BCB polümeeril baseeruvate DWDM / CWDM rakenduste jaoks moodustatud lainepikenduse (AWG) kavand
1. SISSEJUHATUS
Lainepikkuse jagunemine (WDM) on lähenemisviis, mille abil saab ära kasutada tohutut optoelektroonilise ribalaiuse erinevust, nõudes, et iga lõppkasutaja seadmed töötaksid ainult elektroonilise kiirusega, kuid eri lõppkasutajate mitu WDM kanalit võiksid sama kiu kaudu multipleksida. .
WDM-i metroovõrkude jaoks on kaks alternatiivi: tihe WDM (DWDM) ja jäme WDM (CWDM). Suure võimsusega keskkondades kasutatakse DWDM-i. DWDM-is võib kanalite eraldus olla nii väike kui 0,8 või 0,4 nm, kuni 80 optilise kanali jaoks, kiirusel kuni 10 Gbps. DWDM-tehnoloogiad on väga kallid, seetõttu on nende rakendamine juurdepääsuvõrkudele keeruline. Selle asemel ühendab CWDM tugeva ja ökonoomse lahendusena. CWDM-tehnoloogia eeliseks on selle odavad optilised komponendid. CWDM pakub lahendusi 850, 1300 ja 1500 nm rakenduste jaoks kiirusel 10 ja 40 Gbps kuni 15 optilisele kanalile, mille vahekaugus on 20 nm. Nii CWDM- kui ka DWDM-tehnoloogial on oma koht praeguses ja kujunemas metroovõrgu infrastruktuuris. Kui neid tehnoloogiaid kasutatakse koos sobivate optiliste kiududega, on majanduslik kasu, mis aitab vähendada süsteemi kulusid, märkimisväärne.
Massiivne lainejuhtvõre (AWG) on üks paljulubavamaid seadmeid multi / demultiplekseri jaoks WDM-süsteemis, kuna sellel on väike sisestuskaotus, kõrge stabiilsus ja madalad kulud. Massiivi lainejuhtide resti pakkus Smith 1988. aastal esmakordselt WDM-i lahendusele ja järgmistel aastatel arendas seda edasi Takahashi [kes teatas esimestest pika lainepikkusega aknas töötavatest seadmetest. Dragonet.extender laiendas kontseptsiooni 1 x N demultiplekseritest N x N lainepikkusega ruuteriteni, millel on oluline roll mitme lainepikkusega võrgurakendustes.
AWG peamine eelis on see, et selle maksumus ei sõltu lainepikkuste arvust nagu dielektrilise filtri lahenduses. Seetõttu sobib see suurlinnarakendustele, mis nõuavad suurte lainepikkuste loendamise tasuvust. Veel üks AWG eelis on selle kanali numbri ja kanalite vahekauguse valimise paindlikkus ning selle tulemusel saab erinevat tüüpi AWG-sid valmistada sarnasel viisil.
Polümeerid pakuvad suurepärast potentsiaali odavate WDM-komponentide tootmiseks, kuna neid saab madalatel temperatuuridel mitmesugustel alustel hõlpsasti valmistada. Polümeersed AWG multi / demultiplekserid on pälvinud palju tähelepanu tänu selle lihtsale valmistamisele, odavatele kuludele ja võimalusele integreeruda teistesse seadmetesse, näiteks polümeersetesse optilistesse lülititesse, mis on ette nähtud lisa-multiplekseri rakenduste jaoks.
Kuna bensotsüklobuteenil (BCB4024-40) on polümeeril mõned eelised, näiteks madal kahekihilisus, hea termiline stabiilsus ja madal lainepikkuse dispersioon, on see selles projektis valitud tuumamaterjaliks. BCB polümeerist saab atraktiivne materjal ja seda on kasutatud mitmesuguste optiliste seadmete valmistamiseks, näiteks optiliseks lülitamiseks, polümeersete optiliste lainejuhtide ja mitmemoodiliste häiretega optiliseks jaoturiks.
Selles töös pakutakse välja 4x4 kanaliga tavapärase AWG kujundus, mis suudab töötada tsentraalsel lainepikkusel 1,55 μm kanalite vahekaugusega 100 GHz ja 1200 GHz, tuginedes BCB-4024 polümeerile murdumisnäitajaga 1,5556.
2. PÕHITEGEVUS
Üldiselt toimivad AWG-seadmed optiliste WDM-i rakenduste multiplekseritena, demultiplekseritena, filtritena ja lisaseadmetena. Joonis 1 näitab AWG demultiplekseri skemaatilist paigutust. Seade koosneb kolmest põhiosast, mis on mitu sisend- ja väljundlainejuhet, kaks tahvliga eguide tähtühendust (või vaba levimispiirkonda (FPR)), mis on ühendatud hajutava lainejuhtide maatriksiga, millel on võrdne pikkus külgnevate lainejuhtide vahel. AWG multiplekseri / demultiplekseri tööpõhimõtet kirjeldatakse järgmiselt.
Joonis 1. AWG demultiplekseri struktuur
Ühes sisendlainejuhises käivitatud DWDM / CWDM-signaal difrakteeritakse esimeses tahvlipiirkonnas ja ühendatakse massiivi lainejuhiks esimese FPR-ga. Massiivi lainejuhtide pikkus on konstrueeritud nii, et külgnevate massiivi lainejuhtide vaheline optilise tee pikkuse erinevus (AL) võrdub täisarvuga (m) demultiplekseri keskmise lainepikkuse (λ) kordajaga. Selle tulemusel korratakse väljundi jaotust sisendiavas väljundiavas. Seetõttu keskendub valgus sellel keskmisel lainepikkusel pilditasapinna keskele (eeldusel, et sisendlainejuhik on sisendtasapinna keskel).
Kui sisendlainepikkus on sellest keskmisest lainepikkusest eemaldatud, toimuvad faasi muutused massiivi harudes. Külgnevate lainejuhtide vahelise püsiva pikkuse erinevuse tõttu suureneb see faasimuutus lineaarselt massiivi sisemisest lainejuhist välimisse, mis põhjustab laine esiosa kallutamise väljundiava juures. Järelikult nihutatakse pilditasandi fookuspunkt keskelt eemale. Asetades vastuvõtja lainejuhikud kujutise tasapinnale õigetesse kohtadesse, saavutatakse erinevate lainepikkuste kanalite ruumiline eraldamine.
3. KUJUNDAMINE
4 × 4 kanaliga AWG skemaatiline paigutus DWDM jaoks, mille kesklainepikkus on 1,55 μm, on näidatud joonisel 2. Sisendpordi ja väljundpordi asukoht on sümmeetriliselt moodustatud, mis on identsed. Optiwave®-i WDM_PHASAR-i tööriista on kavandatud kahte tüüpi 4-kanalise AWG tüübi jaoks, mis töötavad keskmisel lainepikkusel 1,55 μm, kanalite vahekaugusega 0,8 nm ja 9,6 nm, vastavalt DWDM ja CWDM rakenduste jaoks.
BCB polümeersüdamiku murdumisnäitaja 1,55 μm juures on 1,5556.Koorekatteks on ORMOCER, mille murdumisnäitaja on 1,537, samas kui põhimik on räni, mida on laialdaselt kasutatud mikroelektroonilises ja integraallülituses. ORMOCER (ORganically MOdified CERramics) on foto-eelistatavad anorgaanilised orgaanilised kopolümeerid, millel on negatiivne vastupidavus. Tuuma suurus on 3 μm x 4 μm koos maetud tüüpi lainejuhiga, nagu on kujutatud joonisel 3. Kiudlindile pigistamiseks on sisendi / väljundi pordi eraldus kavandatud 250 μm, 100 μm ühendusnihkega.
Kõik projekteerimisparameetrid on loetletud tabelis 1 ja tabelis 2 AWG kohta, kesklainepikkus 1,55 μm, kanali vahekaugus vastavalt 100 GHz ja 1200 GHz. Kujunduses on murdumisnäitaja kontrast südamiku ja fassaadi vahel üsna suur (~ 1,2%), mille tulemuseks on väike painderaadius ja see aitab kaasa väiksemale kiibi suurusele. Režiimi-välja sobimatusest tulenev sideme kaotus lainejuhi ja kiudude vahel suureneb. 100 GHz vahekaugusega AWG jaoks on seadme kogu suurus 21,5 x 10 mm2 ja 1200 GHz vahega AWG jaoks 17,8 x 5 mm2. See erinevus tuleneb sellest, et 100 GHz vahekaugusega AWG tee pikkuse juurdekasv on suurem kui AWG sama orientatsiooninurgaga 1200 GHz vahekaugusega.
4. TULEMUSED JA ARUTELU
AWG simulatsioonitulemus kanalite vahekaugusega 0,8 nm on näidatud joonisel 4. See näitab 4 kanali väljundlainejuhete väljundjaotust. Väljundkanalid on lainepikkustel 1549,04 nm (λ1), 1549,872 nm (λ2), 1550,704 nm (λ3) ja 1551,360 nm (λ4), mis näitavad simuleeritud kanalite vahekaugust 0,832 nm. Seega järgis iga kanali väljundlainepikkus ITU spetsifikatsiooni, isegi kui see on pisut nihutatud 0,032 nm, mis on liiga väike ja mida saab tähelepanuta jätta. Maksimaalne sisestamiskaotus 5,04 dB on aga kanalil 4 ja minimaalne sisestamise kaotus 3,88 dB on kanalil 2. Läbikõrge on väiksem kui –32,77 dB.
Tabelis 3 on toodud AWG arvutatud väljundparameetrid 0,8 nm kanalite vahekaugusega. Need väärtused on arvutatud ribalaiuse tasemel -3 dB. Ribalaiuse määramisel kasutatakse referentsina ribalaiuse taset.
9,6 nm kanalite vahekaugusega AWG korral on simulatsiooni tulemus esitatud joonisel 5. Neli väljundlainepikkust λ1, λ2, λ3 ja λ4 on vastavalt 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm ja 1572 nm. Kanalite vahekaugus on 10 nm, mis erineb pisut kavandatud sisendparameetrist, mis on 9,6 nm. Samal ajal on maksimaalne sisestuskaotus 6,63 dB kanalil 1 ja minimaalne sisestuskadu 5,30 dB kanalil 3. Läbikinnitus on väiksem kui -23 dB.
Joonis 5. 4-kanalise AWG väljundspektri vastused 1200 GHz kanalite vahekaugusega
Tabelis 4 on toodud AWG arvutatud väljundparameetrid 9,6 nm kanalite vahekaugusega. Need väärtused on arvutatud ribalaiuse tasemel -3dB. Saadud kanalite vahe väärtus on 10 nm, mis jääb CWDM-i rakenduste vahemikku. Simulatsiooni tulemuste kohaselt saime teada, et need AWG-d võivad DWDM- ja CWDM-süsteemides korralikult töötada.
5. TEGEVUSVÕRDLUS
AWG polümeermultiplekseri arendamine on paljudele teadlastele huvi pakkunud. Esimene polümeer AWG, mida näitasid Hida jt, rakendades deutereeritud fluoro-metakrülaati (d-PFMA) silikoonsubstraadil. Kuid see AWG töötas ainult 1300 nm aknal, mõne polaarsuse sõltuvusega nii väike kui 0,03 nm. Watanabe jt teatasid 16 kanalist polümeerset AWG, mida töötati lainepikkusel 1550 nm, kasutades silikoonvaigu lainejuhet. Selle AWG-multiplekseri sisestuskaotus on vahemikus 9–13 dB, läbilõige väiksem kui –20 dB ja madala polaarsusega sõltuv lainepikkuse nihe.
Leo [19] demonstreeris CWDM (20 nm) baasil 2 x 8 AWG polümeeri, kesktelje lainepikkusel 1520 nm, seadme kogu suurusega 23 mm x 2,5 mm. Sisestuskaod ja läbilõiked on vastavalt umbes 7 dB ja -30 dB. Teisest küljest töötas Razali [0,8 nm (DWDM) vahekaugusega 4 x 4 AWG polümeeri, mille kesklainepikkus oli 1570 nm. Seadme sisestuskaotus on 3 dB ja läbilõike tase on alla -30 dB. Seadme mõõtmed on 31 mm x 9 mm.
Selles dokumendis on kavandatud kujundused 4 x 4 AWG-polümeeri, mida töödeldakse kesklainepikkusel 1550 nm kanalite vahekaugusega 0,8 nm ja 9,6 nm. Täheldatakse, et vastava kanalite vahekauguse sisestuskaod on vastavalt -5 dB ja -6 dB ning ülekandumise tase vastavalt -33 dB ja -23 dB. Seadme kogu suurus on 21,5 mm x 10 mm, kui vahe on 0,8 nm, ja 17,8 mm x 5 mm, kui vahe on 9,6 nm. Paratamatult näitab see, et CWDM-i ja DWDM-i rakenduste AWG-sid saab realiseerida, kasutades juhtmaterjalina polümeeri BCB 4024-40.
6. KOKKUVÕTE
Esitatud on BCB polümeeril põhinevad AWG-d kasutamiseks DWDM / CWDM-is. On tõestatud, et kaks nelja kanaliga AWG-kujundust, mille läbilõike tase on alla -32 dB ja -23 dB, töötavad 1550 nm sideaknas DWDM ja CWDM rakenduste jaoks. Võib järeldada, et BCB polümeeri võib pidada sobivaks kandidaadiks AWG väljatöötamiseks, kuna see näitab häid tulemusi DWDM ja CWDM rakenduste jaoks.
