תכנון מגרדת גלישה מקוונת (AWG) ליישומי DWDM / CWDM המבוססים על פולימרית BCB
1. הקדמה
ריבוי חלוקות גל אורך גל (WDM) הוא גישה שיכולה לנצל את חוסר ההתאמה הרוחב הפס האופטו האלקטרוני העצום על ידי דרישה כי הציוד של כל משתמש קצה יפעל רק בקצב אלקטרוני, אך ניתן לערוך ריבוי ערוצי WDM ממשתמשי קצה שונים על אותו סיב. .
יש שתי אלטרנטיבות לרשתות מטרו WDM: WDM צפוף (DWDM) ו- WDM גס (CWDM). בסביבות בעלות קיבולת גבוהה משתמשים ב- DWDM. ב- DWDM, הפרדת הערוצים יכולה להיות קטנה כמו 0.8 או 0.4 ננומטר, עד 80 ערוצים אופטיים בקווי קו עד 10 ג'יגה-סיביות. טכנולוגיות DWDM יקרות מאוד, ולכן היישום שלה לרשתות גישה קשה. במקום זאת, CWDM מתמזג כפתרון חסון וחסכוני. היתרון של טכנולוגיית CWDM טמון ברכיבים אופטיים בעלות נמוכה. CWDM מציעה פתרונות ליישומים 850, 1,300 ו- 1,500 ננומטר במהירות 10 ו 40 ג'יגה-סיביות לשנייה עד 15 ערוצים אופטיים המרוחקים 20 ננומטר זה מזה. גם טכנולוגיית CWDM וגם DWDM יש את מקומם בתשתית רשת המטרו הנוכחית והמתפתחת. כאשר משתמשים בטכנולוגיות אלה בשילוב עם סיבים אופטיים מתאימים, היתרונות הכלכליים, המסייעים בהוזלת עלויות המערכת, משמעותיים.
סורגת גל של מערך גלים (AWG) היא אחד המכשירים המבטיחים ביותר למולטי / דמולטפלקסר במערכת WDM בגלל אובדן הכניסה נמוך, יציבות גבוהה ועלות נמוכה. סורג מוליך הגלים המשולב הוצע לראשונה פיתרון לבעיית ה- WDM על ידי סמית בשנת 1988 והוא פותח עוד יותר בשנים שלאחר מכן על ידי טקהאשי [שדיווח על המכשירים הראשונים שפועלים בחלון אורך הגל הארוך. Dragonet.extender את הרעיון מ- 1 x N demultiplexers לנתבים באורך גל N x N הממלאים תפקיד חשוב ביישום רשת אורך גל רב.
היתרון העיקרי של ה- AWG הוא שעלותו אינה תלויה בספירת אורך הגל כמו בפתרון המסנן הדיאלקטרי. לכן זה מתאים ליישומי מטרופולין הדורשים חסכונית של ספירות באורך גל גדול. יתרון נוסף של ה- AWG הוא הגמישות בבחירת מספר הערוץ שלו ומרווח הערוצים וכתוצאה מכך ניתן לייצר סוגים שונים של AWG בצורה דומה.
פולימרים מציעים פוטנציאל מצוין למימוש רכיבי WDM בעלות נמוכה מכיוון שניתן לייצר אותם בקלות בטמפרטורה נמוכה על מצעים שונים. ריבוי / demultiplexers פולימריים AWG משכו תשומת לב רבה בזכות ייצור קל, עלותם הנמוכה, ופוטנציאל השילוב עם מכשירים אחרים כמו מתגים תרמו-אופטיים פולימרים ליישומי מרבב להוסיף.
מכיוון שהפולימר של BenzoCylobutene (BCB4024-40) מציע יתרונות מסוימים כמו צפיפות נמוכה, יציבות תרמית טובה ופיזור אורך גל נמוך, הוא נבחר כחומר ליבה בפרויקט זה. פולימר BCB הופך לחומר אטרקטיבי ומשמש לייצור התקנים אופטיים שונים, למשל, מיתוג אופטי, מדריך גל אופטי פולימרי ומפצל אופטי להפרעות מולטימודים.
במאמר זה יוצג תכנון מוצע של 4 × 4 ערוצי AWG קונבנציונליים המסוגלים לפעול באורך גל מרכזי של 1.55 מיקרומטר עם מרווח ערוצים של 100 ג'יגה הרץ ו- 1200 ג'יגה הרץ על בסיס פולימר BCB-4024 עם אינדקס שבירה של 1.5556.
2. פעולה בסיסית
באופן כללי, מכשירי AWG משמשים כמרבבים, דמולטפלקסרים, פילטרים והתקני הוספת טיפ באפליקציות WDM אופטיות. איור 1 מציג מתווה סכמטי של Demultiplexer של AWG. המכשיר מורכב משלושה חלקים עיקריים שהם מכווני גל קלט ויציאה מרובים, שני מצמדי כוכב גלגלים עם גלגלים (או אזור התפשטות חופשית (FPR)), המחוברים על ידי מערך גלים מפזר גל עם הפרש אורך שווה בין מכווני גל סמוכים. עקרון הפעולה של מכפיל / דמולטפלקסר AWG מתואר כדלקמן.
איור 1. איור 1. המבנה של Demultiplexer של AWG
אות DWDM / CWDM שהושק באחד ממדריכי גלי הקלט יופרק באזור הלוח הראשון ויוצמד למוליך הגלים הממוקם על ידי ה- FPR הראשון. אורך מכווני גל המערך תוכנן כך שהפרש אורך הנתיב האופטי (ΔL) בין קווי גל מערך סמוכים שווה למספר שלם (m) של אורך הגל המרכזי (λ) של הדמולטפלקסר. כתוצאה מכך, חלוקת השדה בצמצם הקלט תועתנה בצמצם הפלט. לכן, באורך הגל המרכזי הזה האור מתמקד במרכז מישור התמונה (בתנאי שמדריך גל הקלט ממוקד במישור הקלט).
אם אורך הגל הקלט מנותק מאורך הגל המרכזי הזה, שינויים בפאז מתרחשים בענפי המערך. בשל הפרש אורך הנתיב הקבוע בין מכווני הגל הסמוכים, שינוי פאזה זה גדל באופן ליניארי ממוליכי הגל המערך הפנימיים לחיצוניים, מה שגורם להטיה של חזית הגל בפתח היציאה. כתוצאה מכך נקודת המוקד במישור התמונה מתרחקת מהמרכז. על ידי הצבת מכווני גל מקלטים במיקומים מתאימים לאורך מישור התמונה, מתקבלת הפרדה מרחבית של ערוצי אורך הגל השונים.
3. תכנון
המתאר הסכמטי של ערוץ 4 × 4 ערוץ AWG עבור DWDM עם אורך גל מרכזי של 1.55 מיקרומטר מוצג באיור 2. המיקום של יציאת הקלט ויציאת הפלט נוצרת באופן סימטרי, זהים זה לזה. כלי העיצוב WDM_PHASAR מבית Optiwave®, שימש לעיצוב שני סוגים של 4 ערוצים AWG הפועלים באורך גל מרכזי של 1.55 מיקרומטר, עם מרווח ערוצים של 0.8 ננומטר ו- 9.6 ננומטר, ליישומי DWDM ו- CWDM, בהתאמה.
מדד השבירה של ליבת הפולימר של BCB בגודל 1.55 מיקרומטר הוא 1.5556. החיפוי הוא ORMOCER שיש לו אינדקס שבירה של 1.537 ואילו המצע הוא סיליקון אשר נעשה שימוש נרחב במעגל מיקרואלקטרוני ומשולב. ORMOCER (CERramics MOdified ORganically) הם קופולימרים אנאורגניים אורגניים פוטו-נטענריים עם התנהגות שלילית להתנגד. גודל הליבה הוא 3 מיקרומטר x 4 מיקרומטר עם מוליך גל מסוג קבור, כמתואר באיור 3. הפרדת הנמל של הכניסה / תפוקה מתוכננת להיות 250 מיקרומטר עם קיזוז חיבור של 100 מיקרומטר לצורך צמה לסרט.
כל פרמטרי התכנון מופיעים בטבלה 1 ובטבלה 2 עבור AWG, אורך גל מרכזי של 1.55 מיקרומטר עם מרווח ערוצים של 100 ג'יגה הרץ ו- 1200 ג'יגה הרץ, בהתאמה. בתכנון, הניגוד למדד השבירה בין ליבת לחיפוי גדול למדי (~ 1.2%), מה שמביא לרדיוס כיפוף קטן ותורם לגודל השבב הקטן. עם זאת, אובדן הצימוד בין מוליך הגל לסיבים הנובעים מאי התאמת מצב שדה עולה. גודל המכשיר הכולל עבור AWG עם מרווח של 100 ג'יגה הרץ הוא 21.5 על 10 מ"מ 2 ו -17.8 על 5 מ"מ 2 עבור AWG עם רווח של 1200 ג'יגה הרץ. הבדל זה נובע מתוספת אורך הנתיב ב- AWG עם מרווח 100GHz גדול יותר מ- AWG עם מרווח 1200GHz באותה זווית כיוון.
4. תוצאות ודיון
תוצאת הסימולציה של AWG עם מרווח ערוצים של 0.8 ננומטר מוצגת באיור 4. היא מציגה את התפלגות הפלט של 4 מדריכי הגל היוצאים של הערוץ. ערוצי הפלט הם באורכי גל 1549.04 ננומטר (λ1), 1549.872 ננומטר (λ2), 1550.704 ננומטר (λ3) ו- 1551.360 ננומטר (λ4) בהתאמה, אשר מצביעים על מרווח הערוצים המדומה של 0.832 ננומטר. לפיכך, אורך גל פלט עבור כל ערוץ עקב אחר מפרט ה- ITU, אפילו הוא מוזז מעט 0.032 ננומטר שהוא קטן מדי וניתן להזניח אותו. עם זאת, אובדן ההכנסה המרבי של 5.04 dB הוא בערוץ 4 ואובדן ההכנסה המינימלי של 3.88 dB הוא בערוץ 2. המפגש הוא פחות מ -32.77 dB.
טבלה 3 מציגה את פרמטרי הפלט המחושבים של AWG עם מרווח ערוצים 0.8 ננומטר. ערכים אלה חושבו ברוחב הפס של -3 dB. רמת רוחב הפס משמשת כהפניה להגדרת רוחב הפס.
עבור AWG עם מרווח ערוצים של 9.6 ננומטר, תוצאת הסימולציה מוצגת באיור 5. ארבעת אורכי הגל הפלטים λ1, λ2, λ3 ו- λ4 הם על 1542 ננומטר, 1552 ננומטר, 1562 ננומטר ו- 1572 ננומטר, בהתאמה. התוצאה למרווח הערוצים היא 10 ננומטר וזה שונה במקצת מפרמטר הזנת העיצוב, שהוא 9.6 ננומטר. בינתיים, אובדן ההכנסה המרבי של 6.63 dB הוא בערוץ 1 ואובדן ההכנסה המינימלי של 5.30 dB הוא בערוץ 3. המפגש הוא פחות מ -23 dB.
איור 5. תשובות ספקטרליות פלטות של 4 ערוצים AWG עם מרווח ערוצים 1200 ג'יגה הרץ
טבלה 4 מציגה את פרמטרי הפלט המחושבים של AWG עם מרווח ערוצים 9.6 ננומטר. ערכים אלה חושבו ברוחב הפס של -3dB. הערך למרווח הערוצים המתקבל הוא 10 ננומטר שנמצא בטווח היישומים של CWDM..באם תוצאות הסימולציה גילינו ש- AWGs אלה יכולים לעבוד כראוי במערכת DWDM ו- CWDM.
5. השוואה בין ביצועים
פיתוח רב-מכפיל פולימרים AWG הפך לעניין חוקרים רבים. הפולימר AWG הראשון שהודגם על ידי Hida et al החלת פלואורו-מתקרילט deuterated (d-PFMA) על מצע סיליקון. עם זאת AWG זה פעל רק בחלון של 1300 ננומטר עם תלות קיטוב קטנה עד 0,03 ננומטר. ווטאנאבה ואחרים דיווחו כי 16 ערוצים AWG פולימריים שהופעלו ב 1550 ננומטר התגשם באמצעות גל שרף סיליקון. למכפיל AWG זה אובדן הכנסה בטווח של 9 עד 13 dB, מעבר קבוע פחות מ- –20 dB ושינוי אורך גל תלוי בקיטוב.
ליאו [19] הדגים פולימר 2 x 8 AWG על בסיס CWDM (20 ננומטר) באורך גל מרכזי של 1520 ננומטר, עם גודל מכשיר כולל של 23 מ"מ x 2.5 מ"מ. אובדן ההכנסה ומעבר הצלב נמצאים כ- 7 dB ו- -30 dB בהתאמה. מצד שני, Razali [הציע פולימר 4 x 4 AWG עם מרווח של 0.8 ננומטר (DWDM)) שפעל באורך גל מרכזי של 1570 ננומטר. למכשיר אובדן הכנסה של 3 dB ורמת מעבר בין פחות מ -30 dB. גודל המכשיר הוא 31 מ"מ על 9 מ"מ.
במאמר זה, העיצובים המוצעים הם פולימר 4 x 4 AWGs הפועלים באורך גל מרכזי של 1550 ננומטר עם מרווח ערוצים של 0.8 ננומטר ו -9.6 ננומטר. נציין כי הפסדי ההכנסה של מרווח הערוצים המקביל הם -5 dB ו- -6 dB בהתאמה ורמת המפגש היא -33 dB ו- -23 dB בהתאמה. גודל המכשיר הכולל הוא 21.5 מ"מ על 10 מ"מ עבור מרווח של 0.8 ננומטר ו- 17.8 מ"מ על 5 מ"מ עבור מרווח של 9.6 ננומטר. באופן בלתי נמנע, זה מראה כי ניתן לממש את AWGs ליישום CWDM ו- DWDM על ידי שימוש בפולימר BCB 4024-40 כחומר המנחה.
6. מסקנה
הוצגו AWGs המבוססים על פולימר BCB ליישומים ב- DWDM / CWDM. הוכח כי שני עיצובים של ארבעה ערוצי AWG עם מפלג מעבר בין 32 dB ו- 23 dB פועלים בחלון תקשורת של 1550 ננומטר ליישום DWDM ו- CWDM. ניתן להסיק כי ניתן לראות בפולימר BCB כמועמד מתאים לפיתוח AWG שכן הוא מראה ביצועים טובים עבור יישומי DWDM ו- CWDM.