DISSENY DE GRADO DE WAVEGUIDE ARRAYED (AWG) PER A APLICACIONS DWDM / CWDM BASATES EN POLÍMER BCB
1. INTRODUCCIÓ
El multiplexatge de divisió de longitud d’ona (WDM) és un enfocament que pot explotar l’enorme desajust optoelectrònic d’amplada de banda exigint que l’equip de cada usuari final funcioni només a velocitat electrònica, però diversos canals WDM de diferents usuaris diferents poden multiplexar-se en la mateixa fibra. .
Hi ha dues alternatives per a les xarxes de metro WDM: WDM dens (DWDM) i WDM gruixut (CWDM). En entorns d'alta capacitat, s'utilitza DWDM. En DWDM, la separació de canals pot ser tan petita com 0,8 o 0,4 nm, fins a 80 canals òptics a velocitats de línia de fins a 10 Gbps. Les tecnologies DWDM són molt cares, de manera que la seva aplicació a les xarxes d’accés és difícil. En canvi, CWDM s'està fusionant com a solució robusta i econòmica. L’avantatge de la tecnologia CWDM rau en els seus components òptics de baix cost. CWDM ofereix solucions per a aplicacions de 850, 1.300 i 1.500 nm a 10 i 40 Gbps amb fins a 15 canals òptics entre 20 nm de distància. La tecnologia CWDM i DWDM tenen el seu lloc en les infraestructures de xarxa de metro actuals i emergents. Quan aquestes tecnologies s’utilitzen en combinació amb fibres òptiques adequades, els beneficis econòmics, que ajuden a disminuir els costos del sistema, són importants.
El rellotge de guia d'ona Arrayed (AWG) és un dels dispositius més prometedors per a multi / demultiplexer en el sistema WDM per la seva baixa pèrdua d'inserció, alta estabilitat i baix cost. La graella d’orientació d’ones en ordre es va proposar per primera vegada una solució al problema WDM per Smith el 1988 i va ser desenvolupada en els anys següents per Takahashi [que va informar dels primers dispositius que funcionaven a la finestra de longitud d’ona llarga. Dragonet.extend el concepte des d’1 x N demultiplexers fins a encaminadors d’allargament d’ona N x N, que tenen un paper important en l’aplicació de xarxa de diverses longituds d’ona.
El principal avantatge del AWG és que el seu cost no depèn del recompte de longitud d’ona com en la solució de filtres dielèctrics. Per tant, s’adapta a les aplicacions metropolitanes que requereixen rendibilitat dels grans recomptes de longitud d’ona. Un altre avantatge del AWG és la flexibilitat de seleccionar el número de canal i l'espai entre canals i, com a resultat, es poden fabricar diversos tipus de AWG de manera similar.
Els polímers ofereixen un excel·lent potencial per a la realització de components WDM de baix cost, ja que es poden fabricar fàcilment a baixa temperatura en diversos tipus de substrats. Els multi / demultiplexadors polimèrics AWG han cridat molta atenció a causa de la seva fàcil fabricació, el seu baix cost i el seu potencial d’integració amb altres dispositius com els interruptors termo-òptics de polímers per a aplicacions de multiplexor add-drop.
Atès que el polímer BenzoCylobutene (BCB4024-40) ofereix alguns avantatges com la baixa birefringència, una bona estabilitat tèrmica i una baixa dispersió de longitud d'ona, s'ha escollit material principal en aquest projecte. El polímer BCB es converteix en un material atractiu i s'ha utilitzat per a la fabricació de diversos dispositius òptics, per exemple, commutació òptica, guia d'ones òptiques polimèriques i divisor òptic d'interferències multimodes.
En aquest treball es presentarà un disseny proposat de 4 × 4 canals AWG convencionals que poden operar a una longitud d'ona central de 1,55 μm amb un espai entre canals de 100 GHz i 1200 GHz basat en un polímer BCB-4024 amb un índex de refracció de 1.5556.
2. FUNCIONAMENT BÀSIC
Generalment, el dispositiu AWG serveix de multiplexors, desmultiplexadors, filtres i dispositius add-drop en aplicacions òptiques WDM. La figura 1 mostra un esquema esquemàtic d’un demultiplexor AWG. El dispositiu consta de tres parts principals, que són múltiples guies d’ones d’entrada i sortida, dues aglomeradors d’estrelles d’eguide wav (o regió de propagació lliure (FPR)), connectades per una matriu de guies d’ones dispersives amb la diferència de longitud igual entre les guies d’ona adjacents. El principi de funcionament del multiplexor AWG / demultiplexer es descriu de la manera següent.
Figura 1. L’estructura del desmultiplexor AWG
Un senyal DWDM / CWDM llançat a una de les guies d'ona d'entrada serà difractat a la primera regió llosa i acoblat a la guia d'ona en matriu pel primer FPR. La longitud de les guies d'ona de la matriu s'ha dissenyat de manera que la diferència de longitud de la via òptica (ΔL) entre les guies d'ona de matèria adjacents sigui igual a un múltiple enter (m) de la longitud d'ona central (λc) del demultiplexer. Com a conseqüència, la distribució del camp a l’obertura d’entrada es reproduirà a l’obertura de sortida. Per tant, en aquesta longitud d’ona central, la llum se centra al centre del pla d’imatge (sempre que la guia d’ona d’entrada estigui centrada en el pla d’entrada).
Si la longitud d’ona d’entrada s’aboca d’aquesta longitud d’ona central, es produeixen canvis de fase a les branques de la matriu. A causa de la diferència de longitud de trajecte constant entre les guies d'ona adjacents, aquest canvi de fase augmenta linealment des de les guies d'ona de la matriu interior a la externa, cosa que fa que el front de l'ona s'inclini a l'obertura de sortida. En conseqüència, el punt focal del pla de la imatge es desvia del centre. Situant guies d'ona del receptor en posicions adequades al llarg del pla de la imatge, s'obté una separació espacial dels diferents canals de longitud d'ona.
3. DISSENY
A la figura 2. Es mostra la disposició esquemàtica del canal AWG 4 × 4 per a DWDM amb una longitud d'ona central de 1,55 μm. La posició del port d'entrada i de sortida està formada simètricament, que són idèntiques. L’eina de disseny WDM_PHASAR d’Optiwave®, s’ha utilitzat per dissenyar dos tipus de AWG de 4 canals que operen a una longitud d’ona central de 1,55 μm, amb una separació de canals de 0,8 nm i 9,6 nm, per a aplicacions DWDM i CWDM, respectivament.
L’índex de refracció del nucli de polímer BCB a 1,55 μm és de 1.5556. El revestiment és ORMOCER que té un índex de refracció de 1.537, mentre que el substrat és de silici que s’ha utilitzat àmpliament en circuits microelectrònics i integrats. ORMOCER (ORERGICAMENT MODified CERramics) és copolímers inorgànics fotopaternables amb un comportament de resistència negativa. La mida principal del nucli és de 3 μm x 4 μm amb guia d'ona de tipus enterrat, tal com es mostra a la figura 3. La separació del port d'entrada / sortida està dissenyada per ser de 250 μm amb una connexió de connexió de 100 μm per a la columna en forma de cinta de fibra.
Tots els paràmetres de disseny es mostren a la taula 1 i la taula 2 per a AWG, longitud d'ona central de 1,55 μm amb l'espai entre canals de 100 GHz i 1200 GHz, respectivament. En el disseny, el contrast d'índex de refracció entre nucli i revestiment és força gran (~ 1,2%), la qual cosa produeix un petit radi de flexió i contribueix a la mida del xip petit. Tanmateix, augmenta la pèrdua d’acoblament entre guia d’ona i fibra que resulten de la no concordança en camp de mode. La mida total del dispositiu per a AWG amb espaiació de 100 GHz és de 21,5 x 10 mm2 i 17,8 x 5 mm2 per a AWG amb espaiació de 1200 GHz. Aquesta diferència és deguda a que l’augment de longitud de ruta en AWG amb espaiació de 100 GHz és major que AWG amb espaiació de 1200 GHz amb el mateix angle d’orientació.
4. RESULTATS I DISCUSSIÓ
A la figura 4. es mostra el resultat de la simulació de AWG amb l'espai entre els canals de 0,8 nm. Mostra la distribució de sortida dels guies d'ona de sortida de quatre canals. Els canals de sortida tenen una longitud d'ona de 1549,04 nm (λ1), 1549,872 nm (λ2), 1550,704 nm (λ3) i 1551.360 nm (λ4) respectivament, que indiquen l'espai entre canals simulat de 0,832 nm. Així, la longitud d'ona de sortida per a cada canal seguia les especificacions UIT, fins i tot es desplaça lleugerament 0,032 nm, que és massa petita i es pot descuidar. Tanmateix, la pèrdua màxima d’inserció de 5,04 dB es troba al canal 4 i la pèrdua mínima d’inserció de 3,88 dB és al canal 2. La cruïlla inferior és de -32,77 dB.
La taula 3 mostra els paràmetres de sortida calculats d’AWG amb un espai d’espai entre canals de 0,8 nm. Aquests valors s'han calculat a un nivell d'ample de banda de -3 dB. El nivell d'ample de banda s'utilitza com a referència per definir l'ample de banda.
Per a AWG amb un espai entre els canals de 9,6 nm, el resultat de la simulació es mostra a la figura 5. Les quatre longituds d'ona de sortida λ1, λ2, λ3 i λ4 són a 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm i 1572 nm, respectivament. El resultat per a l’espai entre canals és de 10 nm, que és lleugerament diferent del paràmetre d’entrada de disseny, que és de 9,6 nm. Mentrestant, la pèrdua màxima d’inserció de 6,63 dB es troba al canal 1 i la pèrdua mínima d’inserció de 5,30 dB és al canal 3. La cruïlla inferior a -23 dB.
Figura 5. Sortida de respostes espectrals de AWG de 4 canals amb un espaiat entre canals de 1200 GHz
La taula 4 mostra els paràmetres de sortida calculats d'AWG amb un espaiat de canals de 9,6 nm. Aquests valors s'han calculat a un nivell d'ample de banda de -3dB. El valor per a l'espai entre canals obtingut és de 10 nm, que es troba en el rang d'aplicacions CWDM. D'acord amb els resultats de la simulació, es va esbrinar que aquests AWG poden funcionar correctament en els sistemes DWDM i CWDM.
5. COMPARACIÓ DE PERFORMANCES
El desenvolupament del multiplexor polimèric AWG ha esdevingut un interès per a molts investigadors. El primer polímer AWG demostrat per Hida et al aplicant fluoro-metacrilat deuterat (d-PFMA) sobre substrat de silicona. Tanmateix, aquest AWG només funcionava a una finestra de 1.300 nm amb una dependència de polarització tan petita com a 0.03 nm. Watanabe et al van informar que 16 canals AWG polimèrics operats a 1550 nm es van realitzar mitjançant un guia d'ona de resina de silicona. Aquest multiplexor AWG presenta una pèrdua d'inserció entre 9 i 13 dB, una intersecció inferior a -20 dB i un desplaçament de longitud d'ona de baixa polarització.
Leo [19] va demostrar un polímer de 2 x 8 AWG basat en CWDM (20 nm) a la longitud d'ona central de 1520 nm amb una mida total del dispositiu de 23 mm x 2,5 mm. La pèrdua d'inserció i la intersecció es troben al voltant de 7 dB i -30 dB, respectivament. D'altra banda, Razali [va proposar un polímer de 4 x 4 AWG amb un espai entre 0,8 nm (DWDM) operat a una longitud d'ona central de 1570 nm. El dispositiu té una pèrdua d'inserció de 3 dB i un nivell de cruïlla inferior a -30 dB. La mida del dispositiu és de 31 mm x 9 mm.
En aquest treball, els dissenys proposats són un polímer de 4 x 4 AWGs funcionat a una longitud d'ona central de 1550 nm amb una separació de canals de 0,8 nm i 9,6 nm. S'observa que les pèrdues d'inserció del corresponent espai d'espai entre els canals són -5 dB i -6 dB, respectivament, i el nivell de cruïlla és de -33 dB i -23 dB, respectivament. La mida total del dispositiu és de 21,5 mm x 10 mm per espaiar 0,8 nm i 17,8 mm x 5 mm per espaiar 9,6 nm. Inevitablement, això demostra que els AWG per a l'aplicació CWDM i DWDM es poden realitzar utilitzant el polímer BCB 4024-40 com a material de guia.
6. CONCLUSIÓ
S'han presentat AWGs basats en polímer BCB per a aplicacions en DWDM / CWDM. S'han demostrat que dos dissenys de quatre canals AWG amb nivell de crosstalk per sota de 32 dB i 23 dB funcionen a la finestra de comunicació de 1550 nm per a l'aplicació DWDM i CWDM. Es pot concloure que el polímer BCB es pot considerar com un candidat adequat per al desenvolupament d'AWG, ja que mostra un bon rendiment per a aplicacions DWDM i CWDM.