REKA BENTUK PERINGKAT WAVEGUIDE GRANDING (AWG) UNTUK APLIKASI DWDM / CWDM BERDASARKAN BCB POLYMER
1. PENGENALAN
Penggandaan bahagian-panjang gelombang (WDM) adalah pendekatan yang dapat mengeksploitasi ketidakpadanan jalur lebar opto-elektronik yang besar dengan mengharuskan setiap peralatan pengguna akhir beroperasi hanya pada kadar elektronik, tetapi saluran WDM yang banyak dari pengguna akhir yang berbeza boleh menjadi multiplexed pada serat yang sama .
Terdapat dua alternatif untuk rangkaian metro WDM: WDM padat (DWDM) dan kasar WDM (CWDM). Dalam persekitaran kapasiti yang tinggi, DWDM digunakan. Dalam DWDM, pemisahan saluran boleh sekecil 0.8 atau 0.4 nm, sehingga 80 saluran optik pada kadar garisan sehingga 10 Gbps. Teknologi DWDM sangat mahal, jadi aplikasi untuk mengakses rangkaian sukar. Sebaliknya, CWDM bergabung sebagai penyelesaian yang teguh dan ekonomik. Keuntungan teknologi CWDM terletak pada komponen optik kos rendahnya. CWDM menawarkan penyelesaian untuk aplikasi 850, 1,300, dan 1,500 nm pada 10 dan 40 Gbps sehingga 15 saluran optik yang jaraknya 20 nm. Kedua-dua teknologi CWDM dan DWDM mempunyai tempat mereka dalam infrastruktur rangkaian metro semasa dan sedang muncul. Apabila teknologi ini digunakan dalam kombinasi dengan serat optik yang sesuai, manfaat ekonomi, yang membantu mengurangkan kos sistem, adalah penting.
Gegaran panduan gelombang yang diseragam (AWG) adalah salah satu alat yang paling menjanjikan untuk multi / demultiplexer dalam sistem WDM kerana kehilangan kemasukan yang rendah, kestabilan yang tinggi dan kos rendah. Gelombang panduan gulung gelombang pertama kali mencadangkan penyelesaian kepada masalah WDM oleh Smith pada tahun 1988 dan dibangunkan lagi pada tahun-tahun berikutnya oleh Takahashi [yang melaporkan peranti pertama yang beroperasi dalam tetingkap panjang gelombang panjang. Dragonet.extended konsep dari 1 x N demultiplexers ke N x N router router lengt yang memainkan peranan penting dalam aplikasi rangkaian pelbagai panjang gelombang.
Kelebihan utama AWG ialah kosnya tidak bergantung kepada kiraan panjang gelombang seperti dalam larutan penapis dielektrik. Oleh itu ia sesuai dengan aplikasi metropolitan yang memerlukan kos efektif bagi jumlah gelombang panjang yang besar. Kelebihan lain dari AWG adalah fleksibiliti memilih nombor saluran dan jarak salurannya dan, akibatnya, pelbagai jenis AWG dapat dibuat dengan cara yang sama.
Polimer menawarkan potensi yang sangat baik untuk merealisasikan komponen WDM kos rendah kerana ia boleh direka dengan mudah pada suhu rendah pada pelbagai substrat. Multi-demultiplexer AWG polimer telah menarik banyak perhatian kerana fabrikasi yang mudah, kos rendah, dan potensi integrasi dengan peranti lain seperti suis thermo-optik polimer untuk aplikasi multiplexer drop-drop.
Oleh kerana polimer BenzoCylobutene (BCB4024-40) menawarkan beberapa kelebihan seperti birefringence yang rendah, kestabilan haba yang baik dan penyebaran panjang gelombang yang rendah, ia telah dipilih sebagai bahan teras dalam projek ini. Polimer BCB menjadi bahan yang menarik dan telah digunakan untuk fabrikasi pelbagai peralatan optik, contohnya, pensuisan optik, panduan gelombang optik polimer dan gangguan pemisah optik multimod.
Dalam makalah ini, reka bentuk yang dicadangkan 4g4 saluran AWG konvensional yang mampu beroperasi pada panjang gelombang pusat 1.55 μm dengan jarak saluran 100 GHz dan 1200 GHz berdasarkan polimer BCB-4024 dengan indeks bias 1.5556 akan dibentangkan.
2. OPERASI DASAR
Secara umumnya, peranti AWG berfungsi sebagai pemultipleks, demultiplexers, penapis dan alat tambah-drop dalam aplikasi WDM optikal. Rajah 1 menunjukkan susunan skematik demultiplexer AWG. Peranti ini terdiri daripada tiga bahagian utama yang terdiri daripada pelbagai panduan input dan output gelombang, dua penghubung bintang lereng papak (atau rantau penyebaran bebas (FPR)), yang disambungkan oleh pelbagai panduan gelombang dispersif dengan perbezaan panjang yang sama antara panduan gelombang bersebelahan. Prinsip operasi multiplexer / demultiplexer AWG diterangkan seperti berikut.
Rajah 1. Struktur demultiplexer AWG
Isyarat DWDM / CWDM yang dilancarkan ke salah satu panduan gelombang masukan akan dibezakan di rantau papak pertama dan digabungkan dengan pandu gelombang berhias oleh FPR yang pertama. Panjang panduan gelombang array telah direka sedemikian rupa sehingga perbezaan panjang jalur optik (ΔL) di antara panduan gelombang tatasusunan bersamaan adalah sama dengan bilangan panjang integer (m) dari panjang gelombang tengah (λc) demultiplexer. Akibatnya, pengedaran medan pada aperture input akan diterbitkan semula pada aperture output. Oleh itu, pada panjang gelombang pusat ini, cahaya memberi tumpuan di tengah satah imej (dengan syarat bahawa panduan gelombang masukan berpusat di dalam kapal input).
Sekiranya panjang gelombang masukan diasingkan dari panjang gelombang pusat ini, perubahan fasa berlaku dalam cawangan pelbagai. Oleh kerana perbezaan panjang jalan yang berterusan antara panduan gelombang bersebelahan, perubahan fasa ini meningkat secara linear dari panduan gelombang luar dalaman ke arah luar, yang menyebabkan depan gelombang dimiringkan pada apertur output. Akibatnya, titik fokus dalam satah imej dipindahkan dari pusat. Dengan meletakkan panduan gelombang penerima di kedudukan yang betul di sepanjang satah imej, pemisahan spatial saluran-saluran panjang gelombang yang berbeza diperolehi.
3. DESIGN
Tata letak skema 4 × 4 saluran AWG untuk DWDM dengan panjang gelombang tengah 1.55 μm ditunjukkan pada Rajah 2. Kedudukan pelabuhan input dan pelabuhan output adalah terbentuk simetri, yang sama. Alat reka bentuk WDM_PHASAR dari Optiwave®, telah digunakan untuk merekabentuk dua jenis 4 saluran AWG yang beroperasi pada panjang gelombang pusat 1.55 μm, dengan jarak saluran 0.8 nm dan 9.6 nm, untuk aplikasi DWDM dan CWDM.
Indeks refraktif indeks polimer BCB pada 1.55 μm adalah 1.5556. Pelapisan adalah ORMOCER yang mempunyai indeks biasan 1.537, sedangkan substrat adalah silikon yang telah digunakan secara meluas dalam litar mikroelektronik dan bersepadu. ORMOCER (Organik CERramik yang dinamakan) adalah copolymers tak organik yang fotopatable dengan kelakuan menentang negatif. Saiz terasnya ialah 3 μm x 4 μm dengan pengubah arah gelombang yang dikebumikan, seperti yang digambarkan dalam Rajah 3. Pengasingan pelabuhan input / output direka untuk menjadi 250 μm dengan sambungan 100 μm diimbangi untuk pigtailing ke riben serat.
Semua parameter reka bentuk disenaraikan dalam Jadual 1 dan Jadual 2 untuk AWG, panjang gelombang tengah 1.55 μm dengan jarak saluran 100 GHz dan 1200 GHz, masing-masing. Dalam reka bentuk, kontras indeks biasan antara teras dan pelapisan cukup besar (~ 1.2%), yang menghasilkan jejari lenturan kecil dan menyumbang kepada saiz cip kecil. Walau bagaimanapun, kehilangan gandingan antara pandu gelombang dan serat yang terhasil daripada ketidakcocokan mod bidang meningkat. Saiz keseluruhan peranti untuk AWG dengan jarak 100 GHz adalah 21.5 x 10mm2 dan 17.8 x 5 mm2 untuk AWG dengan jarak 1200 GHz. Perbezaan ini disebabkan oleh peningkatan panjang jalur di AWG dengan jarak 100GHz lebih besar daripada AWG dengan jarak 1200GHz dengan sudut orientasi yang sama.
4. KEPUTUSAN DAN PERBINCANGAN
Hasil simulasi AWG dengan jarak saluran 0.8 nm ditunjukkan pada Gambar 4. Ini menunjukkan distribusi output dari 4 channel waveguides output. Saluran output adalah panjang gelombang 1549.04 nm (λ1), 1549.872 nm (λ2), 1550.704 nm (λ3) dan 1551.360 nm (λ4), yang menunjukkan jarak saluran simulasi 0.832 nm. Oleh itu, panjang gelombang output untuk setiap saluran mengikut spesifikasi ITU, walaupun ia sedikit beralih 0.032 nm yang terlalu kecil dan boleh diabaikan. Walau bagaimanapun, kerugian maksimum penyisipan 5.04 dB berada pada saluran 4 dan kehilangan sisipan minima 3.88 dB berada di saluran 2. Crosstalk adalah kurang daripada -32.77 dB.
Jadual 3 menunjukkan parameter output AWG dengan jarak saluran 0.8 nm. Nilai-nilai ini dikira pada tahap jalur lebar -3 dB. Tahap jalur lebar digunakan sebagai rujukan untuk menentukan lebar jalur.
Untuk AWG dengan jarak saluran 9.6 nm, hasil simulasi ditunjukkan pada Rajah 5. Empat panjang gelombang output λ1, λ2, λ3 dan λ4 masing-masing adalah 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm dan 1572 nm. Keputusan untuk jarak saluran ialah 10 nm yang sedikit berbeza daripada parameter input reka bentuk, iaitu 9.6 nm. Sementara itu, kehilangan sisipan maksimum 6.63 dB berada pada saluran 1 dan kehilangan sisipan minimum 5.30 dB berada pada saluran 3. Crosstalk adalah kurang daripada -23 dB.
Rajah 5. Maklum balas spektrum output 4 saluran AWG dengan jarak saluran 1200 GHz
Jadual 4 menunjukkan parameter output AWG dengan jarak saluran 9.6 nm. Nilai-nilai ini dikira pada tahap jalur lebar -3dB. Nilai untuk jarak saluran yang diperoleh adalah 10 nm yang berada dalam pelbagai aplikasi CWDM .. Berdasarkan keputusan simulasi, kami mendapati bahawa AWG ini boleh berfungsi dengan baik dalam sistem DWDM dan CWDM.
5. PERBANDINGAN PRESTASI
Pembangunan multiplexer polimer AWG telah menjadi minat ramai penyelidik. AWG polimer yang pertama ditunjukkan oleh Hida et al yang menggunakan fluoro-methacrylate de-duktip (d-PFMA) pada substrat silikon. Bagaimanapun AWG ini hanya beroperasi pada tingkap 1300 nm dengan beberapa kebergantungan polarisasi sekecil 0,03 nm. Watanabe et al melaporkan 16 saluran polimer AWG yang beroperasi pada 1550 nm telah direalisasikan menggunakan pandu gelombang resin silikon. Multiplexer AWG ini mempunyai kerugian sisipan dalam julat 9 hingga 13 dB, crosstalk kurang daripada -20 dB dan peralihan panjang gelombang bergantung kepada polarisasi yang rendah.
Leo [19] menunjukkan polimer AWG 2 x 8 berdasarkan CWDM (20 nm) pada panjang gelombang pusat 1520 nm dengan saiz peranti sebanyak 23 mm x 2.5 mm. Kerugian penyisipan dan crosstalk didapati sekitar 7 dB dan -30 dB. Sebaliknya, Razali [mengusulkan 4 x4 polimer AWG dengan jarak 0.8 nm (DWDM) yang dikendalikan pada panjang gelombang pusat 1570 nm. Peranti ini mempunyai kehilangan penyisipan paras 3 dB dan crosstalk kurang daripada -30 dB. Saiz peranti ialah 31 mm x 9 mm.
Dalam makalah ini, reka bentuk yang dicadangkan ialah 4 x 4 polimer AWG yang dikendalikan pada panjang gelombang pusat 1550 nm dengan jarak saluran 0.8 nm dan 9.6 nm. Adalah diperhatikan bahawa kerugian sisipan jarak saluran yang sepadan adalah -5 dB dan -6 dB dan masing-masing paras crosstalk adalah -33 dB dan -23 dB. Saiz peranti keseluruhan adalah 21.5 mm x 10 mm untuk jarak 0.8 nm dan 17.8 mm x 5 mm untuk jarak 9.6 nm. Tidak dapat dielakkan, ini menunjukkan bahawa AWG untuk aplikasi CWDM dan DWDM dapat direalisasikan dengan menggunakan polimer BCB 4024-40 sebagai bahan panduan.
6. KESIMPULAN
AWG berdasarkan polimer BCB untuk aplikasi dalam DWDM / CWDM telah dibentangkan. Dua reka bentuk empat saluran AWG dengan paras crosstalk di bawah-32 dB dan-23 dB telah ditunjukkan untuk beroperasi dalam tetingkap komunikasi 1550 nm untuk aplikasi DWDM dan CWDM. Ia dapat disimpulkan bahawa polimer BCB boleh dianggap sebagai calon yang sesuai untuk pembangunan AWG kerana ia menunjukkan prestasi yang baik untuk aplikasi DWDM dan CWDM.
