تصميم مقالي على شبكة WAVEGUIDE (AWG) لتطبيقات DWDM / CWDM المستندة إلى بوليمر BCB
1 المقدمة
تعد مضاعفة تقسيم الطول الموجي (WDM) أسلوبًا يمكن أن يستغل عدم تطابق عرض النطاق الترددي الإلكتروني الضخم من خلال اشتراط أن يعمل كل جهاز مستخدم نهائي فقط بالمعدل الإلكتروني ، ولكن قد يتم مضاعفة قنوات WDM متعددة من مستخدمين مختلفين على نفس الألياف .
يوجد بديلان لشبكات مترو WDM: الكثافة WDM (DWDM) و WDM الخشنة (CWDM). في البيئات عالية السعة ، يتم استخدام DWDM. في DWDM ، يمكن أن يكون فصل القناة صغيرًا مثل 0.8 أو 0.4 نانومتر ، لما يصل إلى 80 قناة بصرية بمعدلات خط تصل إلى 10 جيجابت في الثانية. تقنيات DWDM مكلفة للغاية ، لذا فإن تطبيقها على شبكات الوصول أمر صعب. بدلاً من ذلك ، يتم دمج CWDM كحل قوي واقتصادي. تكمن ميزة تقنية CWDM في مكوناتها الضوئية منخفضة التكلفة. تقدم CWDM حلولًا لتطبيقات 850 و 1،300 و 1500 نانومتر بسرعة 10 و 40 جيجابت في الثانية على ما يصل إلى 15 قناة بصرية متباعدة بين 20 نانومتر. تتمتع كل من تقنية CWDM و DWDM بمكانتها في البنية التحتية لشبكة المترو الحالية والناشئة. عند استخدام هذه التقنيات مع الألياف الضوئية المناسبة ، تكون الفوائد الاقتصادية ، التي تساعد على خفض تكاليف النظام ، كبيرة.
يعد دليل توجيه الموجة المصفوفة (AWG) واحدًا من أكثر الأجهزة الواعدة للعديد من أدوات إزالة تعدد الإرسال في نظام WDM نظرًا لفقدان الإدخال المنخفض والاستقرار العالي والتكلفة المنخفضة. تم اقتراح مقضب دليل الموجات المصفوفة لأول مرة حلاً لمشكلة WDM بواسطة Smith في عام 1988 وتم تطويره بشكل أكبر في السنوات التالية بواسطة Takahashi [الذي أبلغ عن أول الأجهزة التي تعمل في نافذة الطول الموجي الطويل. قام Dragonet.extended بتطبيق المفهوم من 1 x N demultiplexers إلى N-N الموجهات lengt ذات الموجة التي تلعب دورًا مهمًا في تطبيق شبكة متعددة الأطوال الموجية.
الميزة الأساسية لـ AWG هي أن تكلفتها لا تعتمد على عدد الطول الموجي كما هو الحال في محلول الفلتر العازل. لذلك فهو يلائم التطبيقات المتروبولية التي تتطلب فعالية من حيث التكلفة لأعداد الطول الموجي الكبيرة. الميزة الأخرى لـ AWG هي المرونة في اختيار رقم القناة وتباعد القنوات ، ونتيجة لذلك ، يمكن تصنيع أنواع مختلفة من AWG بطريقة مماثلة.
توفر البوليمرات إمكانات ممتازة لتحقيق مكونات WDM منخفضة التكلفة حيث يمكن تصنيعها بسهولة في درجات حرارة منخفضة على أنواع مختلفة من الركائز. جذبت Polymeric AWG multi / demultiplexers الكثير من الاهتمام نظرًا لسهولة تصنيعها وتكلفتها المنخفضة وإمكانية تكاملها مع الأجهزة الأخرى مثل مفاتيح البوليمر الحرارية البصرية لتطبيقات مُضاعِف الإضافة المنسدلة.
نظرًا لأن البوليمر BenzoCylobutene (BCB4024-40) يوفر بعض المزايا مثل الانكسار المنخفض والاستقرار الحراري الجيد وتشتت الطول الموجي المنخفض ، فقد تم اختياره كمواد أساسية في هذا المشروع. يصبح بوليمر BCB مادة جذابة وقد تم استخدامه لتصنيع أجهزة بصرية مختلفة ، على سبيل المثال ، التبديل البصري ، دليل الموجات الضوئية البوليمرية ، الخائن البصري للتداخل متعدد الأوضاع.
في هذه الورقة ، سيتم تقديم تصميم مقترح لـ AWG التقليدي بقنوات 4 × 4 والذي يمكنه أن يعمل عند الطول الموجي المركزي عند 1.55 ميكرون مع تباعد القناة بين 100 جيجاهرتز و 1200 جيجاهرتز استنادًا إلى بوليمر BCB-4024 مع مؤشر انكسار قدره 1.5556.
2. العملية الأساسية
عمومًا ، يعمل جهاز AWG كمضاعفات ، ومزيلات تعدد الإرسال ، ومرشحات ، وأجهزة إضافة إضافية في تطبيقات WDM البصرية. يوضح الشكل 1 تخطيطًا تخطيطيًا لمزيل تعدد الإرسال AWG. يتكون الجهاز من ثلاثة أجزاء رئيسية هي أدلة موجات متعددة للإدخال والإخراج ، مقرنات نجمية ذات موجة wav eguide (أو منطقة انتشار حرة (FPR)) ، متصلة بواسطة مصفوفة دليل موجات مشتتة مع اختلاف طول متساوٍ بين أدلة الموجات المجاورة. يوصف مبدأ تشغيل المضاعف / مزيل تعدد الإرسال AWG على النحو التالي.
الشكل 1. هيكل demultiplexer AWG
سيتم توزيع إشارة DWDM / CWDM التي يتم إطلاقها في أحد أدلة موجات الإدخال في منطقة البلاطة الأولى ، بالإضافة إلى دليل الموجات المصفوفة بواسطة أول FPR. تم تصميم طول أدلة موجات الصفيف بحيث يساوي فرق طول المسار البصري (ΔL) بين أدلة موجات الصفيف المتجاورة عددًا صحيحًا (m) مضاعفًا لطول الموجة المركزية (λc) لمزيل تعدد الإرسال. ونتيجة لذلك ، سيتم إعادة توزيع الحقل عند فتحة المدخلات عند فتحة الإخراج. لذلك ، في هذا الطول الموجي الوسطي ، يركز الضوء في وسط مستوي الصورة (شريطة أن يكون دليل موجة الإدخال متمركزًا في مستوى الإدخال).
إذا تم فصل الطول الموجي للإدخال عن هذا الطول الموجي المركزي ، تحدث تغييرات الطور في فروع الصفيف. بسبب اختلاف طول المسار الثابت بين أدلة الموجات المتجاورة ، فإن هذا التغير في الطور يزداد خطيًا من أدلة موجات الصفيف الداخلي إلى الخارجي ، مما يتسبب في إمالة واجهة الموجة عند فتحة الإخراج. وبالتالي ، فإن النقطة المحورية في مستوى الصورة يتم إزاحتها بعيدًا عن المركز. عن طريق وضع أدلة موجات المستقبل في المواضع المناسبة على طول مستوى الصورة ، يتم الحصول على الفصل المكاني لمختلف قنوات الطول الموجي.
3. التصميم
يوضح الشكل 2. التصميم التخطيطي لـ AWG بقناة 4 × 4 لـ DWDM بطول موجة مركزية يبلغ 1.55 ميكرون. ويتضح شكل منفذ الإدخال ومخرج الإخراج ، وهما متطابقان. تم استخدام أداة تصميم WDM_PHASAR من Optiwave® ، لتصميم نوعين من القنوات AWG 4 العاملة في الطول الموجي المركزي 1.55 ميكرون ، مع تباعد قناة من 0.8 نانومتر و 9.6 نانومتر ، لتطبيقات DWDM و CWDM ، على التوالي.
مؤشر الانكسار لبوليمر BCB عند 1.55 ميكرون هو 1.5556. الكسوة هي ORMOCER التي لديها مؤشر الانكسار 1.537 ، في حين أن الركيزة هي السيليكون الذي تم استخدامه على نطاق واسع في الدوائر الإلكترونية الدقيقة والمتكاملة. ORMOCER (CERramics ORganically MOdified) عبارة عن بوليميرات مشتركة غير عضوية ذات تأثير سلبي مقاومة السلوك. الحجم الأساسي هو 3 ميكرون × 4 ميكرون مع الدليل الموجي من النوع المدفون ، كما هو موضح في الشكل 3. تم تصميم فصل المنفذ للإدخال / الإخراج ليكون 250 ميكرون مع إزاحة اتصال 100 ميكرون لجلد الضفدع إلى شريط ليفي.
يتم سرد جميع معلمات التصميم في الجدول 1 والجدول 2 لـ AWG ، الطول الموجي المركزي 1.55 ميكرون مع تباعد القناة بين 100 جيجاهرتز و 1200 جيجاهرتز ، على التوالي. في التصميم ، يكون التباين بين معامل الانكسار بين اللب والكسوة كبيرًا جدًا (~ 1.2٪) ، مما ينتج عنه نصف قطر صغير للثني ويساهم في حجم الرقاقة الصغيرة. ومع ذلك ، يزيد فقدان الاقتران بين الدليل الموجي والألياف الناتجة عن عدم تطابق حقل الوضع. الحجم الكلي لجهاز AWG مع تباعد 100 جيجاهرتز هو 21.5 × 10 مم 2 و 17.8 × 5 مم 2 لـ AWG مع تباعد 1200 جيجاهيرتز. هذا الاختلاف يرجع إلى زيادة طول المسار في AWG مع تباعد 100GHz أكبر من AWG مع تباعد 1200GHz مع نفس زاوية الاتجاه.
4. النتائج والمناقشة
يظهر الشكل 4 نتيجة محاكاة AWG مع تباعد قناة قدره 0.8 نانومتر. وهو يبين توزيع الخرج لمرشدات موجات خرج القناة الأربعة. تكون قنوات الخرج بالأطوال الموجية 1549.04 نانومتر (λ1) و 1549.872 نانومتر (λ2) و 1550.704 نانومتر (λ3) و 1551.360 نانومتر (λ4) على التوالي ، مما يشير إلى تباعد القناة المحاكاة عند 0.832 نانومتر. وبالتالي ، فإن طول موجة الخرج لكل قناة يتبع مواصفات الاتحاد الدولي للاتصالات ، حتى يتم تغييره قليلاً بمقدار 0.032 نانومتر وهو صغير جدًا ويمكن إهماله. ومع ذلك ، فإن الحد الأقصى لخسارة الإدراج البالغة 5.04 ديسيبل يقع في القناة 4 وخسارة الإدراج الدنيا البالغة 3.88 ديسيبل في القناة 2. ويكون الحديث المتبادل أقل من -32.77 ديسيبل.
ويبين الجدول 3 معلمات الإخراج المحسوبة من AWG مع تباعد قناة 0.8 نانومتر. تم حساب هذه القيم عند مستوى عرض النطاق البالغ dB 3. يتم استخدام مستوى النطاق الترددي كمرجع لتعريف عرض النطاق الترددي.
بالنسبة إلى AWG مع تباعد القناة بمقدار 9.6 نانومتر ، تظهر نتيجة المحاكاة في الشكل 5. وأطوال موجات الإخراج الأربعة λ1 و λ2 و λ3 و λ4 هي عند 1542 نانومتر و 1552 نانومتر و 1562 نانومتر و 1572 نانومتر ، على التوالي. نتيجة تباعد القناة هي 10 نانومتر والتي تختلف قليلاً عن معلمة إدخال التصميم ، والتي تبلغ 9.6 نانومتر. وفي الوقت نفسه ، فإن الحد الأقصى لخسارة الإدراج البالغة 6.63 ديسيبل يقع في القناة 1 وخسارة الإدراج الدنيا البالغة 5.30 ديسيبل في القناة 3. ويكون الحديث المتبادل أقل من -23 ديسيبل.
الشكل 5. ردود الطيف الناتج من 4 قنوات AWG مع تباعد قناة 1200 جيجاهيرتز
ويبين الجدول 4 معلمات الإخراج المحسوبة من AWG مع تباعد قناة 9.6 نانومتر. تم حساب هذه القيم عند مستوى عرض النطاق الترددي -3 ديسيبل. قيمة تباعد القناة التي تم الحصول عليها هي 10 نانومتر والتي تقع في نطاق تطبيقات CWDM .. وفقًا لنتائج المحاكاة ، اكتشفنا أن هذه AWGs يمكن أن تعمل بشكل صحيح في نظام DWDM و CWDM.
5. مقارنة الأداء
أصبح تطوير AWG بوليمر المضاعف مصلحة لكثير من الباحثين. أول AWG البوليمر التي أظهرتها هيدا وآخرون تطبيق فلورو ميثاكريليت فلورو (د-PFMA) deuterated على الركيزة السيليكون. ومع ذلك ، يعمل هذا AWG فقط عند نافذة 1300 نانومتر مع بعض الاعتماد الاستقطاب صغير مثل 0.03 نانومتر. ذكرت واتانابي وآخرون أن 16 قناة بوليمرية تم تشغيل AWG عند 1550 نانومتر باستخدام الدليل الموجي لراتنج السيليكون. يحتوي مُضاعِف AWG هذا على خسارة إدخال في المدى من 9 إلى 13 ديسيبل ، وتداخل crosstalk أقل من -20 ديسيبل وتحول منخفض في طول الموجة يعتمد على الاستقطاب.
أظهر ليو [19] بوليمر AWG 2 × 8 على أساس CWDM (20 نانومتر) في الطول الموجي المركزي 1520 نانومتر مع إجمالي حجم الجهاز 23 ملم × 2.5 ملم. تم العثور على فقدان الإدراج والحديث المتبادل حوالي 7 ديسيبل و -30 ديسيبل ، على التوالي. من ناحية أخرى ، Razali [المقترح 4 × 4 AWG بوليمر مع تباعد 0.8 نانومتر (DWDM) تعمل في الطول الموجي الوسط من 1570 نانومتر. يحتوي الجهاز على فقد إدخال بمقدار 3 ديسيبل ومستوى الحديث المتبادل أقل من -30 ديسيبل. حجم الجهاز 31 مم × 9 مم.
في هذه الورقة ، التصميمات المقترحة عبارة عن بوليمر AWG 4 × 4 يعمل على طول موجي مركزي يبلغ 1550 نانومتر مع تباعد للقناة يبلغ 0.8 نانومتر و 9.6 نانومتر. ويلاحظ أن خسائر الإدراج في تباعد القناة المقابلة هي -5 dB و -6 dB ، على التوالي وأن مستوى الحديث المتبادل هو -33 dB و -23 dB ، على التوالي. يبلغ إجمالي حجم الجهاز 21.5 مم × 10 مم لتباعد 0.8 نانومتر و 17.8 مم × 5 مم لتباعد 9.6 نانومتر. حتما ، يوضح هذا أنه يمكن تحقيق AWGs لتطبيق CWDM و DWDM من خلال استخدام BCB 4024-40 بوليمر كمواد توجيهية.
6. الخلاصة
تم تقديم AWGs القائمة على بوليمر BCB للتطبيقات في DWDM / CWDM. تم تصميم تصميمين لأربع قنوات AWG بمستوى crosstalk أقل من 32 ديسيبل و 23 ديسيبل للعمل في نافذة اتصال 1550 نانومتر لتطبيق DWDM و CWDM. يمكن أن نستنتج أن بوليمر BCB يمكن اعتباره مرشحًا مناسبًا لتطوير AWG لأنه يظهر أداءً جيدًا لتطبيقات DWDM و CWDM.