ARBRĒTU WAVEGUIDE RĪNĪŠANAS (AWG) DWDM / CWDM PIETEIKUMU PARAUGS, KAS PAMATOTIES uz BCB POLIMĒRA
1. IEVADS
Viļņu garuma dalīšanas multipleksēšana (WDM) ir pieeja, kas var izmantot milzīgo optoelektronisko joslas platuma neatbilstību, pieprasot, lai katra galalietotāja aprīkojums darbotos tikai ar elektronisku ātrumu, bet vairākus WDM kanālus no dažādiem tiešajiem lietotājiem varētu multipleksēt vienā un tajā pašā šķiedrā. .
WDM metro tīkliem ir divas alternatīvas: blīvs WDM (DWDM) un rupjs WDM (CWDM). Vidē ar lielu ietilpību tiek izmantots DWDM. DWDM kanālu atdalīšana var būt tik maza kā 0,8 vai 0,4 nm, līdz 80 optiskajiem kanāliem ar līnijas ātrumu līdz 10 Gbps. DWDM tehnoloģijas ir ļoti dārgas, tāpēc to ir grūti izmantot piekļuves tīklos. Tā vietā CWDM apvienojas kā stabils un ekonomisks risinājums. CWDM tehnoloģijas priekšrocība ir tā lētajos optiskajos komponentos. CWDM piedāvā risinājumus 850, 1300 un 1500 nm lietojumiem ar ātrumu 10 un 40 Gbps līdz 15 optiskiem kanāliem, kas izvietoti 20 nm attālumā viens no otra. Gan CWDM, gan DWDM tehnoloģijai ir sava vieta pašreizējā un topošajā metro tīkla infrastruktūrā. Ja šīs tehnoloģijas tiek izmantotas kombinācijā ar piemērotām optiskajām šķiedrām, ekonomiskie ieguvumi, kas palīdz samazināt sistēmas izmaksas, ir ievērojami.
Masīva viļņu virzīšanas režģis (AWG) ir viena no daudzsološākajām multi-demultipleksatora ierīcēm WDM sistēmā, jo tai ir zems ievietošanas zudums, augsta stabilitāte un zemas izmaksas. Pirmoreiz 1988. gadā Smits ierosināja WDM problēmas risinājumu ar masīvu viļņu virzošo režģi, un turpmākajos gados to turpināja attīstīt Takahashi [kurš ziņoja par pirmajām ierīcēm, kas darbojas lielā viļņa garuma logā. Dragonet.extender paplašināja koncepciju no 1 x N demultiplekseriem līdz N x N viļņu garuma maršrutētājiem, kuriem ir liela nozīme daudzviļņu tīkla lietošanā.
Galvenā AWG priekšrocība ir tā, ka tā izmaksas nav atkarīgas no viļņu skaita, kā tas ir dielektriskā filtra risinājumā. Tāpēc tas ir piemērots lielpilsētu lietojumprogrammām, kurām nepieciešama rentabla liela viļņu skaita aprēķināšana. Cita AWG priekšrocība ir tās kanāla numura un kanālu atstatuma izvēles elastība, un līdz ar to dažāda veida AWG var tikt izgatavoti līdzīgā veidā.
Polimēri piedāvā lielisku zemu izmaksu WDM komponentu realizācijas potenciālu, jo tos var viegli izgatavot zemā temperatūrā uz dažāda veida pamatnēm. Polimēru AWG multi / demultiplekseri ir piesaistījuši daudz uzmanības, pateicoties tā vieglajai izgatavošanai, zemām izmaksām un iespējamajai integrācijai ar citām ierīcēm, piemēram, polimēru termo-optiskajiem slēdžiem, kas paredzēti pievienošanas-nomešanas multipleksoru lietojumiem.
Tā kā BenzoCylobutene (BCB4024-40) polimēram ir dažas priekšrocības, piemēram, zema divslīpuma pakāpe, laba termiskā stabilitāte un zema viļņa garuma izkliede, tas šajā projektā tika izvēlēts par galveno materiālu. BCB polimērs kļūst par pievilcīgu materiālu un tiek izmantots dažādu optisko ierīču ražošanā, piemēram, optiskajai komutācijai, polimēru optisko viļņu virzītājam un daudzmodu traucējumu optiskajam sadalītājam.
Šajā rakstā tiks piedāvāts 4x4 kanālu parastā AWG dizains, kas var darboties pie centrālā viļņa garuma 1,55 μm ar kanālu atstatumu 100 GHz un 1200 GHz, pamatojoties uz polimēru BCB-4024 ar refrakcijas koeficientu 1,5556.
2. PAMATDARBĪBA
Parasti AWG ierīce kalpo kā multipleksori, demultiplekseri, filtri un papildu pievienošanas ierīces optiskajās WDM lietojumprogrammās. 1. attēlā parādīts AWG demultipleksatora shematisks izkārtojums. Ierīce sastāv no trim galvenajām daļām, kas ir vairākas ieejas un izejas viļņu vadotnes, divi plātņu viļņveida zvaigžņu savienojumi (vai brīvā izplatīšanās reģions (FPR)), kas savienoti ar izkliedējošu viļņu virzītāju bloku ar vienādu garuma starpību starp blakus esošajiem viļņu virzītājiem. AWG multiplekseru / demultiplekseru darbības princips ir aprakstīts šādi.
1. attēls. AWG demultipleksatora struktūra
DWDM / CWDM signāls, kas tiek palaists vienā no ieejas viļņu vadotnēm, tiks izkliedēts pirmajā plāksnes reģionā un pirmais FPR savienots ar masīva viļņa vadu. Masīva viļņu vadotņu garums ir konstruēts tā, lai optiskā ceļa garuma starpība (ΔL) starp blakus esošajām masīva viļņu vadotnēm būtu vienāda ar veselu skaitli (m) no demultipleksora centrālā viļņa garuma (λc) reizinājuma. Rezultātā lauka sadalījums ieejas apertūrā tiks reproducēts pie izejas apertūras. Tāpēc šajā centra viļņa garumā gaisma koncentrējas attēla plaknes centrā (ar nosacījumu, ka ieejas viļņa vadotne ir centrēta ieejas plaknē).
Ja ieejas viļņa garums tiek atdalīts no šī centrālā viļņa garuma, masīva zaros notiek fāzes izmaiņas. Sakarā ar pastāvīgo ceļa garuma starpību starp blakus esošajām viļņu vadotnēm, šī fāzes maiņa lineāri palielinās no iekšējā uz ārējo masīva viļņu vadotnēm, kā rezultātā viļņa priekšpuse tiek sasvērta izejas atverē. Rezultātā fokusa punkts attēla plaknē tiek novirzīts prom no centra. Novietojot uztvērēja viļņu vadotnes pareizajās pozīcijās gar attēla plakni, iegūst dažādu viļņu garuma kanālu telpisko atdalīšanu.
3. DIZAINS
4 × 4 kanālu AWG shematisks izkārtojums DWDM ar centrālā viļņa garumu 1,55 μm parādīts 2. attēlā. Ieejas porta un izejas porta pozīcija ir simetriski izveidota, un tās ir identiskas. WDM_PHASAR projektēšanas rīks no Optiwave® ir izmantots, lai izstrādātu divu veidu 4 kanālu AWG, kas darbojas attiecīgi ar centrālo viļņa garumu 1,55 μm ar kanālu atstatumu 0,8 nm un 9,6 nm, attiecīgi DWDM un CWDM.
BCB polimēra refrakcijas indekss pie 1,55 μm ir 1,5556. Apšuvums ir ORMOCER, kura refrakcijas koeficients ir 1,537, bet substrāts ir silīcijs, ko plaši izmanto mikroelektronikā un integrētajā shēmā. ORMOCER (ORganically MOdified CERramics) ir fotopatērēti neorganiski neorganiski kopolimēri ar negatīvu pretestības izturēšanos. Kodola izmērs ir 3 μm x 4 μm ar aprakta tipa viļņvada palīdzību, kā parādīts 3. attēlā. Ieejas / izejas portu atdalījums ir paredzēts 250 μm ar 100 μm savienojuma nobīdi, lai savienotu ar šķiedru lenti.
Visi projektētie parametri ir uzskaitīti 1. un 2. tabulā AWG, centrālā viļņa garumam 1,55 μm ar attiecīgi 100 GHz un 1200 GHz kanālu atstatumu. Projektācijā refrakcijas indeksa kontrasts starp serdi un apšuvumu ir diezgan liels (~ 1,2%), kas rada nelielu lieces rādiusu un veicina mazu mikroshēmas izmēru. Tomēr palielinās savienojuma zudumi starp viļņvada un šķiedru, kas rodas režīma un lauka neatbilstības dēļ. Kopējais ierīces lielums AWG ar atstarpi 100 GHz ir 21,5 x 10 mm2 un 17,8 x 5 mm2 AWG ar atstarpi 1200 GHz. Šī atšķirība ir saistīta ar ceļa garuma pieaugumu AWG ar atstarpi 100GHz ir lielāka nekā AWG ar 1200GHz atstarpi ar tādu pašu orientācijas leņķi.
4. REZULTĀTI UN Diskusija
AWG simulācijas rezultāts ar kanālu atstatumu 0,8 nm parādīts 4. attēlā. Tas parāda 4 kanālu izejas viļņvada izejas sadalījumu. Izejas kanāli atrodas attiecīgi pie viļņa garuma 1549,04 nm (λ1), 1549,872 nm (λ2), 1550,704 nm (λ3) un 1551,360 nm (λ4), kas norāda simulēto kanālu atstatumu 0,832 nm. Tādējādi katra kanāla izejas viļņa garums sekoja ITU specifikācijām, pat ja tas ir nedaudz nobīdīts par 0,032 nm, kas ir pārāk mazs un ko var atstāt novārtā. Tomēr maksimālais ievietošanas zudums 5,04 dB ir 4. kanālā, bet minimālais ievietošanas zudums 3,88 dB ir 2. kanālā. Krossavienojums ir mazāks par –32,77 dB.
3. tabulā parādīti AWG aprēķinātie izejas parametri ar 0,8 nm kanālu atstatumu. Šīs vērtības ir aprēķinātas joslas platuma līmenī -3 dB. Joslas platuma līmenis tiek izmantots kā atsauce joslas platuma noteikšanai.
AWG ar kanālu atstatumu 9,6 nm simulācijas rezultāts parādīts 5. attēlā. Četri izejas viļņu garumi λ1, λ2, λ3 un λ4 ir attiecīgi pie 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm un 1572 nm. Kanālu atstatuma rezultāts ir 10 nm, kas nedaudz atšķiras no projektētā ievades parametra, kas ir 9,6 nm. Tikmēr maksimālie ievietošanas zudumi 6,63 dB ir 1. kanālā, bet minimālie ievietošanas zudumi - 5,30 dB ir 3. kanālā. Kroskops ir mazāks par -23 dB.
5. attēls. 4 kanālu AWG izejas spektrālās atbildes ar 1200 GHz kanālu atstatumu
4. tabulā parādīti AWG aprēķinātie izejas parametri ar 9,6 nm kanālu atstatumu. Šīs vērtības ir aprēķinātas joslas platuma līmenī -3dB. Iegūtā kanālu atstatuma vērtība ir 10 nm, kas ir CWDM lietojumu diapazonā. Saskaņā ar simulācijas rezultātiem mēs uzzinājām, ka šie AWG var pareizi darboties DWDM un CWDM sistēmā.
5. DARBĪBAS SALĪDZINĀJUMS
Daudzu pētnieku interese ir par AWG polimēra multipleksora izstrādi. Pirmais polimērs AWG, kuru demonstrēja Hida et al., Uz silikona substrāta pieliekot deuterētu fluora metakrilātu (d-PFMA). Tomēr šis AWG darbojās tikai pie 1300 nm loga ar zināmu polarizācijas atkarību tik mazu kā 0,03 nm. Watanabe et al. Ziņoja par 16 kanālu polimēru AWG, kas darbojas pie 1550 nm, izmantojot silikona sveķu viļņvadu. Šim AWG multiplekserim ir ievietošanas zudums diapazonā no 9 līdz 13 dB, šķērsruna ir mazāka par –20 dB un zema polarizācijas atkarīga viļņa garuma nobīde.
Leo [19] demonstrēja 2 x 8 AWG polimērus, kuru pamatā ir CWDM (20 nm), ar centra viļņa garumu 1520 nm un kopējo ierīces izmēru 23 mm x 2,5 mm. Ievietošanas zudums un šķērsruna ir attiecīgi aptuveni 7 dB un -30 dB. No otras puses, Razali [ierosinātais 4 x 4 AWG polimērs ar 0,8 nm (DWDM) atstarpi darbojās pie centra viļņa garuma 1570 nm. Ierīces ievietošanas zudums ir 3 dB un šķērsruna līmenis ir mazāks par -30 dB. Ierīces izmērs ir 31 mm x 9 mm.
Šajā rakstā piedāvātie dizainparaugi ir 4 x 4 AWG polimēri, kas darbojas pie centrālā viļņa garuma 1550 nm ar kanālu atstatumu 0,8 nm un 9,6 nm. Tiek novērots, ka atbilstošo kanālu atstatuma ievietošanas zudumi ir attiecīgi -5 dB un -6 dB un šķērsruna līmenis ir attiecīgi -33 dB un -23 dB. Kopējais ierīces izmērs ir 21,5 mm x 10 mm, ja attālums ir 0,8 nm, un 17,8 mm x 5 mm, ja attālums ir 9,6 nm. Neizbēgami tas parāda, ka AWG CWDM un DWDM pielietojumam var tikt realizēti, par virzošo materiālu izmantojot polimēru BCB 4024-40.
6. SECINĀJUMS
Ir iesniegti AWG, kuru pamatā ir BCB polimērs, izmantošanai DWDM / CWDM. Ir pierādīts, ka divi četru kanālu AWG modeļi ar šķērsruna līmeni zem -32 dB un-23 dB darbojas 1550 nm komunikāciju logā DWDM un CWDM lietojumiem. Var secināt, ka BCB polimēru var uzskatīt par piemērotu kandidātu AWG izstrādei, jo tas parāda labu sniegumu DWDM un CWDM lietojumiem.
