由于WDM-PON的AWG被動熱補償技術

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

        這些WDM-PON系統都是無源的，且光學性能優越。而在各種WDM技術中熱無關陣列波導光柵是完成WDM功能的最好選擇。另外AWG和接入網的分光器一樣，使用的是PLC平臺，量產后價格將和分光器相當。 

        WDM-PON對AWG的要求 

        WDM-PON對于AWG的要求和其他普通城域網應用對AWG的要求是不同的。在WDM-PON系統中，遠端節點的AWG部署在外場，可能處于世界各地各種氣候環境當中，部署方式也區別很大，不如在街邊的電話交接箱或者外線檢修孔。遠端節點很可能放在一個非可控的環境中，環境溫度可能會很大。 

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

        如果不經過補償，AWG對溫度非常敏感。溫度變化會引起AWG解復用后波長頻譜的漂移，即在通帶內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的固有光學特性不會直接受到溫度的影響，只要光學參數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光學層的熱色散，也就是說他們的反射系數和溫度有關。對于基于硅片的PLC技術，AWG的波長溫漂是11pm/℃。溫漂實際上是溫度的二階多項式函數，這里簡化成了一階多項式。 

        AWG溫度不敏感技術就是當溫度大幅度變化時，被動穩定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 

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

        采用光學方式，需要插入特殊的材料來改變波導的結構，材料的熱學色散特性和主波導結構的熱學色散特性相反，在硅基技術中，這就意味著加入的材料需要有負的熱色散特性。且熱色散需要足夠大以在短距離內補償AWG其他部分產生的熱色散總量。 

        采用機械方式，是把AWG輸入側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成比例。 

        這種方式之所以可以實現補償是因為把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。要精確補償就要認真計算臂長，當溫度變化時，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。 

        光學補償的優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。但另一方面目前產品中使用的特殊光學材料對環境敏感，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計，在很多產業中熱學材料已經使用了很長時間，各種金屬和合金的熱學模型數據非常完備。有了這些數據，就能實現所需要的可靠的性能。但用于光學補償技術的材料數據，就沒有這么完備了。 

        和光學補償相比，機械方式的一個優勢是可以把大溫度區間分為多個小的子區間。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間內進行波長溫漂的補償。區間越小，機械臂的線性熱膨脹AWG的二次波長溫漂就越趨向一致。衡量兩種效應的差額的參數：波長殘差，隨著溫度區間的減小而減小，熱補償效果就更好（見圖2）。下一節介紹一個實際的案例：把一個溫度變化區間分成兩個子區間的多臂補償系統。 

        光學方式不能提供這種靈活性，光學補償材料必須在整個溫度區間進行足夠的補償。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物質，光也會逐個經過它們，產生的影響也會在整個溫度區域內體現。 

        機械熱補償性能 

        雖然WDM-PON系統還在發展的最初階段，不過已經有幾家器件提供商給出了單機械和多機械補償的熱無關AWG產品。其中有些已經開始了外場測試。 
        在單臂補償系統中，波長殘差是溫度的二次函數。普通材料的熱膨脹都是線性的，單臂補償系統只能補充AWG的一階波長溫漂。盡管殘差與AWG的技術水平和結構有關系，不過單補償系統普通的殘差水平在120℃的范圍內大約為±20pm（見圖2）。這個殘差在實際溫度區間內，通過每個產品的通帶將體現到各種器件的光學性能參數里（損耗、PDL和串話） 

        巧合的是，現在光學系統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計難度，如何才能設計出易實現的、尺寸變化不大、并且可靠性強的多臂補償系統是真正的挑戰。增加復雜性才能換來性能的提升。目前，似乎兩到三臂的結構可以在復雜性和性能提升之間取得較好的平衡。在120℃的溫度區間內，雙線性補償系統的波長殘差一般為±7.5pm，也就是說比單補償系統要好3倍。而三線性補償系統是±5pm，比單補償系統好4倍。 

        一種得到雙線性補償的方式是把一個補償臂做到另一個補償臂內（圖3）。開始的時候只由一個補償臂起作用，表現出一個特定的熱膨脹系數；第二只臂的熱膨脹系數比第一只（主臂）高，放在主臂的一個洞內。因為第二只臂的熱膨脹系數高，在溫度降低的時候它會縮在主臂內部，不起作用；所以這時AWG的輸入漂移只和主臂的長度成比例。然而當溫度上升時，內部的臂伸長，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雜系統的設計中起到非常好的輔助作用。這種方式的優點是：和單臂系統相比，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增長，未來還可能需要對AWG的波長溫漂進行精確補償的非線性系統。還要探尋不同的機械方式來完成精確補償。比如需要設計出一種易于實現的方式把線性熱膨脹轉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，設計出一種具有足夠大的熱膨脹系數的特別的合金或合成材料。