BCB 폴리머를 기반으로하는 DWDM / CWDM 응용 프로그램을위한 배열 된 파형 격자 (AWG) 설계
1. 소개
WDM (Wavelength-Division Multiplexing)은 각 최종 사용자 장비가 전자 속도로만 작동하도록 요구함으로써 광전자 대역폭 불일치를 악용 할 수있는 접근 방식이지만 서로 다른 최종 사용자의 여러 WDM 채널이 동일한 파이버에서 다중화 될 수 있습니다. .
WDM 메트로 네트워크에는 두 가지 대안이 있습니다. 고밀도 WDM (DWDM)과 굵은 WDM (CWDM). 고용량 환경에서는 DWDM이 사용됩니다. DWDM에서 채널 분리는 최대 10Gbps의 회선 속도로 최대 80 개의 광 채널에 대해 0.8 또는 0.4nm만큼 작을 수 있습니다. DWDM 기술은 매우 비싸므로 네트워크에 액세스하기위한 응용 프로그램이 어렵습니다. 대신 CWDM은 강력하고 경제적 인 솔루션으로 통합되고 있습니다. CWDM 기술의 장점은 저렴한 광학 부품에 있습니다. CWDM은 20nm 간격의 최대 15 개의 광 채널에서 10 및 40Gbps로 850, 1,300 및 1,500nm 애플리케이션을위한 솔루션을 제공합니다. CWDM 및 DWDM 기술 모두 현재 및 새롭게 등장하는 메트로 네트워크 인프라에 자리 잡고 있습니다. 이러한 기술을 적절한 광섬유와 함께 사용하면 시스템 비용을 낮추는 데 도움이되는 경제적 이점이 있습니다.
배열 도파관 격자 (AWG)는 낮은 삽입 손실, 높은 안정성 및 저렴한 비용으로 인해 WDM 시스템에서 다중 / 디멀티플렉서를위한 가장 유망한 장치 중 하나입니다. 배열 된 도파관 격자는 1988 년 Smith에 의해 WDM 문제에 대한 해결책을 처음으로 제안했으며 다년간에 장파장에서 작동하는 최초의 장치를보고 한 다카하시 (Takahashi)에 의해 개발되었다. Dragonet.은 다중 파장 네트워크 애플리케이션에서 중요한 역할을하는 1 x N 디멀티플렉서에서 N x N 웨이브 길이 라우터로 개념을 확장했습니다.
AWG의 주요 이점은 비용이 유전체 필터 솔루션 에서처럼 파장 수에 의존하지 않는다는 것입니다. 따라서 비용이 큰 대파 수를 필요로하는 대도시 응용 분야에 적합합니다. AWG의 다른 장점은 채널 번호와 채널 간격을 선택할 수있는 유연성으로 인해 다양한 종류의 AWG를 유사한 방식으로 제조 할 수 있습니다.
폴리머는 다양한 종류의 기판에서 저온에서 쉽게 제조 할 수 있기 때문에 저렴한 WDM 구성 요소를 실현할 수있는 탁월한 잠재력을 제공합니다. Polymeric AWG 멀티 / 디멀티플렉서는 손쉬운 제조, 저렴한 비용 및 애드 드롭 멀티플렉서 애플리케이션을위한 폴리머 열 광학 스위치와 같은 다른 장치와의 통합 가능성으로 인해 많은 관심을 끌었습니다.
BenzoCylobutene (BCB4024-40) 폴리머는 낮은 복 굴절률, 우수한 열 안정성 및 낮은 파장 분산과 같은 몇 가지 장점을 제공하므로이 프로젝트에서 핵심 재료로 선택되었습니다. BCB 폴리머는 매력적인 재료가되고 다양한 광학 장치, 예를 들어, 광 스위칭, 폴리머 광 도파관 및 다중 모드 간섭 광 스플리터의 제조에 사용되어왔다.
이 논문에서는 굴절률이 1.5556 인 BCB-4024 폴리머를 기반으로 100GHz 및 1200GHz의 채널 간격으로 1.55μm의 중앙 파장에서 작동 할 수있는 기존의 AWG 4 × 4 채널 설계를 제시합니다.
2. 기본 조작
일반적으로 AWG 장치는 광학 WDM 애플리케이션에서 멀티플렉서, 디멀티플렉서, 필터 및 애드 드롭 장치로 사용됩니다. 그림 1은 AWG 디멀티플렉서의 개략적 인 레이아웃을 보여줍니다. 이 장치는 다중 입력 및 출력 도파관 인 3 개의 주요 부분, 2 개의 슬래브 wav eguide 스타 커플러 (또는 자유 전파 영역 (FPR))로 구성되어 있으며 인접한 도파관 간의 길이 차이가 동일한 분산 도파관 배열로 연결됩니다. AWG 멀티플렉서 / 디멀티플렉서의 동작 원리는 다음과 같다.
그림 1. AWG 디멀티플렉서의 구조
입력 도파관 중 하나에서 시작된 DWDM / CWDM 신호는 제 1 슬래브 영역에서 회절되고 제 1 FPR에 의해 배열 된 도파관에 결합 될 것이다. 어레이 도파로의 길이는 인접한 어레이 도파로 사이의 광로 길이 차이 (ΔL)가 디멀티플렉서의 중심 파장 (λc)의 정수 (m) 배와 같도록 설계되었다. 결과적으로, 입력 개구에서의 필드 분포는 출력 개구에서 재현 될 것이다. 따라서,이 중심 파장에서, 광은 이미지 평면의 중심에 집중된다 (입력 도파관이 입력 평면의 중심에 제공되는 경우).
입력 파장이이 중심 파장에서 디튠되면 어레이 분기에서 위상 변화가 발생합니다. 인접한 도파관 사이의 일정한 경로 길이 차이로 인해,이 위상 변화는 내부에서 외부 어레이 도파로로 선형 적으로 증가하여, 파면이 출력 개구에서 기울어지게한다. 결과적으로, 이미지 평면의 초점이 중심으로부터 멀어 지도록 이동된다. 이미지 평면을 따라 적절한 위치에 수신기 도파관을 배치함으로써, 상이한 파장 채널의 공간 분리가 얻어진다.
3. 디자인
중심 파장이 1.55 μm 인 DWDM 용 4x4 채널 AWG의 개략적 인 레이아웃이 그림 2에 나와 있습니다. 입력 포트와 출력 포트의 위치는 대칭으로 형성되며 동일합니다. Optiwave®의 WDM_PHASAR 설계 툴은 DWDM 및 CWDM 애플리케이션을 위해 각각 0.8nm 및 9.6nm의 채널 간격으로 1.55μm의 중심 파장에서 작동하는 2 가지 유형의 4 채널 AWG를 설계하는 데 사용되었습니다.
1.55 μm에서 BCB 폴리머 코어의 굴절률은 1.5556입니다. 클래딩은 1.537의 굴절률을 갖는 ORMOCER이며, 기판은 마이크로 전자 및 집적 회로에 널리 사용되는 실리콘입니다. ORMOCER (ORganically Modified CERramics)는 네거티브 레지스트 거동을 갖는 광 패턴 화 가능한 무기 유기 공중 합체입니다. 코어 크기는 그림 3과 같이 매립형 도파관이있는 3μm x 4μm입니다. 입 / 출력 포트 분리는 파이버 리본에 대한 피그 테일링을 위해 100μm 연결 오프셋으로 250μm로 설계되었습니다.
모든 설계 매개 변수는 AWG에 대한 표 1 및 표 2에 나열되어 있으며 각각 100GHz 및 1200GHz의 채널 간격으로 1.55 μm의 중앙 파장입니다. 설계에서 코어와 클래딩 사이의 굴절률 대비는 상당히 크며 (~ 1.2 %), 굽힘 반경이 작고 칩 크기가 작습니다. 그러나 모드 필드 불일치로 인한 도파관과 광섬유 사이의 커플 링 손실이 증가합니다. 100GHz 간격을 가진 AWG의 총 장치 크기는 21.5 x 10mm2이고 AWG가 1200GHz 간격 인 경우 17.8 x 5mm2입니다. 이 차이는 100GHz 간격을 가진 AWG의 경로 길이 증가가 동일한 방향 각도를 가진 1200GHz 간격을 가진 AWG보다 큽니다.
4. 결과 및 논의
채널 간격이 0.8 nm 인 AWG의 시뮬레이션 결과는 그림 4에 나와 있습니다. 4 채널 출력 도파관의 출력 분포를 보여줍니다. 출력 채널의 파장은 각각 1549.04nm (λ1), 1549.872nm (λ2), 1550.704nm (λ3) 및 1551.360nm (λ4)이며 시뮬레이션 채널 간격은 0.832nm입니다. 따라서 각 채널의 출력 파장은 ITU 사양을 따르지만 0.032 nm로 약간 이동하여 너무 작아 무시할 수 있습니다. 그러나 5.04 dB의 최대 삽입 손실은 채널 4에 있고 3.88 dB의 최소 삽입 손실은 채널 2에 있습니다. 누화는 -32.77 dB보다 작습니다.
표 3은 0.8nm 채널 간격을 가진 AWG의 계산 된 출력 매개 변수를 보여줍니다. 이 값은 -3dB의 대역폭 수준에서 계산되었습니다. 대역폭 레벨은 대역폭을 정의하기위한 참조로 사용됩니다.
채널 간격이 9.6nm 인 AWG의 경우 시뮬레이션 결과가 그림 5에 나와 있습니다. 4 개의 출력 파장 λ1, λ2, λ3 및 λ4는 각각 1542nm, 1552nm, 1562nm 및 1572nm에 있습니다. 채널 간격의 결과는 10nm이며 이는 디자인 입력 매개 변수 (9.6nm)와 약간 다릅니다. 한편 최대 삽입 손실 6.63dB는 채널 1에 있고 최소 삽입 손실 5.30dB는 채널 3에 있습니다. 누화는 -23dB 미만입니다.
그림 5. 1200GHz 채널 간격을 가진 4 채널 AWG의 출력 스펙트럼 응답
표 4는 9.6nm 채널 간격을 가진 AWG의 계산 된 출력 매개 변수를 보여줍니다. 이 값은 -3dB의 대역폭 레벨에서 계산되었습니다. 획득 한 채널 간격의 값은 CWDM 응용 범위에있는 10nm입니다. 시뮬레이션 결과에 따르면 이러한 AWG는 DWDM 및 CWDM 시스템에서 제대로 작동 할 수 있습니다.
5. 성능 비교
AWG 폴리머 멀티플렉서의 개발은 많은 연구자들에게 관심을 끌고있다. Hida 등에 의해 입증 된 첫 번째 중합체 AWG는 실리콘 기판 상에 중수 소화 플루오로-메타 크릴 레이트 (d-PFMA)를 적용한 것이다. 그러나이 AWG는 1300nm 윈도우에서만 작동했으며 0.03nm의 작은 분극 의존성을 나타 냈습니다. 와타나베 (Watanabe) 등은 실리콘 수지 도파관을 사용하여 1550nm에서 작동되는 16 채널 폴리머 AWG가 실현되었다고보고했다. 이 AWG 멀티플렉서는 9 ~ 13 dB 범위의 삽입 손실, -20 dB 미만의 누화 및 낮은 편광 종속 파장 편이를 갖습니다.
Leo [19]는 23mm x 2.5mm의 전체 장치 크기로 1520nm의 중심 파장에서 CWDM (20nm)을 기준으로 2 x 8 AWG 폴리머를 시연했습니다. 삽입 손실과 누화는 각각 약 7 dB 및 -30 dB 인 것으로 밝혀졌습니다. 한편, Razali는 0.8nm (DWDM) 간격을 가진 4 x4 AWG 폴리머를 중심 파장 1570nm에서 작동시켰다. 이 장치의 삽입 손실은 3dB이고 크로스 토크 레벨은 -30dB 미만이며 장치 크기는 31mm x 9mm입니다.
이 논문에서 제안 된 설계는 채널 간격이 0.8 nm 및 9.6 nm 인 1550 nm의 중앙 파장에서 작동하는 4 x 4 AWG 폴리머입니다. 해당 채널 간격의 삽입 손실은 각각 -5dB 및 -6dB이고 크로스 토크 레벨은 각각 -33dB 및 -23dB입니다. 총 장치 크기는 0.8nm 간격의 경우 21.5mm x 10mm이고 9.6nm 간격의 경우 17.8mm x 5mm입니다. 필연적으로, 이것은 CWDM 및 DWDM 응용을위한 AWG가 안내 물질로서 BCB 4024-40 중합체를 사용함으로써 실현 될 수 있음을 보여준다.
6. 결론
DWDM / CWDM에 적용하기위한 BCB 폴리머 기반 AWG가 제시되었습니다. -32dB 및 -23dB 미만의 누화 레벨을 갖는 4 개의 채널 AWG의 두 가지 설계는 DWDM 및 CWDM 응용을위한 1550nm 통신 창에서 작동하는 것으로 입증되었습니다. BCB 폴리머는 DWDM 및 CWDM 응용 분야에서 우수한 성능을 보여 주므로 AWG 개발에 적합한 후보로 간주 될 수 있습니다.