NÁVRH ARRAYOVANÝCH WAVEGUIDOVÝCH GRATINGOV (AWG) PRE DWDM / CWDM APLIKÁCIE ZALOŽENÉ NA POLYMÉRI BCB
1. ÚVOD
Multiplexovanie s delením vlnovej dĺžky (WDM) je prístup, ktorý môže využívať obrovské optoelektronické nesúlady v šírke pásma tým, že vyžaduje, aby každé zariadenie koncového používateľa fungovalo iba elektronickou rýchlosťou, ale viac kanálov WDM od rôznych koncových používateľov sa môže multiplexovať na tom istom vlákne. ,
Pre siete metra WDM existujú dve alternatívy: hustá WDM (DWDM) a hrubá WDM (CWDM). V prostredí s vysokou kapacitou sa používa DWDM. V DWDM môže byť oddelenie kanálov také malé ako 0,8 alebo 0,4 nm, až pre 80 optických kanálov pri rýchlosti linky až 10 Gbps. Technológie DWDM sú veľmi drahé, takže ich aplikácia na prístup k sieťam je náročná. Namiesto toho sa spoločnosť CWDM zlučuje ako robustné a ekonomické riešenie. Výhoda technológie CWDM spočíva v lacných optických komponentoch. CWDM ponúka riešenia pre 850, 1300 a 1 500 nm aplikácie pri 10 a 40 Gbps na až 15 optických kanáloch s rozstupom 20 nm. Technológia CWDM aj DWDM majú svoje miesto v súčasnej a vznikajúcej infraštruktúre metra. Ak sa tieto technológie používajú v kombinácii s vhodnými optickými vláknami, ekonomické výhody, ktoré pomáhajú znižovať náklady na systém, sú značné.
Navádzacia mriežka s usporiadaním vĺn (AWG) je jedným z najsľubnejších zariadení pre multi / demultiplexor v systéme WDM kvôli svojej malej strate vloženia, vysokej stabilite a nízkym nákladom. Sprievodca mriežky s usporiadaním vĺn prvýkrát navrhol Smith v roku 1988 ako riešenie problému WDM av nasledujúcich rokoch ho vyvinul Takahashi [ktorý uviedol prvé zariadenia pracujúce v okne s dlhými vlnovými dĺžkami. Dragonet. rozšírila tento koncept z 1 x N demultiplexorov na N x N vlnové dlhé smerovače, ktoré zohrávajú dôležitú úlohu v sieťových aplikáciách s viacerými vlnovými dĺžkami.
Kľúčovou výhodou AWG je to, že jeho náklady nezávisia od počtu vlnových dĺžok ako v riešení dielektrického filtra. Preto vyhovuje metropolitným aplikáciám, ktoré vyžadujú nákladovo efektívne počty veľkých vlnových dĺžok. Ďalšou výhodou AWG je flexibilita výberu jej čísla kanála a kanálového odstupu a výsledkom je, že rôzne druhy AWG sa môžu vyrábať podobným spôsobom.
Polyméry ponúkajú vynikajúci potenciál na realizáciu lacných komponentov WDM, pretože sa dajú ľahko vyrábať pri nízkych teplotách na rôznych druhoch substrátov. Polymérne AWG multi / demultiplexory priťahujú veľkú pozornosť vďaka svojej ľahkej výrobe, nízkym nákladom a možnosti integrácie s inými zariadeniami, ako sú polymérne termooptické spínače pre aplikácie s multiplexorom s pridanou hodnotou.
Pretože polymér BenzoCylobutene (BCB4024-40) ponúka niektoré výhody, ako je nízka dvojlom, dobrá tepelná stabilita a disperzia s nízkou vlnovou dĺžkou, bol v tomto projekte vybraný ako materiál jadra. Polymér BCB sa stáva atraktívnym materiálom a používa sa na výrobu rôznych optických zariadení, napríklad optického prepínania, polymérneho optického vlnového vodiča a multimódového interferenčného optického splittera.
V tomto článku bude predstavená navrhovaná koncepcia 4 × 4 kanálov konvenčnej AWG, ktoré sú schopné pracovať pri centrálnej vlnovej dĺžke 1,55 um s kanálovým odstupom 100 GHz a 1200 GHz na báze polyméru BCB-4024 s indexom lomu 1,55556.
2. ZÁKLADNÉ OPERÁCIE
Vo všeobecnosti slúži zariadenie AWG ako multiplexory, demultiplexory, filtre a prídavné zariadenia v optických aplikáciách WDM. Obrázok 1 zobrazuje schematické usporiadanie AWG demultiplexora. Zariadenie sa skladá z troch hlavných častí, ktoré sú viacnásobnými vstupnými a výstupnými vlnovodmi, z dvoch doskových vlnových eguidových väzobných členov (alebo oblasť voľného šírenia (FPR)), spojených disperzným vlnovým usporiadaním s rovnakým rozdielom dĺžky medzi susednými vlnovodmi. Princíp činnosti multiplexora / demultiplexora AWG je opísaný nasledovne.
Obrázok 1. Štruktúra demultiplexora AWG
Signál DWDM / CWDM spustený do jedného zo vstupných vlnových vodičov sa v prvej doskovej oblasti difraktuje a do prvého vlnovodu sa pripojí pomocou prvého FPR. Dĺžka vodičov vĺn poľa bola navrhnutá tak, že rozdiel v dĺžke optickej dráhy (AL) medzi susednými vodičmi vĺn poľa sa rovná integeru (m) násobku strednej vlnovej dĺžky (Ac) demultiplexora. V dôsledku toho sa distribúcia poľa na vstupnom otvore bude reprodukovať na výstupnom otvore. Preto pri tejto strednej vlnovej dĺžke svetlo zaostruje v strede obrazovej roviny (za predpokladu, že je vodiaci vstupná vlna centrovaná vo vstupnej rovine).
Ak je vstupná vlnová dĺžka oddelená od tejto centrálnej vlnovej dĺžky, nastanú fázové zmeny vo vetvách poľa. V dôsledku konštantného rozdielu dĺžky dráhy medzi susednými vlnovodmi sa táto fázová zmena lineárne zvyšuje z vlnových vodičov z vnútornej na vonkajšiu maticu, čo spôsobuje, že čelo vlny sa na výstupnom otvore nakloní. V dôsledku toho je ohnisko v obrazovej rovine posunuté preč od stredu. Umiestnením vodičov vĺn prijímača do správnych pozícií pozdĺž obrazovej roviny sa získa priestorové oddelenie rôznych kanálov vlnovej dĺžky.
3. NÁVRH
Schematické usporiadanie 4 × 4 kanálového AWG pre DWDM so strednou vlnovou dĺžkou 1,55 μm je znázornené na obrázku 2. Poloha vstupného a výstupného portu je symetricky tvarovaná, ktoré sú totožné. Dizajnový nástroj WDM_PHASAR od Optiwave® sa používa na navrhovanie dvoch typov 4-kanálových AWG pracujúcich pri centrálnej vlnovej dĺžke 1,55 μm s kanálovým odstupom 0,8 nm a 9,6 nm pre aplikácie DWDM a CWDM.
Index lomu polymérneho jadra BCB pri 1,55 um je 1,55556. Plášť je ORMOCER, ktorý má index lomu 1,537, zatiaľ čo substrát je kremík, ktorý sa v mikroelektronickom a integrovanom obvode bežne používa. ORMOCER (ORganically MOdified CERramics) je fotopaterovateľné anorganické kopolyméry s negatívnym odporom. Veľkosť jadra je 3 μm x 4 μm s vlnovodom zakopaného typu, ako je to znázornené na obrázku 3. Oddeľovanie vstupov / výstupov portov je navrhnuté tak, aby bolo 250 μm so 100 μm odsadením pripojenia na naviazanie na vláknitý pás.
Všetky konštrukčné parametre sú uvedené v tabuľkách 1 a 2 pre AWG, centrálna vlnová dĺžka 1,55 μm s kanálovým odstupom 100 GHz a 1200 GHz. Pri návrhu je kontrastný index lomu medzi jadrom a plášťom pomerne veľký (~ 1,2%), čo vedie k malému polomeru ohybu a prispieva k malej veľkosti triesky. Strata spojenia medzi vlnovodom a vláknom, ktorá je výsledkom nezhody režimu a poľa, sa však zvyšuje. Celková veľkosť zariadenia pre AWG s rozostupom 100 GHz je 21,5 x 10 mm2 a 17,8 x 5 mm2 pre AWG s rozstupom 1 200 GHz. Tento rozdiel je spôsobený prírastkom dĺžky cesty v AWG s rozstupom 100 GHz je väčší ako AWG s rozostupom 1 200 GHz s rovnakým uhlom orientácie.
4. VÝSLEDKY A DISKUSIA
Výsledok simulácie AWG s kanálovým odstupom 0,8 nm je zobrazený na obrázku 4. Ukazuje výstupné rozdelenie 4-kanálových výstupných vlnovodov. Výstupné kanály sú na vlnových dĺžkach 1549,04 nm (A1), 1549,872 nm (A2), 1550,704 nm (A3) a 1551,360 nm (A4), čo naznačuje simulované rozmiestnenie kanálov 0,832 nm. Takže výstupná vlnová dĺžka pre každý kanál sa riadila špecifikáciou ITU, dokonca je mierne posunutá o 0,032 nm, ktorá je príliš malá a môže sa zanedbávať. Maximálna strata vloženia 5,04 dB je však na kanáli 4 a minimálna strata vloženia 3,88 dB je na kanáli 2. Presluch je menší ako -32,77 dB.
Tabuľka 3 ukazuje vypočítané výstupné parametre AWG s kanálovým odstupom 0,8 nm. Tieto hodnoty boli vypočítané na úrovni šírky pásma -3 dB. Úroveň šírky pásma sa používa ako referencia na definovanie šírky pásma.
V prípade AWG s kanálovým odstupom 9,6 nm je výsledok simulácie znázornený na obrázku 5. Štyri výstupné vlnové dĺžky A1, X2, X3 a X4 sú pri 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm a 1572 nm. Výsledok medzery kanálov je 10 nm, čo sa mierne líši od vstupného parametra návrhu, ktorý je 9,6 nm. Medzitým je maximálna strata vloženia 6,63 dB na kanáli 1 a minimálna strata vloženia 5,30 dB je na kanáli 3. Presluch je menší ako -23 dB.
Obrázok 5. Výstupné spektrálne odozvy 4-kanálového AWG s kanálovým odstupom 1 200 GHz
Tabuľka 4 ukazuje vypočítané výstupné parametre AWG s kanálovým odstupom 9,6 nm. Tieto hodnoty boli vypočítané na úrovni šírky pásma -3 dB. Hodnota získaného kanálového rozstupu je 10 nm, čo je v rozsahu aplikácií CWDM. Podľa výsledkov simulácie sme zistili, že tieto AWG môžu správne fungovať v systémoch DWDM a CWDM.
5. POROVNANIE VÝKONNOSTI
Vývoj AWG polymérového multiplexora sa stal predmetom záujmu mnohých vedcov. Prvý polymér AWG, ktorý demonštrovali Hida a kol., Aplikoval deuterovaný fluórmetakrylát (d-PFMA) na silikónový substrát. Táto AWG však pracovala iba pri 1300 nm oknu s určitou polarizačnou závislosťou tak malou ako 0,03 nm. Watanabe a spol. Uviedli, že 16-kanálový polymérny AWG prevádzkovaný pri 1550 nm sa realizoval pomocou vlnovodu silikónovej živice. Tento multiplexor AWG má stratu vkladania v rozsahu 9 až 13 dB, presluch presahujúci -20 dB a nízku vlnovú dĺžku závislú od polarizácie.
Leo [19] demonštroval 2 x 8 AWG polyméru na základe CWDM (20 nm) pri strednej vlnovej dĺžke 1520 nm s celkovou veľkosťou zariadenia 23 mm x 2,5 mm. Zistilo sa, že vkladacia strata a presluchovanie sú približne 7 dB a -30 dB. Na druhej strane Razali [navrhol 4 x 4 AWG polymér s rozstupom 0,8 nm (DWDM) prevádzkovaný pri strednej vlnovej dĺžke 1570 nm. Zariadenie má stratu vkladania 3 dB a úroveň presluchu menej ako -30 dB. Veľkosť zariadenia je 31 mm x 9 mm.
V tomto článku sú navrhovanými návrhmi polyméry 4 x 4 AWG prevádzkované pri centrálnej vlnovej dĺžke 1550 nm s kanálovým odstupom 0,8 nm a 9,6 nm. Zistilo sa, že straty pri vkladaní zodpovedajúcich kanálových rozstupov sú -5 dB a -6 dB, respektíve úroveň presluchov je -33 dB, respektíve -23 dB. Celková veľkosť zariadenia je 21,5 mm x 10 mm pre vzdialenosť 0,8 nm a 17,8 mm x 5 mm pre vzdialenosť 9,6 nm. To nevyhnutne ukazuje, že AWG pre aplikáciu CWDM a DWDM sa môžu realizovať použitím polyméru BCB 4024-40 ako vodiaceho materiálu.
6. ZÁVER
Boli predstavené AWG na báze BCB polyméru pre aplikácie v DWDM / CWDM. Ukázalo sa, že dve konštrukcie štyroch kanálov AWG s úrovňou presluchu pod -32 dB a -23 dB fungujú v komunikačnom okne 1550 nm pre aplikácie DWDM a CWDM. Možno konštatovať, že BCB polymér sa môže považovať za vhodného kandidáta na vývoj AWG, pretože vykazuje dobrý výkon pre aplikácie DWDM a CWDM.
