ONTWERP VAN GEARRAYEERDE WAVEGUIDE-GRATING (AWG) VOOR DWDM / CWDM-TOEPASSINGEN OP BASIS VAN BCB-POLYMEER
1. INLEIDING
Wavelength-division multiplexing (WDM) is een benadering die de enorme opto-elektronische bandbreedte-mismatch kan benutten door te eisen dat de apparatuur van elke eindgebruiker alleen op elektronische snelheid werkt, maar meerdere WDM-kanalen van verschillende eindgebruikers kunnen op dezelfde vezel worden gemultiplexed .
Er zijn twee alternatieven voor WDM-metronetwerken: dichte WDM (DWDM) en grove WDM (CWDM). In omgevingen met hoge capaciteit wordt DWDM gebruikt. In DWDM kan de kanaalscheiding zo klein zijn als 0,8 of 0,4 nm, voor maximaal 80 optische kanalen met lijnsnelheden tot 10 Gbps. DWDM-technologieën zijn erg duur, dus de toegang tot netwerken is moeilijk. In plaats daarvan fuseert CWDM als een robuuste en economische oplossing. Het voordeel van CWDM-technologie ligt in de goedkope optische componenten. CWDM biedt oplossingen voor 850, 1.300 en 1500 nm toepassingen bij 10 en 40 Gbps op maximaal 15 optische kanalen met een tussenafstand van 20 nm. Zowel CWDM- als DWDM-technologie hebben hun plaats in de huidige en opkomende metro-netwerkinfrastructuur. Wanneer deze technologieën worden gebruikt in combinatie met geschikte optische vezels, zijn de economische voordelen, die bijdragen tot lagere systeemkosten, aanzienlijk.
Arrayed wave guide grating (AWG) is een van de meest veelbelovende apparaten voor multi / demultiplexer in WDM-systeem vanwege het lage invoegverlies, de hoge stabiliteit en de lage kosten. Het gerangschikte golfgeleiderrooster werd in 1988 voor het eerst door Smith voorgesteld als een oplossing voor het WDM-probleem en werd in de daaropvolgende jaren verder ontwikkeld door Takahashi [die de eerste apparaten meldde die in het lange golflengtevenster werkten. Dragonet. breidde het concept uit van 1 x N demultiplexers tot N x N wave lengt routers die een belangrijke rol spelen in multi-golflengte netwerktoepassingen.
Het belangrijkste voordeel van de AWG is dat de kosten niet afhankelijk zijn van het aantal golflengten zoals in de diëlektrische filteroplossing. Daarom is het geschikt voor grootstedelijke toepassingen die het rendabel maken van grote golflengtetellingen vereisen. Een ander voordeel van de AWG is de flexibiliteit bij het selecteren van het kanaalnummer en de kanaalafstand, en bijgevolg kunnen verschillende soorten AWG's op een vergelijkbare manier worden vervaardigd.
Polymeren bieden een uitstekend potentieel voor de realisatie van goedkope WDM-componenten omdat ze gemakkelijk bij lage temperatuur op verschillende soorten substraten kunnen worden vervaardigd. Polymere AWG multi / demultiplexers hebben veel aandacht getrokken vanwege de eenvoudige fabricage, lage kosten en het potentieel voor integratie met andere apparaten zoals thermo-optische polymeerschakelaars voor add-drop multiplexertoepassingen.
Aangezien BenzoCylobuteen (BCB4024-40) polymeer enkele voordelen biedt, zoals lage dubbele breking, goede thermische stabiliteit en lage golflengtedispersie, is het in dit project als kernmateriaal gekozen. BCB-polymeer wordt een aantrekkelijk materiaal en is gebruikt voor de fabricage van verschillende optische apparaten, bijvoorbeeld optisch schakelen, polymere optische golfgeleider en multimode optische interferentiesplitser.
In dit artikel wordt een voorgesteld ontwerp van 4 x 4 kanalen conventionele AWG gepresenteerd die kunnen werken op een centrale golflengte van 1,55 μm met een kanaalafstand van 100 GHz en 1200 GHz op basis van BCB-4024-polymeer met een brekingsindex van 1,5556.
2. BASISBEDIENING
Over het algemeen dienen AWG-apparaten als multiplexers, demultiplexers, filters en add-drop-apparaten in optische WDM-toepassingen. Figuur 1 toont een schematische lay-out van een AWG-demultiplexer. Het apparaat bestaat uit drie hoofdonderdelen die meervoudige invoer- en uitvoergolfgeleiders zijn, twee plaatgolf eguide ster koppelingen (of vrij voortplantingsgebied (FPR)), verbonden door een dispersieve golfgeleidergroep met het gelijke lengteverschil tussen aangrenzende golfgeleiders. Het werkingsprincipe van de AWG-multiplexer / demultiplexer wordt als volgt beschreven.
Figuur 1. De structuur van AWG demultiplexer
Een DWDM / CWDM-signaal dat in een van de ingangsgolfgeleiders wordt gelanceerd, zal in het eerste plaatgebied worden afgebogen en door de eerste FPR in de gerangschikte golfgeleider worden gekoppeld. De lengte van de array-golfgeleiders is zodanig ontworpen dat het optische padlengteverschil (AL) tussen aangrenzende array-golfgeleiders gelijk is aan een geheel getal (m) veelvoud van de centrale golflengte (λc) van de demultiplexer. Dientengevolge zal de veldverdeling bij de ingangsopening worden gereproduceerd bij de uitgangsopening. Daarom focust het licht op deze centrale golflengte in het midden van het beeldvlak (op voorwaarde dat de ingangsgolfgeleider in het ingangsvlak is gecentreerd).
Als de ingangsgolflengte wordt ontkoppeld van deze centrale golflengte, treden er faseveranderingen op in de array-takken. Vanwege het constante padlengteverschil tussen aangrenzende golfgeleiders, neemt deze faseverandering lineair toe van de binnenste naar de buitenste reeks golfgeleiders, waardoor het golffront wordt gekanteld bij de uitgangsopening. Bijgevolg wordt het brandpunt in het beeldvlak weg van het midden verschoven. Door ontvangergolfgeleiders op de juiste posities langs het beeldvlak te plaatsen, wordt ruimtelijke scheiding van de verschillende golflengtekanalen verkregen.
3. ONTWERP
De schematische lay-out van de 4 × 4-kanaals AWG voor DWDM met een centrale golflengte van 1,55 μm wordt weergegeven in figuur 2. De positie van de invoerpoort en uitvoerpoort is symmetrisch gevormd, die identiek zijn. WDM_PHASAR ontwerptool van Optiwave® is gebruikt om twee typen van 4 kanalen AWG te ontwerpen die werken op een centrale golflengte van 1,55 μm, met kanaalafstand van 0,8 nm en 9,6 nm, voor respectievelijk DWDM- en CWDM-toepassingen.
De brekingsindex van de BCB-polymeerkern bij 1,55 μm is 1,5556.De bekleding is ORMOCER met een brekingsindex van 1,537, terwijl het substraat silicium is dat veel wordt gebruikt in micro-elektronische en geïntegreerde schakelingen. ORMOCER (ORganically MOdified CERramics) zijn fotodoorlatende anorganische organische copolymeren met negatief resistgedrag. De kerngrootte is 3 μm x 4 μm met golfgeleider van het begraven type, zoals weergegeven in figuur 3. De poortscheiding van input / output is ontworpen om 250 μm te zijn met 100 μm verbindingsoffset voor pigtailing naar fiberlint.
Alle ontwerpparameters zijn vermeld in tabel 1 en tabel 2 voor AWG, centrale golflengte van 1,55 μm met kanaalafstand van respectievelijk 100 GHz en 1200 GHz. In het ontwerp is het brekingsindexcontrast tussen kern en bekleding vrij groot (~ 1,2%), wat resulteert in een kleine buigradius en bijdraagt aan een kleine spaanafmeting. Het koppelingsverlies tussen golfgeleider en vezel als gevolg van modusveldverschil neemt echter toe. De totale apparaatgrootte voor AWG met 100 GHz-afstand is 21,5 x 10 mm2 en 17,8 x 5 mm2 voor AWG met 1200 GHz-afstand. Dit verschil is te wijten aan de toename van de padlengte in AWG met een afstand van 100 GHz is groter dan AWG met een afstand van 1200 GHz met dezelfde oriëntatiehoek.
4. RESULTATEN EN DISCUSSIE
Het simulatieresultaat van AWG met kanaalafstand van 0,8 nm wordt weergegeven in figuur 4. Het toont de uitgangsverdeling van de 4-kanaals uitgangsgolfgeleiders. De uitgangskanalen hebben een golflengte van respectievelijk 1549,04 nm (λ1), 1549.872 nm (λ2), 1550.704 nm (λ3) en 1551.360 nm (λ4), die de gesimuleerde kanaalafstand van 0,832 nm aangeven. Aldus volgde de uitgangsgolflengte voor elk kanaal de ITU-specificatie, zelfs als deze enigszins is verschoven 0,032 nm die te klein is en kan worden verwaarloosd. Het maximale insertieverlies van 5,04 dB ligt echter bij kanaal 4 en het minimale insertieverlies van 3,88 dB ligt bij kanaal 2. De overspraak is minder dan -32,77 dB.
Tabel 3 toont de berekende uitvoerparameters van AWG met een kanaalafstand van 0,8 nm. Deze waarden zijn berekend op bandbreedte van -3 dB. Het bandbreedteniveau wordt gebruikt als referentie om de bandbreedtes te definiëren.
Voor AWG met kanaalafstand van 9,6 nm wordt het simulatieresultaat weergegeven in figuur 5. De vier uitgangsgolflengten Al, A2, A3 en X4 zijn respectievelijk bij 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm en 1572 nm. Het resultaat voor kanaalafstand is 10 nm, die enigszins verschilt van de ontwerpinvoerparameter, die 9,6 nm is. Ondertussen bevindt het maximale invoegverlies van 6,63 dB zich op kanaal 1 en het minimale invoegverlies van 5,30 dB bevindt zich op kanaal 3. De overspraak is minder dan -23 dB.
Figuur 5. Uitgangsspectrale reacties van 4-kanaals AWG met 1200 GHz kanaalafstand
Tabel 4 toont de berekende uitvoerparameters van AWG met kanaalafstand van 9,6 nm. Deze waarden zijn berekend op bandbreedteniveau van -3dB. De verkregen waarde voor kanaalafstand is 10 nm, wat binnen het bereik van CWDM-toepassingen ligt. Volgens de simulatieresultaten kwamen we erachter dat deze AWG's goed kunnen werken in DWDM- en CWDM-systeem.
5. PRESTATIEVERGELIJKING
De ontwikkeling van AWG-polymeermultiplexer is voor veel onderzoekers interessant geworden. Het eerste polymeer AWG gedemonstreerd door Hida et al. Dat gedeutereerd fluor-methacrylaat (d-PFMA) op siliconen substraat toepast. Deze AWG werkte echter alleen bij 1300 nm venster met enige polarisatieafhankelijkheid zo klein als 0,03 nm. Watanabe et al. Meldden dat 16 kanalen polymere AWG, bedreven bij 1550 nm, werd gerealiseerd met behulp van siliconenhars golfgeleider. Deze AWG-multiplexer heeft een invoegverlies in het bereik van 9 tot 13 dB, een overspraak minder dan –20 dB en een lage polarisatieafhankelijke golflengteverschuiving.
Leo [19] demonstreerde 2 x 8 AWG-polymeer op basis van CWDM (20 nm) bij een middengolflengte van 1520 nm met een totale apparaatgrootte van 23 mm x 2,5 mm. Het invoegverlies en overspraak blijken respectievelijk ongeveer 7 dB en -30 dB te zijn. Aan de andere kant stelde Razali [4 x 4 AWG-polymeer met een afstand van 0,8 nm (DWDM) voor bij een centrale golflengte van 1570 nm. Het apparaat heeft een invoegverlies van 3 dB en overspraakniveau minder dan -30 dB. De apparaatgrootte is 31 mm x 9 mm.
In dit artikel zijn de voorgestelde ontwerpen 4 x 4 AWGs-polymeer dat werkt bij een centrale golflengte van 1550 nm met een kanaalafstand van 0,8 nm en 9,6 nm. Opgemerkt wordt dat de invoegverliezen van de overeenkomstige kanaalafstand respectievelijk -5 dB en -6 dB zijn en het overspraakniveau respectievelijk -33 dB en -23 dB. De totale apparaatgrootte is 21,5 mm x 10 mm voor een afstand van 0,8 nm en 17,8 mm x 5 mm voor een afstand van 9,6 nm. Dit toont onvermijdelijk aan dat de AWG's voor CWDM- en DWDM-toepassingen kunnen worden gerealiseerd door gebruik te maken van BCB 4024-40-polymeer als geleidingsmateriaal.
6. CONCLUSIE
AWG's op basis van BCB-polymeer voor toepassingen in DWDM / CWDM zijn gepresenteerd. Van twee ontwerpen van vier kanalen AWG met overspraakniveau onder-32 dB en-23 dB is aangetoond dat ze werken in een communicatievenster van 1550 nm voor DWDM- en CWDM-toepassingen. Er kan worden geconcludeerd dat het BCB-polymeer kan worden beschouwd als een geschikte kandidaat voor de ontwikkeling van AWG omdat het goede prestaties vertoont voor DWDM- en CWDM-toepassingen.
