La rejilla de guía de onda en matriz (AWG) se utiliza comúnmente como multiplexor/demultiplexor óptico (MUX/DeMUX) en sistemas de multiplexación por división de longitud de onda (WDM). Los dispositivos AWG son capaces de multiplexar una gran cantidad de longitudes de onda en una única fibra óptica, aumentando así considerablemente la capacidad de transmisión de las redes ópticas.

 

Los AWG se basan en un principio fundamental de la óptica de que las ondas de luz de diferentes longitudes de onda interfieren linealmente entre sí. Esto significa que, si cada canal de una red de comunicación óptica utiliza luz de una longitud de onda ligeramente diferente, entonces la luz de un gran número de estos canales puede ser transportada por una única fibra óptica con una diafonía insignificante entre los canales. Los AWG se utilizan para multiplexar canales de varias longitudes de onda en una única fibra óptica en el extremo de transmisión y también se utilizan como demultiplexores para recuperar canales individuales de diferentes longitudes de onda en el extremo receptor de una red de comunicación óptica.

 

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Según el sustrato, un AWG consta de un conjunto de guías de ondas (también llamado conjunto en fase) y dos acopladores (también llamados región de propagación libre – FPR). Una de las guías de ondas de entrada transporta una señal óptica que consta de múltiples longitudes de onda λ1 – λn al primer acoplador (de entrada), que luego distribuye la luz entre una serie de guías de ondas.

 

Posteriormente, la luz se propaga a través de las guías de ondas hasta el segundo acoplador (de salida). La longitud de estas guías de ondas se elige de modo que la diferencia de longitud del camino óptico entre guías de ondas adyacentes, dL, sea igual a un múltiplo entero de la longitud de onda central λc del demultiplexor. Para esta longitud de onda, los campos en las guías de ondas dispuestas individualmente llegarán a la entrada del acoplador de salida con igual fase, y la distribución de campo en la salida del acoplador de entrada se reproducirá en la entrada del acoplador de salida. El aumento lineal de la longitud de las guías de onda del conjunto provocará interferencia y difracción cuando la luz se mezcle en el acoplador de salida. Como resultado, cada longitud de onda se enfoca en solo una de las N guías de onda de salida (también llamadas canales de salida).

 

 

PRINCIPIO BÁSICO DEL AWG

 

 

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1. Acumulación de fase en cada guía de onda: Φ = 2 π * n(T)*L / λ

 

 

2. La longitud diferencial de la guía de onda genera una inclinación de fase diferente para diferentes longitudes de onda.

 

 

3. El índice efectivo de la guía de onda única y el diseño de la diferencia de longitud de la guía de onda son responsables de la función de multiplexación de longitud de onda.

 

 

 

FABRICACIÓN AWG

 

 

El AWG es una estructura de guía de ondas plana que generalmente se obtiene sobre un sustrato de oblea de silicio con un óxido de revestimiento inferior de SiO2 obtenido mediante oxidación térmica del sustrato de Si. El proceso de deposición química de vapor (CVD) crea una capa activa de GeSiO2 con un índice de refracción superior al índice de refracción de la capa de revestimiento. La litografía óptica y el grabado en seco definen la estructura de la guía de ondas AWG. El crecimiento del revestimiento superior (proceso CVD) con índice de refracción coincidente con el revestimiento inferior es el último paso tecnológico.

 

Debido a que la fabricación del AWG se basa en técnicas estandarizadas, la integración del AWG ofrece muchas ventajas, como compacidad, confiabilidad, estabilidad de fabricación y costos de fabricación y empaque significativamente reducidos.

 

Las ventajas inherentes del AWG también incluyen un espaciado de canales controlado con precisión (fácilmente adaptado a la red de la UIT), una estabilización de longitud de onda simple y precisa, una pérdida de inserción baja y uniforme, un espaciado de canales estrecho y preciso y un gran número de canales.

 

 

TIPOS DE AWG

 

 

Hay varios AWG disponibles en el mercado. Se pueden dividir en dos grupos principales según el material utilizado: los llamados AWG de índice bajo y de índice alto. Los AWG de índice bajo con un contraste de índice de refracción típico del 0,75% tienen la ventaja de su compatibilidad con fibras ópticas y, por lo tanto, pérdidas de acoplamiento muy bajas entre las guías de ondas de salida y las fibras ópticas. La desventaja de estos AWG es su tamaño, que se corresponde con la curvatura de la guía de ondas, que no puede quedar por debajo de un valor crítico. Como resultado, aumentar el número de canales y reducir el espacio entre canales conduce a un rápido aumento del tamaño de AWG y esto, a su vez; provoca el deterioro del rendimiento óptico, como una mayor pérdida de inserción y, en particular, una mayor diafonía de canales. En contraste con esto, los AWG de alto índice presentan un tamaño mucho más pequeño pero también pérdidas de acoplamiento mucho mayores.

 

Como el número de guías de onda utilizadas para transportar la información en los sistemas DWDM es generalmente una potencia de 2, los AWG están diseñados para separar dos longitudes de onda diferentes, o 4, 16, 32, 64, etc. Además de esto, 40 y 80 También están disponibles AWG de canal. Los sistemas que se utilizan actualmente no suelen tener más de 40 longitudes de onda, pero los avances tecnológicos seguirán haciendo posible un mayor número de longitudes de onda.

 

Las longitudes de onda que se utilizan para transmitir la información suelen estar alrededor de la región de 1550 nm, la región de longitud de onda en la que optiLa fibra cal funciona mejor (tiene muy bajas pérdidas y baja atenuación). Cada longitud de onda está separada de la anterior por un múltiplo de 0,8 nm (también conocido como espaciado de 100 GHz, que es la separación de frecuencias). Sin embargo, también pueden estar separados por 1,6 nm (es decir, 200 GHz) u otro espaciado siempre que sea múltiplo de 0,8 nm. Estos espacios entre canales se refieren a sistemas WDM. Por otro lado, las crecientes demandas de capacidad significan que el objetivo actual es comprimir aún más longitudes de onda en un espacio aún más reducido, lo que puede resultar en tan solo la mitad del espaciado normal, es decir, 0,4 nm (50 GHz) o incluso un cuarto, 0,2 nm. (25 GHz). Estos espaciamientos de canales estrechos se utilizan en sistemas DWDM. Sin embargo, el rápido crecimiento reciente en la capacidad de la red ha significado que se requiera una capacidad de transmisión aún mayor en los sistemas DWDM. Para satisfacer las crecientes demandas de capacidad, es necesario seguir aumentando el número de canales de estos AWG en la medida de lo posible, es decir, reducir el espaciado de sus canales hasta 10 GHz o menos. Estos AWG desempeñan un papel clave en las aplicaciones WDM de muy alta densidad.

 

Las señales ópticas transmitidas pueden tener diferentes formas. La más común es la banda de paso gaussiana (o forma gaussiana) que presenta una pérdida de inserción muy baja. En contraste con esto, la banda de paso de superficie plana sufre pérdidas de inserción mucho mayores pero presenta condiciones de detección mucho mejores. En algún punto entre estas dos formas se encuentra la llamada banda de paso semiplana, que también se utiliza a menudo en sistemas DWDM.

 

Una parte especial de la familia AWG crea los llamados AWG "cíclicos" o "incoloros" con una separación de canales habitual de 100 GHz o 50 GHz y 8 (o 16) canales de salida. Aquí, al aplicar un diseño especial, AWG repetirá sus órdenes y podrá funcionar en cualquier banda de canal predefinida. En otras palabras, el mismo AWG incoloro puede funcionar en los canales 1 a 8 o 9 a 16 o 17 a 24, y así sucesivamente.

 

 

CONTROL TÉRMICO DE AWG

 

 

Para utilizar dispositivos AWG en aplicaciones prácticas de comunicaciones ópticas, se necesita un control preciso de la longitud de onda y una estabilidad de la longitud de onda a largo plazo. Por supuesto, si la temperatura de un AWG fluctúa, la longitud de onda del canal cambiará según el coeficiente térmico del material utilizado. Al hacer uso del efecto termoóptico, se puede incorporar un controlador de temperatura en el AWG para controlar y sintonizar el dispositivo con la red ITU o cualquier otra longitud de onda deseada. Recientemente, las empresas han demostrado el uso de dispositivos Athermal AWG. El principio implica el uso de una resina de silicio especial en parte del circuito de ondas de luz que tiene un coeficiente de temperatura diferente al del vidrio de cuarzo. Este diseño reduce la dependencia de la temperatura de las longitudes de onda de la luz transmitida a menos de una décima parte de su valor original, lo que hace innecesario el uso de un dispositivo de control de temperatura.

 

 

 

Efecto de la temperatura en AWG

 

 

Los cambios de temperatura en la rejilla desplazan la posición del punto focal lejos de la longitud de onda central deseada. Cambios de longitud de onda 11,5 pm/°C Este cambio debe compensarse: a. Eléctricamente; b. Pasivamente

 

Control de temperatura de Thermal AWG

 

 

Los cambios de temperatura en la rejilla desplazan la posición del punto focal lejos de la longitud de onda central deseada. Por esta razón, los AWG se han calentado tradicionalmente de manera uniforme y se han estabilizado activamente a una temperatura de aproximadamente 80 °C.

 

Nota:

El AWG térmico se basa en el control estable de la temperatura del chip. Athermal AWG se basa en la realineación mecánica. En los AWG estándar, la temperatura del chip AWG está estabilizada.

 

APLICACIONES DE AWG

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El AWG ya se ha utilizado en sistemas DWDM punto a punto y es un componente clave en la construcción de sistemas de comunicación DWDM flexibles y de gran capacidad. AWG ofrece las ventajas de bajas pérdidas, alto número de puertos y productividad masiva. Se espera que un mayor progreso en el AWG contribuya en gran medida a la construcción de futuros sistemas de comunicación fotónica, incluidos los sistemas de multiplexación óptica de adición/extracción (OADM) y los sistemas de conexión cruzada óptica (OXC).

1. Red Óptica (transmisión DWDM, OXC, OADM)

Aplicación de OXC: a. Red mallada, nodos con conectividad >2; b. Interconexión de anillo

Aplicación OADM: a. Nodos en redes en anillo; b. Nodos intermedios en tramos lineales; C. Entre nodos OXC más grandes

 

2. Gestión λ por λ (aprovisionamiento/protección/restauración)

OADM elimina λ de la señal DWDM entrante a los receptores locales y agrega nuevas señales (la misma λ) de los transmisores locales

Puertos OADM: entrada, salida conectados a la red. Agregar, soltar conectado a transmisores y receptores locales

 

 

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En esta sección, describimos en qué puntos de una red óptica se pueden utilizar AWG. Generalmente, los dispositivos AWG sirven como multiplexores, demultiplexores, filtros y dispositivos add-drop en aplicaciones ópticas WDM y DWDM:

 

 

 

1. En el punto de transmisión de una red DWDM de larga distancia, se pueden utilizar para multiplexar los numerosos canales WDM en una fibra antes de los amplificadores de fibra óptica.

 

2. También se pueden utilizar como demultiplexores en el extremo receptor de dichos sistemas.

 

3. Los AWG se pueden implementar en la parte OADM de lonsistemas de comunicación g-haul.

 

4. Están encontrando un uso cada vez mayor en sistemas FTTx como CWDM MUX/DeMUX.

 

 

AWG ULTRA ANCHO PARA SISTEMAS DWDM

 

 

El uso de sistemas WDM está aumentando rápidamente y, en estos sistemas, AWG desempeña un papel importante como MUX/DeMUX (es decir, DWDM MUX/DeMUX). Los AWG ofrecen compacidad, alta estabilidad, excelentes características ópticas y producibilidad en masa. Hasta ahora, los AWG se han desarrollado únicamente para aplicaciones de telecomunicaciones, por lo que su rango de longitud de onda se ha limitado a 1,3-1,6 μm.

 

Sin embargo, para aplicaciones novedosas como sensores. AWG con un rango de longitud de onda más corto, incluido el rango de longitud de onda visible. Esto se debe a que muchos materiales y análisis tienen características específicas en estas longitudes de onda. Hasta ahora, sólo se ha dado consideración teórica a los AWG que operan en el rango de longitud de onda visible.

 

Una de las ventajas clave de los AWG es su capacidad para proporcionar la resolución de longitud de onda fina necesaria para los sensores espectroscópicos ópticos diseñados para identificar materiales y análisis. Esto surge de la flexibilidad del diseño de la guía de ondas y nos permite obtener características espectroscópicas arbitrarias cambiando la diferencia de longitud de trayectoria entre guías de onda dispuestas vecinas y la longitud focal de las guías de onda en placa.

 

La tecnología y el diseño del circuito Planar Lightwave (PLC) han evolucionado significativamente en la última década en términos de rendimiento y rendimiento. Paralelamente, las nuevas técnicas de semiconductores aplicadas a la óptica integrada han mejorado drásticamente la calidad de las obleas, los esfuerzos de diseño han llevado a reducir la pérdida de inserción, reducir la diafonía, aumentar el ancho de banda del canal, disminuir el espaciado entre canales y gestionar la dispersión cromática (CD).

 

Con AWG que igualan o superan el rendimiento de los filtros de película delgada, y permitirán con la integración de atenuadores ópticos variables y grifos de monitoreo realizar módulos de alto rendimiento y bajo costo con funciones adicionales para el sistema. Las características deseables de cualquier dispositivo AWG incluyen baja pérdida en las bandas de paso, alta pérdida fuera de las bandas de paso, pérdida uniforme dentro de un canal y de canal a canal y comportamiento independiente de la polarización. Mientras que la baja diafonía es de suma importancia en los demultiplexores donde las señales fuera de banda aparecen como pérdida fuera de las bandas de paso, pérdida uniforme dentro de un canal y de canal a canal, y comportamiento independiente de la polarización. Si bien la baja diafonía es de suma importancia en los demultiplexores donde las señales fuera de banda aparecen como ruido en el receptor, es de poca preocupación en los multiplexores donde las señales fuera de banda simplemente no están presentes en el transmisor. Para la multiplexación, es muy deseable una respuesta plana dentro de la banda de paso para tener en cuenta la deriva de la longitud de onda en la fuente láser.

 

 

COMPARACIÓN DE AWGS TÉRMICOS Y ATÉRMICOS

 

 

1. Tanto el AWG térmico como el atérmico se utilizan ampliamente como DWDM y OADM en redes ópticas.

 

2. La tecnología de aplicación AWG se basa en la teoría y la tecnología de guías de ondas de pozo.

 

3. El proceso de clave térmica es la temperatura de operación estable mediante control eléctrico, el proceso de clave térmica es una compensación mecánica estable mediante realineación micromecánica cuando cambia la temperatura ambiental.

 

 

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