ENTWURF EINES ARRAYED WAVEGUIDE-GITTERS (AWG) FÜR DWDM / CWDM-ANWENDUNGEN AUF BASIS VON BCB-POLYMER
1. EINLEITUNG
Wellenlängenmultiplex (WDM) ist ein Ansatz, der die enorme optoelektronische Bandbreitenfehlanpassung ausnutzen kann, indem die Geräte jedes Endbenutzers nur mit elektronischer Rate betrieben werden müssen, jedoch können mehrere WDM-Kanäle von verschiedenen Endbenutzern auf derselben Faser gemultiplext werden .
Für WDM-U-Bahn-Netze gibt es zwei Alternativen: dichtes WDM (DWDM) und grobes WDM (CWDM). In Umgebungen mit hoher Kapazität wird DWDM verwendet. In DWDM kann die Kanaltrennung nur 0,8 oder 0,4 nm betragen, für bis zu 80 optische Kanäle bei Leitungsraten von bis zu 10 Gbit / s. DWDM-Technologien sind sehr teuer, daher ist ihre Anwendung auf Zugangsnetzwerke schwierig. Stattdessen verschmilzt CWDM zu einer robusten und wirtschaftlichen Lösung. Der Vorteil der CWDM-Technologie liegt in den kostengünstigen optischen Komponenten. CWDM bietet Lösungen für 850, 1.300 und 1.500 nm-Anwendungen mit 10 und 40 Gbit / s auf bis zu 15 optischen Kanälen im Abstand von 20 nm. Sowohl die CWDM- als auch die DWDM-Technologie haben ihren Platz in der aktuellen und aufkommenden Metro-Netzwerkinfrastruktur. Wenn diese Technologien in Kombination mit geeigneten optischen Fasern verwendet werden, sind die wirtschaftlichen Vorteile, die zur Senkung der Systemkosten beitragen, erheblich.
Das Arrayed Wave Guide Grating (AWG) ist aufgrund seiner geringen Einfügungsdämpfung, hohen Stabilität und geringen Kosten eines der vielversprechendsten Bauelemente für Multi / Demultiplexer im WDM-System. Das Arrayed-Wave-Guide-Gitter wurde erstmals 1988 von Smith als Lösung für das WDM-Problem vorgeschlagen und in den folgenden Jahren von Takahashi [weiterentwickelt, der von den ersten Geräten berichtete, die im langwelligen Fenster arbeiten. Dragonet hat das Konzept von 1 x N Demultiplexern auf N x N Wellenlängenrouter erweitert, die eine wichtige Rolle bei der Netzwerkanwendung mit mehreren Wellenlängen spielen.
Der Hauptvorteil des AWG besteht darin, dass seine Kosten nicht wie bei der dielektrischen Filterlösung von der Wellenlängenzahl abhängen. Daher eignet es sich für Anwendungen in Großstädten, bei denen große Wellenlängen kostengünstig eingesetzt werden müssen. Ein weiterer Vorteil des AWG ist die Flexibilität bei der Auswahl seiner Kanalnummer und des Kanalabstands, und infolgedessen können verschiedene Arten von AWGs auf ähnliche Weise hergestellt werden.
Polymere bieten ein hervorragendes Potenzial für die Realisierung von kostengünstigen WDM-Bauteilen, da sie auf verschiedenen Substraten leicht bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden können. Polymer-AWG-Multi- / Demultiplexer haben aufgrund ihrer einfachen Herstellung, ihrer geringen Kosten und des Potenzials der Integration mit anderen Bauelementen, wie beispielsweise thermooptischen Polymerschaltern für Add-Drop-Multiplexer-Anwendungen, große Aufmerksamkeit auf sich gezogen.
Da das Polymer BenzoCylobuten (BCB4024-40) einige Vorteile wie geringe Doppelbrechung, gute Wärmestabilität und geringe Wellenlängendispersion bietet, wurde es als Kernmaterial in diesem Projekt ausgewählt. BCB-Polymer wird zu einem attraktiven Material und wurde zur Herstellung verschiedener optischer Vorrichtungen verwendet, beispielsweise optischer Schalter, polymerer optischer Wellenleiter und optischer Multimode-Interferenzteiler.
In dieser Arbeit wird ein Entwurf eines herkömmlichen 4 × 4-Kanal-AWG vorgestellt, der bei einer zentralen Wellenlänge von 1,55 μm mit einem Kanalabstand von 100 GHz und 1200 GHz auf Basis von BCB-4024-Polymer mit einem Brechungsindex von 1,5556 arbeiten kann.
2. GRUNDLEGENDE BEDIENUNG
Im Allgemeinen dienen AWG-Geräte als Multiplexer, Demultiplexer, Filter und Add-Drop-Geräte in optischen WDM-Anwendungen. 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines AWG-Demultiplexers. Die Vorrichtung besteht aus drei Hauptteilen, nämlich mehreren Eingangs- und Ausgangswellenleitern, zwei Plattenwellenleitersternkopplern (oder einem freien Ausbreitungsbereich (FPR)), die durch eine dispersive Wellenleiteranordnung mit der gleichen Längendifferenz zwischen benachbarten Wellenleitern verbunden sind. Das Funktionsprinzip des AWG-Multiplexers / Demultiplexers wird wie folgt beschrieben.
Abbildung 1. Die Struktur des AWG-Demultiplexers
Ein in einen der Eingangswellenleiter eingespeistes DWDM / CWDM-Signal wird im ersten Plattenbereich gebeugt und vom ersten FPR in den angeordneten Wellenleiter eingekoppelt. Die Länge der Array-Wellenleiter wurde so ausgelegt, dass die optische Weglängendifferenz (ΔL) zwischen benachbarten Array-Wellenleitern einem ganzzahligen (m) Vielfachen der zentralen Wellenlänge (λc) des Demultiplexers entspricht. Infolgedessen wird die Feldverteilung an der Eingangsapertur an der Ausgangsapertur wiedergegeben. Daher fokussiert sich das Licht bei dieser Mittenwellenlänge in der Mitte der Bildebene (vorausgesetzt, der Eingangswellenleiter ist in der Eingangsebene zentriert).
Wenn die Eingangswellenlänge von dieser zentralen Wellenlänge abweicht, treten Phasenänderungen in den Arrayzweigen auf. Aufgrund der konstanten Weglängendifferenz zwischen benachbarten Wellenleitern nimmt diese Phasenänderung von den inneren zu den äußeren Array-Wellenleitern linear zu, wodurch die Wellenfront an der Ausgangsapertur gekippt wird. Folglich ist der Brennpunkt in der Bildebene von der Mitte weg verschoben. Durch Anordnen von Empfängerwellenleitern an geeigneten Positionen entlang der Bildebene wird eine räumliche Trennung der verschiedenen Wellenlängenkanäle erhalten.
3. DESIGN
Der schematische Aufbau des 4 × 4-Kanal-AWG für DWDM mit einer zentralen Wellenlänge von 1,55 μm ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Position von Eingangsport und Ausgangsport ist symmetrisch ausgebildet und identisch. Mit dem WDM_PHASAR-Designtool von Optiwave® wurden zwei Typen von 4-Kanal-AWGs entworfen, die bei einer zentralen Wellenlänge von 1,55 μm mit einem Kanalabstand von 0,8 nm und 9,6 nm für DWDM- bzw. CWDM-Anwendungen arbeiten.
Der Brechungsindex des BCB-Polymerkerns bei 1,55 & mgr; m beträgt 1,5556. Der Mantel ist ORMOCER mit einem Brechungsindex von 1,537, während das Substrat Silizium ist, das in mikroelektronischen und integrierten Schaltkreisen weit verbreitet ist. ORMOCER (ORganically MOdified CERramics) sind photostrukturierbare anorganische anorganische Copolymere mit negativem Resistverhalten. Die Kerngröße beträgt 3 & mgr; m × 4 & mgr; m mit vergrabenem Wellenleiter, wie in 3 dargestellt. Die Porttrennung von Eingang / Ausgang ist so ausgelegt, dass sie 250 & mgr; m mit 100 & mgr; m Anschlussversatz für das Pigtailing zum Faserband beträgt.
Alle Auslegungsparameter sind in Tabelle 1 und Tabelle 2 für AWG mit einer Mittenwellenlänge von 1,55 μm und einem Kanalabstand von 100 GHz bzw. 1200 GHz aufgeführt. In der Konstruktion ist der Brechungsindexkontrast zwischen Kern und Mantel ziemlich groß (~ 1,2%), was zu einem kleinen Biegeradius führt und zu einer kleinen Chipgröße beiträgt. Der Kopplungsverlust zwischen Wellenleiter und Faser, der sich aus einer Modenfeldfehlanpassung ergibt, nimmt jedoch zu. Die Gesamtgerätegröße für AWG mit 100-GHz-Abstand beträgt 21,5 x 10 mm2 und 17,8 x 5 mm2 für AWG mit 1200-GHz-Abstand. Dieser Unterschied ist darauf zurückzuführen, dass das Inkrement der Pfadlänge in AWG bei einem Abstand von 100 GHz größer ist als in AWG bei einem Abstand von 1200 GHz bei gleichem Ausrichtungswinkel.
4. ERGEBNISSE UND DISKUSSION
Das Simulationsergebnis von AWG mit einem Kanalabstand von 0,8 nm ist in 4 gezeigt. Es zeigt die Ausgangsverteilung der 4-Kanal-Ausgangswellenleiter. Die Ausgangskanäle haben Wellenlängen von 1549,04 nm (λ1), 1549,872 nm (λ2), 1550,704 nm (λ3) bzw. 1551,360 nm (λ4), die den simulierten Kanalabstand von 0,832 nm angeben. Somit folgte die Ausgangswellenlänge für jeden Kanal der ITU-Spezifikation, selbst wenn sie geringfügig um 0,032 nm verschoben ist, was zu klein ist und vernachlässigt werden kann. Die maximale Einfügungsdämpfung von 5,04 dB liegt jedoch bei Kanal 4 und die minimale Einfügungsdämpfung von 3,88 dB liegt bei Kanal 2. Das Übersprechen beträgt weniger als -32,77 dB.
Tabelle 3 zeigt die berechneten Ausgangsparameter von AWG mit einem Kanalabstand von 0,8 nm. Diese Werte wurden mit einer Bandbreite von -3 dB berechnet. Der Bandbreitenpegel wird als Referenz zum Definieren der Bandbreiten verwendet.
Für AWG mit einem Kanalabstand von 9,6 nm ist das Simulationsergebnis in 5 gezeigt. Die vier Ausgangswellenlängen λ1, λ2, λ3 und λ4 liegen bei 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm bzw. 1572 nm. Das Ergebnis für den Kanalabstand ist 10 nm, was sich geringfügig von dem Design-Eingangsparameter unterscheidet, der 9,6 nm beträgt. Währenddessen liegt die maximale Einfügungsdämpfung von 6,63 dB auf Kanal 1 und die minimale Einfügungsdämpfung von 5,30 dB auf Kanal 3. Das Übersprechen beträgt weniger als -23 dB.
Abbildung 5. Spektrale Ausgangsantworten eines 4-Kanal-AWG mit einem Kanalabstand von 1200 GHz
Tabelle 4 zeigt die berechneten Ausgangsparameter von AWG mit einem Kanalabstand von 9,6 nm. Diese Werte wurden mit einer Bandbreite von -3 dB berechnet. Der erhaltene Wert für den Kanalabstand beträgt 10 nm, was im Bereich von CWDM-Anwendungen liegt. Entsprechend den Simulationsergebnissen haben wir herausgefunden, dass diese AWGs in DWDM- und CWDM-Systemen ordnungsgemäß funktionieren können.
5. LEISTUNGSVERGLEICH
Die Entwicklung eines AWG-Polymermultiplexers ist für viele Forscher interessant geworden. Das erste Polymer-AWG, das von Hida et al. Demonstriert wurde, indem deuteriertes Fluormethacrylat (d-PFMA) auf Silikonsubstrat aufgebracht wurde. Dieses AWG arbeitete jedoch nur bei einem Fenster von 1300 nm mit einer Polarisationsabhängigkeit von nur 0,03 nm. Watanabe et al. Berichteten, dass ein polymerer AWG mit 16 Kanälen, der bei 1550 nm betrieben wurde, unter Verwendung eines Silikonharzwellenleiters realisiert wurde. Dieser AWG-Multiplexer hat eine Einfügungsdämpfung im Bereich von 9 bis 13 dB, ein Übersprechen von weniger als –20 dB und eine geringe polarisationsabhängige Wellenlängenverschiebung.
Leo [19] demonstrierte 2 × 8 AWG Polymer basierend auf CWDM (20 nm) bei einer Mittenwellenlänge von 1520 nm mit einer Gesamtgröße der Vorrichtung von 23 mm × 2,5 mm. Die Einfügungsdämpfung und das Übersprechen liegen bei etwa 7 dB bzw. -30 dB. Andererseits schlug Razali ein 4 × 4 AWG-Polymer mit 0,8 nm (DWDM) Abstand vor, das bei einer Mittenwellenlänge von 1570 nm betrieben wurde. Das Gerät hat eine Einfügedämpfung von 3 dB und einen Übersprechpegel von weniger als -30 dB. Die Gerätegröße beträgt 31 mm x 9 mm.
In dieser Veröffentlichung werden Designs für ein 4 × 4 AWG-Polymer vorgeschlagen, das bei einer zentralen Wellenlänge von 1550 nm mit einem Kanalabstand von 0,8 nm und 9,6 nm betrieben wird. Es wird beobachtet, dass die Einfügungsverluste des entsprechenden Kanalabstands -5 dB bzw. -6 dB betragen und der Übersprechpegel -33 dB bzw. -23 dB beträgt. Die Gesamtgröße der Vorrichtung beträgt 21,5 mm × 10 mm für einen Abstand von 0,8 nm und 17,8 mm × 5 mm für einen Abstand von 9,6 nm. Dies zeigt zwangsläufig, dass die AWGs für CWDM- und DWDM-Anwendungen unter Verwendung des BCB 4024-40-Polymers als Führungsmaterial realisiert werden können.
6. SCHLUSSFOLGERUNG
Auf BCB-Polymer basierende AWGs für Anwendungen in DWDM / CWDM wurden vorgestellt. Es wurde gezeigt, dass zwei Designs von Vierkanal-AWG mit einem Übersprechpegel unter 32 dB und 23 dB in einem 1550-nm-Kommunikationsfenster für DWDM- und CWDM-Anwendungen funktionieren. Es kann gefolgert werden, dass das BCB-Polymer als geeigneter Kandidat für die Entwicklung von AWG angesehen werden kann, da es eine gute Leistung für DWDM- und CWDM-Anwendungen zeigt.
