डीडब्ल्यूडीएम / सीडब्लूडीएम के आवेदन के लिए एआरवीवाईएवी ग्रेडिंग (एडब्ल्यूजी) की डिजाइन बीसीबी पॉलिमर पर आधारित

डीडब्ल्यूडीएम / सीडब्लूडीएम के आवेदन के लिए एआरवीवाईएवी ग्रेडिंग (एडब्ल्यूजी) की डिजाइन बीसीबी पॉलिमर पर आधारित

1। परिचय

तरंग दैर्ध्य-विभाजन बहुसंकेतन (WDM) एक दृष्टिकोण है जो विशाल ऑप्टो-इलेक्ट्रॉनिक बैंडविड्थ बेमेल का दोहन कर सकता है, यह आवश्यक है कि प्रत्येक अंत-उपयोगकर्ता के उपकरण केवल इलेक्ट्रॉनिक दर पर काम करते हैं, लेकिन अलग-अलग अंत-उपयोगकर्ताओं के कई WDM चैनल एक ही फाइबर पर बहुसंकेतित हो सकते हैं ।

WDM मेट्रो नेटवर्क के लिए दो विकल्प हैं: घने WDM (DWDM) और मोटे WDM (CWDM)। उच्च क्षमता वाले वातावरण में, DWDM का उपयोग किया जाता है। डीडब्ल्यूडीएम में, चैनल जुदाई 0.8 या 0.4 एनएम के रूप में छोटी हो सकती है, 80 ऑप्टिकल चैनलों के लिए 10 जीबीपीएस तक की लाइन दरों पर। DWDM प्रौद्योगिकियां बहुत महंगी हैं, इसलिए नेटवर्क तक पहुंचने के लिए इसका आवेदन कठिन है। इसके बजाय, CWDM एक मजबूत और किफायती समाधान के रूप में विलय कर रहा है। CWDM प्रौद्योगिकी का लाभ इसके कम लागत वाले ऑप्टिकल घटकों में निहित है। सीडब्ल्यूडीएम 10 ऑप्टिकल चैनलों के लिए 850, 1,300, और 1,500 एनएम अनुप्रयोगों के लिए समाधान प्रदान करता है और 15 ऑप्टिकल चैनलों पर 20 एनएम के अलावा 15 जीबी तक फैला हुआ है। सीडब्ल्यूडीएम और डीडब्ल्यूडीएम दोनों प्रौद्योगिकी का वर्तमान और उभरते मेट्रो नेटवर्क के बुनियादी ढांचे में अपना स्थान है। जब इन तकनीकों का उपयोग उपयुक्त ऑप्टिकल फाइबर के संयोजन में किया जाता है, तो आर्थिक लाभ, जो सिस्टम लागत को कम करने में मदद करते हैं, महत्वपूर्ण हैं।

Arrayed wave guide grating (AWG) WDM प्रणाली में मल्टी / डेम्टिप्लेक्सर के लिए सबसे अधिक आशाजनक उपकरणों में से एक है क्योंकि इसकी कम प्रविष्टि हानि, उच्च स्थिरता और कम लागत है। सरणी तरंग गाइड झंझरी को पहली बार 1988 में स्मिथ द्वारा WDM समस्या के समाधान के लिए प्रस्तावित किया गया था और बाद के वर्षों में ताकाहाशी द्वारा विकसित किया गया था [जिसने लंबी तरंग दैर्ध्य खिड़की में चलने वाले पहले उपकरणों की सूचना दी। Dragonet.extended 1 x N डेमूलिप्लेक्सर्स से N x N वेव लेंगट राउटर की अवधारणा को जोड़ा गया जो मल्टी-वेवलेंथ नेटवर्क एप्लिकेशन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

AWG का मुख्य लाभ यह है कि इसकी लागत ढांकता हुआ गणना पर निर्भर नहीं होती है जैसा कि ढांकता हुआ फ़िल्टर समाधान में होता है। इसलिए यह मेट्रोपॉलिटन एप्लिकेशन को सूट करता है जिसके लिए बड़े तरंग दैर्ध्य की लागत प्रभावी होने की आवश्यकता होती है। AWG का अन्य लाभ इसके चैनल नंबर और चैनल रिक्ति का चयन करने का लचीलापन है और इसके परिणामस्वरूप, विभिन्न प्रकार के AWG को एक समान तरीके से बनाया जा सकता है।

पॉलिमर कम लागत वाले डब्ल्यूडीएम घटकों की प्राप्ति के लिए उत्कृष्ट क्षमता प्रदान करते हैं क्योंकि वे विभिन्न प्रकार के सब्सट्रेट पर कम तापमान पर आसानी से गढ़े जा सकते हैं। पॉलिमर एवीजी मल्टी / डेम्टिप्लेक्सर्स ने इसकी आसान निर्माण, कम लागत, और ऐड-ड्रॉप मल्टीप्लेक्स अनुप्रयोगों के लिए बहुलक थर्मो-ऑप्टिक स्विच जैसे अन्य उपकरणों के साथ एकीकरण की क्षमता के कारण बहुत ध्यान आकर्षित किया है।

चूँकि BenzoCylobutene (BCB4024-40) पॉलिमर कुछ लाभ प्रदान करता है जैसे कि निम्न बीरफ्रींग, अच्छा थर्मल स्थिरता और कम तरंग दैर्ध्य फैलाव, इसे इस परियोजना में मुख्य सामग्री के रूप में चुना गया है। बीसीबी बहुलक एक आकर्षक सामग्री बन जाता है और इसका उपयोग विभिन्न ऑप्टिकल उपकरणों के निर्माण के लिए किया जाता है, उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल स्विचिंग, पॉलिमरिक ऑप्टिकल तरंग गाइड और मल्टीमोड हस्तक्षेप ऑप्टिकल फाड़नेवाला।

इस पत्र में, 4 × 4 चैनल पारंपरिक AWG का एक प्रस्तावित डिज़ाइन जो 1.55 सुक्ष्ममापी के केंद्रीय तरंग दैर्ध्य में संचालित करने में सक्षम है, जिसमें BCB-4024 पॉलिमर पर आधारित 100 GHz और 1200 GHz के चैनल रिक्ति के साथ 1.5656 के अपवर्तक सूचकांक के साथ प्रस्तुत किया जाएगा।

2. बुनियादी संचालन

आमतौर पर, एडब्ल्यूजी डिवाइस ऑप्टिकल WDM अनुप्रयोगों में मल्टीप्लेक्सर्स, डीमुल्टिप्लेक्सर्स, फिल्टर और ऐड-ड्रॉप डिवाइस के रूप में काम करता है। चित्र 1 में AWG डिमुलिप्लेक्सर का एक योजनाबद्ध लेआउट दिखाया गया है। डिवाइस में तीन मुख्य भाग होते हैं जो कई इनपुट और आउटपुट वेव गाइड होते हैं, दो स्लैब वेव इगाइड स्टार कप्लर्स (या मुफ्त प्रसार क्षेत्र (एफपीआर)), जो निकटवर्ती तरंग गाइडों के साथ समान लंबाई के अंतर के साथ एक फैलने वाली तरंग गाइड सरणी द्वारा जुड़े होते हैं। AWG मल्टीप्लेक्स / डेमूलिप्लेक्सर के ऑपरेशन सिद्धांत को निम्नानुसार वर्णित किया गया है।

चित्र 1. AWG डेमूलिप्लेक्सर की संरचना

इनपुट तरंग गाइडों में से एक में शुरू किए गए एक DWDM / CWDM सिग्नल को पहले स्लैब क्षेत्र में अलग किया जाएगा और पहले FPR द्वारा सरणी वेवगाइड में युग्मित किया जाएगा। सरणी तरंग गाइडों की लंबाई को इस तरह से डिज़ाइन किया गया है कि आसन्न सरणी तरंग गाइडों के बीच ऑप्टिकल पथ की लंबाई का अंतर (betweenL) एक पूर्णांक (m) मल्टीपल वेवलेंथ (λc) के समान होता है जो डीमूलिप्लेक्सर का होता है। परिणामस्वरूप, इनपुट एपर्चर पर क्षेत्र वितरण आउटपुट एपर्चर पर पुन: पेश किया जाएगा। इसलिए, इस केंद्र तरंग दैर्ध्य में, प्रकाश छवि विमान के केंद्र में केंद्रित है (बशर्ते कि इनपुट तरंग गाइड इनपुट विमान में केंद्रित है)।

यदि इस केंद्रीय तरंग दैर्ध्य से इनपुट तरंगदैर्ध्य को अलग किया जाता है, तो सरणी शाखाओं में चरण परिवर्तन होते हैं। आसन्न तरंग गाइडों के बीच निरंतर पथ लंबाई अंतर के कारण, यह चरण परिवर्तन आंतरिक से बाहरी सरणी तरंग गाइडों में रैखिक रूप से बढ़ जाता है, जिससे आउटपुट एपर्चर पर लहर सामने झुका हुआ होता है। नतीजतन, छवि विमान में केंद्र बिंदु को केंद्र से दूर स्थानांतरित कर दिया जाता है। इमेज प्लेन के साथ उचित पोजिशन पर रिसीवर वेव गाइड रखकर, अलग-अलग तरंग दैर्ध्य चैनलों के स्थानिक पृथक्करण प्राप्त किया जाता है।

3. डिजाइन

1.55 μm के केंद्रीय तरंग दैर्ध्य के साथ DWDM के लिए 4 × 4 चैनल AWG का योजनाबद्ध लेआउट चित्र 2 में दिखाया गया है। इनपुट पोर्ट और आउटपुट पोर्ट की स्थिति सममित रूप से बनाई गई है, जो समान हैं। Optiwave® से WDM_PHASAR डिज़ाइन टूल, का उपयोग दो प्रकार के 4 चैनलों को डिजाइन करने के लिए किया गया है, क्रमशः 1.55 μm के केंद्रीय तरंग दैर्ध्य में संचालित AWG, DWDM और CWM अनुप्रयोगों के लिए 0.8 एनएम और 9.6 एनएम के चैनल रिक्ति के साथ।

1.55 सुक्ष्ममापी में BCB पॉलिमर कोर का अपवर्तनांक 1.5556 है। क्लैडिंग ORMOCER है, जिसमें 1.537 का अपवर्तनांक होता है, जबकि सब्सट्रेट सिलिकॉन होता है जिसे व्यापक रूप से माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक और एकीकृत सर्किट में इस्तेमाल किया गया है। ORMOCER (Organically MOdified CERramics) नेगेटिव रेजिस्टेंस बिहेवियर के साथ फोटोपेटैरेबल इनऑर्गेनिक ऑर्गैनिक कॉपोलिमर है। मुख्य आकार 3 माइक्रोन x 4 माइक्रोन दफन प्रकार के वेवगाइड के साथ है, जैसा कि चित्र 3 में दर्शाया गया है। इनपुट / आउटपुट के पोर्ट पृथक्करण को फाइबर के रिबन को रंजित करने के लिए 100 माइक्रोन कनेक्शन ऑफसेट के साथ 250 माइक्रोन के लिए डिज़ाइन किया गया है।

सभी डिज़ाइन मापदंडों को AWG के लिए तालिका 1 और तालिका 2 में सूचीबद्ध किया गया है, क्रमशः 100 गीगाहर्ट्ज और 1200 गीगाहर्ट्ज के चैनल रिक्ति के साथ 1.55 μm के केंद्रीय तरंग दैर्ध्य। डिजाइन में, कोर और क्लैडिंग के बीच अपवर्तक सूचकांक विपरीत काफी बड़ा है (~ 1.2%), जिसके परिणामस्वरूप छोटे झुकने त्रिज्या होते हैं और छोटे चिप आकार में योगदान करते हैं। हालांकि, मोड-फील्ड मिसमैच से होने वाले वेवगाइड और फाइबर के बीच युग्मन हानि बढ़ जाती है। AWG के लिए 100 गीगाहर्ट्ज रिक्ति के साथ कुल डिवाइस का आकार 21.5 x 10mm2 और AWG के लिए 17.8 x 5 mm2 1200 GHz रिक्ति है। यह अंतर AWG में पथ लंबाई वृद्धि के कारण है, जिसमें 100GHz रिक्ति AWG से अधिक है, वही अभिविन्यास कोण के साथ 1200GHz रिक्ति है।

4। परिणाम और चर्चा

0.8 एनएम के चैनल रिक्ति के साथ AWG का सिमुलेशन परिणाम चित्र 4 में दिखाया गया है। यह 4 चैनल आउटपुट वेवगाइड के आउटपुट वितरण को दर्शाता है। आउटपुट चैनल क्रमशः 1549.04 एनएम (λ1), 1549.872 एनएम (λ2), 1550.704 एनएम (λ3) और 1551.360 एनएम (λ4) क्रमशः तरंगदैर्ध्य पर हैं, जो 0.832 एनएम के नकली चैनल रिक्ति को इंगित करते हैं। इस प्रकार, प्रत्येक चैनल के लिए आउटपुट तरंग दैर्ध्य ITU विनिर्देशन का अनुसरण करता है, यहां तक कि इसे थोड़ा 0.032 एनएम स्थानांतरित कर दिया जाता है जो बहुत छोटा है और इसे उपेक्षित किया जा सकता है। हालांकि, 5.04 डीबी का अधिकतम सम्मिलन नुकसान चैनल 4 पर है और 3.88 डीबी का न्यूनतम सम्मिलन नुकसान 2 चैनल पर है। क्रॉस्चॉक -32.77 डीबी से कम है।

तालिका 3 0.8 एनएम चैनल रिक्ति के साथ AWG के गणना किए गए आउटपुट मापदंडों को दिखाती है। इन मूल्यों की गणना -3 डीबी के बैंडविड्थ स्तर पर की गई है। बैंडविड्थ स्तर को परिभाषित करने के लिए बैंडविड्थ के रूप में उपयोग किया जाता है।

9.6 एनएम के चैनल रिक्ति वाले AWG के लिए, सिमुलेशन परिणाम चित्र 5 में दिखाया गया है। चार आउटपुट तरंग दैर्ध्य λ1, λ2, λ3 और λ4 क्रमशः 1542 एनएम, 1552 एनएम, 1562 एनएम और 1572 एनएम पर हैं। चैनल रिक्ति के लिए परिणाम 10 एनएम है जो डिजाइन इनपुट पैरामीटर से थोड़ा अलग है, जो 9.6 एनएम है। इस बीच, चैनल 1 पर 6.63 डीबी का अधिकतम सम्मिलन नुकसान और 5.30 डीबी का न्यूनतम सम्मिलन नुकसान चैनल 3 पर है। क्रॉस्स्टॉक -23 डीबी से कम है।

चित्रा 5. 1200 गीगाहर्ट्ज चैनल रिक्ति के साथ 4 चैनल AWG के आउटपुट वर्णक्रमीय प्रतिक्रियाएं

तालिका 4 9.6 एनएम चैनल रिक्ति के साथ AWG के गणना किए गए आउटपुट मापदंडों को दिखाती है। इन मूल्यों की गणना -3 डीबी के बैंडविड्थ स्तर पर की गई है। प्राप्त चैनल रिक्ति के लिए मूल्य 10 एनएम है जो कि सीडब्ल्यूडीएम अनुप्रयोगों की सीमा में है.. सिमुलेशन परिणामों के अनुसार, हमें पता चला कि ये एडब्ल्यूडी डीडब्ल्यूडीएम और सीडीडीएम प्रणाली में ठीक से काम कर सकते हैं।

5. प्रदर्शन घटक

AWG पॉलिमर मल्टीप्लेक्स का विकास कई शोधकर्ताओं के लिए दिलचस्पी बन गया है। पहले बहुलक AWG सिलिकॉन सब्सट्रेट पर deuterated fluoro-methacrylate (डी-पीएफएमए) लगाने वाले Hida एट अल द्वारा प्रदर्शित किया गया। हालांकि यह AWG केवल 0.03 एनएम के रूप में कुछ ध्रुवीकरण निर्भरता के साथ 1300 एनएम खिड़की पर संचालित है। वातानाबे एट अल ने 1550 एनएम पर संचालित 16 चैनल पॉलिमरिक AWG को सिलिकॉन राल वेवगाइड का उपयोग करके महसूस किया था। इस एडब्ल्यूजी मल्टीप्लेक्स में 9 से 13 डीबी की सीमा में एक सम्मिलन हानि होती है, एक क्रॉसस्टॉक -20 डीबी से कम और एक कम ध्रुवीकरण पर निर्भर तरंग दैर्ध्य पारी।

लियो [19] ने 23 मिमी x 2.5 मिमी के कुल डिवाइस आकार के साथ 1520 एनएम के केंद्र तरंग दैर्ध्य पर CWDM (20 एनएम) पर आधारित 2 x 8 AWG बहुलक का प्रदर्शन किया। सम्मिलन हानि और क्रॉसस्टॉक क्रमशः 7 डीबी और -30 डीबी के आसपास पाए जाते हैं। दूसरी ओर, रज़ाली [प्रस्तावित 4 x4 AWG पॉलिमर 0.8 एनएम (DWDM) के साथ 1570 एनएम के केंद्र तरंग दैर्ध्य में संचालित रिक्ति। उपकरण में -30 dB से 3 dB और क्रॉस्टकल्क स्तर का सम्मिलन नुकसान है। डिवाइस का आकार 31 मिमी x 9 मिमी है।

इस पत्र में, प्रस्तावित डिजाइन 4 x 4 AWGs बहुलक हैं, जो केंद्रीय तरंगदैर्ध्य पर 1550 एनएम के केंद्रीय तरंग दैर्ध्य पर 0.8 एनएम और 9.6 एनएम के अंतर से संचालित होते हैं। यह देखा गया है कि संबंधित चैनल रिक्ति के सम्मिलन के नुकसान क्रमशः -5 डीबी और -6 डीबी हैं, और क्रॉस्टकॉक स्तर क्रमशः -33 डीबी और -23 डीबी हैं। कुल डिवाइस का आकार 0.8 एनएम रिक्ति के लिए 21.5 मिमी x 10 मिमी और 9.6 एनएम रिक्ति के लिए 17.8 मिमी x 5 मिमी है। अनिवार्य रूप से, यह दिखाता है कि सीडब्ल्यूडीएम और डीडब्ल्यूडीएम एप्लिकेशन के लिए एडब्ल्यूजी को बीसीबी 4024-40 बहुलक को मार्गदर्शक सामग्री के रूप में उपयोग करके महसूस किया जा सकता है।

6। निष्कर्ष

DWDM / CWDM में अनुप्रयोगों के लिए BCB बहुलक पर आधारित AWGs प्रस्तुत किए गए हैं। चार चैनलों के दो डिज़ाइन AWG को crosstalk के स्तर -32 dB और 23-dB के साथ DWDM और CWDM अनुप्रयोग के लिए 1550 एनएम संचार विंडो में संचालित करने के लिए प्रदर्शित किया गया है। यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि बीसीबी बहुलक को AWG के विकास के लिए एक उपयुक्त उम्मीदवार माना जा सकता है क्योंकि यह DWDM और CWDM अनुप्रयोगों के लिए अच्छा प्रदर्शन दिखाता है।