由于WDM-PON的AWG被動(dòng)熱補(bǔ)償技術(shù)

        目前，電信運(yùn)營商紛紛開始業(yè)務(wù)升級(jí)，從傳統(tǒng)的語音和寬帶業(yè)務(wù)升級(jí)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(chǎng)預(yù)測(cè)顯示用戶的平均帶寬需求即將達(dá)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(duì)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(tái)，量產(chǎn)后價(jià)格將和分光器相當(dāng)。 

        WDM-PON對(duì)AWG的要求 

        WDM-PON對(duì)于AWG的要求和其他普通城域網(wǎng)應(yīng)用對(duì)AWG的要求是不同的。在WDM-PON系統(tǒng)中，遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的AWG部署在外場(chǎng)，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(diǎn)很可能放在一個(gè)非可控的環(huán)境中，環(huán)境溫度可能會(huì)很大。 

        主要的挑戰(zhàn)來源于溫度。溫度會(huì)影響一些光學(xué)性能，而這些性能對(duì)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(duì)每個(gè)AWG的信道，這些參數(shù)在一個(gè)給定的、以ITU標(biāo)準(zhǔn)信道為中心的通帶內(nèi)是一定的。對(duì)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(bǔ)償，AWG對(duì)溫度非常敏感。溫度變化會(huì)引起AWG解復(fù)用后波長(zhǎng)頻譜的漂移，即在通帶內(nèi)部的波長(zhǎng)初始排列會(huì)隨溫度變化而漂移（波長(zhǎng)溫漂）。所以即使AWG的固有光學(xué)特性不會(huì)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(cè)量的，光波長(zhǎng)頻譜的漂移還是會(huì)影響AWG的性能。 

        AWG波長(zhǎng)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(duì)于基于硅片的PLC技術(shù)，AWG的波長(zhǎng)溫漂是11pm/℃。溫漂實(shí)際上是溫度的二階多項(xiàng)式函數(shù)，這里簡(jiǎn)化成了一階多項(xiàng)式。 

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

        溫度補(bǔ)償技術(shù) 

        器件提供商用來被動(dòng)補(bǔ)償AWG波長(zhǎng)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(jī)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(bǔ)償AWG其他部分產(chǎn)生的熱色散總量。 

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

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

        光學(xué)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)在于沒有機(jī)械移動(dòng)，可以避免器件運(yùn)動(dòng)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(duì)環(huán)境敏感，容易老化，為了延長(zhǎng)其使用周期，必須要對(duì)器件進(jìn)行氣密封裝，這會(huì)增加器件的價(jià)格。 

        機(jī)械補(bǔ)償系統(tǒng)肯定會(huì)涉及到機(jī)械運(yùn)動(dòng)，但是不需要完全的氣密封裝。不過，因?yàn)槠骷?huì)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(jī)械材料的選擇和設(shè)計(jì)，在很多產(chǎn)業(yè)中熱學(xué)材料已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)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(shí)現(xiàn)所需要的可靠的性能。但用于光學(xué)補(bǔ)償技術(shù)的材料數(shù)據(jù)，就沒有這么完備了。 

        和光學(xué)補(bǔ)償相比，機(jī)械方式的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以把大溫度區(qū)間分為多個(gè)小的子區(qū)間。機(jī)械方式可以采用多個(gè)額外的補(bǔ)償臂，每個(gè)只在一個(gè)給定的溫度子區(qū)間內(nèi)進(jìn)行波長(zhǎng)溫漂的補(bǔ)償。區(qū)間越小，機(jī)械臂的線性熱膨脹AWG的二次波長(zhǎng)溫漂就越趨向一致。衡量?jī)煞N效應(yīng)的差額的參數(shù)：波長(zhǎng)殘差，隨著溫度區(qū)間的減小而減小，熱補(bǔ)償效果就更好（見圖2）。下一節(jié)介紹一個(gè)實(shí)際的案例：把一個(gè)溫度變化區(qū)間分成兩個(gè)子區(qū)間的多臂補(bǔ)償系統(tǒng)。 

        光學(xué)方式不能提供這種靈活性，光學(xué)補(bǔ)償材料必須在整個(gè)溫度區(qū)間進(jìn)行足夠的補(bǔ)償。因?yàn)椴徽摐囟热绾?，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(huì)逐個(gè)經(jīng)過它們，產(chǎn)生的影響也會(huì)在整個(gè)溫度區(qū)域內(nèi)體現(xiàn)。 

        機(jī)械熱補(bǔ)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(jī)械和多機(jī)械補(bǔ)償?shù)臒釤o關(guān)AWG產(chǎn)品。其中有些已經(jīng)開始了外場(chǎng)測(cè)試。 
        在單臂補(bǔ)償系統(tǒng)中，波長(zhǎng)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(bǔ)償系統(tǒng)只能補(bǔ)充AWG的一階波長(zhǎng)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(bǔ)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(gè)殘差在實(shí)際溫度區(qū)間內(nèi)，通過每個(gè)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(zhǎng)補(bǔ)償效果和單機(jī)械臂方式的效果相似。 

        為了改進(jìn)補(bǔ)償效果和產(chǎn)品的整體性能，可以加入更多的機(jī)械臂。不過增加機(jī)械臂就增加了設(shè)計(jì)難度，如何才能設(shè)計(jì)出易實(shí)現(xiàn)的、尺寸變化不大、并且可靠性強(qiáng)的多臂補(bǔ)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(bǔ)償系統(tǒng)的波長(zhǎng)殘差一般為±7.5pm，也就是說比單補(bǔ)償系統(tǒng)要好3倍。而三線性補(bǔ)償系統(tǒng)是±5pm，比單補(bǔ)償系統(tǒng)好4倍。 

        一種得到雙線性補(bǔ)償?shù)姆绞绞前岩粋€(gè)補(bǔ)償臂做到另一個(gè)補(bǔ)償臂內(nèi)（圖3）。開始的時(shí)候只由一個(gè)補(bǔ)償臂起作用，表現(xiàn)出一個(gè)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(gè)洞內(nèi)。因?yàn)榈诙槐鄣臒崤蛎浵禂?shù)高，在溫度降低的時(shí)候它會(huì)縮在主臂內(nèi)部，不起作用；所以這時(shí)AWG的輸入漂移只和主臂的長(zhǎng)度成比例。然而當(dāng)溫度上升時(shí)，內(nèi)部的臂伸長(zhǎng)，超出了固定它的洞，像活塞一樣推動(dòng)主臂延展，這樣主臂的伸展長(zhǎng)度比沒有內(nèi)臂的情況要長(zhǎng)。 

        這個(gè)方法中兩個(gè)臂的熱膨脹組合和機(jī)械彈性共同造成了機(jī)械臂的伸展，計(jì)算機(jī)模擬在這種復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中起到非常好的輔助作用。這種方式的優(yōu)點(diǎn)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(gè)裝配步驟。 

        如果對(duì)寬帶接入的需求持續(xù)增長(zhǎng)，未來還可能需要對(duì)AWG的波長(zhǎng)溫漂進(jìn)行精確補(bǔ)償?shù)姆蔷€性系統(tǒng)。還要探尋不同的機(jī)械方式來完成精確補(bǔ)償。比如需要設(shè)計(jì)出一種易于實(shí)現(xiàn)的方式把線性熱膨脹轉(zhuǎn)化為非線性的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。也可能會(huì)有人利用材料的熱機(jī)械特性，設(shè)計(jì)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。