PROJEKTIRANJE NARUČENOG WAVEGUIDE GRATING-a (AWG) ZA DWDM / CWDM APLIKACIJE NA OSNOVU BCB POLYMER
1. UVOD
Multipleksiranje valnih duljina (WDM) pristup je koji može iskoristiti ogromnu opto-elektroničku propusnost propusnosti zahtijevajući da svaka oprema krajnjeg korisnika djeluje samo elektronskim putem, ali više WDM kanala od različitih krajnjih korisnika može biti multipleksirano na istom vlaknu .
Postoje dvije alternative za WDM mreže metroa: gusti WDM (DWDM) i grubi WDM (CWDM). U okruženjima velikog kapaciteta koristi se DWDM. U DWDM-u odvajanje kanala može biti samo 0,8 ili 0,4 nm, za do 80 optičkih kanala pri brzini linije do 10 Gbps. DWDM tehnologija je vrlo skupa, pa je njezina primjena na pristupnim mrežama teška. Umjesto toga, CWDM se spaja kao robusno i ekonomično rješenje. Prednost CWDM tehnologije leži u njenim jeftinim optičkim komponentama. CWDM nudi rješenja za 850, 1.300 i 1.500 nm aplikacija pri 10 i 40 Gbps na do 15 optičkih kanala udaljenih 20 nm. I CWDM i DWDM tehnologija imaju svoje mjesto u trenutnoj i novonastaloj metro-mrežnoj infrastrukturi. Kada se te tehnologije koriste u kombinaciji s odgovarajućim optičkim vlaknima, ekonomske koristi koje pomažu u spuštanju troškova sustava su značajne.
Arrayed val wave rešetka (AWG) jedan je od najperspektivnijih uređaja za multi / demultipleksere u WDM sistemu zbog niskog gubitka umetanja, visoke stabilnosti i niske cijene. Smith je 1988. prvi put predložio rješenje problema s WDM-om, a dalje ga je razvio Takahashi [koji je prijavio prve uređaje koji rade u prozoru duge valne duljine. Dragonet.exe proširio je koncept od 1 x N demultipleksera do N x N talasnih dužinskih rutera koji igraju važnu ulogu u primjeni u više talasnih mreža.
Ključna prednost AWG je ta što njegova cijena ne ovisi o broju valnih duljina kao u otopini dielektričnog filtra. Stoga odgovara gradskim aplikacijama koje zahtijevaju isplativost velikog broja talasnih duljina. Druga prednost AWG-a je fleksibilnost izbora broja kanala i razmaka kanala te, kao rezultat toga, različite vrste AWG-a mogu se proizvesti na sličan način.
Polimeri nude odličan potencijal za realizaciju jeftinih WDM komponenti jer se mogu lako izrađivati na niskim temperaturama na raznim vrstama podloga. Polimerni AWG multi / demultiplekseri privukli su mnogo pažnje zbog jednostavne izrade, niske cijene i potencijala integracije s drugim uređajima kao što su polimerni termo-optički prekidači za aplikacije multipleksa.
Budući da polimer BenzoCylobutene (BCB4024-40) nudi neke prednosti, poput niske bifrence, dobre termičke stabilnosti i male disperzije valnih duljina, u ovom projektu odabran je za osnovni materijal. BCB polimer postaje atraktivan materijal i koristi se za izradu različitih optičkih uređaja, na primjer, optičke sklopke, polimernog optičkog vodiča i optičkog razdjelnika za više modova.
U ovom radu će biti predstavljen predloženi dizajn konvencionalnog AWG 4 × 4 kanala koji može raditi na centralnoj talasnoj dužini od 1,55 µm s razmakom kanala od 100 GHz i 1200 GHz na bazi BCB-4024 polimera s indeksom loma 1,5556.
2. OSNOVNO POSLOVANJE
Općenito, AWG uređaji služe kao multiplekseri, demultiplekseri, filtri i uređaji za dodavanje u optičkim WDM aplikacijama. Slika 1 prikazuje shematski izgled AWG demultipleksera. Uređaj se sastoji od tri glavna dijela koji su višestruki vodilici ulaznih i izlaznih talasa, dva zvjezdana spojnica ploča-eguida (ili slobodno područje širenja (FPR)), povezanih disperzivnim valovnim nizom s jednakom razlikom duljine između susjednih valnih vodiča. Princip rada AWG multipleksera / demultipleksera opisan je na sljedeći način.
Slika 1. Struktura AWG demultipleksera
DWDM / CWDM signal koji se pokreće u jednom od vodiča ulaznog vala bit će difriran u prvom području ploče i povezan Fravedovim valovodom prvom FPR. Duljina vodilica valnih polja dizajnirana je tako da je optička razlika duljine puta (ΔL) između susjednih vodilica array jednaka cijeli broj (m) koji je višestruki od središnje valne duljine (λc) demultipleksera. Kao posljedica toga, distribucija polja na ulaznom otvoru će se reproducirati na izlaznom otvoru. Stoga se na ovoj središnjoj valnoj duljini svjetlost fokusira u središtu ravnine slike (pod uvjetom da je vodič ulaznog vala centriran u ulaznoj ravnini).
Ako se ulazna valna duljina smanji iz te središnje valne duljine, u granama polja se događaju fazne promjene. Zbog konstantne razlike u duljini puta između susjednih vodiča, ova promjena faze se linearno povećava od unutarnjih do vanjskih vodilica vala, što uzrokuje nagib fronta vala na izlaznom otvoru. Shodno tome, žarište u ravnini slike pomaknuto je od sredine. Postavljanjem vodiča vala prijemnika u ispravne položaje duž ravnine slike dobiva se prostorno odvajanje različitih kanala valnih duljina.
3. DIZAJN
Shematski izgled 4 × 4 kanala AWG za DWDM sa središnjom valnom duljinom od 1,55 µm prikazan je na slici 2. Položaj ulaznog i izlaznog priključka je simetrično oblikovan, koji su identični. WDM_PHASAR alat za dizajn tvrtke Optiwave®, korišten je za dizajniranje dvije vrste 4-kanalnog AWG-a koji djeluju na središnjoj valnoj duljini od 1,55 µm, s razmakom kanala od 0,8 nm i 9,6 nm, za DWDM i CWDM aplikacije, respektivno.
Indeks loma BCB polimerne jezgre na 1,55 µm je 1,5556. Obloga je ORMOCER koji ima indeks loma 1,537, a supstrat je silicij koji se široko koristi u mikroelektronskim i integriranim krugovima. ORMOCER (ORGically Modified CERramics) je fotopatternabilni anorganski organski kopolimeri s negativnim otpornim ponašanjem. Veličina jezgre je 3 µm x 4 µm s valovitim ukopanim tipom, kao što je prikazano na slici 3. Razdvajanje priključaka ulaza / izlaza dizajnirano je da bude 250 µm sa pomaknutim priključkom od 100 µm za pigtailing na vrpcu vlakana.
Svi parametri dizajna navedeni su u tablici 1 i tablici 2 za AWG, središnja valna duljina 1,55 µm s razmakom kanala od 100 GHz, odnosno 1200 GHz. U dizajnu je kontrast refrakcije između jezgre i oplate prilično velik (~ 1,2%), što rezultira malim polumjerom savijanja i doprinosi maloj veličini strugotine. Međutim, povećava se gubitak spajanja između valovoda i vlakana koji je rezultat neusklađenosti polja polja. Ukupna veličina uređaja za AWG sa razmakom od 100 GHz je 21,5 x 10 mm2 i 17,8 x 5 mm2 za AWG sa razmakom 1200 GHz. Ova razlika je zbog povećanja dužine putanje u AWG s razmakom od 100 GHz veća od AWG sa razmakom 1200GHz s istim kutom orijentacije.
4. REZULTATI I DISKUSIJA
Rezultat simulacije AWG s razmakom kanala od 0,8 nm prikazan je na slici 4. Prikazuje izlaznu raspodjelu izlaznih valnih vodiča s 4 kanala. Izlazni kanali su na valnim duljinama 1549,04 nm (λ1), 1549,872 nm (λ2), 1550,70 nm (λ3) i 1551,360 nm (λ4), što označava simulirani razmak kanala od 0,832 nm. Dakle, izlazna talasna dužina za svaki kanal slijedila je ITU specifikaciju, čak je i blago pomaknuta 0,032 nm što je premalo i može se zanemariti. Međutim, maksimalni gubitak umetanja od 5,04 dB je na kanalu 4, a minimalni gubitak 3,88 dB pri ulasku na kanal 2. Presjek je manji od -32,77 dB.
Tablica 3 prikazuje izračunate izlazne parametre AWG s razmakom kanala 0,8 nm. Ove vrijednosti su izračunate na nivou propusnosti od -3 dB. Razina propusne širine koristi se kao referenca za definiranje širine pojasa.
Za AWG s razmakom kanala od 9,6 nm, rezultat simulacije prikazan je na slici 5. Četiri izlazne valne duljine λ1, λ2, λ3 i λ4 su na 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm i 1572 nm. Rezultat za razmak kanala je 10 nm što je malo drugačije od dizajnerskog ulaznog parametra, a to je 9,6 nm. U međuvremenu, maksimalni gubitak umetanja od 6,63 dB je na kanalu 1, a minimalni gubitak 5,30 dB umetanja je na kanalu 3. Presjek je manji od -23 dB.
Slika 5. Izlazni spektralni odzivi 4-kanalnog AWG-a sa razmakom kanala od 1200 GHz
Tablica 4 prikazuje izračunate izlazne parametre AWG s razmakom od 9,6 nm. Ove vrijednosti su izračunate na nivou propusnosti od -3dB. Vrijednost za dobiveni razmak kanala je 10 nm što je u rasponu CWDM aplikacija. Prema rezultatima simulacije otkrili smo da ovi AWG-ovi mogu ispravno raditi u DWDM i CWDM sustavu.
5. upoređivanje performansi
Razvoj AWG polimernog multipleksera postao je zanimljiv za mnoge istraživače. Prvi polimerni AWG demonstrirao je Hida i sur. Primjenjujući deuterirani fluoro-metakrilat (d-PFMA) na silikonsku podlogu. Međutim, ovaj AWG je radio samo na prozoru od 1300 nm, s nekom polarizacijskom zavisnošću od samo 0,03 nm. Watanabe i suradnici izvijestili su da je 16 kanala polimerni AWG operiran na 1550 nm realiziran korištenjem valovoda silikonske smole. Ovaj AWG multiplekser ima gubitak umetanja u rasponu od 9 do 13 dB, preslušavanje manje od –20 dB i pomak valne duljine ovisan o polarizaciji.
Leo [19] demonstrirao je 2 x 8 AWG polimera na osnovu CWDM (20 nm) na središnjoj talasnoj dužini od 1520 nm ukupne veličine uređaja od 23 mm x 2,5 mm. Pokazalo se da gubitak umetanja i unakrsni razgovor iznosi oko 7 dB i -30 dB, respektivno. S druge strane, Razali [predložio je 4 x4 AWG polimer s razmakom 0,8 nm (DWDM) koji djeluje na središnjoj talasnoj dužini od 1570 nm. Uređaj ima gubitak umetanja od 3 dB i razinu preslušavanja manju od -30 dB. Veličina uređaja je 31 mm x 9 mm.
U ovom radu su predloženi dizajni polimer 4 A4 grupe AX, koji rade na središnjoj talasnoj dužini od 1550 nm s razmakom kanala od 0,8 nm i 9,6 nm. Uočeno je da su gubici umetanja odgovarajućeg razmaka kanala -5 dB i -6 dB, a razina unakrsnog razgovora je -33 dB, odnosno -23 dB, respektivno. Ukupna veličina uređaja je 21,5 mm x 10 mm za razmake 0,8 nm i 17,8 mm x 5 mm za razmak 9,6 nm. Ovo neizbježno pokazuje da se AWG za primjenu CWDM i DWDM mogu realizirati korištenjem polimera BCB 4024-40 kao vodećeg materijala.
6. ZAKLJUČAK
Predstavljeni su AWG-ovi na bazi BCB polimera za primjene u DWDM / CWDM. Pokazalo se da dva dizajna četverokanalnog AWG-a s razinom preslušavanja ispod-32 dB i-23 dB djeluju u komunikacijskom prozoru od 1550 nm za DWDM i CWDM primjenu. Može se zaključiti da se BCB polimer može smatrati prikladnim kandidatom za razvoj AWG-a jer pokazuje dobre performanse za DWDM i CWDM aplikacije.
