DESAIN GRAVING WAVEGUIDE ARRAYED (AWG) UNTUK APLIKASI DWDM / CWDM BERDASARKAN POLIMER BCB
1. PENDAHULUAN
Wavelength-division multiplexing (WDM) adalah pendekatan yang dapat mengeksploitasi ketidakcocokan bandwidth opto-elektronik yang sangat besar dengan mengharuskan setiap peralatan pengguna akhir beroperasi hanya pada kecepatan elektronik, tetapi beberapa saluran WDM dari pengguna akhir yang berbeda dapat digandakan pada serat yang sama .
Ada dua alternatif untuk jaringan metro WDM: WDM padat (DWDM) dan WDM kasar (CWDM). Dalam lingkungan berkapasitas tinggi, DWDM digunakan. Dalam DWDM, pemisahan saluran bisa sekecil 0,8 atau 0,4 nm, untuk hingga 80 saluran optik dengan tarif garis hingga 10 Gbps. Teknologi DWDM sangat mahal, sehingga penerapannya untuk mengakses jaringan sulit. Alih-alih, CWDM bergabung sebagai solusi yang kuat dan ekonomis. Keunggulan teknologi CWDM terletak pada komponen optik berbiaya rendah. CWDM menawarkan solusi untuk aplikasi 850, 1.300, dan 1.500 nm pada 10 dan 40 Gbps pada hingga 15 saluran optik yang berjarak 20 nm. Baik teknologi CWDM dan DWDM memiliki tempat di infrastruktur jaringan metro saat ini dan yang baru muncul. Ketika teknologi ini digunakan dalam kombinasi dengan serat optik yang tepat, manfaat ekonomi, yang membantu menurunkan biaya sistem, adalah signifikan.
Arrayed wave guide grating (AWG) adalah salah satu perangkat paling menjanjikan untuk multi / demultiplexer dalam sistem WDM karena kehilangan penyisipan yang rendah, stabilitas tinggi dan biaya rendah. Kisi panduan gelombang tersusun pertama kali mengusulkan solusi untuk masalah WDM oleh Smith pada tahun 1988 dan dikembangkan lebih lanjut pada tahun-tahun berikutnya oleh Takahashi [yang melaporkan perangkat pertama yang beroperasi di jendela panjang gelombang yang panjang. Dragonet. Memperluas konsep dari 1 x N demultiplexer ke N x N router lengt panjang yang memainkan peran penting dalam aplikasi jaringan multi-panjang gelombang.
Keuntungan utama AWG adalah biayanya tidak tergantung pada jumlah panjang gelombang seperti dalam solusi filter dielektrik. Oleh karena itu sesuai dengan aplikasi metropolitan yang membutuhkan biaya yang efektif dari jumlah panjang gelombang yang besar. Keuntungan lain dari AWG adalah fleksibilitas dalam memilih nomor saluran dan jarak saluran dan, sebagai hasilnya, berbagai jenis AWG dapat dibuat dengan cara yang sama.
Polimer menawarkan potensi yang sangat baik untuk merealisasikan komponen WDM berbiaya rendah karena mereka dapat dibuat dengan mudah pada suhu rendah pada berbagai jenis media. AWG multi / demultiplexer polimer telah menarik banyak perhatian karena pembuatannya yang mudah, biaya rendah, dan potensi integrasi dengan perangkat lain seperti sakelar termo-optik polimer untuk aplikasi multiplexer tambah-turun.
Karena polimer BenzoCylobutene (BCB4024-40) menawarkan beberapa keunggulan seperti birefringence rendah, stabilitas termal yang baik, dan dispersi panjang gelombang rendah, polimer ini telah dipilih sebagai bahan inti dalam proyek ini. Polimer BCB menjadi bahan yang menarik dan telah digunakan untuk pembuatan berbagai perangkat optik, misalnya, perpindahan optik, panduan gelombang optik polimer, dan splitter optik interferensi multimode.
Dalam makalah ini, desain yang diusulkan 4 × 4 saluran AWG konvensional yang dapat beroperasi pada panjang gelombang pusat 1,55 μm dengan jarak saluran 100 GHz dan 1200 GHz berdasarkan BCB-4024 polimer dengan indeks bias 1,5556 akan disajikan.
2. OPERASI DASAR
Secara umum, perangkat AWG berfungsi sebagai multiplexer, demultiplexer, filter dan perangkat tambahan di aplikasi WDM optik. Gambar 1 menunjukkan tata letak skematis dari demultiplexer AWG. Perangkat ini terdiri dari tiga bagian utama yang merupakan beberapa pemandu gelombang input dan output, dua skrup bintang eguide slab wav (atau daerah propagasi bebas (FPR)), dihubungkan oleh array pemandu gelombang dispersif dengan perbedaan panjang yang sama antara pemandu gelombang yang berdekatan. Prinsip operasi multiplexer / demultiplexer AWG dijelaskan sebagai berikut.
Gambar 1. Struktur demultiplexer AWG
Sinyal DWDM / CWDM yang diluncurkan ke salah satu pemandu gelombang input akan terdifraksi di daerah slab pertama dan digabungkan ke dalam pandu gelombang tersusun oleh FPR pertama. Panjang pemandu gelombang array telah dirancang sedemikian rupa sehingga perbedaan panjang jalur optik (ΔL) antara pemandu gelombang array yang berdekatan sama dengan bilangan bulat (m) kelipatan dari panjang gelombang pusat (λc) demultiplexer. Sebagai akibatnya, distribusi bidang pada bukaan masukan akan direproduksi pada bukaan keluaran. Oleh karena itu, pada panjang gelombang tengah ini, cahaya fokus di tengah bidang gambar (asalkan pemandu gelombang input dipusatkan pada bidang masukan).
Jika panjang gelombang input dijauhkan dari panjang gelombang pusat ini, perubahan fasa terjadi pada cabang array. Karena perbedaan panjang jalur konstan antara pemandu gelombang yang berdekatan, perubahan fase ini meningkat secara linear dari pemandu gelombang array dalam ke luar, yang menyebabkan bagian depan gelombang dimiringkan pada bukaan keluaran. Akibatnya, titik fokus pada bidang gambar digeser menjauh dari pusat. Dengan menempatkan pemandu gelombang penerima pada posisi yang tepat di sepanjang bidang gambar, pemisahan spasial dari berbagai panjang gelombang yang berbeda diperoleh.
3. DESAIN
Tata letak skematis dari AWG saluran 4 × 4 untuk DWDM dengan panjang gelombang pusat 1,55 μm ditunjukkan pada Gambar 2. Posisi port input dan port output dibentuk secara simetris, yang identik. Alat desain WDM_PHASAR dari Optiwave®, telah digunakan untuk merancang dua jenis AWG 4 saluran yang beroperasi pada panjang gelombang pusat 1,55 μm, dengan jarak saluran 0,8 nm dan 9,6 nm, masing-masing untuk aplikasi DWDM dan CWDM.
Indeks bias inti polimer BCB pada 1,55 μm adalah 1,5556. Cladding adalah ORMOCER yang memiliki indeks bias 1,537, sedangkan substratnya adalah silikon yang telah banyak digunakan dalam rangkaian elektronik mikro dan terintegrasi. ORMOCER (CERramics yang Dimodifikasi secara Organik) adalah kopolimer anorganik anorganik yang dapat difabel dengan perilaku resistensi negatif. Ukuran inti adalah 3 μm x 4 μm dengan Waveguide tipe terkubur, seperti yang digambarkan pada Gambar 3. Pemisahan port input / output dirancang menjadi 250 μm dengan offset koneksi 100 μm untuk menguncir pita serat.
Semua parameter desain tercantum dalam Tabel 1 dan Tabel 2 untuk AWG, panjang gelombang pusat 1,55 μm dengan jarak saluran masing-masing 100 GHz dan 1200 GHz. Dalam desain, kontras indeks bias antara core dan cladding cukup besar (~ 1,2%), yang menghasilkan radius lentur kecil dan berkontribusi pada ukuran chip kecil. Namun, kerugian kopling antara waveguide dan serat yang dihasilkan dari ketidakcocokan bidang mode meningkat. Ukuran perangkat total untuk AWG dengan jarak 100 GHz adalah 21,5 x 10mm2 dan 17,8 x 5 mm2 untuk AWG dengan jarak 1200 GHz. Perbedaan ini disebabkan oleh penambahan panjang jalur di AWG dengan jarak 100GHz lebih besar dari AWG dengan jarak 1200GHz dengan sudut orientasi yang sama.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil simulasi AWG dengan spasi kanal 0,8 nm ditunjukkan pada Gambar 4. Ini menunjukkan distribusi output dari pandu gelombang 4 saluran output. Saluran keluaran berada pada panjang gelombang 1549,04 nm (λ1), 1549.872 nm (λ2), 1550.704 nm (λ3) dan 1551.360 nm (λ4), yang menunjukkan jarak saluran simulasi sebesar 0.832 nm. Dengan demikian, panjang gelombang keluaran untuk setiap saluran mengikuti spesifikasi ITU, bahkan sedikit bergeser 0,032 nm yang terlalu kecil dan dapat diabaikan. Namun, kerugian penyisipan maksimum 5,04 dB adalah pada saluran 4 dan kehilangan penyisipan minimum 3,88 dB di saluran 2. Crosstalk kurang dari -32,77 dB.
Tabel 3 menunjukkan parameter output yang dihitung dari AWG dengan jarak kanal 0,8 nm. Nilai-nilai ini telah dihitung pada tingkat bandwidth -3 dB. Level bandwidth digunakan sebagai referensi untuk menentukan bandwidth.
Untuk AWG dengan jarak kanal 9,6 nm, hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 5. Empat panjang gelombang keluaran λ1, λ2, λ3 dan λ4 masing-masing adalah pada 1542 nm, 1552 nm, 1562 nm, dan 1572 nm. Hasil untuk spasi saluran adalah 10 nm yang sedikit berbeda dari parameter input desain, yaitu 9,6 nm. Sementara itu, kerugian penyisipan maksimum 6,63 dB adalah di saluran 1 dan kehilangan penyisipan minimum 5,30 dB di saluran 3. Crosstalk kurang dari -23 dB.
Gambar 5. Output respons spektral dari 4 kanal AWG dengan jarak kanal 1200 GHz
Tabel 4 menunjukkan parameter output yang dihitung dari AWG dengan spasi kanal 9,6 nm. Nilai-nilai ini telah dihitung pada tingkat bandwidth -3dB. Nilai untuk spasi saluran yang diperoleh adalah 10 nm yang berada dalam kisaran aplikasi CWDM .. Menurut hasil simulasi, kami menemukan bahwa AWG ini dapat bekerja dengan baik dalam sistem DWDM dan CWDM.
5. PERBANDINGAN KINERJA
Pengembangan multiplexer polimer AWG telah menjadi minat banyak peneliti. AWG polimer pertama yang ditunjukkan oleh Hida et al menggunakan deuterated fluoro-methacrylate (d-PFMA) pada substrat silikon. Namun AWG ini hanya beroperasi pada jendela 1300 nm dengan ketergantungan polarisasi sekecil 0,03 nm. Watanabe et al melaporkan 16 saluran AWG polimer yang dioperasikan pada 1550 nm diwujudkan menggunakan pandu gelombang resin silikon. Multiplexer AWG ini memiliki kerugian penyisipan dalam kisaran 9 hingga 13 dB, crosstalk kurang dari –20 dB dan pergeseran panjang gelombang yang bergantung pada polarisasi rendah.
Leo [19] menunjukkan polimer AWG 2 x 8 berdasarkan CWDM (20 nm) pada panjang gelombang pusat 1520 nm dengan ukuran perangkat total 23 mm x 2,5 mm. Kehilangan insersi dan crosstalk ditemukan masing-masing sekitar 7 dB dan -30 dB. Di sisi lain, Razali [mengusulkan polimer AWG 4 x 4 dengan jarak 0,8 nm (DWDM) dioperasikan pada panjang gelombang pusat 1570 nm. Perangkat ini memiliki kerugian penyisipan 3 dB dan tingkat crosstalk kurang dari -30 dB. Ukuran perangkat adalah 31 mm x 9 mm.
Dalam makalah ini, desain yang diusulkan adalah 4 x 4 AWG polimer dioperasikan pada panjang gelombang pusat 1550 nm dengan jarak saluran 0,8 nm dan 9,6 nm. Diamati bahwa kerugian penyisipan jarak saluran yang sesuai adalah -5 dB dan -6 dB, masing-masing dan tingkat crosstalk masing-masing adalah -33 dB dan -23 dB. Total ukuran perangkat adalah 21,5 mm x 10 mm untuk jarak 0,8 nm dan 17,8 mm x 5 mm untuk jarak 9,6 nm. Tidak dapat dihindari, ini menunjukkan bahwa AWG untuk aplikasi CWDM dan DWDM dapat diwujudkan dengan menggunakan polimer BCB 4024-40 sebagai bahan penuntun.
6. KESIMPULAN
AWG berbasis polimer BCB untuk aplikasi dalam DWDM / CWDM telah disajikan. Dua desain AWG empat saluran dengan level crosstalk di bawah-32 dB dan-23 dB telah terbukti beroperasi pada jendela komunikasi 1550 nm untuk aplikasi DWDM dan CWDM. Dapat disimpulkan bahwa polimer BCB dapat dianggap sebagai kandidat yang cocok untuk pengembangan AWG karena menunjukkan kinerja yang baik untuk aplikasi DWDM dan CWDM.
