ПРОЕКТУВАННЯ АРІАЛІЗОВАНОГО РЕШЕННЯ WAVEGUIDE (AWG) ДЛЯ ЗАЯВЛЕННЯ DWDM / CWDM на основі ПОЛІМЕРА BCB
1. ВВЕДЕННЯ
Мультиплексування з поділом довжини хвилі (WDM) - це підхід, який може використовувати величезну оптико-електронну невідповідність пропускної здатності, вимагаючи, щоб кожне обладнання кінцевого користувача працювало лише з електронною швидкістю, але декілька каналів WDM від різних кінцевих користувачів можуть бути мультиплексовані на одному волокні .
Існують дві альтернативи для мереж метро WDM: щільна WDM (DWDM) і груба WDM (CWDM). У середовищах з високою ємністю використовується DWDM. У DWDM розділення каналів може становити 0,8 або 0,4 нм для до 80 оптичних каналів зі швидкістю лінії до 10 Гбіт / с. Технології DWDM дуже дорогі, тому його застосування для доступу до мереж важко. Натомість CWDM об'єднується як надійне та економічне рішення. Перевага технології CWDM полягає в її недорогих оптичних компонентах. CWDM пропонує рішення для 850, 1300 і 1500 нм додатків при 10 і 40 Гбіт / с на 15 оптичних каналах, розташованих на відстані 20 нм один від одного. Як технології CWDM, так і DWDM мають своє місце в існуючій та новій мережевій інфраструктурі. Якщо ці технології використовуються в поєднанні з відповідними оптичними волокнами, економічні вигоди, що сприяють зниженню системних витрат, є суттєвими.
Решітка хвильової напрямної хвилі (AWG) є одним з найперспективніших пристроїв для мульти / демультиплексора в системі WDM через малі втрати вставки, високу стабільність і низьку вартість. У 1988 році Сміт вперше запропонував вирішити проблему WDM, а в наступні роки був розроблений Такахасі [, який повідомив про перші пристрої, що працюють у вікні довгих хвиль. Dragonet.xext розширив концепцію від 1 x N демультиплексорів до N x N хвильових маршрутизаторів, які відіграють важливу роль у багатохвильовому мережевому застосуванні.
Ключовою перевагою AWG є те, що його вартість не залежить від кількості довжин хвиль, як у розчині діелектричного фільтра. Тому він підходить для столичних програм, які вимагають рентабельності великих лічильників довжини хвилі. Іншою перевагою AWG є гнучкість вибору номера каналу та інтервалу каналів, і, як результат, різні види AWG можуть бути виготовлені аналогічно.
Полімери пропонують чудовий потенціал для реалізації дешевих компонентів WDM, оскільки їх можна легко виготовити при низькій температурі на різних видах підкладки. Полімерні мульти / демультиплексори AWG привернули багато уваги завдяки простому виготовленню, низькій вартості та потенціалу інтеграції з іншими пристроями, такими як полімерні термооптичні вимикачі для застосування мультиплексорних пристроїв з додаванням.
Оскільки полімер BenzoCylobutene (BCB4024-40) пропонує деякі переваги, такі як низька світловідбиття, хороша термічна стабільність і низька дисперсія довжини хвилі, він був обраний в якості основного матеріалу в цьому проекті. Полімер BCB стає привабливим матеріалом і його використовують для виготовлення різних оптичних приладів, наприклад, оптичного перемикання, полімерного оптичного напрямника хвилі та багатомодового оптичного спліттера.
У цій роботі буде представлена запропонована конструкція 4 × 4 каналу звичайної AWG, яка здатна працювати на центральній довжині хвилі 1,55 мкм з інтервалом каналів 100 ГГц і 1200 ГГц на основі полімеру BCB-4024 з показником заломлення 1,55556.
2. ОСНОВНА ОПЕРАЦІЯ
Як правило, пристрої AWG виконують функцію мультиплексорів, демультиплексорів, фільтрів та пристроїв, що додають краплі в оптичних програмах WDM. На малюнку 1 показано схематичне розташування демультиплексора AWG. Пристрій складається з трьох основних частин, які є декількома напрямними вхідної та вихідної хвиль, двома зонними хвилевідвідними зчепленнями (або вільною областю розповсюдження (FPR)), з'єднаними дисперсійною хвильовою матрицею з однаковою різницею довжини між сусідніми напрямними хвиль. Принцип роботи мультиплексора / демультиплексора AWG описаний наступним чином.
Малюнок 1. Структура демультиплексора AWG
Сигнал DWDM / CWDM, запущений в один з напрямних вхідних хвиль, буде дифракціюватися в першій області плити і з'єднуватися з масивом хвилеводу першим FPR. Довжина напрямних хвиль масиву була розроблена таким чином, що різниця оптичної довжини шляху (ΔL) між сусідніми напрямними хвиль масиву дорівнює цілому числу (m), кратному довжині центральної хвилі (λc) демультиплексора. Як наслідок, розподіл поля на вхідній діафрагмі буде відтворено на вихідній діафрагмі. Тому на цій центральній довжині хвилі світло фокусується в центрі площини зображення (за умови, що напрям вхідної хвилі зосереджено у вхідній площині).
Якщо довжина вхідної хвилі зменшується від цієї центральної довжини хвилі, у гілках масиву відбуваються фазові зміни. Через постійну різницю довжини шляху між сусідніми напрямними хвилі ця зміна фази лінійно збільшується від внутрішніх до зовнішніх напрямних хвиль напрямних, що призводить до нахилу фронту хвилі на вихідному отворі. Отже, фокусна точка в площині зображення відсувається від центру. Розмістивши напрямні хвилі приймача у правильних положеннях уздовж площини зображення, виходить просторове розділення каналів різної довжини хвилі.
3. ДИЗАЙН
Схематичне розташування 4 × 4 каналу AWG для DWDM з центральною довжиною хвилі 1,55 мкм показано на малюнку 2. Положення вхідного і вихідного порту симетрично сформовані, однакові. Інструмент проектування WDM_PHASAR від Optiwave® був використаний для проектування двох типів 4-канальних AWG, що працюють на центральній довжині хвилі 1,55 мкм, з інтервалом каналів 0,8 нм і 9,6 нм, для додатків DWDM та CWDM відповідно.
Показник заломлення полімерного ядра BCB при 1,55 мкм становить 1,55556. Обшивка - це ORMOCER, що має показник заломлення 1,537, а підкладка - кремній, який широко застосовується в мікроелектронних та інтегральних схемах. ORMOCER (ORGically Modified CERramics) - фотопатермінові неорганічні неорганічні сополімери з негативною стійкістю до дії. Розмір ядра становить 3 мкм х 4 мкм з хвилеводом типу похованого типу, як зображено на малюнку 3. Розділення входу / виводу на порту розраховано на 250 мкм зі зміщенням з'єднання 100 мкм для підшивання до стрічки волокна.
Всі проектні параметри наведені в Таблиці 1 та Таблиці 2 для AWG, центральна довжина хвилі 1,55 мкм з інтервалом каналів 100 ГГц і 1200 ГГц відповідно. У конструкції контраст коефіцієнта заломлення між сердечником та обшивкою досить великий (~ 1,2%), що призводить до малого радіусу вигину та сприяє малому розміру стружки. Однак втрати зв'язку між хвилеводом і волокном, що виникають внаслідок невідповідності поля мод, збільшуються. Загальний розмір пристрою для AWG з інтервалом 100 ГГц становить 21,5 х 10 мм2 та 17,8 х 5 мм2 для AWG з інтервалом 1200 ГГц. Ця різниця обумовлена збільшенням довжини шляху в AWG з інтервалом 100 ГГц більше, ніж у AWG з інтервалом 1200 ГГц з тим же кутом орієнтації.
4. РЕЗУЛЬТАТИ ТА ОБГОВОРЕННЯ
Результат моделювання AWG з інтервалом між каналами 0,8 нм показаний на рисунку 4. Він показує розподіл виходу 4-х канальних вихідних хвилеводів. Вихідні канали знаходяться на довжинах хвиль 1549,04 нм (λ1), 1549,872 нм (λ2), 1550,70 нм (λ3) та 1551,360 нм (λ4) відповідно, що вказує на імітований інтервал каналу 0,832 нм. Таким чином, довжина хвилі виходу для кожного каналу слідувала специфікації МСЕ, навіть вона злегка зміщена 0,032 нм, що є занадто малою і нею можна знехтувати. Однак максимальна втрата вставки 5,04 дБ є на каналі 4, а мінімальна втрата вставки 3,88 дБ - на каналі 2. Перехресний переказ менше -32,77 дБ.
У таблиці 3 наведені обчислені вихідні параметри AWG з інтервалом каналу 0,8 нм. Ці значення були обчислені на рівні пропускної здатності -3 дБ. Рівень пропускної здатності використовується як орієнтир для визначення пропускної здатності.
Для AWG з проміжком каналів 9,6 нм результат моделювання показаний на рисунку 5. Чотири вихідні довжини хвилі λ1, λ2, λ3 та λ4 знаходяться відповідно на 1542 нм, 1552 нм, 1562 нм та 1572 нм відповідно. Результат для інтервалу між каналами - 10 нм, що трохи відрізняється від проектного вхідного параметра, який становить 9,6 нм. Тим часом максимальна втрата вставки - 6,63 дБ - на каналі 1, а мінімальна втрата вставки - 5,30 дБ - на каналі 3. Перехресні переговори менше -23 дБ.
Малюнок 5. Вихідні спектральні реакції 4-канальної AWG з інтервалом між каналами 1200 ГГц
У таблиці 4 наведені обчислені вихідні параметри AWG з інтервалом між каналами 9,6 нм. Ці значення були обчислені на рівні пропускної здатності -3 дБ. Отримане значення інтервалу між каналами - 10 нм, що знаходиться в діапазоні застосувань CWDM. Відповідно до результатів моделювання ми з’ясували, що ці АРГ можуть працювати належним чином у системі DWDM та CWDM.
5. Порівняння ефективності
Розробка полімерного мультиплексора AWG зацікавила багатьох дослідників. Перший полімерний AWG продемонстрував Hida та ін., Застосовуючи дейтерований фторметакрилат (d-PFMA) на силіконовій підкладці. Однак ця AWG працювала лише у вікні 1300 нм з деякою залежністю від поляризації лише 0,03 нм. Watanabe та ін. Повідомили, що 16 каналів полімерного AWG, що працює при 1550 нм, реалізували за допомогою хвилеводу силіконової смоли. Цей мультиплексор AWG має втрати вставки в діапазоні від 9 до 13 дБ, перехресний сигнал менше –20 дБ та низький зсув довжини хвилі, що залежить від поляризації.
Лео [19] продемонстрував 2 х 8 AWG полімер на основі CWDM (20 нм) при центральній довжині хвилі 1520 нм із загальним розміром пристрою 23 мм х 2,5 мм. Втрати вставки та перехресні розмови становлять приблизно 7 дБ та -30 дБ відповідно. З іншого боку, Razali [запропонований полімер AWG 4 x4 з інтервалом 0,8 нм (DWDM) працював на центральній довжині хвилі 1570 нм. Пристрій має втрату на вставку 3 дБ та рівень перехресних перегонів менше -30 дБ. Розмір пристрою - 31 мм х 9 мм.
У цій статті запропоновані конструкції представляють собою полімер 4 AWGs 4 x 4, що працює на центральній довжині хвилі 1550 нм з інтервалом між каналами 0,8 нм та 9,6 нм. Спостерігається, що втрати на вставку відповідного інтервалу між каналами становлять -5 дБ та -6 дБ відповідно, а рівень перехресних перешкод - відповідно -33 дБ та -23 дБ відповідно. Загальний розмір пристрою становить 21,5 мм х 10 мм для інтервалу 0,8 нм і 17,8 мм х 5 мм для відстані 9,6 нм. Це неминуче показує, що АРГ для застосування CWDM та DWDM можна реалізувати, використовуючи полімер BCB 4024-40 в якості керівного матеріалу.
6. ВИСНОВОК
Представлені АРГ на основі полімеру BCB для застосувань у DWDM / CWDM. Проведено дві конструкції чотирьох канальних AWG із рівнем перехресних перешкод нижче 32 дБ та-23 дБ у вікні зв'язку 1550 нм для додатків DWDM та CWDM. Можна зробити висновок, що полімер BCB можна розглядати як відповідного кандидата для розробки AWG, оскільки він демонструє хороші показники для DWDM та CWDM додатків.
