THIẾT KẾ NỀN TẢNG WAVEGUIDE (AWG) CHO ỨNG DỤNG DWDM / CWDM DỰA TRÊN POLYmer BCB
1. GIỚI THIỆU
Ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) là một cách tiếp cận có thể khai thác sự không phù hợp băng thông quang điện tử khổng lồ bằng cách yêu cầu mỗi thiết bị của người dùng cuối chỉ hoạt động ở tốc độ điện tử, nhưng nhiều kênh WDM từ những người dùng cuối khác nhau có thể được ghép trên cùng một sợi quang .
Có hai lựa chọn thay thế cho mạng metro WDM: WDM dày đặc (DWDM) và WDM thô (CWDM). Trong môi trường dung lượng cao, DWDM được sử dụng. Trong DWDM, độ phân tách kênh có thể nhỏ tới 0,8 hoặc 0,4nm, cho tối đa 80 kênh quang ở tốc độ đường truyền lên tới 10 Gbps. Các công nghệ DWDM rất tốn kém, vì vậy việc áp dụng các mạng truy cập của nó rất khó khăn. Thay vào đó, CWDM đang hợp nhất như một giải pháp mạnh mẽ và kinh tế. Ưu điểm của công nghệ CWDM nằm ở các thành phần quang học giá rẻ. CWDM cung cấp các giải pháp cho các ứng dụng 850, 1.300 và 1.500nm ở tốc độ 10 và 40 Gbps trên tối đa 15 kênh quang cách nhau 20nm. Cả công nghệ CWDM và DWDM đều có chỗ đứng trong cơ sở hạ tầng mạng lưới tàu điện ngầm hiện tại và mới nổi. Khi các công nghệ này được sử dụng kết hợp với sợi quang thích hợp, lợi ích kinh tế, giúp giảm chi phí hệ thống, là rất đáng kể.
Cách tử hướng dẫn sóng mảng (AWG) là một trong những thiết bị hứa hẹn nhất cho bộ đa / demultiplexer trong hệ thống WDM vì mất chèn thấp, độ ổn định cao và chi phí thấp. Cách tử hướng dẫn sóng được phân mảng lần đầu tiên được đề xuất một giải pháp cho vấn đề WDM của Smith vào năm 1988 và được phát triển thêm trong những năm tiếp theo bởi Takahashi [người đã báo cáo các thiết bị đầu tiên hoạt động trong cửa sổ bước sóng dài. Dragonet.extends khái niệm từ 1 x N demultiplexers đến N x N bộ định tuyến chiều dài sóng đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng mạng nhiều bước sóng.
Ưu điểm chính của AWG là chi phí của nó không phụ thuộc vào số bước sóng như trong giải pháp lọc điện môi. Do đó, nó phù hợp với các ứng dụng đô thị đòi hỏi hiệu quả chi phí của số bước sóng lớn. Ưu điểm khác của AWG là tính linh hoạt trong việc chọn số kênh và khoảng cách kênh và do đó, các loại AWG khác nhau có thể được chế tạo theo cách tương tự.
Polyme cung cấp tiềm năng tuyệt vời để thực hiện các thành phần WDM chi phí thấp vì chúng có thể được chế tạo dễ dàng ở nhiệt độ thấp trên các loại chất nền khác nhau. Polymeric AWG multi / demultiplexers đã thu hút nhiều sự chú ý do chế tạo dễ dàng, chi phí thấp và tiềm năng tích hợp với các thiết bị khác như công tắc quang nhiệt polymer cho các ứng dụng ghép kênh thêm.
Vì polymer BenzoCylobutene (BCB4024-40) cung cấp một số lợi thế như khả năng lưỡng chiết thấp, ổn định nhiệt tốt và phân tán bước sóng thấp, nó đã được chọn làm vật liệu cốt lõi trong dự án này. BCB polymer trở thành một vật liệu hấp dẫn và đã được sử dụng để chế tạo các thiết bị quang khác nhau, ví dụ, chuyển mạch quang, hướng dẫn sóng quang polymer và bộ tách quang nhiễu đa mode.
Trong bài báo này, một thiết kế đề xuất của AWG thông thường 4 × 4 kênh có thể hoạt động ở bước sóng trung tâm 1,55 μm với khoảng cách kênh 100 GHz và 1200 GHz dựa trên polymer BCB-4024 với chỉ số khúc xạ 1,5556 sẽ được trình bày.
2. HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN
Nói chung, thiết bị AWG đóng vai trò là bộ ghép kênh, bộ tách kênh, bộ lọc và thiết bị thả trong các ứng dụng WDM quang. Hình 1 cho thấy một sơ đồ bố trí của bộ khử kênh AWG. Thiết bị này bao gồm ba phần chính là nhiều bộ dẫn sóng đầu vào và đầu ra, hai bộ ghép hình ngôi sao dạng tấm (hoặc vùng lan truyền tự do (FPR)), được kết nối bằng một mảng dẫn sóng phân tán với độ dài bằng nhau giữa các bộ dẫn sóng liền kề. Nguyên lý hoạt động của bộ ghép kênh / demultiplexer AWG được mô tả như sau.
Hình 1. Cấu trúc của demultiplexer AWG
Tín hiệu DWDM / CWDM được đưa vào một trong các hướng dẫn sóng đầu vào sẽ bị nhiễu xạ trong vùng bản đầu tiên và được ghép vào ống dẫn sóng được phân mảng bởi FPR đầu tiên. Độ dài của các hướng dẫn sóng mảng đã được thiết kế sao cho độ chênh lệch độ dài đường quang (ΔL) giữa các hướng dẫn sóng mảng liền kề bằng một số nguyên (m) của bước sóng trung tâm (c) của bộ khử nhiễu. Do đó, phân phối trường tại khẩu độ đầu vào sẽ được sao chép ở khẩu độ đầu ra. Do đó, ở bước sóng trung tâm này, ánh sáng tập trung ở trung tâm của mặt phẳng hình ảnh (với điều kiện là hướng dẫn sóng đầu vào được căn giữa trong mặt phẳng đầu vào).
Nếu bước sóng đầu vào bị lệch khỏi bước sóng trung tâm này, sự thay đổi pha xảy ra trong các nhánh mảng. Do chênh lệch độ dài đường truyền không đổi giữa các hướng dẫn sóng liền kề, sự thay đổi pha này tăng tuyến tính từ các hướng dẫn sóng mảng bên trong sang bên ngoài, khiến cho mặt trước của sóng bị nghiêng ở khẩu độ đầu ra. Do đó, tiêu điểm trong mặt phẳng hình ảnh bị dịch chuyển ra khỏi tâm. Bằng cách đặt các hướng dẫn sóng thu tại các vị trí thích hợp dọc theo mặt phẳng hình ảnh, sẽ thu được sự phân tách không gian của các kênh bước sóng khác nhau.
3. THIẾT KẾ
Bố cục sơ đồ của AWG kênh 4 × 4 cho DWDM với bước sóng trung tâm 1,55 m được hiển thị trong Hình 2. Vị trí của cổng đầu vào và cổng đầu ra được hình thành đối xứng, giống hệt nhau. Công cụ thiết kế WDM_PHASAR của Optiwave®, đã được sử dụng để thiết kế hai loại AWG 4 kênh hoạt động ở bước sóng trung tâm 1,55 μm, với khoảng cách kênh là 0,8nm và 9,6nm, cho các ứng dụng DWDM và CWDM, tương ứng.
Chỉ số khúc xạ của lõi polymer BCB ở mức 1,55 μm là 1,5556. Lớp bọc là ORMOCER có chỉ số khúc xạ là 1,537, trong khi chất nền là silicon được sử dụng rộng rãi trong vi mạch và mạch tích hợp. ORMOCER (ORERally MOdified CERramics) là copolyme vô cơ vô hình có thể quang hóa với hành vi kháng âm. Kích thước lõi là 3 xm x 4 m với ống dẫn sóng kiểu chôn, như mô tả trong Hình 3. Sự phân tách cổng của đầu vào / đầu ra được thiết kế là 250 m với độ lệch kết nối 100 μm để nối đuôi heo thành dải băng.
Tất cả các thông số thiết kế được liệt kê trong Bảng 1 và Bảng 2 cho AWG, bước sóng trung tâm 1,55 m với khoảng cách kênh lần lượt là 100 GHz và 1200 GHz. Trong thiết kế, độ tương phản chiết suất giữa lõi và lớp phủ khá lớn (~ 1,2%), dẫn đến bán kính uốn nhỏ và góp phần vào kích thước chip nhỏ. Tuy nhiên, tổn thất khớp nối giữa ống dẫn sóng và sợi dẫn đến từ sự không phù hợp giữa trường chế độ tăng. Tổng kích thước thiết bị cho AWG với khoảng cách 100 GHz là 21,5 x 10 mm2 và 17,8 x 5 mm2 cho AWG với khoảng cách 1200 GHz. Sự khác biệt này là do sự gia tăng độ dài đường dẫn trong AWG với khoảng cách 100GHz lớn hơn AWG với khoảng cách 1200GHz với cùng một góc định hướng.
4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả mô phỏng của AWG với khoảng cách kênh là 0,8nm được hiển thị trong Hình 4. Nó cho thấy phân phối đầu ra của các ống dẫn sóng đầu ra 4 kênh. Các kênh đầu ra có bước sóng 1549,04nm (1), 1549,872nm (2), 1550,70nm (3) và 1551.360 nm (4), cho biết khoảng cách kênh mô phỏng là 0,832nm. Do đó, bước sóng đầu ra cho mỗi kênh tuân theo thông số kỹ thuật của ITU, thậm chí nó bị dịch chuyển một chút 0,032nm quá nhỏ và có thể bị bỏ qua. Tuy nhiên, tổn thất chèn tối đa 5,04 dB là ở kênh 4 và tổn thất chèn tối thiểu 3,88 dB là ở kênh 2. Crosstalk nhỏ hơn -32,77 dB.
Bảng 3 cho thấy các tham số đầu ra được tính toán của AWG với khoảng cách kênh 0,8nm. Các giá trị này đã được tính toán ở mức băng thông -3 dB. Mức băng thông được sử dụng làm tham chiếu để xác định băng thông.
Đối với AWG với khoảng cách kênh là 9,6nm, kết quả mô phỏng được hiển thị trong Hình 5. Bốn bước sóng đầu ra 1, λ2, 3 và λ4 lần lượt là 1542nm, 1552nm, 1562 nm và 1572 nm. Kết quả cho khoảng cách kênh là 10 nm, hơi khác so với tham số đầu vào thiết kế, là 9,6 nm. Trong khi đó, tổn thất chèn tối đa 6,63 dB là ở kênh 1 và tổn thất chèn tối thiểu là 5,30 dB ở kênh 3. Crosstalk nhỏ hơn -23 dB.
Hình 5. Đáp ứng phổ đầu ra của AWG 4 kênh với khoảng cách kênh 1200 GHz
Bảng 4 cho thấy các tham số đầu ra được tính toán của AWG với khoảng cách kênh 9,6nm. Các giá trị này đã được tính toán ở mức băng thông -3dB. Giá trị cho khoảng cách kênh thu được là 10nm, nằm trong phạm vi ứng dụng CWDM..Theo kết quả mô phỏng, chúng tôi phát hiện ra rằng các AWG này có thể hoạt động chính xác trong hệ thống DWDM và CWDM.
5. SO SÁNH THỰC HIỆN
Phát triển bộ ghép kênh polymer AWG đã trở thành mối quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu. AWG polymer đầu tiên được chứng minh bởi Hida et al áp dụng fluoro-methacrylate đã khử màu (d-PFMA) trên đế silicon. Tuy nhiên AWG này chỉ hoạt động ở cửa sổ 1300nm với một số phụ thuộc phân cực nhỏ tới 0,03nm. Watanabe và cộng sự đã báo cáo 16 kênh AWG polyme hoạt động ở 1550nm được thực hiện bằng cách sử dụng ống dẫn sóng bằng nhựa silicon. Bộ ghép kênh AWG này có tổn thất chèn trong phạm vi từ 9 đến 13 dB, nhiễu xuyên âm nhỏ hơn so với2020 dB và sự thay đổi bước sóng phụ thuộc phân cực thấp.
Leo [19] đã trình diễn polymer 2 x 8 AWG dựa trên CWDM (20nm) ở bước sóng trung tâm 1520nm với tổng kích thước thiết bị là 23 mm x 2,5 mm. Tổn thất chèn và nhiễu xuyên âm được tìm thấy lần lượt là khoảng 7 dB và -30 dB. Mặt khác, Razali [đề xuất polymer 4 x4 AWG với khoảng cách 0,8nm (DWDM) hoạt động ở bước sóng trung tâm 1570nm. Thiết bị có tổn thất chèn 3 dB và mức nhiễu xuyên âm dưới -30 dB. Kích thước thiết bị là 31 mm x 9 mm.
Trong bài báo này, các thiết kế được đề xuất là polymer 4 x 4 AWG hoạt động ở bước sóng trung tâm 1550nm với khoảng cách kênh là 0,8 nm và 9,6nm. Theo quan sát, tổn thất chèn của khoảng cách kênh tương ứng lần lượt là -5 dB và -6 dB và mức nhiễu xuyên âm lần lượt là -33 dB và -23 dB. Tổng kích thước thiết bị là 21,5 mm x 10 mm cho khoảng cách 0,8nm và 17,8 mm x 5 mm cho khoảng cách 9,6nm. Chắc chắn, điều này cho thấy rằng AWGs cho ứng dụng CWDM và DWDM có thể được nhận ra bằng cách sử dụng polymer BCB 4024-40 làm vật liệu dẫn đường.
6. KẾT LUẬN
AWG dựa trên polymer BCB cho các ứng dụng trong DWDM / CWDM đã được trình bày. Hai thiết kế của bốn kênh AWG với mức nhiễu xuyên âm dưới-32 dB và-23 dB đã được chứng minh là hoạt động trong cửa sổ truyền thông 1550nm cho ứng dụng DWDM và CWDM. Có thể kết luận rằng polymer BCB có thể được coi là một ứng cử viên phù hợp cho sự phát triển của AWG vì nó cho thấy hiệu suất tốt cho các ứng dụng DWDM và CWDM.
