طراحی تقسیم WAVEGUIDE ARRAYED (AWG) برای برنامه های DWDM / CWDM بر اساس پلیمر BCB
1. مقدمه
چند برابر سازی تقسیم طول موج (WDM) رویکردی است که می تواند از عدم تطابق پهنای باند الکترونیکی عظیم بهره برداری کند و این نیاز را دارد که هر تجهیزات کاربر نهایی فقط با سرعت الکترونیکی کار کنند ، اما چندین کانال WDM از سوی کاربران نهایی مختلف ممکن است بر روی همان فیبر ضرب شود. .
برای شبکه های مترو WDM دو گزینه وجود دارد: متراکم WDM (DWDM) و WDM درشت (CWDM). در محیط های با ظرفیت بالا از DWDM استفاده می شود. در DWDM ، جداسازی کانال می تواند به اندازه 0.8 یا 0.4 نانومتر باشد ، تا 80 کانال نوری با نرخ خط تا 10 گیگابیت در ثانیه. فن آوری های DWDM بسیار گران است ، بنابراین کاربرد آن برای دسترسی به شبکه ها دشوار است. در عوض ، CWDM در حال ادغام به عنوان یک راه حل قوی و اقتصادی است. مزیت فناوری CWDM در اجزای نوری کم هزینه آن نهفته است. CWDM راه حل هایی را برای 850 ، 1.300 و 1500 نانومتر در 10 و 40 گیگابیت بر ثانیه در 15 کانال نوری با فاصله 20 نانومتر از یکدیگر ارائه می دهد. هر دو فناوری CWDM و DWDM جایگاه خود را در زیرساخت های شبکه مترو فعلی و در حال ظهور دارند. هنگامی که این فن آوری ها در ترکیب با الیاف نوری مناسب استفاده می شوند ، مزایای اقتصادی ، که به کاهش هزینه های سیستم کمک می کند ، قابل توجه است.
گریتینگ راهنمای موجدار Arrayed (AWG) به دلیل ضعف درج در ورودی ، پایداری بالا و کم هزینه بودن یکی از دستگاههای بسیار امیدوارکننده در زمینه چند / demultiplexer در سیستم WDM است. شبکه مشبک موج آرایه شده برای اولین بار راه حلی برای مشکل WDM توسط اسمیت در سال 1988 پیشنهاد کرد و در سالهای بعد توسط تاکاهاشی [که گزارش اولین دستگاههایی را که در پنجره طول موج طولانی کار می کردند ، ارائه شد ، توسعه یافت. Dragonet.ext مفهوم را از 1 x N demultiplexers تا N x N مسیریاب های طول موج که نقش مهمی در کاربرد شبکه چند موج دارند ، توسعه داد.
مهمترین مزیت AWG این است که هزینه آن به اندازه طول موج مانند محلول فیلتر دی الکتریک وابسته نیست. بنابراین مناسب برنامه های کلانشهرهایی است که نیاز به مقرون به صرفه برای تعداد موج های بزرگ دارند. مزیت دیگر AWG انعطاف پذیری در انتخاب شماره کانال و فاصله کانال آن است و در نتیجه می توان انواع مختلف AWG را به روشی مشابه ساخت.
پلیمرها پتانسیل بسیار خوبی را برای تحقق بخشیدن به اجزای WDM کم هزینه ارائه می دهند زیرا در انواع مختلف بسترها به راحتی در دمای پایین تولید می شوند. Polymeric AWG multi / demultiplexers به دلیل ساخت آسان آن ، هزینه کم و پتانسیل ادغام با دستگاه های دیگر مانند سوئیچ های ترموی نوری پلیمر برای برنامه های افزودنی قطره ، توجه بسیاری را به خود جلب کرده است.
از آنجا که پلیمر BenzoCylobutene (BCB4024-40) برخی از مزایای از جمله عدم نفوذ بالا ، پایداری حرارتی خوب و پراکندگی طول موج کم را ارائه می دهد ، به عنوان ماده اصلی در این پروژه انتخاب شده است. پلیمر BCB به یک ماده جذاب تبدیل می شود و برای ساخت دستگاه های مختلف نوری مورد استفاده قرار گرفته است ، به عنوان مثال ، سوئیچ نوری ، راهنمای موج نوری پلیمری و شکاف نوری تداخل چند حالته.
در این مقاله ، یک طرح پیشنهادی از 4 کانال 4 A AWG معمولی که قادر به کار در طول موج مرکزی 1.55 میکرون متر با فاصله کانال 100 گیگاهرتز و 1200 گیگاهرتز بر اساس پلیمر BCB-4024 با ضریب شکست 1.5556 ارائه خواهد شد.
2. عملکرد اساسی
به طور کلی ، دستگاه AWG در برنامه های نوری WDM به عنوان multiplexers ، demultiplexers ، فیلتر و دستگاه های افزودنی استفاده می شود. شکل 1 طرح شماتیک یک demultiplexer AWG را نشان می دهد. این دستگاه از سه بخش اصلی تشکیل شده است که شامل چندین راهنمای ورودی و خروجی موج ، دو زوج دارای صفحات wav eguide star (یا منطقه انتشار آزاد (FPR)) هستند که توسط یک آرایه راهنمای پراکندگی موج با اختلاف طول مساوی بین راهنماهای موج مجاور متصل می شوند. اصل عملکرد Multiplexer / Demultiplexer AWG به شرح زیر است.
شکل 1. ساختار demultiplexer AWG
سیگنال DWDM / CWDM که به یکی از راهنماهای موج ورودی راه اندازی می شود ، در منطقه دال اول پراکنده می شود و توسط اولین FPR به موج موجدار وصل می شود. طول راهنماهای موج آرایه به گونه ای طراحی شده است که اختلاف طول مسیر نوری (ΔL) بین راهنماهای موج آرایه مجاور برابر است با یک عدد صحیح (m) چند برابر طول موج مرکزی (λc) از demultiplexer. در نتیجه ، توزیع میدان در دیافراگم ورودی در دیافراگم خروجی تولید مثل می شود. بنابراین ، در این طول موج مرکزی ، نور در مرکز صفحه تصویر متمرکز می شود (مشروط بر اینکه راهنمای موج ورودی در صفحه ورودی متمرکز شود).
اگر طول موج ورودی از این طول موج مرکزی جدا شود ، تغییرات فاز در شاخه های آرایه رخ می دهد. با توجه به اختلاف طول مسیر ثابت بین راهنماهای موج مجاور ، این تغییر فاز بصورت خطی از راهنماهای موج آرایه داخلی به بیرونی افزایش می یابد و همین امر باعث می شود جلوی موج در دیافراگم خروجی کج شود. در نتیجه ، نقطه کانونی در صفحه تصویر از مرکز دور می شود. با قرار دادن راهنماهای موج گیرنده در موقعیتهای مناسب در امتداد صفحه تصویر ، جداسازی مکانی کانالهای مختلف طول موج بدست می آید.
3. طراحی
طرح شماتیک کانال 4 × 4 AWG برای DWDM با طول موج مرکزی 1.55 میکرومتر در شکل 2 نشان داده شده است. موقعیت پورت ورودی و پورت خروجی بطور متقارن تشکیل شده است که یکسان هستند. ابزار طراحی WDM_PHASAR از Optiwave® ، به منظور طراحی دو نوع 4 کانال AWG در طول موج مرکزی 1.55 میکرومتر ، با فاصله کانال 0.8 نانومتر و 9.6 نانومتر ، به ترتیب برای برنامه های DWDM و CWDM استفاده شده است.
ضریب شکست هسته پلیمر BCB در 1.55 میکرومتر 1.5556 است. روکش فلزی ORMOCER است که دارای ضریب شکست 1.537 است ، در حالی که بستر سیلیکونی است که در مدار میکروالکترونیکی و یکپارچه بسیار مورد استفاده قرار گرفته است. ORMOCER (Organsic MOdified CERramics) کوپلیمرهای غیر معدنی با قابلیت مقاومت در برابر منفی است. اندازه هسته 3 میکرومتر x 4 میکرومتر با موجبر نوع مدفون است ، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. جداسازی درگاه ورودی / خروجی 250 میکرومتر با اتصال 100 میکرومتر جبران شده برای رنگ آمیزی به روبان فیبر است.
تمام پارامترهای طراحی به ترتیب در جدول 1 و جدول 2 برای AWG ، طول موج مرکزی 1.55 میکرومتر با فاصله کانال 100 گیگاهرتز و 1200 گیگاهرتز ذکر شده است. در طرح ، تضاد ضریب شکست بین هسته و روکش فلزی بسیار بزرگ است (1.2 ~ پوند) ، که منجر به شعاع خمشی کوچک و به اندازه تراشه کوچک می شود. با این حال ، از بین رفتن اتصال بین موجبر و فیبر که ناشی از عدم مطابقت حالت حالت است ، افزایش می یابد. اندازه کلی دستگاه برای AWG با فاصله 100 گیگاهرتز برای فاصله AWG با فاصله 1200 گیگاهرتز برابر با 5/21 21 21 میلی متر و 17.8 5 5 میلی متر مربع است. این تفاوت به دلیل افزایش طول مسیر در AWG با فاصله 100GHz بیشتر از AWG با فاصله 1200GHz با زاویه جهت یابی مشابه است.
4- نتایج و بحث
نتیجه شبیه سازی AWG با فاصله کانال 0.8 نانومتر در شکل 4 نشان داده شده است. توزیع خروجی 4 موجبر خروجی کانال را نشان می دهد. کانالهای خروجی به ترتیب در طول موج 1549.04 نانومتر (λ1) ، 1549.872 نانومتر (λ2) ، 1550.704 نانومتر (λ3) و 1551.360 نانومتر (λ4) به ترتیب قرار دارند ، که فاصله کانال شبیه سازی شده از 0.832 نانومتر را نشان می دهد. بنابراین ، طول موج خروجی برای هر کانال از مشخصات ITU پیروی می کند ، حتی آن را کمی تغییر داده است 0.032 نانومتر که خیلی کوچک است و می توان مورد غفلت قرار گرفت. با این حال ، حداکثر تلفات درج 5/4 دسی بل در کانال 4 و کمترین میزان از بین رفتن 88/3 دسی بل در کانال 2 است. جدول متقاطع کمتر از -32.77 دسی بل است.
جدول 3 پارامترهای خروجی محاسبه شده AWG با فاصله کانال 0.8 نانومتر را نشان می دهد. این مقادیر در سطح پهنای باند -3 دسی بل محاسبه شده است. از پهنای باند به عنوان مرجع برای تعریف پهنای باند استفاده می شود.
برای AWG با فاصله کانال 6/9 نانومتر ، نتیجه شبیه سازی در شکل 5 نشان داده شده است. چهار طول موج خروجی λ1 ، λ2 ، λ3 و λ4 به ترتیب در 1542 نانومتر ، 1552 نانومتر ، 1562 نانومتر و 1572 نانومتر قرار دارند. نتیجه فاصله کانال 10 نانومتر است که کمی متفاوت از پارامتر ورودی طراحی است که 6.6 نانومتر است. در همین حال ، حداکثر تلفات درج 6.63 دسی بل در کانال 1 و کمترین تلفات درج 5.30 دسی بل در کانال 3 است. جدول متقاطع کمتر از -23 dB است.
شکل 5. پاسخهای طیفی خروجی 4 کانال AWG با فاصله کانال 1200 گیگاهرتز
جدول 4 پارامترهای خروجی محاسبه شده AWG با فاصله کانال 9.6 نانومتر را نشان می دهد. این مقادیر در سطح پهنای باند -3dB محاسبه شده است. مقدار فاصله کانال به دست آمده 10 نانومتر است که در محدوده برنامه های CWDM قرار دارد. با توجه به نتایج شبیه سازی ، دریافتیم که این AWG ها می توانند در سیستم DWDM و CWDM به درستی کار کنند.
5. مقایسه عملکرد
توسعه Multiplexer پلیمر AWG مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است. اولین پلیمر AWG توسط هیدا و همکاران با استفاده از فلورو متاکریلات دوتایی شده (d-PFMA) بر روی بستر سیلیکون نشان داده شد. با این حال این AWG فقط در پنجره 1300 نانومتر با وابستگی قطبی سازی به اندازه 0.03 نانومتر عمل می کرد. واتانابه و همكاران گزارش كردند كه 16 كانال AWG با سرعت 1550 نانومتر با استفاده از موجبري رزيني سيليكون انجام شده است. این multiplexer AWG دارای افت درج در محدوده 9 تا 13 دسی بل ، یک متقاطع کمتر از -20 dB و یک تغییر طول موج وابسته به قطبش کم است.
لئو [19] پلیمر AWG 2 x 8 را بر اساس CWDM (20 نانومتر) در طول موج مرکزی 1520 نانومتر با اندازه کلی دستگاه 23 mm x 2.5 mm نشان داد. از دست رفتن درج و متقاطع به ترتیب حدود 7 dB و -30 dB است. از طرف دیگر ، Razali [4x4 A4 پلیمر AWG با فاصله 0.8 نانومتر (DWDM) با فاصله موج مرکزی 1570 نانومتر را پیشنهاد کرد. دستگاه از بین رفته 3 دسی بل و سطح متقاطع کمتر از -30 dB است. اندازه دستگاه 31 میلی متر در 9 میلی متر است.
در این مقاله ، طرح های پیشنهادی 4 4 4 پلیمر AWGs در طول موج مرکزی 1550 نانومتر با فاصله کانال 0.8 نانومتر و 9.6 نانومتر کار می کنند. مشاهده شده است که تلفات درج فاصله کانال مربوطه به ترتیب -5 dB و -6 dB و سطح متقاطع به ترتیب -33 dB و -23 dB است. اندازه كل دستگاه 5/21 میلی متر در 10 میلی متر برای فاصله 0.8 نانومتر و فاصله 8/17 میلی متر 5 میلی متر برای فاصله 9/6 نانومتر است. به ناچار ، این نشان می دهد که AWG برای کاربرد CWDM و DWDM با استفاده از پلیمر BCB 4024-40 به عنوان ماده راهنما محقق می شود.
6. نتیجه گیری
AWG بر اساس پلیمر BCB برای کاربردهای DWDM / CWDM ارائه شده است. دو طرح از چهار کانال AWG با سطح متقاطع زیر 32 dB و 23 dB نشان داده شده است که در پنجره ارتباطی 1550 نانومتر برای برنامه DWDM و CWDM کار می کنند. می توان نتیجه گرفت که پلیمر BCB می تواند به عنوان کاندیدای مناسبی برای توسعه AWG در نظر گرفته شود زیرا عملکرد خوبی برای برنامه های DWDM و CWDM نشان می دهد.
