由于WDM-PON的AWG被动热补偿技术

        目前，电信运营商纷纷开始业务升级，从传统的语音和宽带业务升级到全方位三重业务，FTTH也赢得了越来越多的关注。市场预测显示用户的平均带宽需求即将达到1Gbps，而现在用于接入网的共享带宽的PON架构（B/E/GPON）要提供这样高的带宽还是有问题的。另外，这些技术提供的上行带宽也非常有限。所以有不少人认为，下一代PON系统将使用WDM技术形成WDM-PON架构，该架构可以提供对称的高带宽。 

        这些WDM-PON系统都是无源的，且光学性能优越。而在各种WDM技术中热无关阵列波导光栅是完成WDM功能的最好选择。另外AWG和接入网的分光器一样，使用的是PLC平台，量产后价格将和分光器相当。 

        WDM-PON对AWG的要求 

        WDM-PON对于AWG的要求和其他普通城域网应用对AWG的要求是不同的。在WDM-PON系统中，远端节点的AWG部署在外场，可能处于世界各地各种气候环境当中，部署方式也区别很大，不如在街边的电话交接箱或者外线检修孔。远端节点很可能放在一个非可控的环境中，环境温度可能会很大。 

        主要的挑战来源于温度。温度会影响一些光学性能，而这些性能对系统来说是非常重要的，如插入损耗、偏振损耗、信道隔离度（串话）。对每个AWG的信道，这些参数在一个给定的、以ITU标准信道为中心的通带内是一定的。对于信道间隔为100GHz的设备来说，通带通常为±100pm。 

        如果不经过补偿，AWG对温度非常敏感。温度变化会引起AWG解复用后波长频谱的漂移，即在通带内部的波长初始排列会随温度变化而漂移（波长温漂）。所以即使AWG的固有光学特性不会直接受到温度的影响，只要光学参数是通过固定的通带来测量的，光波长频谱的漂移还是会影响AWG的性能。 

        AWG波长温漂的主要原因是PLC光学层的热色散，也就是说他们的反射系数和温度有关。对于基于硅片的PLC技术，AWG的波长温漂是11pm/℃。温漂实际上是温度的二阶多项式函数，这里简化成了一阶多项式。 

        AWG温度不敏感技术就是当温度大幅度变化时，被动稳定AWG的输出频谱，理想情况下温度变化范围达到120℃，即从-40℃到+80℃。 

        温度补偿技术 

        器件提供商用来被动补偿AWG波长温漂的主要技术有两种：一种是利用材料的热光学特性，另外一种是利用材料的热机械特性。 

        采用光学方式，需要插入特殊的材料来改变波导的结构，材料的热学色散特性和主波导结构的热学色散特性相反，在硅基技术中，这就意味着加入的材料需要有负的热色散特性。且热色散需要足够大以在短距离内补偿AWG其他部分产生的热色散总量。 

        采用机械方式，是把AWG输入侧固定在由金属或者合金制作的机械臂的一端。机械臂附在PLC上，机械臂的热膨胀可以使AWG的输入沿着PLC的边移动。当温度变化时，臂拉长或者收缩，使AWG的输入移动一定长度，移动的长度和臂长，以及臂的热膨胀系数成比例。 

        这种方式之所以可以实现补偿是因为把AWG的输入端沿输入平面的边缘移动具有和温度变化相似的作用；它可以让波长频谱随温度变化成比例地漂移。要精确补偿就要认真计算臂长，当温度变化时，AWG输入端的移动造成波长频谱的漂移，该漂移量和AWG的波长温漂量相同，而方向正好相反。 

        光学补偿的优势在于没有机械移动，可以避免器件运动中的磨损问题，提高可靠性。但另一方面目前产品中使用的特殊光学材料对环境敏感，容易老化，为了延长其使用周期，必须要对器件进行气密封装，这会增加器件的价格。 

        机械补偿系统肯定会涉及到机械运动，但是不需要完全的气密封装。不过，因为器件将会用在不受控的环境中，所以还是需要有较好的封装——比如要有像防水表一样的封装，能在亚洲的季风气候中，完全浸在泥水中几天之久。 

        至于机械材料的选择和设计，在很多产业中热学材料已经使用了很长时间，各种金属和合金的热学模型数据非常完备。有了这些数据，就能实现所需要的可靠的性能。但用于光学补偿技术的材料数据，就没有这么完备了。 

        和光学补偿相比，机械方式的一个优势是可以把大温度区间分为多个小的子区间。机械方式可以采用多个额外的补偿臂，每个只在一个给定的温度子区间内进行波长温漂的补偿。区间越小，机械臂的线性热膨胀AWG的二次波长温漂就越趋向一致。衡量两种效应的差额的参数：波长残差，随着温度区间的减小而减小，热补偿效果就更好（见图2）。下一节介绍一个实际的案例：把一个温度变化区间分成两个子区间的多臂补偿系统。 

        光学方式不能提供这种灵活性，光学补偿材料必须在整个温度区间进行足够的补偿。因为不论温度如何，光在AWG中的传播路线是相同的，即使加入不同的光学物质，光也会逐个经过它们，产生的影响也会在整个温度区域内体现。 

        机械热补偿性能 

        虽然WDM-PON系统还在发展的最初阶段，不过已经有几家器件提供商给出了单机械和多机械补偿的热无关AWG产品。其中有些已经开始了外场测试。 
        在单臂补偿系统中，波长残差是温度的二次函数。普通材料的热膨胀都是线性的，单臂补偿系统只能补充AWG的一阶波长温漂。尽管残差与AWG的技术水平和结构有关系，不过单补偿系统普通的残差水平在120℃的范围内大约为±20pm（见图2）。这个残差在实际温度区间内，通过每个产品的通带将体现到各种器件的光学性能参数里（损耗、PDL和串话） 

        巧合的是，现在光学系统的波长补偿效果和单机械臂方式的效果相似。 

        为了改进补偿效果和产品的整体性能，可以加入更多的机械臂。不过增加机械臂就增加了设计难度，如何才能设计出易实现的、尺寸变化不大、并且可靠性强的多臂补偿系统是真正的挑战。增加复杂性才能换来性能的提升。目前，似乎两到三臂的结构可以在复杂性和性能提升之间取得较好的平衡。在120℃的温度区间内，双线性补偿系统的波长残差一般为±7.5pm，也就是说比单补偿系统要好3倍。而三线性补偿系统是±5pm，比单补偿系统好4倍。 

        一种得到双线性补偿的方式是把一个补偿臂做到另一个补偿臂内（图3）。开始的时候只由一个补偿臂起作用，表现出一个特定的热膨胀系数；第二只臂的热膨胀系数比第一只（主臂）高，放在主臂的一个洞内。因为第二只臂的热膨胀系数高，在温度降低的时候它会缩在主臂内部，不起作用；所以这时AWG的输入漂移只和主臂的长度成比例。然而当温度上升时，内部的臂伸长，超出了固定它的洞，像活塞一样推动主臂延展，这样主臂的伸展长度比没有内臂的情况要长。 

        这个方法中两个臂的热膨胀组合和机械弹性共同造成了机械臂的伸展，计算机模拟在这种复杂系统的设计中起到非常好的辅助作用。这种方式的优点是：和单臂系统相比，器件的尺寸和可靠性几乎没有受到影响，只是需要多加几个装配步骤。 

        如果对宽带接入的需求持续增长，未来还可能需要对AWG的波长温漂进行精确补偿的非线性系统。还要探寻不同的机械方式来完成精确补偿。比如需要设计出一种易于实现的方式把线性热膨胀转化为非线性的机械运动。也可能会有人利用材料的热机械特性，设计出一种具有足够大的热膨胀系数的特别的合金或合成材料。