热不敏感AWG技术

摘要：热不敏感AWG的是应用于WDM-PON系统中的MUX/DEMUX的理想备选方案，具有无源、可升级、可循环、低成本等优点。本文描述的是支持C、L、S以及E波段的、-40℃—70℃和水下环境的AWG。


1. 引言
    随着电信开始将传统的语音/或宽带业务升级到三网合一，光纤到户/楼（FTTH/P）越来越受到人们的重视。根据市场估计，在不久的将来用户对带宽的平均需求大约为50-70Mbps，但是像BPON、EPON和GPON这样的共享式PON结构，都可能在提供这样的带宽上存在问题。因此，人们一致认为采用WDM技术去提高用户及带宽容量是下一代PON系统发展方向。在已经存在的PON光纤接入网中使用WDM技术去提高带宽的混合-PON技术已经被提议为潜在的下一代接入技术。WDM-PON技术已经走出这一步，通过保持物理PON结构、产生虚拟的点到点（P2P）结构，给每个用户分配一个单独的波长。这种技术是给每个用户分配两个波长：一个用作上行，一个用作下行。在WDM-PON和混合（H）-PON系统中，波长的复用（解复用）是必要的。尤其在WDM-PON系统中，复用器/解复用器用来过滤宽带光源到法布里-玻罗激光器入射锁定波长的光。因此，光链路终端和光网络终端的收发单元是可互换的，以降低系统的成本。WDM-PON和H-PON对复用器/解复用器的要求与常规的城市应用不同。复用器/解复用器必须是无源的（远端节点是置于野外的）、可循环的（可同时工作在上行和下行波段），而且要确保系统的后期速度可以升级到1Gbps。最后但并不是最不重要的成本降低是也是至关重要的，随着容量上的布署要求WDM-PON接近共享式PON的价格，进而要求复用器/解复用器接近功分器的价格。复用器/解复用器的理想解决方案就是对热不敏感的AWG，它能满足上面所提到的所有标准。与功分器类似，热不敏感的AWG基于具有几乎理想制造技术的平面集成电路（PLC）平台，因此，它们的价格也终将相近。而且，热不敏感的AWG技术提供：
●  低损耗（光链路终端与光网络终端之间的距离可达到25公里）
●  非常好的隔离度（仅仅通过不同的波长分隔用户）
●  温度稳定性好。WDM-PON系统的稳定性要求是小于6GHz。
●  工作温度范围大（远端节点是置于野外的，其环境比较恶劣）
●  可以工作在100%的湿度环境下（当远端节点置于下水道的出入孔时，此点尤其重要）
本文描述的是应用于WDM-PON以及混合PON（HPON）系统中的热不敏的AWG产品的实现。

2 热不敏感AWG的设计与制造
    由通道长度线性增加（△L）的波导阵列将两个自由空间区域连接在一起，这就是阵列波导光栅（AWG），波长相关的特性使其应用在复用/解复用器中。AWG的中心波长λc与周期FSR（λ）由公式（1）和（2）给定： 
 m是光栅的阶数，neff和ngroup分别是波导的有效折射率和群折射就率。应用在WDM-PON系统中的AWG，其两个光栅阶数分别用来上载或下传数据。公式（2）中，neff和ngroup由制造工艺确定，③c和m可以进行设计选择，但是对于一个固定的③c，由于m是整数，因而FSR（λ）可能取值只能是离散的。因此对一个WDM-PON系统来说，波长的选择必然同时满足系统和AWG的要求。
    由于传统的AWG对温度比较敏感（中心波长随温度的漂移为11pm/℃），因此需要进行温度控制。然而如前所述，WDM-PON系统中的复用/解复用器必须是完全无源的，目前无源、热不敏感的AWG的主要设计方法有：在波导阵列中插入与原波导材料温度特性相反的材料或利用有机械移动部件的封装来稳定波长，由于较低的损耗与以及较高的温度稳定性，后者是目前市场的主流。图1所示的是Ignis Photonyx设计的、带有移动输入光纤的热不敏感AWG的结构图[8]。光纤通过一根金属棒固定，金属棒随着温度变化而收缩与膨胀以补偿PLC随温度的变化。通过对补偿棒和AWG芯片进行仔细匹配，有可能抵消AWG对温度的一阶相关性。

3 特性
    我们已经设计出了一个用于WDM-PON系统中的热不敏感AWG，结合PECVD、光刻以及RIE技术，我们在75%硅基上制造硅AWG芯片。如图1右图所示的AWG组件优于盖封装的AWG，且符合Telcordia 1221和1209标准。值得一提的是，该AWG芯片四周由胶包围并呈现半密封状态，这既保持了低成本，又提高了可靠性。图2所示的是一个由32个通道（SC-APC连接器）100GHz的热不敏感AWG在C波段和L波段的透射谱。
    图2中的左图给出了AWG在L、C、S以及E波段的特性指标，从表中的数据我们可以在-30℃-70℃温度范围内，AWG在固定的200pm窗口的性能最差。根据绝热原理，波长实际上与温度无关。该AWG在全波段内具有非常好的性能：隔离度大于23dB，总损耗小于5.3dB。必须注意到：由于是在一固定波长通带进行测量，在较小波长处的损耗和PDL似乎由于较小带宽而得到了补偿。（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.） 该AWG的色散＜20ps/nm，PMD（偏振模色散）＜0.5ps，回损＞45dB。
    我们把温度从-40℃变化到70℃对AWG进行测试，以证实我们设计的AWG的环境稳定性，如图3的左图所示。该曲线是一个开口向上的抛物线形，即由中心往两端是递增的，这是因为玻璃的二阶温度效应。由图可以看出，最大的波长漂移＜20pm，单个通道的扩展＜20pm 。每个温度下的波长漂移都是经过多次测试的，具有良好的器件重复性。与ITU对室温下性能要求相比，波长漂移意味着对隔离度减少了（～1dB）和PDL（～0.1dB）增加了。为能在整个温度范围内进行工作而导致的损耗增量＜0.5dB 。据我们所知，这是第一次在-40℃温度下进行AWG测试。但是，即使在这延伸的温度范围内，其波长稳定性仍比WDM-PON系统所要求的6GHz还要高30% 。
    
    考虑到雨季里偶然性洪水，我们进一步对置于淡水中的AWG的性能进行了测试（如图3右图所示）。由图可以看出，只在刚开始时损耗有一小的变化，随后损耗变化趋于平坦，经过7天之久的考验，没有任何性能变差的迹象。

4. 结论
    本文描述了可循环的热不敏感AWG的实现，该AWG可用在无色WDM-PON系统中，C波段作为下行，其他波段作为上行。我们还表明在极低的温度以及水中（100%的湿度）的条件下热不敏感AWG能正常工作，由于硬包装，因此该设备是应用于远端节点的理想方案。如果用DWDM来提高当前接入网的容量，该设备也可以应用在H-PON系统中。

5.参考文献
[1]D. J. Shin et. al., ”Hybrid WDM/TDM With Wavelength-Selection-Free
Transmitters,” in J. of Ligthwave Tecnol. , 
Vol. 23, No. 1, pp. 187-195, 2005
[2] D. J. Shin et. al., ”C/S-band WDM-PON employing 
colorless bi-directional transceivers and SOA-based 
broadband light sources, ”
in Proc. OFC2005, Anaheim, CA, PDP54, March 2005
[3] D. J. Shin et. al., ”AWG misalignment tolerance of 16 x 155 Mb/s 
WDM-PON based on ASE-injected FP-LDs, ”
in Proc. OFC2005, Ana-heim, CA, JWA54, March 2005
[4] M. K. Smit et. al., ”PHASAR-Based WDN-Devices: 
Principles, Design and Application,” 
in IEEE Journal of Selected Topics 
in Quantum Electronics, Vol. 2, No. 2, pp. 236-250, 1996
[5] Y. Inoue et. al., “Athermal silica-based 
arrayed-waveguide grating multiplexer, 
“ Electron. Lett., vol. 33, pp. 1945-1947, 1997
[6]  A. J. Ticknor et. al., 
“Efficient Passive and Active Wave length-Stabilization Techniques for AWGs and Integrated 
Optical Filters," 
in Proc.OFC2005, Anaheim, CA, NTHL3, March 2005
[7] T. Saito et. al., “100GHz-32ch athermal AWG with 
extremely low temperature dependency of center wavelength,” 
in Proc. OFC2003, At-lanta, GA, MF47, March 2003
[8] G. Heise et. al., “Optical Phased Array Filter module 
with passively compensated temperature dependence,”  
in Proc. ECOC1998, Madrid, Spain, p 319-320, September 1998