OBLIKOVANJE NAROČENEGA PODROČJA WAVEGUIDE (AWG) ZA PRIJAVE DWDM / CWDM, ki temeljijo na BCB POLIMERU
1. UVOD
Multipleksiranje z valovno dolžino (WDM) je pristop, ki lahko izkoristi ogromno optično-elektronsko neskladje pasovne širine z zahtevo, da vsaka oprema končnega uporabnika deluje samo z elektronsko hitrostjo, vendar je na istem vlaknu mogoče multipleksirati več WDM kanalov različnih končnih uporabnikov. .
Obstajajo dve možnosti za metro omrežja WDM: gosta WDM (DWDM) in groba WDM (CWDM). V okoljih z veliko zmogljivostjo se uporablja DWDM. V DWDM je ločitev kanalov lahko le 0,8 ali 0,4 nm, za do 80 optičnih kanalov s hitrostjo do 10 Gbps. DWDM tehnologije so zelo drage, zato je njena uporaba za dostop do omrežij težavna. Namesto tega se CWDM združuje kot robustna in ekonomična rešitev. Prednost tehnologije CWDM je v njenih poceni optičnih komponentah. CWDM ponuja rešitve za 850, 1.300 in 1500 nm aplikacij pri 10 in 40 Gbps na do 15 optičnih kanalih, razmaknjenih 20 nm. Tehnologija CWDM in DWDM imata svoje mesto v trenutni in nastajajoči podzemni infrastrukturi. Če se te tehnologije uporabljajo v kombinaciji z ustreznimi optičnimi vlakni, so gospodarske koristi, ki prispevajo k znižanju stroškov sistema, velike.
Rešetka z vodilnimi valovi (AWG) je zaradi nizke izgube vstavljanja, visoke stabilnosti in nizkih stroškov ena najbolj obetavnih naprav za multi / demultiplekser v sistemu WDM. Smith je leta 1988 Smith prvič predlagal rešitev problema WDM, nato pa ga je v naslednjih letih nadalje razvil Takahashi [ki je poročal o prvih napravah, ki delujejo v oknu z dolgimi valovnimi dolžinami. Dragonet. je razširil koncept z 1 x N demultiplekserji na N x N valovne usmerjevalnike, ki igrajo pomembno vlogo pri uporabi več valovnih omrežij.
Ključna prednost AWG je, da njegovi stroški niso odvisni od števila valovnih dolžin kot pri raztopini dielektričnega filtra. Zato ustreza mestnim aplikacijam, ki zahtevajo stroškovno učinkovite velike štetje valovnih dolžin. Druga prednost AWG je fleksibilnost izbire njegove številke in razmika med kanali in posledično lahko različne vrste AWG izdelamo na podoben način.
Polimeri nudijo odličen potencial za uresničitev nizkocenovnih WDM komponent, saj jih je mogoče enostavno izdelati pri nizki temperaturi na različnih vrstah podlag. Polimerni AWG multi / demultiplekseri so pritegnili veliko pozornosti zaradi enostavne izdelave, nizkih stroškov in potenciala integracije z drugimi napravami, kot so polimerna termo-optična stikala za uporabo multiplekserjev z dodatkom.
Ker polimer BenzoCylobutene (BCB4024-40) ponuja nekatere prednosti, kot so nizka dvoodpornost, dobra toplotna stabilnost in nizka disperzija valovne dolžine, je bil v tem projektu izbran za temeljni material. BCB polimer postane privlačen material in je bil uporabljen za izdelavo različnih optičnih naprav, na primer optičnega stikala, polimernega optičnega vodnika in optičnega cepilnika z več motnjami.
V tem prispevku bo predstavljena predlagana zasnova 4 × 4 kanalov običajne AWG, ki lahko deluje na osrednji valovni dolžini 1,55 µm z razmikom kanalov 100 GHz in 1200 GHz na osnovi polimera BCB-4024 z indeksom loma 1,55556.
2. OSNOVNO POSLOVANJE
Na splošno AWG naprave služijo kot multiplekserji, demultiplekseri, filtri in naprave za dodajanje v optičnih WDM aplikacijah. Slika 1 prikazuje shematično postavitev AWG demultiplekserja. Naprava je sestavljena iz treh glavnih delov, ki so več vodnikov vhodnih in izhodnih valov, dva zvezdasto valovita zvezda (ali prosta širitvena regija (FPR)), ki ju povezuje disperzijski valovni vod z enako razliko dolžine med sosednjimi vodilnimi valovi. Načelo delovanja multiplekserja / demultiplekserja AWG je opisano na naslednji način.
Slika 1. Struktura demultiplekserja AWG
Signal DWDM / CWDM, ki se sproži v enega od vodnikov vhodnih valov, bo v prvi plošči plošče difriran in prvi FPR povezan z razpršenim valovodom. Dolžina vodnikov matričnih valov je zasnovana tako, da je razlika v dolžini optične poti (ΔL) med sosednjimi vodniki armaturnih valov enaka celotnemu številu (m), krajšemu od osrednje valovne dolžine (λc), demultiplekserja. Posledično se porazdelitev polja na vhodni odprtini reproducira na izhodni odprtini. Zato se na tej sredinski valovni dolžini svetloba osredotoči na sredini slikovne ravnine (pod pogojem, da je vodnik vhodnega vala osredotočen na vhodni ravnini).
Če se vhodna valovna dolžina zmanjša od te osrednje valovne dolžine, se v vejah matrike pojavijo fazne spremembe. Zaradi konstantne razlike v dolžini poti med sosednjimi vodniki valov se ta fazna sprememba linearno poveča od vodilnega vala do notranjega zunanjega sklopa, zaradi česar se bo na izhodni odprtini nagib sprednje strani vala. Posledično se žarišče v slikovni ravnini premakne stran od središča. Z namestitvijo vodnikov sprejemnih valov v pravilne položaje vzdolž ravnine slike dobimo prostorsko ločitev kanalov različnih valovnih dolžin.
3. OBLIKOVANJE
Shematična postavitev 4 × 4-kanalnega AWG za DWDM s srednjo valovno dolžino 1,55 µm je prikazana na sliki 2. Položaj vhodnih in izhodnih vrat je simetrično oblikovan, ki sta enaka. WDM_PHASAR orodje za oblikovanje Optiwave® je bilo uporabljeno za zasnovo dveh vrst 4-kanalnih AWG, ki delujejo na osrednji valovni dolžini 1,55 µm, z razmikom kanalov 0,8 nm in 9,6 nm, za aplikacije DWDM in CWDM.
Indeks loma BCB polimernega jedra pri 1,55 µm je 1,55556. Obloga je ORMOCER, ki ima lomni indeks 1,537, podlaga pa je silicij, ki se pogosto uporablja v mikroelektronskem in integriranem vezju. ORMOCER (ORGically Modified CERramics) je fotopatternabilni anorganski organski kopolimeri z negativnim uporom. Velikost jedra je 3 µm x 4 µm z valovitim pokopanim tipom, kot je prikazano na sliki 3. Ločitev vhoda / izhoda na vhodu / izhodu je zasnovana tako, da znaša 250 µm s 100 µm odmika povezave za pigtailing na vlakno traku.
Vsi oblikovni parametri so navedeni v tabeli 1 in tabeli 2 za AWG, srednja valovna dolžina 1,55 µm z razmikom kanalov 100 GHz in 1200 GHz. V zasnovi je kontrast lomnega indeksa med jedrom in oblogo precej velik (~ 1,2%), kar ima za posledico majhen polmer upogiba in prispeva k majhnosti velikosti ostružka. Vendar se izguba sklopke med valovodom in vlakni, ki nastane zaradi neusklajenosti modnega polja, poveča. Skupna velikost naprave za AWG z razmikom 100 GHz je 21,5 x 10 mm2 in 17,8 x 5 mm2 za AWG z razmikom 1200 GHz. Ta razlika je posledica povečanja dolžine poti v AWG z razmikom 100 GHz, ki je večji od AWG z razmikom 1200GHz z enakim orientacijskim kotom.
4. REZULTATI IN RAZPRAVA
Rezultat simulacije AWG z razmikom kanalov 0,8 nm je prikazan na sliki 4. Prikazuje izhodno porazdelitev 4-kanalnih izhodnih valovodov. Izhodni kanali so na valovnih dolžinah 1549,04 nm (λ1), 1549,872 nm (λ2), 1550,70 nm (λ3) in 1551,360 nm (λ4), kar kaže na simulirani razmik kanala 0,832 nm. Tako je izhodna valovna dolžina za vsak kanal sledila specifikacijam ITU, čeprav je rahlo premaknjen 0,032 nm, kar je premalo in ga je mogoče zanemariti. Največja izguba vstavitve 5,04 dB pa je na kanalu 4, najmanjša izguba vstavitve 3,88 dB pa na kanalu 2. Prečni preskus je manjši od -32,77 dB.
Tabela 3 prikazuje izračunane izhodne parametre AWG z 0,8 nm razmika med kanali. Te vrednosti so bile izračunane na ravni pasovne širine -3 dB. Raven pasovne širine se uporablja kot referenca za določanje pasovne širine.
Za AWG z razmikom med kanali 9,6 nm je rezultat simulacije prikazan na sliki 5. Štiri izhodne valovne dolžine λ1, λ2, λ3 in λ4 so na 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm in 1572 nm. Rezultat razmika med kanali je 10 nm, kar se nekoliko razlikuje od oblikovalnega vhodnega parametra, ki je 9,6 nm. Medtem je največja izguba vstavitve 6,63 dB na kanalu 1, najmanjša izguba vstavitve 5,30 dB pa na kanalu 3. Prečni preskus je manjši od -23 dB.
Slika 5. Izhodni spektralni odzivi 4-kanalnega AWG z razmikom med kanali 1200 GHz
V tabeli 4 so prikazani izračunani izhodni parametri AWG z 9,6 nm razmikom med kanali. Te vrednosti so bile izračunane na ravni pasovne širine -3dB. Vrednost za dobljeni razmik med kanali je 10 nm, kar je v območju aplikacij CWDM. Glede na rezultate simulacije smo ugotovili, da lahko te AWG pravilno delujejo v sistemu DWDM in CWDM.
5. PRIMERJANJE UČINKOVITOSTI
Razvoj polimernega multiplekserja AWG je postal zanimiv za številne raziskovalce. Prvi polimerni AWG je pokazal Hida in sod., Ki je na silikonsko podlago pokazal devterirani fluoro-metakrilat (d-PFMA). Vendar je ta AWG delovala le pri oknu 1300 nm z nekaj odvisnosti od polarizacije, kar je 0,03 nm. Watanabe in drugi so poročali, da je bil 16-kanalni polimerni AWG, ki deluje na 1550 nm, realiziran s pomočjo valovoda silikonske smole. Ta multipleksirni AWG ima izgubo vstavitve v območju od 9 do 13 dB, prečni preskus manjši od –20 dB in premik valovne dolžine, ki je odvisen od polarizacije.
Leo [19] je pokazal 2 x 8 AWG polimer na osnovi CWDM (20 nm) pri srednji valovni dolžini 1520 nm s skupno velikostjo naprave 23 mm x 2,5 mm. Ugotovljeno je, da izguba vstavitve in prečni preskus znašata približno 7 dB oziroma -30 dB. Po drugi strani je Razali [predlagal 4 x4 AWG polimer z razmikom 0,8 nm (DWDM), ki deluje na srednji valovni dolžini 1570 nm. Naprava ima vstavljeno izgubo 3 dB in stopnjo navzkrižnega razgovora manjšo od -30 dB. Velikost naprave je 31 mm x 9 mm.
V tem prispevku so predlagane izvedbe polimera 4 x 4 AWGs, ki deluje na srednji valovni dolžini 1550 nm z razmikom med kanali 0,8 nm in 9,6 nm. Opazimo, da so vstavitvene izgube ustreznega razmika med kanali -5 dB in -6 dB, raven navzkrižne zaslona pa -33 dB oziroma -23 dB. Skupna velikost naprave je 21,5 mm x 10 mm za razmik 0,8 nm in 17,8 mm x 5 mm za razmik 9,6 nm. To neizogibno kaže, da je mogoče AWG za uporabo CWDM in DWDM realizirati z uporabo polimera BCB 4024-40 kot vodilnega materiala.
6. ZAKLJUČEK
Predstavljeni so bili AWG na osnovi BCB polimera za uporabo v DWDM / CWDM. Dokazana sta dva modela štirih kanalov AWG s stopnjo navzkrižnega zvoka pod 32 dB in-23 dB, ki delujeta v komunikacijskem oknu 1550 nm za uporabo DWDM in CWDM. Sklepamo lahko, da se BCB polimer lahko šteje za primernega kandidata za razvoj AWG, saj kaže dobre zmogljivosti za aplikacije DWDM in CWDM.