NÁVRH ARRAYED WAVEGUIDE GRATING (AWG) PRO DWDM / CWDM APLIKACE založené na BCB POLYMER
1. ÚVOD
Multiplexování s vlnovou délkou (WDM) je přístup, který může využít obrovský nesoulad optoelektronické šířky pásma tím, že vyžaduje, aby každé zařízení koncového uživatele fungovalo pouze elektronickou rychlostí, ale více WDM kanálů od různých koncových uživatelů může být multiplexováno na stejném vlákně. .
Pro sítě metra WDM existují dvě alternativy: hustá WDM (DWDM) a hrubá WDM (CWDM). V prostředí s vysokou kapacitou se používá DWDM. V DWDM může být separace kanálů tak malá jako 0,8 nebo 0,4 nm, až pro 80 optických kanálů při rychlosti linky až 10 Gbps. Technologie DWDM jsou velmi drahé, takže její aplikace pro přístup k sítím je obtížná. Místo toho se CWDM slučuje jako robustní a ekonomické řešení. Výhodou technologie CWDM jsou levné optické komponenty. CWDM nabízí řešení pro 850, 1300 a 1 500 nm aplikace při 10 a 40 Gbps na až 15 optických kanálech od sebe vzdálených 20 nm. Jak technologie CWDM, tak DWDM mají své místo v současné a vznikající infrastruktuře metra. Pokud se tyto technologie používají v kombinaci s vhodnými optickými vlákny, jsou ekonomické přínosy, které pomáhají snižovat náklady na systém, značné.
Naváděcí mřížka s Arrayed wave (AWG) je jedním z nejslibnějších zařízení pro multi / demultiplexer v systému WDM kvůli nízké ztrátě vložení, vysoké stabilitě a nízkým nákladům. Síťová mřížková mřížková mřížka byla poprvé navržena Smithem v roce 1988 jako řešení problému WDM a v následujících letech ji vyvinul Takahashi [který uvedl první zařízení pracující v okně s dlouhou vlnovou délkou. Dragonet. rozšířil koncept z 1 x N demultiplexorů na N x N vlnové směrovače, které hrají důležitou roli v síťových aplikacích s několika vlnovými délkami.
Klíčovou výhodou AWG je to, že jeho cena nezávisí na počtu vlnových délek jako v řešení dielektrického filtru. Proto vyhovuje metropolitním aplikacím, které vyžadují nákladově efektivní počty velkých vlnových délek. Další výhodou AWG je flexibilita výběru jeho čísla kanálu a rozestupu kanálů a v důsledku toho mohou být různé druhy AWG vyrobeny podobným způsobem.
Polymery nabízejí vynikající potenciál pro realizaci levných komponent WDM, protože je lze snadno vyrobit za nízké teploty na různých druzích substrátů. Polymerní AWG multi / demultiplexory přitahovaly velkou pozornost díky své snadné výrobě, nízkým nákladům a možnosti integrace s jinými zařízeními, jako jsou polymerní termooptické spínače pro aplikace s multiplexorem s přidanou kapkou.
Protože polymer BenzoCylobutene (BCB4024-40) nabízí některé výhody, jako je nízký dvojlom, dobrá tepelná stabilita a nízká vlnová délka, byl v tomto projektu vybrán jako základní materiál. BCB polymer se stává atraktivním materiálem a byl použit pro výrobu různých optických zařízení, například optického přepínání, polymerního průvodce optickými vlnami a multimodového rušení optického splitteru.
V tomto článku bude představen návrh 4 × 4 kanálů konvenčního AWG, které jsou schopné pracovat při centrální vlnové délce 1,55 um s kanálovým odstupem 100 GHz a 1200 GHz na základě BCB-4024 polymeru s indexem lomu 1,55556.
2. ZÁKLADNÍ OPERACE
Obecně zařízení AWG slouží jako multiplexery, demultiplexory, filtry a přídavná zařízení v optických aplikacích WDM. Obrázek 1 ukazuje schematické uspořádání demultiplexoru AWG. Zařízení se skládá ze tří hlavních částí, které jsou vícenásobnými vstupními a výstupními vlnovody, dvou deskových vlnových eguidových hvězdicových vazebních členů (nebo oblasti volné šíření (FPR)), spojených rozptylovým vodivým polem se stejným rozdílem délky mezi sousedními vlnovodnými vlnovody. Princip činnosti multiplexeru / demultiplexoru AWG je popsán následovně.
Obrázek 1. Struktura demultiplexoru AWG
Signál DWDM / CWDM spuštěný do jednoho ze vstupních vlnových vodítek bude difundován v první oblasti desky a spojen do vlnovodu uspořádaného pomocí prvního FPR. Délka vodicích vln pole byla navržena tak, že rozdíl optické délky (AL) mezi sousedními vlnovými vodiči pole se rovná celočíselnému (m) násobku střední vlnové délky (Ac) demultiplexoru. V důsledku toho bude distribuce pole na vstupním otvoru reprodukována na výstupním otvoru. Proto je při této střední vlnové délce světlo zaostřeno ve středu obrazové roviny (za předpokladu, že je vstupní vlnovod vystředěn ve vstupní rovině).
Pokud je vstupní vlnová délka oddělována od této centrální vlnové délky, nastanou fázové změny ve větvích pole. V důsledku konstantního rozdílu délky dráhy mezi sousedními vlnovodnými vedeními se tato fázová změna lineárně zvyšuje z vlnových vodítek z vnitřního na vnější pole, což způsobuje, že čelní vlna je nakloněna na výstupním otvoru. V důsledku toho je ohnisko v obrazové rovině posunuto od středu. Umístěním vln vodiče přijímače do správných pozic podél obrazové roviny se získá prostorové oddělení různých kanálů vlnové délky.
3. NÁVRH
Schematické uspořádání 4 × 4 kanálu AWG pro DWDM s centrální vlnovou délkou 1,55 μm je znázorněno na obrázku 2. Poloha vstupního a výstupního portu je symetricky tvarována, které jsou totožné. Návrhový nástroj WDM_PHASAR od Optiwave® byl použit k návrhu dvou typů 4-kanálových AWG pracujících při centrální vlnové délce 1,55 μm, s odstupem kanálů 0,8 nm a 9,6 nm, pro aplikace DWDM a CWDM.
Index lomu polymerního jádra BCB při 1,55 um je 1,55556. Plášť je ORMOCER, který má index lomu 1,537, zatímco substrátem je křemík, který se široce používá v mikroelektronických a integrovaných obvodech. ORMOCER (ORganically MOdified CERramics) je fotopatabilní anorganické kopolymery s negativním odporovým chováním. Velikost jádra je 3 μm x 4 μm u vlnovodu s zakopaným typem, jak je znázorněno na obrázku 3. Oddělení portů vstupu / výstupu je navrženo tak, aby bylo 250 μm s odsazením připojení 100 μm pro pigtailing na vláknitý pás.
Všechny konstrukční parametry jsou uvedeny v tabulkách 1 a 2 pro AWG, střední vlnová délka 1,55 μm s kanálovým odstupem 100 GHz a 1200 GHz. V designu je kontrastní index lomu mezi jádrem a pláštěm poměrně velký (~ 1,2%), což má za následek malý poloměr ohybu a přispívá k malé velikosti třísky. Ztráta vazby mezi vlnovodem a vláknem, která je výsledkem nesouladu režim-pole, se však zvyšuje. Celková velikost zařízení pro AWG s mezerou 100 GHz je 21,5 x 10 mm2 a 17,8 x 5 mm2 pro AWG s mezerou 1200 GHz. Tento rozdíl je způsoben přírůstkem délky dráhy v AWG s mezerou 100 GHz je větší než AWG s mezerou 1200GHz se stejným orientačním úhlem.
4. VÝSLEDKY A DISKUSE
Výsledek simulace AWG s kanálovým odstupem 0,8 nm je zobrazen na obrázku 4. Ukazuje výstupní distribuci 4 kanálových výstupních vlnovodů. Výstupní kanály jsou na vlnových délkách 1549,04 nm (A1), 1549,872 nm (A2), 1550,704 nm (A3) a 1551,360 nm (A4), což ukazuje simulované rozestupy kanálů 0,832 nm. Tudíž výstupní vlnová délka pro každý kanál se řídila specifikací ITU, i když je mírně posunutá o 0,032 nm, což je příliš malé a může být zanedbáno. Maximální ztráta vložení 5,04 dB je však na kanálu 4 a minimální ztráta vložení 3,88 dB je na kanálu 2. Přeslech je menší než -32,77 dB.
Tabulka 3 ukazuje vypočtené výstupní parametry AWG s kanálovým odstupem 0,8 nm. Tyto hodnoty byly vypočteny na úrovni šířky pásma -3 dB. Úroveň šířky pásma se používá jako reference pro definování šířky pásma.
Pro AWG s kanálovým rozestupem 9,6 nm je výsledek simulace znázorněn na obrázku 5. Čtyři výstupní vlnové délky X1, X2, X3 a X4 jsou při 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm a 1572 nm. Výsledek pro rozestup kanálů je 10 nm, což se mírně liší od vstupního parametru návrhu, který je 9,6 nm. Mezitím je maximální ztráta vložení 6,63 dB na kanálu 1 a minimální ztráta vložení 5,30 dB je na kanálu 3. Přeslech je menší než -23 dB.
Obrázek 5. Výstupní spektrální odezvy 4 kanálového AWG s kanálovým odstupem 1200 GHz
Tabulka 4 ukazuje vypočtené výstupní parametry AWG s kanálovým odstupem 9,6 nm. Tyto hodnoty byly vypočteny na úrovni šířky pásma -3 dB. Hodnota získaného kanálového rozestupu je 10 nm, což je v rozsahu aplikací CWDM. Podle výsledků simulace jsme zjistili, že tyto AWG mohou správně fungovat v systémech DWDM a CWDM.
5. SROVNÁNÍ VÝKONU
Vývoj AWG polymerního multiplexeru se stal předmětem zájmu mnoha vědců. První polymer AWG demonstrovaný Hidou a kol. Aplikuje deuterovaný fluormethakrylát (d-PFMA) na silikonový substrát. Tento AWG však pracoval pouze při 1300 nm oknu s určitou polarizační závislostí tak malou jako 0,03 nm. Watanabe et al. Uvedli, že 16-kanálový polymerní AWG provozovaný při 1550 nm byl realizován pomocí vlnovodu silikonové pryskyřice. Tento multiplexor AWG má ztrátu vložení v rozsahu 9 až 13 dB, přeslechy menší než -20 dB a nízký posun vlnové délky závislý na polarizaci.
Leo [19] demonstroval 2 x 8 AWG polymerů založených na CWDM (20 nm) při střední vlnové délce 1520 nm s celkovou velikostí zařízení 23 mm x 2,5 mm. Ztráta vložení a přeslechy byly zjištěny kolem 7 dB, respektive -30 dB. Na druhé straně Razali [navrhl 4 x 4 AWG polymer s roztečí 0,8 nm (DWDM) provozovaný při střední vlnové délce 1570 nm. Zařízení má ztrátu vložení 3 dB a úroveň přeslechů menší než -30 dB. Velikost zařízení je 31 mm x 9 mm.
V tomto článku jsou navrhovanými konstrukcemi polymery 4 x 4 AWG, provozované při centrální vlnové délce 1550 nm s kanálovým odstupem 0,8 nm a 9,6 nm. Je pozorováno, že ztráty vložení odpovídajícího kanálového rozestupu jsou -5 dB respektive -6 dB a úroveň přeslechů jsou -33 dB, respektive -23 dB. Celková velikost zařízení je 21,5 mm x 10 mm pro vzdálenost 0,8 nm a 17,8 mm x 5 mm pro vzdálenost 9,6 nm. To nevyhnutelně ukazuje, že AWG pro aplikaci CWDM a DWDM lze realizovat použitím polymeru BCB 4024-40 jako vodícího materiálu.
6. ZÁVĚR
Byly představeny AWG na bázi BCB polymeru pro aplikace v DWDM / CWDM. Bylo prokázáno, že dva návrhy čtyřkanálových AWG s úrovní přeslechů pod-32 dB a-23 dB fungují v komunikačním okně 1550 nm pro aplikace DWDM a CWDM. Lze učinit závěr, že polymer BCB lze považovat za vhodného kandidáta pro vývoj AWG, protože vykazuje dobrý výkon pro aplikace DWDM a CWDM.
