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AWG阵列波导光栅(PLC)
踩踩 0作者：guru 发表日期：2007-12-18 复制链接 收藏
阵列波导光栅(AWG Arrayed Waveguide Grating)是实现多通道密集波分复用(DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing)光网络的理想器件,插入损耗是它的一个重要性能指标.本文介绍了多种减小AWG插入损耗的方法,并在此基础上,分析了如何使用楔形波导结构来降低模式失配所导致的耦合损耗.这种方法可以在不增加器件制作难度的同时大大降低AWG的插入损耗,并且适用于各种材料和结构的AWG器件设计.
阵列波导光栅（AWG）技术的新发展不仅为AWG赢回了大容量应用市场的主导地位，并且使AWG在小容量应用市场上获得了相当的份额。AWG在DWDM系统中提供复用和解复用功能，它可以把40到80个不同的DWDM波长信道复用到一根光纤当中，并在网络的另一端把这些波长信道分离开来。也就是说一个40信道的AWG可以代替40个不同的薄膜滤波器（TFF）。
更重要的是，AWG的关键技术——平面光路技术（PLC）——可以实现的功能远远不止复用和解复用，它还可以实现功率分配、交换、监测和光强可变衰减等功能。目前，能够同时实现100多项功能的PLC芯片已经问世。
就像集成电路取代三极管分立器件电路一样，未来的光通信系统将会在这种集成的单片光系统的基础上构建起来。不过要让这一切变成现实，每种集成模块的功能和分立器件相比，必须具有竞争力。随着新型集成模块的推出，这个目标正在逐步实现，对于AWG来说，它在越来越大的市场范围内，正凭借着自己的成本和性能优势，从分立的TFF器件手中赢得大量的市场份额。
盛极而衰——能否重现辉煌？<
PLC首度商用化是在1990年代末的电信泡沫时期，它把半导体工业的生产模式带入了光器件产业。当时，利用分立的光器件和各种光网络技术可以把单根光纤上的信息容量从每秒百兆比特提高到每秒太比特。不过分立器件价格高，而且体积和可靠性都达不到当时要求的理想水平。而PLC技术采用制造集成电路的设备和工具，大规模地生产集成光路，另外，PLC技术在降低成本的同时还能够增强器件的功能。
在通信系统中，第一个PLC的商用产品就是AWG。AWG迎合了泡沫时期通信容量暴涨的思路，追求更多的信道数量和更大的容量。然而从2001年开始，泡沫经济的破灭和电信业的滑坡戏剧性地改变了光器件市场的环境。其实，直到现在为止，AWG都是大容量DWDM系统最好的复用和解复用技术，它的单信道平均成本低、损耗小，而且一致性强。另外，由于AWG是集成系统，它的成本和性能几乎和信道数无关。而对于分立TFF来说，每增加一个信道就意味着增加一个分立的滤波器，所以它的成本将随着信道数的增加而线性增加，而性能却反而降低。
在泡沫时期，大家都认为数据量的爆炸性增长会让系统中的所有信道迅速派上用场，所以AWG的上述特点是它的绝对优势。而在泡沫破灭之后，大家清楚地认识到业务量将会相对平稳地增长。所以运营商在部署系统的时候，考虑的最重要的因素变成了“初装成本”，换句话说：运营商希望用最低的成本建立起第一条信道，而以后添加信道所用的成本显得并不是那么重要了，因为只有当数据量需求足够大，证明确实有必要支付这笔费用的时候，才会真正添加信道。
运营商这种思路的变化对AWG是很不利的。原因主要有两个：首先，因为AWG是集成的，所有通道必须一次性安装，这样就增加了“初装成本”。当然，没有必要把所有的收发器一次性都装上，所以，这里计算的成本只是为了激活一条信道的基本成本，实际上它只是一次性建立所有信道成本的一小部分，不过这似乎还是有些贵。其次，AWG需要动态温度控制来保证它的输出波长与ITU标准波长一致。虽然机架的供电成本如果由40个信道来分担会比较划算，不过初装成本还是很可观的。综上所述，尽管从整个寿命期内的总成本的角度考虑，AWG仍然是最佳的方案，TFF还是凭借 “初装成本低”的优势被业界人士再度看好。
不过，PLC的生产商并没有因为电信业的寒冬而一蹶不振，他们对AWG技术做了很多改进，使AWG得以在新的环境中继续保持竞争力并在竞争中获胜。首先，AWG是一个相对较新的技术，近几年它的光学性能有了很大的提高。例如，插入损耗已经降低到原来的一半，通带宽度也增加了50%多，这些性能的提高使AWG在小容量应用方面竞争力显著增强。其次，AWG成品率的显著提高使得成本迅速下降，40通道AWG的成本已经降得非常低。由于上述原因，很多设备商，尤其是亚洲的设备商已经把AWG作为一个标准器件，从其低廉的寿命期内总成本中获益良多。
不仅如此，AWG的两项技术突破还让它走进了原来被TFF占领的市场。第一项技术突破是研制成功了全波段AWG，或者称作“波长无关”AWG。这种AWG可以工作在任何波段，它用一种器件代替了12种不同的器件。第二项技术突破是“抗温漂”AWG的研制成功。抗温漂AWG不需要耗费电能来控制温度。这两种新型AWG不仅具备了TFF的所有优势，并且使AWG拥有了TFF所不能比拟的新优势，从而使AWG能在更广泛的市场范围内迅速地获得认可。
全波段AWG
现在，在铺设长途光纤网络的时候，运营商希望初装成本最低，也就是说运营商希望开始的时候只安装几条信道。不过为了在未来网络扩容时不会捉襟见肘，他们也要求系统可以扩容至整个C波段的80~96个信道（以50GHz为间隔）。如果采用TFF技术，这两个互相矛盾的要求造成的后果就是：器件生产商要生产出96种不同的滤波器，而设备商处境更狼狈，虽然客户开始时只使用几个滤波器，但是他们还是要把这些器件都储备起来，以备网络扩容时使用。
另外，为了平衡衰减，这些滤波器通常成组采用，即相邻八个信道的段内滤波器构成一组。这样96个信道的系统就需要12组不同波段的8信道模块。很多运营商开始组网时只安装一个波段，等到业务量增加，要求扩容时，再加入新的波段。然而所有的器件都必须生产出来，器件数量达到12组，这无疑增加了生产和库存管理的成本。
对这个问题，AWG提供了一个简单和高性价比的解决方案。顾名思义，AWG是一种光栅，当光程差等于波长整数倍的时候（也就是=nλ，n称为光栅的阶数）光栅就会发生干涉现象。而且这种干涉现象在光程差为波长的n+1或者n-1倍的时候也会发生。所以完全可以设计一个光栅，它的n阶匹配第一波段，而它的n+1阶匹配第二波段，n+2阶匹配第三波段，依此类推。而且，它的自由频谱范围FSR和波段间隔刚好一致。
这样的AWG被称作全波段AWG。图1所示的就是这样一个AWG，这里为了消除所有信道的插入损耗，一个输入端口用于奇数波段，另一个输入端口用于偶数波段。
全波段阵列波导光栅采用两个输入端以消除各个信道的插入损耗，这两个输入端分别负责奇数波段和偶数波段。
图2是全波段AWG的复合输出频谱，信道间隔为50GHz，每个循环跨度为8个信道。图中红色的信道是奇数波段的信道，蓝色的是偶数波段的信道。作为解复用器时，第一个波段的第1到第8信道分别从1号到8号光纤输出，第二个波段的第9到第16信道分别从1号到8号光纤输出，第三个波段的第17到第24信道分别从1号到8号光纤输出，依此类推。这样，同一个器件可以在任何波段使用，需要生产和库存的器件的数量降低了，从12个变成了1个。
全波段阵列波导光栅的独特结构使它能够用于任何波段，和薄膜滤波器相比，使用全波段阵列波导光栅极大地降低了对库存的要求。
因为只需要一种器件就可以完成多种器件的功能，所以无论运营商采用哪个波段，或者希望升级加入哪一个波段，库存管理和备货的费用都可以降低50%，同时AWG和TFF或者布拉格光纤光栅相比，还有一个优势：它在50GHz间隔的系统中色散要小得多，也平滑得多。
抗温漂AWG
由于玻璃材料反射系数的原因，AWG的中心波长会随着温度的不同有所变化，温度每变化1摄氏度，AWG的信道将会漂移11pm。标准的AWG中，这种温漂是由有源温度控制器来抑制的，以保证AWG的信道与ITU标准相符。为了不影响系统的性能，AWG芯片的温度变化必须保持在±1℃之内。曾经开发出一些无源温漂补偿技术，但是这些技术大多都会使系统的性能有所下降。在电信泡沫时期，性能是要考虑的首要问题，系统设计者宁愿消耗电能控制温度，也不愿容忍AWG影响系统的性能。但是，现在成本是最重要的。
新开发出来了一种实用且耐用的抗温漂AWG，它使用机械方法补偿温漂，其性能和标准的AWG相当。AWG实际上是一个波前准确度优于λ/200的超高质量的干涉仪，也就是说，AWG的所有零部件都必须非常完美，不能有一点儿的缺陷或者不规范，所有部件的光学相位误差必须小于两度。和以往的抗温漂方法不同，这种新方法不是把光从玻璃中分离出来，因为这样会干扰波前，而是机械地来移动波导“捕捉”合适的波长信道。
图3显示了这种新型抗温漂AWG的信道中心波长与ITU标准波长的偏差随温度的变化。从0℃到-60℃，此偏差只相当于标准AWG的温度变化±1℃时波长的变化，从-30℃到+70℃，此偏差也只相当于标准AWG温度变化±1.5℃时波长的变化。由此可见，抗温漂AWG把低成本优势和标准AWG的高性能优势结合了起来，而且它是无源的。
抗温漂AWG在机械补偿温漂的同时还表现出了优良的性能。
抗温漂技术为AWG开辟了两个新的市场。一个是，在机架不能提供电功率或者不方便提供额外电源进行温度控制的时候，AWG可以代替TFF用于DWDM系统的复用器/解复用器模块。这种DWDM系统一般用在长途网络和城域网当中，AWG的高性能和低成本的优势对这些网络尤其有益。这个市场即使不会迅速扩张，也会有相当的增长。
另一个更富有潜力的市场是新兴的WDM-PON系统，最近韩国电信宣称已开始招标建设这个系统。因为WDM-PON系统要求在室外-30℃到70℃的温度范围内都可以正常运行，而TFF的温漂大，不符合室外WDM-PON系统的应用要求，所以系统可能会使用大量的抗温漂AWG以提供超过百兆的光纤到户业务。
再现辉煌
由于AWG性能获得了极大的提高，成本显著降低，加上全波段AWG的开发成功，AWG已经逐渐地从TFF手中赢回不少的市场份额，准备再现电信泡沫时期的辉煌。不仅如此，AWG只是采用PLC技术的众多产品中的一种。使用可变光衰减器制作的复用器、阻光器，可重配置光分插复用器都是把多项不同的功能集成于一个PLC芯片的光集成产品，它们也以低成本高性能的优势赢得了市场的关注。同时，还有几家公司正在开发基于PLC技术的混合收发器，如组合了波导芯片、激光器和光探测器的用于光纤到户的三波收发器。
未来的光纤器件工业将发扬PLC低成本、高性能的优势，生产出高度集成，多功能的“单片光系统”。AWG正是构建这些集成系统的一个重要模块。从AWG最近的发展情况看，它已准备挑起这副重担。
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