การออกแบบการจัดเกรด WAVEGUIDE GRATING (AWG) สำหรับการใช้งาน DWDM / CWDM อ้างอิงตาม BCB POLYMER
1. บทนำ
Wavelength-Division Multiplexing (WDM) เป็นวิธีการที่สามารถใช้ประโยชน์จากแบนด์วิธที่ไม่ตรงกับออปโตอิเล็กทรอนิกส์ขนาดใหญ่โดยกำหนดให้อุปกรณ์ของผู้ใช้ปลายทางแต่ละรายทำงานที่อัตราอิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น แต่ WDM หลายช่องจากผู้ใช้ปลายทางที่แตกต่างกัน .
มีสองทางเลือกสำหรับเครือข่ายรถไฟใต้ดิน WDM: หนาแน่น WDM (DWDM) และหยาบ WDM (CWDM) ในสภาพแวดล้อมที่มีความจุสูงจะใช้ DWDM ใน DWDM การแยกช่องสัญญาณอาจมีขนาดเล็กเพียง 0.8 หรือ 0.4 นาโนเมตรสำหรับช่องสัญญาณออปติคอลสูงสุด 80 ช่องที่อัตราสายสูงสุด 10 Gbps เทคโนโลยี DWDM มีราคาแพงมากดังนั้นแอปพลิเคชันในการเข้าถึงเครือข่ายจึงเป็นเรื่องยาก แต่ CWDM จะรวมกันเป็นโซลูชันที่แข็งแกร่งและประหยัด ข้อได้เปรียบของเทคโนโลยี CWDM อยู่ในส่วนประกอบออปติคัลราคาประหยัด CWDM นำเสนอโซลูชั่นสำหรับแอปพลิเคชัน 850, 1,300 และ 1,500 nm ที่ 10 และ 40 Gbps สำหรับช่องออพติคอลสูงสุด 15 ช่องทางแยกห่างกัน 20 นาโนเมตร ทั้งเทคโนโลยี CWDM และ DWDM มีสถานที่ในโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายรถไฟใต้ดินในปัจจุบันและที่เกิดขึ้นใหม่ เมื่อใช้เทคโนโลยีเหล่านี้ร่วมกับเส้นใยนำแสงที่เหมาะสมประโยชน์ทางเศรษฐกิจซึ่งช่วยลดค่าใช้จ่ายระบบมีความสำคัญ
Arrayed wave guide grating (AWG) เป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับ multi / demultiplexer ในระบบ WDM เนื่องจากการสูญเสียการแทรกต่ำความเสถียรสูงและต้นทุนต่ำ ตะแกรงคลื่นนำทางแบบอาเรย์ถูกเสนอเป็นครั้งแรกเพื่อแก้ปัญหา WDM โดย Smith ในปี 1988 และได้รับการพัฒนาต่อไปในปีต่อ ๆ มาโดย Takahashi [ผู้รายงานอุปกรณ์แรกที่ทำงานในหน้าต่างความยาวคลื่นยาว Dragonet.extended แนวความคิดจาก 1 x N demultiplexers ถึง N x N คลื่น lengt เราเตอร์ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการประยุกต์ใช้เครือข่ายหลายความยาวคลื่น
ข้อได้เปรียบที่สำคัญของ AWG คือค่าใช้จ่ายไม่ได้ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นนับเช่นเดียวกับในโซลูชั่นตัวกรองอิเล็กทริก ดังนั้นจึงเหมาะกับแอปพลิเคชันในเขตเมืองที่ต้องการความคุ้มค่าในการนับความยาวคลื่นขนาดใหญ่ ข้อดีอื่น ๆ ของ AWG คือความยืดหยุ่นในการเลือกหมายเลขช่องและระยะห่างของช่องสัญญาณและด้วยเหตุนี้ AWG หลายประเภทจึงสามารถประดิษฐ์ขึ้นมาในลักษณะเดียวกัน
โพลีเมอร์นำเสนอศักยภาพที่ยอดเยี่ยมสำหรับการรับรู้ส่วนประกอบ WDM ราคาถูกเพราะสามารถประดิษฐ์ได้ง่ายที่อุณหภูมิต่ำบนพื้นผิวหลากหลายชนิด Polymeric AWG multi / demultiplexers ได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีการผลิตที่ง่ายต้นทุนต่ำและศักยภาพของการรวมเข้ากับอุปกรณ์อื่น ๆ เช่นสวิตช์เทอร์โมสวิทช์แบบโพลีเมอร์
เนื่องจาก BenzoCylobutene (BCB4024-40) พอลิเมอร์มีข้อได้เปรียบบางอย่างเช่น birefringence ต่ำเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีและการกระจายความยาวคลื่นต่ำจึงได้รับเลือกเป็นวัสดุหลักในโครงการนี้ พอลิเมอร์ BCB กลายเป็นวัสดุที่น่าสนใจและถูกนำมาใช้ในการประดิษฐ์อุปกรณ์ออพติคอลต่าง ๆ เช่นการสลับออปติคอลคู่มือคลื่นแสงพอลิเมอร์
ในบทความนี้จะเสนอการออกแบบ AWG แบบ 4 × 4 แชนแนลทั่วไปที่สามารถทำงานที่ความยาวคลื่นกลางที่ 1.55 μmโดยมีระยะห่างของช่องสัญญาณที่ 100 GHz และ 1200 GHz ตาม BCB-4024 พอลิเมอร์ที่มีดัชนีการหักเหของแสงที่ 1.5556
2. การทำงานพื้นฐาน
โดยทั่วไปแล้วอุปกรณ์ AWG จะทำหน้าที่เป็นมัลติเพล็กเซอร์ส, ดีมัลติเพล็กเซอร์, ฟิลเตอร์และอุปกรณ์เสริมในแอพพลิเคชั่น WDM แบบออพติคัล รูปที่ 1 แสดงแผนผังแผนผังของอุปกรณ์แยกส่งสัญญาณ AWG อุปกรณ์ประกอบด้วยสามส่วนหลักซึ่งประกอบด้วยตัวนำทางคลื่นเข้าและออกหลายตัว, ตัวเชื่อมต่อ eguide star plab wav สองแผ่น (หรือภูมิภาคการแพร่กระจายอิสระ (FPR)), เชื่อมต่อกันด้วยแถวนำทางคลื่นกระจายที่มีความยาวเท่ากันระหว่าง หลักการทำงานของ AWG multiplexer / demultiplexer อธิบายไว้ดังต่อไปนี้
รูปที่ 1 โครงสร้างของ AWG demultiplexer
สัญญาณ DWDM / CWDM ที่เปิดตัวเป็นหนึ่งในตัวนำคลื่นอินพุทจะเลี้ยวเบนในพื้นที่แผ่นแรกและเชื่อมต่อกับท่อนำคลื่นแบบเรียงลำดับโดย FPR ตัวแรก ความยาวของตัวนำทางคลื่นอาเรย์ได้รับการออกแบบเพื่อให้ความแตกต่างความยาวเส้นทางออพติคัล (ΔL) ระหว่างตัวนำคลื่นอาเรย์ที่อยู่ติดกันเท่ากับจำนวนเต็ม (m) ของความยาวคลื่นกลาง (λc) ของอุปกรณ์แยกแสง ผลที่ตามมาคือการกระจายสนามที่ช่องรับแสงจะทำซ้ำที่ช่องรับแสง ดังนั้นที่ความยาวคลื่นกึ่งกลางนี้แสงจะโฟกัสที่กึ่งกลางของระนาบภาพ (โดยที่ตัวนำคลื่นอินพุทอยู่กึ่งกลางในระนาบอินพุต)
หากความยาวคลื่นอินพุทถูก detuned จากความยาวคลื่นกลางการเปลี่ยนแปลงเฟสจะเกิดขึ้นในแขนงของอาเรย์ เนื่องจากความแตกต่างของความยาวเส้นทางคงที่ระหว่างเส้นนำคลื่นที่อยู่ติดกันการเปลี่ยนเฟสนี้เพิ่มขึ้นแบบเส้นตรงจากเส้นนำคลื่นด้านในและด้านนอกซึ่งทำให้คลื่นด้านหน้าเอียงไปที่ช่องรับแสง ดังนั้นจุดโฟกัสในระนาบภาพจะถูกเลื่อนออกไปจากศูนย์กลาง เมื่อวางตัวนำทางคลื่นของตัวรับสัญญาณในตำแหน่งที่เหมาะสมตามแนวระนาบภาพจะได้รับการแยกเชิงพื้นที่ของช่องความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน
3. การออกแบบ
แผนผังแผนผังของ AWG 4 × 4 แชนเนลสำหรับ DWDM ที่มีความยาวคลื่นกลาง 1.55 μmแสดงในรูปที่ 2 ตำแหน่งของพอร์ตอินพุตและพอร์ตเอาต์พุตจะเกิดขึ้นแบบสมมาตรซึ่งเหมือนกัน เครื่องมือออกแบบ WDM_PHASAR จากOptiwave®ถูกใช้ในการออกแบบ 4 ช่องทางสองประเภท AWG ทำงานที่ความยาวคลื่นกลางที่ 1.55 μmโดยมีระยะห่าง 0.8 nm และ 9.6 nm สำหรับ DWDM และ CWDM ตามลำดับ
ดัชนีการหักเหของ BCB พอลิเมอร์คอร์ที่ 1.55 μmคือ 1.5556 การหุ้มคือ ORMOCER ซึ่งมีดัชนีการหักเหของแสงที่ 1.537 ในขณะที่สารตั้งต้นเป็นซิลิกอนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในไมโครอิเล็กทรอนิกส์และวงจรรวม ORMOCER (organically MOdified CERramics) เป็นโคพอลิเมอนินทรีย์ชนิดอนินทรีย์ที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงซึ่งมีพฤติกรรมต่อต้านเชิงลบ ขนาดแกนกลางคือ 3 μm x 4 μmพร้อมท่อนำคลื่นแบบฝังตามที่ปรากฎในรูปที่ 3 การแยกพอร์ตอินพุต / เอาท์พุตถูกออกแบบมาให้มีขนาด 250 μmพร้อมการเชื่อมต่อ 100 μmเพื่อชดเชยการพันด้วยริบบิ้น
พารามิเตอร์การออกแบบทั้งหมดมีการระบุไว้ในตารางที่ 1 และตารางที่ 2 สำหรับ AWG ความยาวคลื่นกลางที่ 1.55 μmโดยมีระยะห่างของช่องสัญญาณที่ 100 GHz และ 1200 GHz ตามลำดับ ในการออกแบบดัชนีการหักเหของความคมชัดระหว่างแกนกลางและหุ้มมีขนาดค่อนข้างใหญ่ (~ 1.2%) ซึ่งส่งผลให้รัศมีการโค้งงอเล็กน้อยและก่อให้เกิดขนาดชิปเล็ก อย่างไรก็ตามการสูญเสียการมีเพศสัมพันธ์ระหว่างท่อนำคลื่นและเส้นใยที่เป็นผลมาจากการที่ไม่ตรงกันของโหมดสนามเพิ่มขึ้น ขนาดอุปกรณ์ทั้งหมดสำหรับ AWG ที่มีระยะห่าง 100 GHz คือ 21.5 x 10mm2 และ 17.8 x 5 mm2 สำหรับ AWG ที่มีระยะห่าง 1200 GHz ความแตกต่างนี้เกิดจากการเพิ่มความยาวเส้นทางใน AWG ด้วยระยะห่าง 100GHz มากกว่า AWG ด้วยระยะห่าง 1200GHz ที่มีมุมการวางแนวเดียวกัน
4. ผลการทดลองและการอภิปราย
ผลการจำลองของ AWG ที่มีช่องว่าง 0.8 nm แสดงในรูปที่ 4 ซึ่งแสดงการกระจายสัญญาณของท่อนำคลื่นออก 4 ช่องสัญญาณ ช่องสัญญาณที่ความยาวคลื่น 1549.04 nm (λ1), 1549.872 nm (λ2), 1550.704 nm (λ3) และ 1551.360 nm (λ4) ตามลำดับซึ่งระบุระยะห่างของช่องสัญญาณจำลองที่ 0.832 nm ดังนั้นความยาวคลื่นขาออกของแต่ละช่องจะเป็นไปตามข้อกำหนดของ ITU แม้ว่าจะถูกปรับเปลี่ยนเล็กน้อย 0.032 นาโนเมตรซึ่งมีขนาดเล็กเกินไปและอาจถูกทอดทิ้งได้ อย่างไรก็ตามการสูญเสียการแทรกสูงสุด 5.04 เดซิเบลคือที่ช่อง 4 และการสูญเสียการแทรกขั้นต่ำ 3.88 เดซิเบลเป็นที่ช่อง 2 ครอสทอล์คน้อยกว่า -32.77 dB
ตารางที่ 3 แสดงพารามิเตอร์เอาต์พุตที่คำนวณได้ของ AWG ด้วยระยะห่างช่อง 0.8 nm ค่าเหล่านี้ถูกคำนวณที่ระดับแบนด์วิดธ์ -3 dB ระดับแบนด์วิดท์ใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงในการกำหนดแบนด์วิดท์
สำหรับ AWG ที่มีระยะห่างช่องสัญญาณ 9.6 nm ผลการจำลองจะแสดงในรูปที่ 5 ความยาวคลื่นเอาต์พุต output1, λ2, λ3และλ4อยู่ที่ 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm และ 1572 nm ตามลำดับ ผลลัพธ์สำหรับระยะห่างช่องสัญญาณคือ 10 นาโนเมตรซึ่งแตกต่างจากพารามิเตอร์อินพุตการออกแบบเล็กน้อยซึ่งคือ 9.6 นาโนเมตร ในขณะเดียวกันการสูญเสียการแทรกสูงสุด 6.63 เดซิเบลคือที่ช่อง 1 และการสูญเสียการแทรกต่ำสุดที่ 5.30 เดซิเบลเป็นที่ช่อง 3 ครอสทอล์คน้อยกว่า -23 เดซิเบล
รูปที่ 5 การตอบสนองทางสเปกตรัมเอาท์พุทของ AWG 4 ช่องสัญญาณที่มีระยะห่างช่อง 1200 GHz
ตารางที่ 4 แสดงพารามิเตอร์เอาต์พุตที่คำนวณได้ของ AWG พร้อมระยะห่างช่องสัญญาณ 9.6 nm ค่าเหล่านี้ถูกคำนวณที่ระดับแบนด์วิดธ์ -3dB ค่าระยะห่างของแชนเนลที่ได้รับคือ 10 นาโนเมตรซึ่งอยู่ในช่วงของการใช้งาน CWDM .. จากผลการจำลองเราพบว่า AWG เหล่านี้สามารถทำงานได้อย่างถูกต้องในระบบ DWDM และ CWDM
5. การเปรียบเทียบประสิทธิภาพ
การพัฒนาพอลิเมอร์ AWG แบบมัลติเพล็กเซอร์เป็นที่สนใจของนักวิจัยหลายคน AWG พอลิเมอร์ตัวแรกแสดงให้เห็นโดย Hida et al โดยการใช้ฟลูออโร - เมทาคริเลต (d-PFMA) บนดิวเตอเรชันบนพื้นผิวซิลิโคน อย่างไรก็ตาม AWG นี้ทำงานเฉพาะที่หน้าต่าง 1300 นาโนเมตรโดยมีการพึ่งพาโพลาไรซ์บางส่วนซึ่งมีขนาดเล็กเพียง 0.03 นาโนเมตร Watanabe et al รายงานว่ามี 16 ช่องพอลิเมอร์ AWG ที่อุณหภูมิ 1550 นาโนเมตรได้รับการใช้ซิลิโคนเรซิ่นท่อนำคลื่น มัลติเพล็กเซอร์ AWG นี้มีการสูญเสียการแทรกในช่วง 9 ถึง 13 เดซิเบล crosstalk น้อยกว่า –20 dB และการเปลี่ยนความยาวคลื่นขึ้นอยู่กับโพลาไรเซชันต่ำ
ลีโอ [19] สาธิตพอลิเมอร์ AWG ขนาด 2 x 8 โดยอิงจาก CWDM (20 นาโนเมตร) ที่ความยาวคลื่นกลาง 1520 นาโนเมตรโดยมีขนาดอุปกรณ์รวม 23 มม. x 2.5 มม. การสูญเสียการแทรกและ crosstalk พบว่าประมาณ 7 dB และ -30 dB ตามลำดับ ในอีกทางหนึ่ง Razali [เสนอพอลิเมอร์ AWG 4 x4 พร้อมระยะห่าง 0.8 นาโนเมตร (DWDM) ดำเนินการที่ความยาวคลื่นกลาง 1570 นาโนเมตร อุปกรณ์มีการสูญเสียการแทรก 3 dB และระดับ crosstalk น้อยกว่า -30 dB ขนาดของอุปกรณ์คือ 31 มม. x 9 มม.
ในบทความนี้การออกแบบที่เสนอคือพอลิเมอร์ AWG 4 x 4 ที่ทำงานที่ความยาวคลื่นกลางที่ 1,650 นาโนเมตรโดยมีระยะห่างของช่องสัญญาณที่ 0.8 nm และ 9.6 nm เป็นที่สังเกตว่าการสูญเสียการแทรกของระยะห่างของช่องสัญญาณที่สอดคล้องกันคือ -5 dB และ -6 dB ตามลำดับและระดับ crosstalk อยู่ที่ -33 dB และ -23 dB ตามลำดับ ขนาดอุปกรณ์ทั้งหมดคือ 21.5 มม. x 10 มม. สำหรับระยะห่าง 0.8 nm และ 17.8 มม. x 5 มม. สำหรับระยะห่าง 9.6 นาโนเมตร สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่า AWGs สำหรับแอพพลิเคชั่น CWDM และ DWDM สามารถรับรู้ได้โดยใช้พอลิเมอร์ BCB 4024-40 เป็นวัสดุชี้นำ
6. สรุป
AWGs ที่ใช้ BCB โพลิเมอร์สำหรับการใช้งานใน DWDM / CWDM ได้ถูกนำเสนอ การออกแบบสองช่องทาง AWG ที่มีระดับ crosstalk ต่ำกว่า -32 dB และ -23 dB ได้รับการสาธิตให้ทำงานในหน้าต่างการสื่อสาร 1550 nm สำหรับโปรแกรม DWDM และ CWDM สามารถสรุปได้ว่าพอลิเมอร์ BCB นั้นถือว่าเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับการพัฒนา AWG เพราะมันแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่ดีสำหรับการใช้งาน DWDM และ CWDM
