摘要：熱不敏感AWG的是應(yīng)用于WDM-PON系統(tǒng)中的MUX/DEMUX的理想備選方案，具有無源、可升級(jí)、可循環(huán)、低成本等優(yōu)點(diǎn)。本文描述的是支持C、L、S以及E波段的、-40℃—70℃和水下環(huán)境的AWG。


1. 引言
    隨著電信開始將傳統(tǒng)的語音/或?qū)拵�業(yè)務(wù)升級(jí)到三網(wǎng)合一，光纖到戶/樓（FTTH/P）越來越受到人們的重視。根據(jù)市場(chǎng)估計(jì)，在不久的將來用戶對(duì)帶寬的平均需求大約為50-70Mbps，但是像BPON、EPON和GPON這樣的共享式PON結(jié)構(gòu)，都可能在提供這樣的帶寬上存在問題。因此，人們一致認(rèn)為采用WDM技術(shù)去提高用戶及帶寬容量是下一代PON系統(tǒng)發(fā)展方向。在已經(jīng)存在的PON光纖接入網(wǎng)中使用WDM技術(shù)去提高帶寬的混合-PON技術(shù)已經(jīng)被提議為潛在的下一代接入技術(shù)。WDM-PON技術(shù)已經(jīng)走出這一步，通過保持物理PON結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生虛擬的點(diǎn)到點(diǎn)（P2P）結(jié)構(gòu)，給每個(gè)用戶分配一個(gè)單獨(dú)的波長。這種技術(shù)是給每個(gè)用戶分配兩個(gè)波長：一個(gè)用作上行，一個(gè)用作下行。在WDM-PON和混合（H）-PON系統(tǒng)中，波長的復(fù)用（解復(fù)用）是必要的。尤其在WDM-PON系統(tǒng)中，復(fù)用器/解復(fù)用器用來過濾寬帶光源到法布里-玻羅激光器入射鎖定波長的光。因此，光鏈路終端和光網(wǎng)絡(luò)終端的收發(fā)單元是可互換的，以降低系統(tǒng)的成本。WDM-PON和H-PON對(duì)復(fù)用器/解復(fù)用器的要求與常規(guī)的城市應(yīng)用不同。復(fù)用器/解復(fù)用器必須是無源的（遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)是置于野外的）、可循環(huán)的（可同時(shí)工作在上行和下行波段），而且要確保系統(tǒng)的后期速度可以升級(jí)到1Gbps。最后但并不是最不重要的成本降低是也是至關(guān)重要的，隨著容量上的布署要求WDM-PON接近共享式PON的價(jià)格，進(jìn)而要求復(fù)用器/解復(fù)用器接近功分器的價(jià)格。復(fù)用器/解復(fù)用器的理想解決方案就是對(duì)熱不敏感的AWG，它能滿足上面所提到的所有標(biāo)準(zhǔn)。與功分器類似，熱不敏感的AWG基于具有幾乎理想制造技術(shù)的平面集成電路（PLC）平臺(tái)，因此，它們的價(jià)格也終將相近。而且，熱不敏感的AWG技術(shù)提供：
●  低損耗（光鏈路終端與光網(wǎng)絡(luò)終端之間的距離可達(dá)到25公里）
●  非常好的隔離度（僅僅通過不同的波長分隔用戶）
●  溫度穩(wěn)定性好。WDM-PON系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求是小于6GHz。
●  工作溫度范圍大（遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)是置于野外的，其環(huán)境比較惡劣）
●  可以工作在100%的濕度環(huán)境下（當(dāng)遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)置于下水道的出入孔時(shí)，此點(diǎn)尤其重要）
本文描述的是應(yīng)用于WDM-PON以及混合PON（HPON）系統(tǒng)中的熱不敏的AWG產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)。

2 熱不敏感AWG的設(shè)計(jì)與制造
    由通道長度線性增加（△L）的波導(dǎo)陣列將兩個(gè)自由空間區(qū)域連接在一起，這就是陣列波導(dǎo)光柵（AWG），波長相關(guān)的特性使其應(yīng)用在復(fù)用/解復(fù)用器中。AWG的中心波長λc與周期FSR（λ）由公式（1）和（2）給定： 
 m是光柵的階數(shù)，neff和ngroup分別是波導(dǎo)的有效折射率和群折射就率。應(yīng)用在WDM-PON系統(tǒng)中的AWG，其兩個(gè)光柵階數(shù)分別用來上載或下傳數(shù)據(jù)。公式（2）中，neff和ngroup由制造工藝確定，③c和m可以進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇，但是對(duì)于一個(gè)固定的③c，由于m是整數(shù)，因而FSR（λ）可能取值只能是離散的。因此對(duì)一個(gè)WDM-PON系統(tǒng)來說，波長的選擇必然同時(shí)滿足系統(tǒng)和AWG的要求。
    由于傳統(tǒng)的AWG對(duì)溫度比較敏感（中心波長隨溫度的漂移為11pm/℃），因此需要進(jìn)行溫度控制。然而如前所述，WDM-PON系統(tǒng)中的復(fù)用/解復(fù)用器必須是完全無源的，目前無源、熱不敏感的AWG的主要設(shè)計(jì)方法有：在波導(dǎo)陣列中插入與原波導(dǎo)材料溫度特性相反的材料或利用有機(jī)械移動(dòng)部件的封裝來穩(wěn)定波長，由于較低的損耗與以及較高的溫度穩(wěn)定性，后者是目前市場(chǎng)的主流。圖1所示的是Ignis Photonyx設(shè)計(jì)的、帶有移動(dòng)輸入光纖的熱不敏感AWG的結(jié)構(gòu)圖[8]。光纖通過一根金屬棒固定，金屬棒隨著溫度變化而收縮與膨脹以補(bǔ)償PLC隨溫度的變化。通過對(duì)補(bǔ)償棒和AWG芯片進(jìn)行仔細(xì)匹配，有可能抵消AWG對(duì)溫度的一階相關(guān)性。

3 特性
    我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了一個(gè)用于WDM-PON系統(tǒng)中的熱不敏感AWG，結(jié)合PECVD、光刻以及RIE技術(shù)，我們?cè)?5%硅基上制造硅AWG芯片。如圖1右圖所示的AWG組件優(yōu)于蓋封裝的AWG，且符合Telcordia 1221和1209標(biāo)準(zhǔn)。值得一提的是，該AWG芯片四周由膠包圍并呈現(xiàn)半密封狀態(tài)，這既保持了低成本，又提高了可靠性。圖2所示的是一個(gè)由32個(gè)通道（SC-APC連接器）100GHz的熱不敏感AWG在C波段和L波段的透射譜。
    圖2中的左圖給出了AWG在L、C、S以及E波段的特性指標(biāo)，從表中的數(shù)據(jù)我們可以在-30℃-70℃溫度范圍內(nèi)，AWG在固定的200pm窗口的性能最差。根據(jù)絕熱原理，波長實(shí)際上與溫度無關(guān)。該AWG在全波段內(nèi)具有非常好的性能：隔離度大于23dB，總損耗小于5.3dB。必須注意到：由于是在一固定波長通帶進(jìn)行測(cè)量，在較小波長處的損耗和PDL似乎由于較小帶寬而得到了補(bǔ)償。（Due to measurements over a fixed passband in wavelength, 
one must note that the loss and PDL at smaller wavelengths 
appear to be compromised due to the smaller bandwidth.） 該AWG的色散＜20ps/nm，PMD（偏振模色散）＜0.5ps，回?fù)p＞45dB。
    我們把溫度從-40℃變化到70℃對(duì)AWG進(jìn)行測(cè)試，以證實(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)的AWG的環(huán)境穩(wěn)定性，如圖3的左圖所示。該曲線是一個(gè)開口向上的拋物線形，即由中心往兩端是遞增的，這是因?yàn)椴ＡУ亩�階溫度效應(yīng)。由圖可以看出，最大的波長漂移＜20pm，單個(gè)通道的擴(kuò)展＜20pm 。每個(gè)溫度下的波長漂移都是經(jīng)過多次測(cè)試的，具有良好的器件重復(fù)性。與ITU對(duì)室溫下性能要求相比，波長漂移意味著對(duì)隔離度減少了（～1dB）和PDL（～0.1dB）增加了。為能在整個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行工作而導(dǎo)致的損耗增量＜0.5dB 。據(jù)我們所知，這是第一次在-40℃溫度下進(jìn)行AWG測(cè)試。但是，即使在這延伸的溫度范圍內(nèi)，其波長穩(wěn)定性仍比WDM-PON系統(tǒng)所要求的6GHz還要高30% 。
    
    考慮到雨季里偶然性洪水，我們進(jìn)一步對(duì)置于淡水中的AWG的性能進(jìn)行了測(cè)試（如圖3右圖所示）。由圖可以看出，只在剛開始時(shí)損耗有一小的變化，隨后損耗變化趨于平坦，經(jīng)過7天之久的考驗(yàn)，沒有任何性能變差的跡象。

4. 結(jié)論
    本文描述了可循環(huán)的熱不敏感AWG的實(shí)現(xiàn)，該AWG可用在無色WDM-PON系統(tǒng)中，C波段作為下行，其他波段作為上行。我們還表明在極低的溫度以及水中（100%的濕度）的條件下熱不敏感AWG能正常工作，由于硬包裝，因此該設(shè)備是應(yīng)用于遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的理想方案。如果用DWDM來提高當(dāng)前接入網(wǎng)的容量，該設(shè)備也可以應(yīng)用在H-PON系統(tǒng)中。

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