КОНСТРУКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ВОЛНОВОДНОЙ РЕШЕТКИ (AWG) ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ DWDM / CWDM НА ОСНОВЕ ПОЛИМЕРА BCB
1. ВВЕДЕНИЕ
Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) - это подход, который может использовать огромное оптоэлектронное несоответствие полосы пропускания, требуя, чтобы каждое оборудование конечного пользователя работало только с электронной скоростью, но несколько каналов WDM от разных конечных пользователей могут быть мультиплексированы на одном волокне. ,
Существует две альтернативы для сетей WDM metro: плотная WDM (DWDM) и грубая WDM (CWDM). В средах с высокой пропускной способностью используется DWDM. В DWDM разделение каналов может составлять всего 0,8 или 0,4 нм для до 80 оптических каналов со скоростью до 10 Гбит / с. Технологии DWDM очень дороги, поэтому их применение для доступа к сетям затруднено. Вместо этого CWDM объединяется как надежное и экономичное решение. Преимущество технологии CWDM заключается в ее дешевых оптических компонентах. CWDM предлагает решения для приложений 850, 1300 и 1500 нм при скорости 10 и 40 Гбит / с на 15 оптических каналах, разнесенных на 20 нм. Технологии как CWDM, так и DWDM имеют свое место в современной и новой инфраструктуре городских сетей. Когда эти технологии используются в сочетании с соответствующими оптическими волокнами, экономические выгоды, которые помогают снизить системные затраты, являются значительными.
Решетчатая волноводная решетка (AWG) является одним из наиболее перспективных устройств для мульти / демультиплексора в системе WDM из-за ее низких вносимых потерь, высокой стабильности и низкой стоимости. Решетчатая волноводная решетка была впервые предложена Смитом в 1988 году для решения проблемы WDM, а в последующие годы она была разработана Такахаши [который сообщил о первых устройствах, работающих в длинноволновом окне. Dragonet. Расширил концепцию от 1 x N демультиплексоров до N x N длинноволновых маршрутизаторов, которые играют важную роль в многоволновом сетевом приложении.
Основное преимущество AWG состоит в том, что его стоимость не зависит от количества длин волн, как в диэлектрическом фильтре. Поэтому он подходит для столичных приложений, которые требуют экономически выгодных расчетов большой длины волны. Другим преимуществом AWG является гибкость выбора номера канала и расстояния между каналами, и в результате различные типы AWG могут быть изготовлены аналогичным образом.
Полимеры обладают отличным потенциалом для реализации недорогих компонентов WDM, поскольку их можно легко изготовить при низких температурах на различных видах подложек. Полимерные мульти / демультиплексоры AWG привлекли большое внимание благодаря простоте их изготовления, низкой стоимости и возможности интеграции с другими устройствами, такими как полимерные термооптические переключатели, для применения в мультиплексорах с добавлением-падением.
Поскольку полимер бензоцилобутена (BCB4024-40) обладает рядом преимуществ, таких как низкое двулучепреломление, хорошая термическая стабильность и дисперсия низкой длины волны, он был выбран в качестве основного материала в этом проекте. Полимер BCB становится привлекательным материалом и используется для изготовления различных оптических устройств, например оптических переключателей, полимерного оптического волновода и многомодового интерференционного оптического разветвителя.
В этой статье будет представлена предлагаемая конструкция традиционного AWG 4 × 4 канала, который способен работать на центральной длине волны 1,55 мкм с разносом каналов 100 ГГц и 1200 ГГц на основе полимера BCB-4024 с показателем преломления 1,55556.
2. ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ
Обычно устройства AWG служат в качестве мультиплексоров, демультиплексоров, фильтров и устройств ввода-вывода в оптических приложениях WDM. На рисунке 1 показана принципиальная схема демультиплексора AWG. Устройство состоит из трех основных частей, которые представляют собой несколько входных и выходных волноводов, два слабых звездообразных ответвителя (или области свободного распространения (FPR)), соединенных дисперсионной волноводной решеткой с равной разностью длин между соседними волноводами. Принцип работы мультиплексора / демультиплексора AWG описывается следующим образом.
Рисунок 1. Структура демультиплексора AWG
Сигнал DWDM / CWDM, поступающий на один из входных волноводов, будет дифрагирован в первой области сляба и соединен с волноводом в виде матрицы первым FPR. Длина волноводов матрицы была разработана таким образом, чтобы разность оптических путей (ΔL) между соседними волноводами матрицы составляла целое число (m), кратное центральной длине волны (λc) демультиплексора. Как следствие, распределение поля на входной апертуре будет воспроизведено на выходной апертуре. Следовательно, на этой центральной длине волны свет фокусируется в центре плоскости изображения (при условии, что входной волновод центрирован во входной плоскости).
Если входная длина волны отрегулирована от этой центральной длины волны, фазовые изменения происходят в ветвях массива. Из-за постоянной разницы в длине пути между соседними волноводами это фазовое изменение линейно возрастает от волноводов внутреннего к внешнему массиву, что вызывает наклон волнового фронта на выходной апертуре. Следовательно, фокус в плоскости изображения смещается в сторону от центра. Размещая волноводные приемники в правильных положениях вдоль плоскости изображения, достигается пространственное разделение каналов с различными длинами волн.
3. ДИЗАЙН
Схематическое расположение канала AWG 4 × 4 для DWDM с центральной длиной волны 1,55 мкм показано на рисунке 2. Положение входного и выходного портов симметрично сформировано, которые идентичны. Инструмент проектирования WDM_PHASAR от Optiwave® использовался для проектирования двух типов четырехканальных AWG, работающих на центральной длине волны 1,55 мкм с разносом каналов 0,8 нм и 9,6 нм, для приложений DWDM и CWDM соответственно.
Показатель преломления полимерной сердцевины BCB при 1,55 мкм составляет 1,5556. Оболочка представляет собой ORMOCER, имеющий показатель преломления 1,537, тогда как подложка представляет собой кремний, который широко используется в микроэлектронике и интегральных схемах. ORMOCER (органически модифицированная CERramics) представляет собой фотоприменимые неорганические неорганические сополимеры с отрицательным сопротивлением. Размер сердечника составляет 3 мкм x 4 мкм с волноводом скрытого типа, как показано на рисунке 3. Разъем порта ввода / вывода рассчитан на 250 мкм со смещением соединения 100 мкм для подключения косичек к волоконной ленте.
Все расчетные параметры приведены в Таблице 1 и Таблице 2 для AWG, центральная длина волны 1,55 мкм с разнесением каналов 100 ГГц и 1200 ГГц соответственно. В конструкции контраст показателя преломления между сердечником и оболочкой довольно большой (~ 1,2%), что приводит к небольшому радиусу изгиба и способствует малому размеру стружки. Однако потери связи между волноводом и волокном в результате несоответствия модового поля возрастают. Общий размер устройства для AWG с разносом 100 ГГц составляет 21,5 x 10 мм2 и 17,8 x 5 мм2 для AWG с разносом 1200 ГГц. Это различие связано с тем, что приращение длины пути в AWG с разносом 100 ГГц больше, чем в AWG с разносом 1200 ГГц с тем же углом ориентации.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результат моделирования AWG с разносом каналов 0,8 нм показан на рисунке 4. Он показывает выходное распределение 4-канальных выходных волноводов. Выходные каналы имеют длины волн 1549,04 нм (λ1), 1549,872 нм (λ2), 1550,704 нм (λ3) и 1551,360 нм (λ4) соответственно, что указывает на смоделированное расстояние между каналами 0,832 нм. Таким образом, выходная длина волны для каждого канала соответствует спецификации ITU, даже если она слегка смещена на 0,032 нм, что слишком мало и им можно пренебречь. Тем не менее, максимальные вносимые потери 5,04 дБ на канале 4, а минимальные вносимые потери 3,88 дБ на канале 2. Взаимные помехи составляют менее -32,77 дБ.
Таблица 3 показывает вычисленные выходные параметры AWG с разносом каналов 0,8 нм. Эти значения были рассчитаны на уровне полосы пропускания -3 дБ. Уровень полосы пропускания используется в качестве эталона для определения полос пропускания.
Для AWG с разносом каналов 9,6 нм результат моделирования показан на рисунке 5. Четыре выходные длины волн λ1, λ2, λ3 и λ4 находятся при 1542 нм, 1552 нм, 1562 нм и 1572 нм соответственно. Результат для разнесения каналов составляет 10 нм, что немного отличается от расчетного входного параметра, который составляет 9,6 нм. Между тем, максимальные вносимые потери 6,63 дБ на канале 1, а минимальные вносимые потери 5,30 дБ на канале 3. Взаимные помехи составляют менее -23 дБ.
Рисунок 5. Выходные спектральные характеристики 4-канального AWG с разносом каналов 1200 ГГц
Таблица 4 показывает вычисленные выходные параметры AWG с разносом каналов 9,6 нм. Эти значения были рассчитаны на уровне полосы пропускания -3 дБ. Полученное значение для разнесения каналов составляет 10 нм, что находится в диапазоне приложений CWDM. По результатам моделирования мы обнаружили, что эти AWG могут работать должным образом в системах DWDM и CWDM.
5. СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Разработка полимерного мультиплексора AWG заинтересовала многих исследователей. Первый полимер AWG, продемонстрированный Hida et al., Применяет дейтерированный фторметакрилат (d-PFMA) на силиконовой подложке. Однако этот AWG работал только при окне 1300 нм с некоторой поляризационной зависимостью, равной всего 0,03 нм. Ватанабе и др. Сообщили, что 16 каналов полимерных AWG, работающих при 1550 нм, были реализованы с использованием волновода из силиконовой смолы. Этот мультиплексор AWG имеет вносимые потери в диапазоне от 9 до 13 дБ, перекрестные помехи менее –20 дБ и низко-поляризационный сдвиг длины волны.
Лео [19] продемонстрировал 2 × 8 AWG полимера на основе CWDM (20 нм) на центральной длине волны 1520 нм с общим размером устройства 23 мм x 2,5 мм. Установлено, что вносимые потери и перекрестные помехи составляют около 7 дБ и -30 дБ соответственно. С другой стороны, Разали [предложил полимер 4 × 4 AWG с интервалом 0,8 нм (DWDM), работающий на центральной длине волны 1570 нм. Устройство имеет вносимые потери 3 дБ и уровень перекрестных помех менее -30 дБ. Размер устройства составляет 31 мм x 9 мм.
В данной работе предложены конструкции из полимера 4 x 4 AWG, работающие на центральной длине волны 1550 нм с разносом каналов 0,8 нм и 9,6 нм. Наблюдается, что вносимые потери соответствующего разнесения каналов составляют -5 дБ и -6 дБ соответственно, а уровень перекрестных помех составляет -33 дБ и -23 дБ соответственно. Общий размер устройства составляет 21,5 мм x 10 мм при расстоянии 0,8 нм и 17,8 мм x 5 мм при расстоянии 9,6 нм. Это неизбежно показывает, что AWG для применения в CWDM и DWDM могут быть реализованы с использованием полимера BCB 4024-40 в качестве направляющего материала.
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Были представлены AWG на основе полимера BCB для применения в DWDM / CWDM. Было продемонстрировано, что две конструкции из четырех каналов AWG с уровнем перекрестных помех ниже -32 дБ и -23 дБ работают в окне связи 1550 нм для приложений DWDM и CWDM. Можно сделать вывод, что полимер BCB можно считать подходящим кандидатом для разработки AWG, поскольку он показывает хорошую производительность для приложений DWDM и CWDM.
