ПРОЕКТИРАНЕ НА СЪСТАВЕНА WAVEGUIDE GATING (AWG) ЗА ПРИЛОЖЕНИЯ DWDM / CWDM, основани на BCB ПОЛИМЕР
1. ВЪВЕДЕНИЕ
Мултиплексирането с разделяне на дължината на вълната (WDM) е подход, който може да използва огромното несъвпадение на оптичната електронна честотна лента, като изисква всяко оборудване на крайния потребител да работи само с електронна скорост, но множество WDM канали от различни крайни потребители могат да бъдат мултиплексирани върху едно и също влакно ,
Съществуват две алтернативи за метровите мрежи WDM: плътна WDM (DWDM) и груба WDM (CWDM). В среда с голям капацитет се използва DWDM. В DWDM разделянето на каналите може да бъде толкова малко, колкото 0,8 или 0,4 nm, за до 80 оптични канала при скорост на линията до 10 Gbps. DWDM технологиите са много скъпи, така че приложението им за достъп до мрежи е трудно. Вместо това CWDM се обединява като стабилно и икономично решение. Предимството на CWDM технологията се състои в нейните евтини оптични компоненти. CWDM предлага решения за 850, 1300 и 1500 nm приложения при 10 и 40 Gbps на до 15 оптични канала, разположени на разстояние 20 nm. Както технологиите CWDM, така и DWDM имат своето място в настоящата и нововъзникваща метро-мрежова инфраструктура. Когато тези технологии се използват в комбинация с подходящи оптични влакна, икономическите ползи, които помагат да се намалят разходите на системата, са значителни.
Решетките с масивна вълнова решетка (AWG) са едно от най-обещаващите устройства за мулти / демултиплексор в WDM системата, поради ниската си загуба на вмъкване, високата стабилност и ниската цена. През 1988 г. Смит за пръв път предлага решението на решението на масивната вълнова решетка за проблема с WDM и в следващите години е разработено от Takahashi [който съобщава за първите устройства, работещи в прозореца с дълга дължина на вълната. Dragonet.xe разшири концепцията от 1 x N демултиплексори до N x N вълнови дължини рутери, които играят важна роля в мрежовото приложение с много вълни.
Ключовото предимство на AWG е, че цената му не зависи от броя на дължината на вълната, както в разтвора на диелектричния филтър. Следователно той е подходящ за столични приложения, които изискват рентабилност на големи броя на дължината на вълната. Друго предимство на AWG е гъвкавостта при избора на номера на канала и разстоянието на каналите и в резултат на това различни видове AWG могат да бъдат изработени по подобен начин.
Полимерите предлагат отличен потенциал за реализиране на WDM компоненти с ниска цена, тъй като могат да бъдат произведени лесно при ниска температура върху различни видове основи. Полимерните мулти / демултиплексори AWG привличат много внимание поради лесното им производство, ниската цена и потенциала за интеграция с други устройства като полимерни термооптични превключватели за приложения за мултиплексор с добавяне на капки.
Тъй като полимерът BenzoCylobutene (BCB4024-40) предлага някои предимства, като ниско двуподреждане, добра термична стабилност и дисперсия с ниска дължина на вълната, той е избран за основен материал в този проект. BCB полимерът се превръща в привлекателен материал и се използва за производство на различни оптични устройства, например оптично превключване, полимерно оптично направление на вълни и оптичен сплитер с многомодови смущения.
В този документ ще бъде представен предложен дизайн на 4 × 4 канала конвенционален AWG, който може да работи на дължина на вълната 1,55 µm с разстояние между каналите 100 GHz и 1200 GHz на базата на полимер BCB-4024 с коефициент на пречупване 1,55556.
2. ОСНОВНА ОПЕРАЦИЯ
По принцип AWG устройството служи като мултиплексори, демултиплексори, филтри и устройства за добавяне в оптични WDM приложения. Фигура 1 показва схематично оформление на AWG демултиплексор. Устройството се състои от три основни части, които са множество водачи за входни и изходни вълни, две скални вълнови звездни съединители (или свободен размножителен регион (FPR)), свързани с дисперсивна вълнова решетка с еднаква разлика в дължината между съседни водачи. Принципът на работа на AWG мултиплексор / демултиплексор е описан по следния начин.
Фигура 1. Структурата на AWG демултиплексор
Сигнал DWDM / CWDM, стартиран в един от водачите на входната вълна, ще се дифрактира в първия участък на плочата и ще бъде свързан в масива вълновод от първия FPR. Дължината на вълновите водачи на масива е проектирана така, че оптичната разлика в дължината на пътя (ΔL) между водачите на съседни вълни на масива е равна на цяло число (m), кратно на дължината на централната вълна (λc) на демултиплексора. В резултат на това разпределението на полето във входната бленда ще бъде възпроизведено на изходната бленда. Следователно, при тази централна дължина на вълната светлината се фокусира в центъра на равнината на изображението (при условие, че водачът на входната вълна е центриран във входната равнина).
Ако дължината на вълната на входа се отклони от тази централна дължина на вълната, в клоните на масива възникват фазови промени. Поради постоянната разлика в дължината на пътя между съседни водачи на вълната, тази промяна на фазата се увеличава линейно от вътрешната към външната водачи на вълната от масива, което причинява наклона на фронта на вълната на изходната бленда. Следователно, фокусната точка в равнината на изображението се измества от центъра. Поставянето на водачите на вълната на приемника в правилни позиции по протежение на равнината на изображението се получава пространствено разделяне на различните канали с дължина на вълната.
3. ДИЗАЙН
Схематичното разположение на 4 × 4 канала AWG за DWDM с централна дължина на вълната 1,55 µm е показано на фигура 2. Положението на входния и изходния порт е оформено симетрично, които са идентични. WDM_PHASAR инструмент за проектиране от Optiwave®, е използван за проектиране на два типа 4-канални AWG, работещи при централна дължина на вълната 1,55 µm, с разстояние между каналите 0,8 nm и 9,6 nm, съответно за приложения DWDM и CWDM.
Индексът на пречупване на полимерната сърцевина на BCB при 1,55 µm е 1,55556. Облицовката е ORMOCER, която има коефициент на пречупване 1,537, докато субстратът е силиций, който е широко използван в микроелектронната и интегралната схема. ORMOCER (ORGically Modified CERramics) е фотопартируеми неорганични органични съполимери с отрицателно устойчиво поведение. Размерът на сърцевината е 3 µm x 4 µm с вълнообразен тип погребан, както е показано на фигура 3. Разделянето на входа / изхода е проектирано така, че да бъде 250 µm със 100 µm компенсиране на връзката за прикрепяне към лента от влакна.
Всички проектни параметри са изброени в таблица 1 и таблица 2 за AWG, централна дължина на вълната 1,55 μm с разстояние между каналите 100 GHz и 1200 GHz съответно. В дизайна контрастът на коефициента на пречупване между сърцевината и облицовката е доста голям (~ 1,2%), което води до малък радиус на огъване и допринася за малък размер на чипа. Въпреки това, загубата на свързване между вълновод и влакно, които са резултат от несъответствие в модно поле, нараства. Общият размер на устройството за AWG с интервал от 100 GHz е 21,5 x 10 mm2 и 17,8 x 5 mm2 за AWG с разстояние между 1200 GHz. Тази разлика се дължи на нарастването на дължината на трасето в AWG с разстояние от 100GHz е по-голямо от AWG с разстояние от 1200GHz със същия ъгъл на ориентация.
4. РЕЗУЛТАТИ И ДИСКУСИЯ
Резултатът от симулацията на AWG с разстояние между каналите от 0.8 nm е показан на фигура 4. Той показва разпределението на изхода на 4-каналните изходни вълноводи. Изходните канали са с дължина на вълната 1549.04 nm (λ1), 1549.872 nm (λ2), 1550.704 nm (λ3) и 1551.360 nm (λ4), които показват симулираното разстояние на канала от 0,832 nm. Така изходната дължина на вълната за всеки канал следваше спецификацията на ITU, дори тя е леко изместена 0,032 nm, което е твърде малко и може да бъде пренебрегвано. Максималната загуба на вмъкване от 5,04 dB обаче е на канал 4, а минималната загуба на вмъкване 3,88 dB е на канал 2. Пресечната точка е по-малка от -32,77 dB.
Таблица 3 показва изчислените изходни параметри на AWG с 0.8 nm разстояние между каналите. Тези стойности са изчислени при ниво на честотна лента -3 dB. Нивото на честотна лента се използва като еталон за определяне на честотната лента.
За AWG с разстояние между каналите 9,6 nm, резултатът от симулацията е показан на фигура 5. Четирите дължини на вълната на изход λ1, λ2, λ3 и λ4 са съответно на 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm и 1572 nm. Резултатът за разстояние между каналите е 10 nm, което е малко по-различно от проектния входен параметър, който е 9,6 nm. Междувременно, максималната загуба на вмъкване от 6,63 dB е на канал 1, а минималната загуба на вмъкване 5,30 dB е на канал 3. Пресечната точка е по-малка от -23 dB.
Фигура 5. Спектрални реакции на изхода на 4-канална AWG с разстояние между каналите 1200 GHz
Таблица 4 показва изчислените изходни параметри на AWG с разстояние между каналите 9,6 nm. Тези стойности са изчислени при ниво на честотна лента -3dB. Получената стойност за канално разстояние е 10 nm, което е в обхвата на приложенията CWDM. Съгласно резултатите от симулацията открихме, че тези AWG могат да работят правилно в DWDM и CWDM системата.
5. СРАВНЕНИЕ НА ИЗПЪЛНЕНИЕТО
Разработването на полимерния мултиплексор AWG стана интерес за много изследователи. Първият полимер AWG, демонстриран от Hida et al, прилагайки деутериран флуорометакрилат (d-PFMA) върху силиконов субстрат. Въпреки това тази AWG работи само при 1300 nm прозорец с известна зависимост от поляризацията до 0,03 nm. Watanabe et al съобщават, че 16-канален полимерен AWG, работещ при 1550 nm, е реализиран при използване на вълновод от силиконова смола. Този AWG мултиплексор има загуба на вмъкване в диапазона от 9 до 13 dB, кръстосан разговор по-малък от –20 dB и слабо изместване на дължината на вълната, зависима от поляризацията.
Leo [19] демонстрира 2 x 8 AWG полимер на базата на CWDM (20 nm) при средна дължина на вълната 1520 nm с общ размер на устройството 23 mm x 2,5 mm. Установено е, че загубата на вмъкване и пресечната точка са около 7 dB и -30 dB съответно. От друга страна, Razali [предложи 4 x4 AWG полимер с разстояние 0.8 nm (DWDM), работещ на дължина на вълната в центъра 1570 nm. Устройството има загуба на вмъкване от 3 dB и ниво на кръстосани разговори по-малко от -30 dB. Размерът на устройството е 31 mm x 9 mm.
В този документ, предлаганите конструкции са 4 x 4 AWGs полимер, работещи при централна дължина на вълната 1550 nm с разстояние между каналите от 0.8 nm и 9.6 nm. Наблюдава се, че загубите на вмъкване на съответното разстояние между каналите са съответно -5 dB и -6 dB, а нивото на кръстосаните стъпки е съответно -33 dB и -23 dB. Общият размер на устройството е 21,5 mm x 10 mm за разстояние между 0,8 nm и 17,8 mm x 5 mm за разстояние 9,6 nm. Това неминуемо показва, че AWG за приложение на CWDM и DWDM могат да бъдат реализирани чрез използване на BCB 4024-40 полимер като водещ материал.
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представени са AWG, базирани на BCB полимер за приложения в DWDM / CWDM. Доказано е, че два дизайна на четири канала AWG с нива на кръстосани разговори под-32 dB и-23 dB работят в 1550 nm комуникационен прозорец за DWDM и CWDM приложение. Може да се заключи, че BCB полимерът може да се счита за подходящ кандидат за разработване на AWG, тъй като показва добри резултати за приложения на DWDM и CWDM.
