PROJETO DE GRADE DE WAVEGUIDE (AWG) ARRAYED PARA APLICAÇÕES DWDM / CWDM COM BASE NO POLÍMERO BCB
1. INTRODUÇÃO
A multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) é uma abordagem que pode explorar a enorme incompatibilidade de largura de banda optoeletrônica exigindo que cada equipamento do usuário final opere apenas na taxa eletrônica, mas vários canais WDM de diferentes usuários finais podem ser multiplexados na mesma fibra .
Existem duas alternativas para redes de metrô WDM: WDM denso (DWDM) e WDM grosso (CWDM). Em ambientes de alta capacidade, o DWDM é usado. No DWDM, a separação de canais pode ser tão pequena quanto 0,8 ou 0,4 nm, para até 80 canais ópticos em taxas de linha de até 10 Gbps. As tecnologias DWDM são muito caras, portanto, sua aplicação para acessar redes é difícil. Em vez disso, o CWDM está se fundindo como uma solução robusta e econômica. A vantagem da tecnologia CWDM está em seus componentes ópticos de baixo custo. O CWDM oferece soluções para aplicações de 850, 1.300 e 1.500 nm a 10 e 40 Gbps em até 15 canais ópticos espaçados a 20 nm. As tecnologias CWDM e DWDM têm seu lugar na infraestrutura de rede metropolitana atual e emergente. Quando essas tecnologias são usadas em combinação com fibras ópticas apropriadas, os benefícios econômicos, que ajudam a reduzir os custos do sistema, são significativos.
A grade de guia de ondas dispostas (AWG) é um dos dispositivos mais promissores para multi / desmultiplexador no sistema WDM devido à sua baixa perda de inserção, alta estabilidade e baixo custo. A grade de guia de ondas foi primeiramente proposta por Smith em 1988 para uma solução do problema WDM e foi desenvolvida nos anos seguintes por Takahashi [que relatou os primeiros dispositivos operando na janela de comprimento de onda longo. A Dragonet estendeu o conceito de desmultiplexadores 1 x N a roteadores de comprimento de onda N x N, que desempenham um papel importante na aplicação de rede de comprimentos de onda múltiplos.
A principal vantagem do AWG é que seu custo não depende da contagem de comprimentos de onda como na solução de filtro dielétrico. Portanto, é adequado para aplicações metropolitanas que exigem o custo-benefício de grandes contagens de comprimento de onda. Outra vantagem do AWG é a flexibilidade de selecionar seu número e espaçamento entre canais e, como resultado, vários tipos de AWG podem ser fabricados de maneira semelhante.
Os polímeros oferecem um excelente potencial para a realização de componentes WDM de baixo custo, porque podem ser fabricados facilmente a baixa temperatura em vários tipos de substratos. Os multi / desmultiplexadores poliméricos AWG têm atraído muita atenção devido à sua fabricação fácil, baixo custo e o potencial de integração com outros dispositivos, como os interruptores termo-ópticos de polímero para aplicações de multiplexadores de adição / queda.
Como o polímero de benzoCilobuteno (BCB4024-40) oferece algumas vantagens, como baixa birrefringência, boa estabilidade térmica e baixa dispersão do comprimento de onda, ele foi escolhido como material principal neste projeto. O polímero BCB se torna um material atraente e tem sido utilizado para a fabricação de vários dispositivos ópticos, por exemplo, comutação óptica, guia de ondas ópticas poliméricas e divisor óptico de interferência multimodo.
Neste artigo, será apresentado um projeto proposto de AWG convencional de 4 × 4 canais, capaz de operar no comprimento de onda central de 1,55 μm com espaçamento de canal de 100 GHz e 1200 GHz com base no polímero BCB-4024 com índice de refração de 1,55556.
2. OPERAÇÃO BÁSICA
Geralmente, o dispositivo AWG serve como multiplexadores, desmultiplexadores, filtros e dispositivos add-drop em aplicativos WDM ópticos. A Figura 1 mostra um layout esquemático de um desmultiplexador AWG. O dispositivo consiste em três partes principais que são várias guias de ondas de entrada e saída, dois acopladores em estrela de guia de onda de laje (ou região de propagação livre (FPR)), conectados por um conjunto de guias de onda dispersivo com a mesma diferença de comprimento entre as guias de onda adjacentes. O princípio de operação do multiplexador / desmultiplexador AWG é descrito a seguir.
Figura 1. A estrutura do desmultiplexador AWG
Um sinal DWDM / CWDM lançado em uma das guias de ondas de entrada será difratado na primeira região da laje e acoplado ao guia de ondas em ordem pelo primeiro FPR. O comprimento das guias de onda da matriz foi projetado de modo que a diferença de comprimento do caminho óptico (ΔL) entre as guias de onda da matriz adjacentes seja igual a um número inteiro (m) múltiplo do comprimento de onda central (λc) do desmultiplexador. Como conseqüência, a distribuição do campo na abertura de entrada será reproduzida na abertura de saída. Portanto, neste comprimento de onda central, a luz focaliza no centro do plano da imagem (desde que a guia da onda de entrada esteja centralizada no plano de entrada).
Se o comprimento de onda de entrada for desafinado a partir desse comprimento de onda central, ocorrerão alterações de fase nas ramificações da matriz. Devido à constante diferença no comprimento do caminho entre as guias de onda adjacentes, essa mudança de fase aumenta linearmente das guias de onda da matriz interna para externa, o que faz com que a frente da onda seja inclinada na abertura de saída. Conseqüentemente, o ponto focal no plano da imagem é desviado do centro. Ao colocar as guias de ondas receptoras em posições apropriadas ao longo do plano da imagem, é obtida a separação espacial dos diferentes canais de comprimento de onda.
3. PROJETO
O layout esquemático do AWG de 4 × 4 canais para DWDM com comprimento de onda central de 1,55 μm é mostrado na Figura 2. A posição da porta de entrada e da porta de saída é formada simetricamente, idênticas. A ferramenta de design WDM_PHASAR da Optiwave®, foi usada para projetar dois tipos de AWG de 4 canais, operando no comprimento de onda central de 1,55 μm, com espaçamento de canal de 0,8 nm e 9,6 nm, para aplicativos DWDM e CWDM, respectivamente.
O índice de refração do núcleo do polímero BCB a 1,55 μm é 1,5556. O revestimento é ORMOCER, que apresenta um índice de refração de 1,537, enquanto o substrato é o silício, amplamente utilizado em circuitos microeletrônicos e integrados. ORMOCER (CERramics organicamente organizados) é um copolímero inorgânico-orgânico fotopatternável com comportamento negativo de resistência. O tamanho do núcleo é de 3 μm x 4 μm com guia de ondas do tipo enterrado, conforme mostrado na Figura 3. A separação de portas de entrada / saída foi projetada para ser 250 μm com deslocamento de 100 μm para deslocamento da fita de fibra de pigtailing.
Todos os parâmetros de projeto estão listados na Tabela 1 e na Tabela 2 para AWG, comprimento de onda central de 1,55 μm com espaçamento de canal de 100 GHz e 1200 GHz, respectivamente. No projeto, o contraste do índice de refração entre o núcleo e o revestimento é bastante grande (~ 1,2%), o que resulta em um raio de curvatura pequeno e contribui para o tamanho pequeno do chip. No entanto, a perda de acoplamento entre o guia de onda e a fibra resultante da incompatibilidade de campo de modo aumenta. O tamanho total do dispositivo para AWG com espaçamento de 100 GHz é 21,5 x 10 mm2 e 17,8 x 5 mm2 para AWG com espaçamento de 1200 GHz. Essa diferença se deve ao aumento do comprimento do caminho em AWG com espaçamento de 100 GHz ser maior que AWG com espaçamento de 1200 GHz com o mesmo ângulo de orientação.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
O resultado da simulação do AWG com espaçamento de canal de 0,8 nm é mostrado na Figura 4. Ele mostra a distribuição de saída dos guias de onda de saída de 4 canais. Os canais de saída estão nos comprimentos de onda 1549,04 nm (λ1), 1549,872 nm (λ2), 1550,704 nm (λ3) e 1551,360 nm (λ4), respectivamente, que indicam o espaçamento de canal simulado de 0,832 nm. Assim, o comprimento de onda de saída para cada canal seguiu a especificação da ITU, mesmo com um leve desvio de 0,032 nm, que é muito pequeno e pode ser negligenciado. No entanto, a perda máxima de inserção de 5,04 dB está no canal 4 e a perda mínima de inserção de 3,88 dB está no canal 2. A diafonia é menor que -32,77 dB.
A Tabela 3 mostra os parâmetros de saída calculados do AWG com espaçamento de canal de 0,8 nm. Esses valores foram calculados no nível da largura de banda de -3 dB. O nível da largura de banda é usado como referência para definir as larguras de banda.
Para AWG com espaçamento entre canais de 9,6 nm, o resultado da simulação é mostrado na Figura 5. Os quatro comprimentos de onda de saída λ1, λ2, λ3 e λ4 estão em 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm e 1572 nm, respectivamente. O resultado para o espaçamento do canal é 10 nm, que é um pouco diferente do parâmetro de entrada do projeto, que é 9,6 nm. Enquanto isso, a perda máxima de inserção de 6,63 dB está no canal 1 e a perda mínima de inserção de 5,30 dB está no canal 3. A diafonia é menor que -23 dB.
Figura 5. Respostas espectrais de saída de AWG de 4 canais com espaçamento de canal de 1200 GHz
A Tabela 4 mostra os parâmetros de saída calculados do AWG com espaçamento de canal de 9,6 nm. Esses valores foram calculados no nível da largura de banda de -3dB. O valor do espaçamento de canal obtido é de 10 nm, que está na faixa de aplicações CWDM. De acordo com os resultados da simulação, descobrimos que esses AWGs podem funcionar corretamente nos sistemas DWDM e CWDM.
5. COMPARAÇÃO DE DESEMPENHO
O desenvolvimento do multiplexador de polímero AWG tornou-se interesse de muitos pesquisadores. O primeiro polímero AWG demonstrado por Hida et al. Aplicando fluoro-metacrilato deuterado (d-PFMA) em substrato de silicone. No entanto, este AWG operava apenas na janela de 1300 nm com alguma dependência de polarização tão pequena quanto 0,03 nm. Watanabe et al relataram que 16 canais AWG poliméricos operados a 1550 nm foram realizados usando guia de onda de resina de silicone. Este multiplexador AWG possui uma perda de inserção na faixa de 9 a 13 dB, uma diafonia menor que –20 dB e uma mudança no comprimento de onda dependente de baixa polarização.
Leo [19] demonstrou polímero 2 x 8 AWG baseado em CWDM (20 nm) no comprimento de onda central de 1520 nm com tamanho total de dispositivo de 23 mm x 2,5 mm. A perda de inserção e diafonia são encontradas em torno de 7 dB e -30 dB, respectivamente. Por outro lado, Razali [propôs um polímero 4x4 AWG com espaçamento de 0,8 nm (DWDM) operado no comprimento de onda central de 1570 nm. O dispositivo tem perda de inserção de 3 dB e nível de diafonia menor que -30 dB. O tamanho do dispositivo é 31 mm x 9 mm.
Neste artigo, os projetos propostos são polímeros de 4 x 4 AWGs operados no comprimento de onda central de 1550 nm com espaçamento de canal de 0,8 nm e 9,6 nm. Observa-se que as perdas de inserção do espaçamento de canal correspondente são -5 dB e -6 dB, respectivamente, e o nível de diafonia é -33 dB e -23 dB, respectivamente. O tamanho total do dispositivo é 21,5 mm x 10 mm para espaçamento de 0,8 nm e 17,8 mm x 5 mm para espaçamento de 9,6 nm. Inevitavelmente, isso mostra que os AWGs para aplicação CWDM e DWDM podem ser realizados utilizando o polímero BCB 4024-40 como material de orientação.
6. CONCLUSÃO
AWGs baseados no polímero BCB para aplicações em DWDM / CWDM foram apresentados. Demonstrou-se que dois projetos de AWG de quatro canais com nível de diafonia abaixo de 32 dB e -23 dB operam na janela de comunicação de 1550 nm para aplicativos DWDM e CWDM. Pode-se concluir que o polímero BCB pode ser considerado um candidato adequado para o desenvolvimento de AWG, pois mostra bom desempenho para aplicações DWDM e CWDM.