補償AWG其他部分產(chǎn)生的熱色散總量。 

        采用機械方式，是把AWG輸入側(cè)固定在由金屬或者合金制作的機械臂的一端。機械臂附在PLC上，機械臂的熱膨脹可以使AWG的輸入沿著PLC的邊移動。當(dāng)溫度變化時，臂拉長或者收縮，使AWG的輸入移動一定長度，移動的長度和臂長，以及臂的熱膨脹系數(shù)成比例。 

        這種方式之所以可以實現(xiàn)補償是因為把AWG的輸入端沿輸入平面的邊緣移動具有和溫度變化相似的作用；它可以讓波長頻譜隨溫度變化成比例地漂移。要精確補償就要認(rèn)真計算臂長，當(dāng)溫度變化時，AWG輸入端的移動造成波長頻譜的漂移，該漂移量和AWG的波長溫漂量相同，而方向正好相反。 

        光學(xué)補償?shù)膬?yōu)勢在于沒有機械移動，可以避免器件運動中的磨損問題，提高可靠性。但另一方面目前產(chǎn)品中使用的特殊光學(xué)材料對環(huán)境敏感，容易老化，為了延長其使用周期，必須要對器件進行氣密封裝，這會增加器件的價格。 

        機械補償系統(tǒng)肯定會涉及到機械運動，但是不需要完全的氣密封裝。不過，因為器件將會用在不受控的環(huán)境中，所以還是需要有較好的封裝——比如要有像防水表一樣的封裝，能在亞洲的季風(fēng)氣候中，完全浸在泥水中幾天之久。 

        至于機械材料的選擇和設(shè)計，在很多產(chǎn)業(yè)中熱學(xué)材料已經(jīng)使用了很長時間，各種金屬和合金的熱學(xué)模型數(shù)據(jù)非常完備。有了這些數(shù)據(jù)，就能實現(xiàn)所需要的可靠的性能。但用于光學(xué)補償技術(shù)的材料數(shù)據(jù)，就沒有這么完備了。 

        和光學(xué)補償相比，機械方式的一個優(yōu)勢是可以把大溫度區(qū)間分為多個小的子區(qū)間。機械方式可以采用多個額外的補償臂，每個只在一個給定的溫度子區(qū)間內(nèi)進行波長溫漂的補償。區(qū)間越小，機械臂的線性熱膨脹AWG的二次波長溫漂就越趨向一致。衡量兩種效應(yīng)的差額的參數(shù)：波長殘差，隨著溫度區(qū)間的減小而減小，熱補償效果就更好（見圖2）。下一節(jié)介紹一個實際的案例：把一個溫度變化區(qū)間分成兩個子區(qū)間的多臂補償系統(tǒng)。 

        光學(xué)方式不能提供這種靈活性，光學(xué)補償材料必須在整個溫度區(qū)間進行足夠的補償。因為不論溫度如何，光在AWG中的傳播路線是相同的，即使加入不同的光學(xué)物質(zhì)，光也會逐個經(jīng)過它們，產(chǎn)生的影響也會在整個溫度區(qū)域內(nèi)體現(xiàn)。 

        機械熱補償性能 

        雖然WDM-PON系統(tǒng)還在發(fā)展的最初階段，不過已經(jīng)有幾家器件提供商給出了單機械和多機械補償?shù)臒釤o關(guān)AWG產(chǎn)品。其中有些已經(jīng)開始了外場測試。 
        在單臂補償系統(tǒng)中，波長殘差是溫度的二次函數(shù)。普通材料的熱膨脹都是線性的，單臂補償系統(tǒng)只能補充AWG的一階波長溫漂。盡管殘差與AWG的技術(shù)水平和結(jié)構(gòu)有關(guān)系，不過單補償系統(tǒng)普通的殘差水平在120℃的范圍內(nèi)大約為±20pm（見圖2）。這個殘差在實際溫度區(qū)間內(nèi)，通過每個產(chǎn)品的通帶將體現(xiàn)到各種器件的光學(xué)性能參數(shù)里（損耗、PDL和串話） 

        巧合的是，現(xiàn)在光學(xué)系統(tǒng)的波長補償效果和單機械臂方式的效果相似。 

        為了改進補償效果和產(chǎn)品的整體性能，可以加入更多的機械臂。不過增加機械臂就增加了設(shè)計難度，如何才能設(shè)計出易實現(xiàn)的、尺寸變化不大、并且可靠性強的多臂補償系統(tǒng)是真正的挑戰(zhàn)。增加復(fù)雜性才能換來性能的提升。目前，似乎兩到三臂的結(jié)構(gòu)可以在復(fù)雜性和性能提升之間取得較好的平衡。在120℃的溫度區(qū)間內(nèi)，雙線性補償系統(tǒng)的波長殘差一般為±7.5pm，也就是說比單補償系統(tǒng)要好3倍。而三線性補償系統(tǒng)是±5pm，比單補償系統(tǒng)好4倍。 

        一種得到雙線性補償?shù)姆绞绞前岩粋€補償臂做到另一個補償臂內(nèi)（圖3）。開始的時候只由一個補償臂起作用，表現(xiàn)出一個特定的熱膨脹系數(shù)；第二只臂的熱膨脹系數(shù)比第一只（主臂）高，放在主臂的一個洞內(nèi)。因為第二只臂的熱膨脹系數(shù)高，在溫度降低的時候它會縮在主臂內(nèi)部，不起作用；所以這時AWG的輸入漂移只和主臂的長度成比例。然而當(dāng)溫度上升時，內(nèi)部的臂伸長，超出了固定它的洞，像活塞一樣推動主臂延展，這樣主臂的伸展長度比沒有內(nèi)臂的情況要長。 

        這個方法中兩個臂的熱膨脹組合和機械彈性共同造成了機械臂的伸展，計算機模擬在這種復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計中起到非常好的輔助作用。這種方式的優(yōu)點是：和單臂系統(tǒng)相比，器件的尺寸和可靠性幾乎沒有受到影響，只是需要多加幾個裝配步驟。 

        如果對寬帶接入的需求持續(xù)增長，未來還可能需要對AWG的波長溫漂進行精確補償?shù)姆蔷€性系統(tǒng)。還要探尋不同的機械方式來完成精確補償。比如需要設(shè)計出一種易于實現(xiàn)的方式把線性熱膨脹轉(zhuǎn)化為非線性的機械運動。也可能會有人利用材料的熱機械特性，設(shè)計出一種具有足夠大的熱膨脹系數(shù)的特別的合金或合成材料。