1.前言
随着现在光网络的容量的不断扩展，AWG型的密集波分复用/解复用器凭借其通道数多、体积小、易于与其它器件集成、价格低的优势已经逐步取代传统的TFF的密集波分复用/解复用器，在骨干网和城域网中得到了广泛的应用。其中硅基二氧化硅光波导集成技术由于具有成熟的半导体工艺技术基础、与光纤耦合效率好、成本低廉等优势，已经成为AWG芯片生产厂家普遍采用的主流技术。
利用硅基二氧化硅技术制作的AWG，由于二氧化硅的折射率和尺寸都随温度的变化而改变，会导致芯片在阵列波导中传输的同一波长的相位差发生变化，最终使AWG 各个输出通道的波长随温度而变化，变化值约11pm/oC。波长的偏移会造成插入损耗和隔离度等指标的快速下降，为了保证DWDM系统的正常运行，AWG的中心波长必须稳定。为了补偿温度变化引起的波长漂移，目前有两种类型的AWG：有热AWG和无热AWG。无论是有热AWG还是无热AWG，芯片光路输入和输出均采用芯片波导端面与光纤阵列直接耦合对准，并用紫外胶粘接固化，但在波长稳定方面，有热AWG和无热AWG封装却各有特点。
2 有热AWG
有热AWG采用反馈式温控电路和加热器，使得AWG芯片恒温工作在某个特定温度下，从而使AWG芯片的各个通道波长就会保持稳定。有热AWG器件封装主要包括两个方面：
2.1 有热AWG封装
2.1.1 加热及温度控制
有热AWG中心波长调至ITUT波长的温度一般为65摄氏度至85摄氏度之间，即芯片温度高于所处环境的温度，因此，内部器件内部含有加热器对芯片进行加热，同时还有热敏电阻或RTD实时探测当前所处的温度反馈给温控电路。由于AWG的中心波长对温度非常敏感，所以器件所处的环境温度的变化引起的内部热场变化，以及热敏电阻或RTD在不同环境温度下温度探测的准确性都会对AWG的中心波长产生影响，因此合理的热场分布和准确的温度探测是稳定AWG器件中心波长的关键之一。通常加热设计可以通过加热器结构和热沉的设计来实现，测温准确性则要求热敏电阻或RTD尽量贴近AWG芯片。
2.2.1 芯片粘接应力处理
AWG芯片生产的半导体工艺使得减小AWG芯片尺寸，提高单个硅片上生长的AWG芯片的数量为芯片厂家的降低成本的手段，减小芯片尺寸主要有提高波导部分的折射率差和改变芯片的整体外观形状两种方式。第一种改变折射率的方式对芯片厂家的工艺和设计都是一个不小的挑战，日本NTT有相关研究报道[1]。第二种改变芯片整体外观形状则沿用现有芯片生产工艺，将芯片原来的方形改为曲线型叠加的方式，如图1所示。这样单个硅片上可利用的芯片数量大大增加。但是，此类芯片对应力非常敏感，极易受力变形，而轻微的形变就会导致光学指标的变化，中心波长的变化尤其明显，使得封装变得复杂。因此芯片与加热器或热沉粘接的产生的应力处理对此种芯片的封装非常重要。
图1 芯片的外观变化
3 无热AWG
无热AWG则是在AWG 的芯片结构上采用特殊设计和工艺，使得波长不随外界温度变化而变化，无任何加热装置和控制电路。
3.1 无热AWG进展
由于无热AWG 的良好市场前景和大的市场竞争力，国外许多研究机构都投入了大量的人力和物力积极开发无热AWG，实现的方案很多，有改变波导材料，波导结构，粘接金属应力板等等，原理也不尽相同，而现今最有真正能实现产品化的无热AWG基本可分为两类：
波导嵌入补偿型方案：在芯片阵列波导或平板波导位置填充一些负折射率系数材料实现无热AWG，如图2（a）；这种方案的特点在于其芯片为单个集成芯片，无任何活动部件，且不需要进行温度控制，所以封装相对来说非常简单，但也由于其工艺复杂性和中心波长的不可调整，对芯片厂家来说是一个相当大的挑战，日本NTT公司为代表[1]。
移动输入波导/平板波导型方案：在AWG平板波导或输出端入口处切断，如图2（b）（c），使AWG芯片分成两部分，温度变化时，补偿板膨胀或者收缩，使输入端相对阵列光栅的位置发生偏移，通过控制平板波导的聚焦点来实现中心波长的温度稳定，原理如图3所示。这种方案的最大优点在于中心波长可以在封装时进行调整，这样可以消除AWG芯片生产过程中本身的中心波长不一致性，这也是这种方案得以走向产品化的主要原因。然而，移动输入波导/平板波导型方案对于器件封装来说要求很高。
（a）波导嵌入补偿型[1] （b）移动输入平板波导型[2] （c）移动输入波导型[3]
图2 无热AWG补偿方案
图3 移动输入平板波导型方案工作原理[2]
3.2 无热AWG波长稳定封装
波导嵌入补偿型性无热AWG芯片仍为单片芯片，封装相对简单，在此不做过多描述。而移动输入波导/平板波导型的无热AWG由于本身结构的特点对补偿设计结构和移动部件的长期可靠性要求很高，主要考虑以下三个方面。
3.2.1 补偿特性
移动输入波导/平板波导型无热AWG依靠热膨胀系数大的金属杆带动输入端的波导移动，其移动距离与材料本身的热膨胀系数和金属的长度有关。输入波导随温度移动的距离dX与环境温度T变化应满足[2]：
其中，Lf 为平板波导部分的聚焦长度，D为相邻阵列波导之间间距，ΔL为相邻阵列波导的长度差，λo?为中心波长，ng为群折射率，ns为平板波导的有效折射率。实际上，AWG芯片的折射率变化以及金属的热膨胀系数尽管近似为常数，确均有一定的温度相关性[4]，所以，实际补偿后的波长与温度的关系会有一定的呈现为一个凹陷，如图4所示，凹陷程度与补偿材料相关。所以补偿材料的选择、材料的稳定性对补偿效果起着决定因素。
图4 无热AWG补偿曲线[2]
3.2.2 中心波长的调试
AWG芯片由于本身的制作工艺特点，实际生产出来的每个AWG芯片的中心波长与ITUT标准波长偏移不同，移动输入波导型无热AWG可以通过输入端偏移的方式将器件的中心波长调到ITUT波长，再进行封装。不同的设计结构中心波长调试要求不同，对输入波导移动的器件，耦合对准要求较高；对输入平板波导移动的器件，缝隙的大小和被切的两个部分是否平整就很重要了。
3.2.3 封装的长期稳定性
移动输入波导型无热AWG由于被切成两个部分并随着温度发生移动，1um的移动就会导致几十个pm的波长变化，所以被补偿的器件结构放入封装盒时应尽量减少封装盒转配时造成的结构变形，同时装配方式对器件的长期稳定性有很大影响。例如无热AWG器件生产厂家Ignis采用用胶灌封的方式尽量消除装配应力[3]。
4 AWG产品指标
以下为武汉光迅公司的100G 40通道的有热和无热AWG的部分指标，产品长期可靠稳定，均通过Telcordia GR-1221-CORE实验。
5 结束语
有热AWG产品从开始推出到现在的许多厂家的大规模生产已有将近十年的时间，工艺成熟稳定，现今的AWG产品除了逐步向80~96波的更多通道的发展外，同时逐步向功能更齐全的产品演变，如ROADM、VMUX等。无热由于AWG无需电路控制，可应用于WDM-PON中，为了适应更广的环境温度，不断优化其补偿效果，消除AWG芯片折射率变化的二次效应，减少补偿曲线的凹陷程度，仍是现在无热AWG生产厂家的研究目标之一。
参考文献：
[1] Shin Kamei，“Recent Progress on Athermal AWG Wavelength Multiplexer”，OFC 2009
[2] Junichi Hasegawa and Kazutaka Nara, “Ultra-wide Temperature Range (-30~70 oC) Operation of Athermal AWG Module using Pure Aluminum Plate”, OFC 2006
[3] L. Leick, et al，“Athermal AWGs for colourless WDM-PON with–40oC to +70oC and underwater operation”, OFC 2006
[4]J.Matsuda et al., “Temperature dependence of refractive index of SiO2 glass,” Journal of Non-Crystalline Solids, vol.135, pp86-89, 1991. 
