BCB-POLYmeeriin perustuvien DWDM / CWDM-SOVELLUSTEN SUORITETTAVAN WAVEGUIDE-RATASTELUN (AWG) SUUNNITTELU

BCB-POLYmeeriin perustuvien DWDM / CWDM-SOVELLUSTEN SUORITETTAVAN WAVEGUIDE-RATASTELUN (AWG) SUUNNITTELU

1. ESITTELY

Aallonpituusjakoinen multipleksointi (WDM) on lähestymistapa, jolla voidaan hyödyntää valtavaa optoelektronista kaistanleveyden epäsovitusta edellyttämällä, että jokaisen loppukäyttäjän laitteet toimivat vain elektronisella nopeudella, mutta useita loppukäyttäjien useita WDM-kanavia voidaan multipleksoida samassa kuidussa .

WDM-metroverkoille on kaksi vaihtoehtoa: tiheä WDM (DWDM) ja karkea WDM (CWDM). Suuren kapasiteetin ympäristöissä käytetään DWDM: tä. DWDM: ssä kanavien erottelu voi olla niin pieni kuin 0,8 tai 0,4 nm, jopa 80 optiselle kanavalle linjanopeudella 10 Gbps. DWDM-tekniikat ovat erittäin kalliita, joten niiden soveltaminen pääsyverkkoihin on vaikeaa. Sen sijaan CWDM sulautuu vahvaksi ja taloudelliseksi ratkaisuksi. CWDM-tekniikan etuna on sen edulliset optiset komponentit. CWDM tarjoaa ratkaisuja 850, 1300 ja 1 500 nm sovelluksiin nopeudella 10 ja 40 Gbps jopa 15 optisella kanavalla, jotka ovat 20 nm välein. Sekä CWDM- että DWDM-tekniikalla on paikkansa nykyisessä ja kehittyvässä metroverkkoinfrastruktuurissa. Kun näitä tekniikoita käytetään yhdessä sopivien optisten kuitujen kanssa, taloudelliset hyödyt, jotka auttavat alentamaan järjestelmäkustannuksia, ovat merkittävät.

Järjestetty aalto-ohjainristikko (AWG) on yksi lupaavimmista laitteista moni- / demultiplekserille WDM-järjestelmässä, koska se aiheuttaa alhaisen lisäyshäviön, suuren vakauden ja alhaiset kustannukset. Järjestettyyn aalto-ohjainritilään Smith ehdotti ratkaisuna WDM-ongelmaan ensimmäisen kerran vuonna 1988, ja Takahashi kehitti sitä seuraavina vuosina [joka kertoi ensimmäisistä pitkäaallonpituusikkunassa toimivista laitteista. Dragonet.extenten käsitettä 1 x N demultipleksereistä N x N aallonpituusreitittimiin, joilla on tärkeä rooli moniaallonpituisessa verkon sovelluksessa.

AWG: n tärkein etu on, että sen kustannukset eivät ole riippuvaisia aallonpituuslaskelmasta kuten dielektrisessä suodatinratkaisussa. Siksi se sopii suurkaupunkisovelluksiin, jotka vaativat kustannustehokasta suuria aallonpituuslaskelmia. AWG: n toinen etu on joustavuus valita sen kanavanumero ja kanavaväli, ja sen seurauksena erilaisia AWG: itä voidaan valmistaa samalla tavalla.

Polymeerit tarjoavat erinomaisen potentiaalin edullisten WDM-komponenttien toteuttamiseksi, koska ne voidaan valmistaa helposti matalassa lämpötilassa erilaisille substraateille. Polymeeriset AWG-multi / demultiplekserit ovat herättäneet paljon huomiota johtuen sen helposta valmistuksesta, alhaisista kustannuksista ja mahdollisesta integroitumisesta muihin laitteisiin, kuten polymeeritermooptisiin kytkimiin lisä-pudotus-multiplekserisovelluksissa.

Koska bentsosyyliobuteenilla (BCB4024-40) on polymeeriä, joka tarjoaa joitain etuja, kuten alhainen kahtaistaistuminen, hyvä lämpöstabiilisuus ja alhainen aallonpituusdispersio, se on valittu ydinmateriaaliksi tässä projektissa. BCB-polymeeristä tulee houkutteleva materiaali ja sitä on käytetty erilaisten optisten laitteiden, esimerkiksi optisen kytkimen, polymeerisen optisen aalto-ohjaimen ja monimuotoisen häiriöiden optisen jakajan, valmistukseen.

Tässä artikkelissa esitetään ehdotettu 4 × 4-kanavainen tavanomaisen AWG-malli, joka pystyy toimimaan 1,55 μm: n keskiaallonpituudella kanavien etäisyydellä 100 GHz ja 1200 GHz, perustuen BCB-4024 -polymeeriin, jonka taitekerroin on 1,5556.

2. PERUSTOIMINTA

Yleensä AWG-laite toimii multiplekserinä, demultipleksoijina, suodattimina ja lisälaitteina optisissa WDM-sovelluksissa. Kuvio 1 näyttää kaavamaisen asettelun AWG-demultiplekseristä. Laite koostuu kolmesta pääosasta, jotka ovat useita tulo- ja lähtöaalto-ohjaimia, kahta laatta-aaltoista eguide-tähtikytkintä (tai vapaata etenemisaluetta (FPR)), jotka on kytketty dispergoivalla aalto-ohjainryhmällä yhtä suurella pituuserolla vierekkäisten aalto-ohjainten välillä. AWG-multiplekserin / demultiplekserin toimintaperiaate kuvataan seuraavasti.

Kuva 1. AWG-demultiplekserin rakenne

Yhteen tuloaalto-ohjaimeen käynnistetty DWDM / CWDM-signaali diffragoidaan ensimmäisellä laatta-alueella ja kytketään ensimmäisen FPR: n kanssa taulukkoon muodostettuun aaltojohtoon. Ryhmän aalto-ohjainten pituus on suunniteltu siten, että vierekkäisten ryhmän aalto-ohjainten välinen optisen reitin pituusero (AL) on yhtä suuri kuin kokonaisluku (m) monikerta demultiplekserin keskusaallonpituudesta (λc). Seurauksena on, että kentän jakauma tuloaukossa toistetaan ulostuloaukossa. Siksi tällä keskiaallonpituudella valo keskittyy kuvatason keskelle (edellyttäen, että tuloaalto-ohjain on keskitetty sisääntulotasoon).

Jos sisääntulon aallonpituus häviää tästä keskusaallonpituudesta, ryhmähaaroissa tapahtuu vaihemuutoksia. Vierekkäisten aalto-ohjainten välisen vakioreitin pituuseron vuoksi tämä vaihemuutos kasvaa lineaarisesti sisemmän ja ulkoisen ryhmän aalto-ohjainten välillä, mikä aiheuttaa aallon etuosan kallistumisen lähtöaukkoon. Seurauksena on, että kuvan tason polttopiste siirtyy pois keskustasta. Asettamalla vastaanottimen aalto-ohjaimet oikeaan sijaintiin kuvan tasoa pitkin, saadaan aikaan eri aallonpituuskanavien paikallinen erottelu.

3. SUUNNITTELU

4 × 4-kanavaisen AWG: n kaavamainen sijoitus DWDM: lle, jonka keskiaallonpituus on 1,55 μm, on esitetty kuvassa 2. Tuloportin ja lähtöportin sijainti on muodostettu symmetrisesti, jotka ovat identtisiä. Optiwave®: n WDM_PHASAR-suunnittelutyökalua on käytetty suunnittelemaan kahden tyyppiset 4-kanavaiset AWG-laitteet, jotka toimivat 1,55 μm: n keskiaallonpituudella, kanavien etäisyydellä 0,8 nm ja 9,6 nm, DWDM- ja CWDM-sovelluksiin.

BCB-polymeerin ytimen taitekerroin 1,55 μm: llä on 1,5556. Päällyste on ORMOCER, jonka taitekerroin on 1,537, kun taas substraatti on piitä, jota on käytetty laajasti mikroelektroniikassa ja integroidussa piirissä. ORMOCER (ORganically MOdified CERramics) on valona vaihtokelpoisia epäorgaanisia orgaanisia kopolymeerejä, joilla on negatiivinen vastuskäyttäytyminen. Ytimen koko on 3 μm x 4 μm haudatulla tyyppisellä aaltojohtimella, kuten kuvassa 3 on esitetty. Tulo- / lähtöporttien erotuksen on tarkoitus olla 250 μm, 100 μm liitäntäpoikkeama kuitunauhan pigmentointiin.

Kaikki suunnitteluparametrit on lueteltu taulukossa 1 ja taulukossa 2 AWG: lle, keskiaallonpituus 1,55 μm, kanavaväli 100 GHz ja vastaavasti 1200 GHz. Suunnittelussa taitekerroksen kontrasti ytimen ja verhouksen välillä on melko suuri (~ 1,2%), mikä johtaa pieneen taivutussäteeseen ja vaikuttaa pieneen sirun kokoon. Aallonjohtimen ja kuidun välinen kytkentähäviö, joka johtuu moodi-kentän epäsovituksesta, kasvaa kuitenkin. Laitteen kokonaiskoko AWG: lle 100 GHz: n etäisyydellä on 21,5 x 10 mm2 ja 17,8 x 5 mm2 AWG: lle, jonka etäisyys on 1200 GHz. Tämä ero johtuu polunpituuden lisäyksestä AWG: ssä 100 GHz: n etäisyydellä on suurempi kuin AWG: llä, kun etäisyys on 1200 GHz samalla orientaatiokulmalla.

4. TULOKSET JA KESKUSTELU

Kuviossa 4 on esitetty AWG: n simulointitulos, jonka kanavaväli on 0,8 nm. Se näyttää 4-kanavaisen lähtöaaltoputken lähtöjakauman. Lähtökanavat ovat aallonpituuksilla 1549,04 nm (λ1), 1549,872 nm (λ2), 1550,704 nm (λ3) ja 1551,360 nm (λ4), jotka osoittavat simuloidun kanavavälin 0,832 nm. Siten kunkin kanavan lähtöaallonpituus noudatti ITU-määritelmää, jopa sen siirtymistä hiukan 0,032 nm, joka on liian pieni ja joka voidaan jättää huomiotta. Suurin lisäyshäviö 5,04 dB on kuitenkin kanavalla 4 ja pienin lisäyshäviö 3,88 dB on kanavalla 2. Ylikuormitus on alle -3,77 dB.

Taulukko 3 näyttää AWG: n lasketut lähtöparametrit 0,8 nm: n kanavavälillä. Nämä arvot on laskettu kaistanleveydellä -3 dB. Kaistanleveystasoa käytetään referenssinä kaistanleveyden määrittelemiseen.

AWG: lle, jonka kanavaväli on 9,6 nm, simulaatiotulos esitetään kuviossa 5. Neljä lähtöaallonpituutta λ1, λ2, λ3 ja λ4 ovat vastaavasti 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm ja 1572 nm. Kanavavälin tulos on 10 nm, mikä on hiukan erilainen kuin suunnitellun tulon parametri, joka on 9,6 nm. Sillä välin suurin sisääntulohäviö 6,63 dB on kanavalla 1 ja pienin lisäyshäviö 5,30 dB on kanavalla 3. Ylikuormitus on alle -23 dB.

Kuva 5. Lähtöspektrivaste 4-kanavaisella AWG: llä 1200 GHz: n kanavavälillä

Taulukko 4 näyttää AWG: n lasketut lähtöparametrit 9,6 nm: n kanavavälillä. Nämä arvot on laskettu kaistanleveydellä -3dB. Saatu kanavaväli on 10 nm, joka on CWDM-sovellusten alueella .. Simulaatiotulosten perusteella selvisimme, että nämä AWG: t voivat toimia kunnolla DWDM- ja CWDM-järjestelmissä.

5. Suorituskyvyn vertailu

AWG-polymeerimultiplekserin kehittäminen on kiinnostanut monia tutkijoita. Ensimmäinen polymeeri AWG, jonka Hida et ai. Ovat osoittaneet soveltamalla deuteroitua fluorimetakrylaattia (d-PFMA) silikonisubstraattiin. Tämä AWG toimi kuitenkin vain 1300 nm: n ikkunassa, ja polarisaatio riippuvuus oli niin pieni kuin 0,03 nm. Watanabe et ai. Ilmoittivat 16 kanavan polymeerisen AWG: n, joka toimi aallonpituudella 1550 nm, toteutettiin käyttämällä silikonihartsiaaltoputkea. Tämän AWG-multiplekserin insertiohäviö on välillä 9 - 13 dB, poikkittaispiste on alle –20 dB ja alhainen polarisaatiosta riippuvainen aallonpituussiirto.

Leo [19] osoitti 2 x 8 AWG-polymeeriä, joka perustuu CWDM: ään (20 nm) keskiaallonpituudella 1520 nm, laitteen kokonaiskoko 23 mm x 2,5 mm. Lisäyshäviön ja ylikuulumisen havaitaan olevan noin 7 dB ja -30 dB, vastaavasti. Toisaalta Razali [ehdotti 4 x 4 AWG -polymeeriä, jonka etäisyys oli 0,8 nm (DWDM), toimivat keskiaallonpituudella 1570 nm. Laitteessa on lisäyshäviö 3 dB ja ylikuormitustaso on alle -30 dB. Laitteen koko on 31 mm x 9 mm.

Tässä asiakirjassa ehdotetut mallit ovat 4 x 4 AWG-polymeeriä, joita käytetään keskusaallonpituudella 1550 nm kanavien etäisyydellä 0,8 nm ja 9,6 nm. Havaitaan, että vastaavan kanavavälin insertiohäviöt ovat -5 dB ja -6 dB, vastaavasti ja ylikuulumisen taso ovat -33 dB ja -23 dB, vastaavasti. Laitteen kokonaiskoko on 21,5 mm x 10 mm etäisyydellä 0,8 nm ja 17,8 mm x 5 mm 9,6 nm etäisyydellä. Väistämättä tämä osoittaa, että CWDM- ja DWDM-sovellusten AWG: t voidaan toteuttaa käyttämällä BCB 4024-40 -polymeeriä ohjausmateriaalina.

6. PÄÄTELMÄT

BCB-polymeeriin perustuvat AWG: t DWDM / CWDM-sovelluksissa on esitetty. Kaksi nelikanavaista AWG-mallia, joiden ylikuulumisen taso on alle -32 dB ja -23 dB, on osoitettu toimivan 1550 nm: n tiedonsiirtoikkunassa DWDM- ja CWDM-sovelluksille. Voidaan päätellä, että BCB-polymeeriä voidaan pitää sopivana ehdokkaana AWG: n kehittämiseen, koska se osoittaa hyvää suorituskykyä DWDM- ja CWDM-sovelluksissa.