PROIECTAREA GRADULUI WAVEGUIDE ARRAYED (AWG) PENTRU APLICAȚII DWDM / CWDM BAZATE PE POLIMERUL BCB
1. INTRODUCERE
Multiplexarea cu diviziunea de lungime de undă (WDM) este o abordare care poate exploata imensitatea nepotrivită a lățimii de bandă opto-electronice, necesitând ca echipamentele fiecărui utilizator final să funcționeze numai la o rată electronică, dar mai multe canale WDM de la utilizatori finali diferiți pot fi multiplexate pe aceeași fibră .
Există două alternative pentru rețelele de metrou WDM: WDM dens (DWDM) și WDM grosier (CWDM). În medii de mare capacitate, DWDM este utilizat. În DWDM, separarea canalelor poate fi la fel de mică ca 0,8 sau 0,4 nm, pentru până la 80 de canale optice la viteze de linie de până la 10 Gbps. Tehnologiile DWDM sunt foarte scumpe, astfel încât aplicarea sa la rețele de acces este dificilă. În schimb, CWDM se contopește ca o soluție robustă și economică. Avantajul tehnologiei CWDM constă în componentele sale optice cu costuri reduse. CWDM oferă soluții pentru aplicații de 850, 1.300 și 1.500 nm la 10 și 40 Gbps pe până la 15 canale optice distanțate la 20 nm distanță. Atât tehnologia CWDM, cât și DWDM își au locul în infrastructura rețelei de metrou actuale și emergente. Atunci când aceste tehnologii sunt utilizate în combinație cu fibre optice adecvate, beneficiile economice, care ajută la reducerea costurilor sistemului, sunt semnificative.
Gratarea cu ghid de unde (AWG) este unul dintre cele mai promițătoare dispozitive pentru multi / demultiplexer în sistemul WDM, datorită pierderilor de inserție reduse, stabilității ridicate și costurilor reduse. Grila de ghidare a undelor în linie a fost propusă pentru prima dată o soluție la problema WDM de către Smith în 1988 și a fost dezvoltată în continuare în anii următori de Takahashi [care a raportat primele dispozitive care funcționează pe fereastra lungimii de undă. Dragonet.extend conceptul de la 1 x N demultiplexeri la NX N routere de lungime de undă, care joacă un rol important în aplicarea rețelei cu lungimi de undă.
Avantajul cheie al AWG este că costul său nu depinde de numărul de lungimi de undă ca în soluția de filtru dielectric. Prin urmare, se potrivește aplicațiilor metropolitane care necesită rentabilitatea numărului mare de lungimi de undă. Un alt avantaj al AWG este flexibilitatea selectării numărului canalului și a distanțării canalelor și, ca urmare, diverse tipuri de AWG pot fi fabricate într-un mod similar.
Polimerii oferă un potențial excelent pentru realizarea componentelor WDM cu costuri reduse, deoarece pot fi fabricate cu ușurință la temperaturi scăzute pe diverse tipuri de substraturi. Multi / demultiplexori polimerici AWG au atras multă atenție datorită fabricării sale ușoare, a costurilor reduse și a potențialului de integrare cu alte dispozitive, cum ar fi comutatoarele termo-optice polimerice pentru aplicații multiplexer cu adaos.
Deoarece polimerul BenzoCylobutene (BCB4024-40) oferă câteva avantaje, cum ar fi birefringența scăzută, stabilitatea termică bună și dispersia scăzută a lungimii de undă, a fost ales ca material de bază în acest proiect. Polimerul BCB devine un material atractiv și a fost utilizat pentru fabricarea diferitelor dispozitive optice, de exemplu, comutarea optică, ghidul de unde optice polimerice și divizorul optic cu interferențe multimode.
În această lucrare, va fi prezentat un proiect propus de 4 × 4 canale AWG convenționale care pot funcționa la lungimea de undă centrală de 1,55 μm cu distanțarea canalelor de 100 GHz și 1200 GHz bazată pe polimerul BCB-4024 cu un indice de refracție de 1.5556.
2. OPERAȚIE DE BAZĂ
În general, dispozitivul AWG servește ca multiplexori, demultiplexori, filtre și dispozitive pentru adăugare în aplicații optice WDM. Figura 1 prezintă o dispunere schematică a unui demultiplexer AWG. Dispozitivul este format din trei părți principale, care sunt ghiduri de undă de intrare și ieșire multiple, două cupluri de stele wav eguide (sau regiunea de propagare liberă (FPR)), conectate printr-un tablou de ghidare a undelor dispersive cu diferența egală de lungime între ghidurile de unde adiacente. Principiul de funcționare al multiplexorului / demultiplexorului AWG este descris după cum urmează.
Figura 1. Structura demultiplexorului AWG
Un semnal DWDM / CWDM lansat într-unul din ghidurile de undă de intrare va fi difractat în prima regiune a plăcii și cuplat în ghidul de undă în linie de către primul FPR. Lungimea ghidurilor de unde de matrice a fost proiectată astfel încât diferența de lungime a căii optice (ΔL) între ghidurile de undă adiacente să fie egală cu un număr întreg (m) din lungimea de undă centrală (λc) a demultiplexorului. În consecință, distribuția câmpului în diafragma de intrare va fi reprodusă la diafragma de ieșire. Prin urmare, la această lungime de undă centrală, lumina se focalizează în centrul planului de imagine (cu condiția ca ghidul de undă de intrare să fie centrat în planul de intrare).
Dacă lungimea de undă de intrare este eliminată de această lungime de undă centrală, în ramurile de matrice apar modificări de fază. Datorită diferenței constante de lungime a traseului între ghidurile de undă adiacente, această modificare de fază crește liniar de la ghidurile de undă din interior la exterior, ceea ce determină înclinarea frontului de undă la deschiderea de ieșire. În consecință, punctul focal din planul imaginii este deplasat de centru. Prin plasarea ghidurilor de unde ale receptorului în poziții adecvate de-a lungul planului imaginii, se obține separarea spațială a diferitelor canale de lungime de undă.
3. PROIECTARE
Dispunerea schematică a AWG 4 × 4 canale pentru DWDM cu lungimea de undă centrală de 1,55 μm este prezentată în figura 2. Poziția portului de intrare și a portului de ieșire este formată simetric, care sunt identice. Instrumentul de proiectare WDM_PHASAR de la Optiwave®, a fost utilizat pentru proiectarea a două tipuri de 4 canale AWG care funcționează la lungimea de undă centrală de 1,55 μm, cu o distanțare a canalului de 0,8 nm și respectiv 9,6 nm, pentru aplicații DWDM și, respectiv, CWDM.
Indicele de refracție al miezului de polimer BCB la 1,55 μm este 1.5556. Acoperirea este ORMOCER care are un indice de refracție de 1,537, în timp ce substratul este siliciu care a fost utilizat pe scară largă în circuitul microelectronic și integrat. ORMOCER (ORERIC MODified CERramics) este copolimeri anorganici organici fotopaternabili cu comportament de rezistență negativă. Mărimea miezului este de 3 μm x 4 μm cu ghid de undă de tip îngropat, așa cum este descris în figura 3. Separarea portului de la intrare / ieșire este proiectată să fie de 250 μm cu o compensare de conectare de 100 μm pentru panglica la panglica de fibră.
Toți parametrii de proiectare sunt enumerați în Tabelul 1 și Tabelul 2 pentru AWG, lungimea de undă centrală de 1,55 μm cu distanțare de canal de 100 GHz și respectiv 1200 GHz. În proiectare, contrastul indicelui de refracție între miez și placare este destul de mare (~ 1,2%), ceea ce duce la o rază de îndoire mică și contribuie la dimensiunea mică a cipului. Cu toate acestea, pierderea de cuplare între ghidul de undă și fibra care rezultă din nepotrivirea câmpului de mod crește. Dimensiunea totală a dispozitivului pentru AWG cu distanțare de 100 GHz este de 21,5 x 10 mm2 și 17,8 x 5 mm2 pentru AWG cu distanțare de 1200 GHz. Această diferență se datorează creșterii lungimii traseului în AWG cu distanțare de 100 GHz este mai mare decât AWG cu distanțare de 1200 GHz cu același unghi de orientare.
4. REZULTATE ȘI DISCUȚIE
Rezultatul de simulare al AWG cu o distanțare a canalului de 0,8 nm este prezentat în figura 4. Prezintă distribuția de ieșire a ghidurilor de undă de ieșire pe 4 canale. Canalele de ieșire sunt la lungimi de undă 1549,04 nm (λ1), 1549,872 nm (λ2), 1550,704 nm (λ3) și, respectiv, 151,160 nm (λ4), ceea ce indică o distanțare a canalului simulată de 0,832 nm. Astfel, lungimea de undă de ieșire pentru fiecare canal a urmat specificațiilor ITU, chiar și este ușor deplasată 0,032 nm, care este prea mică și poate fi neglijată. Cu toate acestea, pierderea maximă de inserție de 5,04 dB este la canalul 4, iar pierderea minimă de inserare de 3,88 dB este la canalul 2. Crucea transversală este mai mică de -32,77 dB.
Tabelul 3 prezintă parametrii de ieșire calculați ai AWG cu o distanțare a canalului de 0,8 nm. Aceste valori au fost calculate la nivelul lățimii de bandă de -3 dB. Nivelul lățimii de bandă este utilizat ca referință pentru a defini lățimile de bandă.
Pentru AWG cu o distanțare a canalului de 9,6 nm, rezultatul simulării este prezentat în figura 5. Cele patru lungimi de undă de ieșire λ1, λ2, λ3 și λ4 sunt la 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm și, respectiv, 1572 nm. Rezultatul pentru distanțarea canalelor este de 10 nm, care este ușor diferit de parametrul de intrare proiectat, care este de 9,6 nm. Între timp, pierderea maximă de inserare de 6,63 dB este la canalul 1, iar pierderea minimă de inserare de 5,30 dB este la canalul 3. Crosstalk este mai mică de -23 dB.
Figura 5. Răspunsuri spectrale de ieșire ale AWG cu 4 canale cu o distanțare de 1200 GHz
Tabelul 4 prezintă parametrii de ieșire calculați ai AWG cu o distanțare a canalului de 9,6 nm. Aceste valori au fost calculate la nivelul lățimii de bandă de -3dB. Valoarea pentru distanțarea canalelor obținute este de 10 nm, care se încadrează în gama de aplicații CWDM. În conformitate cu rezultatele simulării, am aflat că aceste AWG-uri pot funcționa corect în sistem DWDM și CWDM.
5. COMPARAREA DE PERFORMANȚĂ
Dezvoltarea multiplexorului de polimeri AWG a devenit interes pentru mulți cercetători. Primul polimer AWG demonstrat de Hida și colab., Aplicând fluor-metacrilat deuterat (d-PFMA) pe substratul siliconic. Cu toate acestea, acest AWG a funcționat doar la o fereastră de 1300 nm, cu o dependență de polarizare cât mai mică de 0,03 nm. Watanabe și colab. Au raportat 16 canale AWG polimerice operate cu 1550 nm au fost realizate folosind un ghid de undă din rășină siliconică. Acest multiplexor AWG are o pierdere de inserție în intervalul de la 9 la 13 dB, o intersecție mai mică de -20 dB și o deplasare de lungime de undă dependentă de polarizare.
Leo [19] a demonstrat 2 x 8 polimeri AWG pe bază de CWDM (20 nm) la lungimea de undă centrală de 1520 nm cu dimensiunea totală a dispozitivului de 23 mm x 2,5 mm. Se constată că pierderea de inserție și intersecția sunt în jur de 7 dB și, respectiv, -30 dB. Pe de altă parte, Razali [a propus 4 x 4 polimeri AWG cu o distanțare de 0,8 nm (DWDM) funcționată la lungimea de undă centrală de 1570 nm. Dispozitivul are o pierdere de inserție de 3 dB și un nivel de intersecție mai mic de -30 dB. Dimensiunea dispozitivului este de 31 mm x 9 mm.
În această lucrare, proiectele propuse sunt polimer de 4 x 4 AWG acționate la lungimea de undă centrală de 1550 nm cu distanța de canal de 0,8 nm și 9,6 nm. Se observă că pierderile de inserție ale distanțării canalelor corespunzătoare sunt -5 dB și -6 dB, respectiv nivelul intersecției este de -33 dB și, respectiv, 23 dB. Dimensiunea totală a dispozitivului este de 21,5 mm x 10 mm pentru distanțare de 0,8 nm și 17,8 mm x 5 mm pentru distanțare de 9,6 nm. Inevitabil, acest lucru arată că AWG-urile pentru aplicația CWDM și DWDM pot fi realizate utilizând polimerul BCB 4024-40 ca material de ghidare.
6. CONCLUZIE
Au fost prezentate AWG-uri bazate pe polimer BCB pentru aplicații în DWDM / CWDM. S-a demonstrat că două modele de patru canale AWG cu nivel de intersecție sub-32 dB și-23 dB funcționează în fereastra de comunicare de 1550 nm pentru aplicația DWDM și CWDM. Se poate concluziona că polimerul BCB poate fi considerat un candidat adecvat pentru dezvoltarea AWG, deoarece arată performanțe bune pentru aplicațiile DWDM și CWDM.
