Le réseau de guides d'ondes en réseau (AWG) est couramment utilisé comme multiplexeur/démultiplexeur optique (MUX/DeMUX) dans les systèmes de multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM). Les dispositifs AWG sont capables de multiplexer un grand nombre de longueurs d'onde dans une seule fibre optique, augmentant ainsi considérablement la capacité de transmission des réseaux optiques.

 

Les AWG sont basés sur un principe fondamental de l'optique selon lequel des ondes lumineuses de différentes longueurs d'onde interfèrent linéairement les unes avec les autres. Cela signifie que, si chaque canal d'un réseau de communication optique utilise une lumière d'une longueur d'onde légèrement différente, alors la lumière provenant d'un grand nombre de ces canaux peut être transportée par une seule fibre optique avec une diaphonie négligeable entre les canaux. Les AWG sont utilisés pour multiplexer des canaux de plusieurs longueurs d'onde sur une seule fibre optique à l'extrémité de transmission et sont également utilisés comme démultiplexeurs pour récupérer des canaux individuels de différentes longueurs d'onde à l'extrémité de réception d'un réseau de communication optique.

 

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Basé sur le substrat, un AWG se compose d'un réseau de guides d'ondes (également appelés réseau phasé) et de deux coupleurs (également appelés région de propagation libre – FPR). L'un des guides d'ondes d'entrée transporte un signal optique composé de plusieurs longueurs d'onde λ1 – λn dans le premier coupleur (d'entrée), qui distribue ensuite la lumière entre un réseau de guides d'ondes.

 

La lumière se propage ensuite à travers les guides d'ondes jusqu'au deuxième coupleur (de sortie). La longueur de ces guides d'onde est choisie de telle sorte que la différence de longueur de trajet optique entre guides d'onde adjacents, dL, soit égale à un multiple entier de la longueur d'onde centrale λc du démultiplexeur. Pour cette longueur d'onde, les champs dans les guides d'ondes individuels en réseau arriveront à l'entrée du coupleur de sortie avec une phase égale, et la distribution de champ à la sortie du coupleur d'entrée sera reproduite à l'entrée du coupleur de sortie. L'augmentation linéaire de la longueur des guides d'ondes du réseau provoquera des interférences et une diffraction lorsque la lumière se mélange dans le coupleur de sortie. En conséquence, chaque longueur d’onde est focalisée sur un seul des N guides d’ondes de sortie (également appelés canaux de sortie).

 

 

PRINCIPE DE BASE DE L'AWG

 

 

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1. Accumulation de phase dans chaque guide d'onde : Φ = 2 π * n(T)*L / λ

 

 

2. La longueur différentielle du guide d'onde génère différentes inclinaisons de phase pour différentes longueurs d'onde.

 

 

3. L'indice effectif d'un guide d'onde unique et la conception de la différence de longueur du guide d'onde sont responsables de la fonction de multiplexage de longueur d'onde.

 

 

 

FABRICATION AWG

 

 

L'AWG est une structure de guide d'onde planaire généralement obtenue sur un substrat de plaquette de silicium avec un oxyde de gaine inférieur en SiO2 obtenu par oxydation thermique du substrat en Si. Le processus de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) crée une couche active de GeSiO2 avec un indice de réfraction supérieur à l'indice de réfraction de la couche de revêtement. La lithographie optique et la gravure sèche définissent ensuite la structure du guide d'onde AWG. La croissance de la gaine supérieure (procédé CVD) avec adaptation d'indice de réfraction avec la gaine inférieure est la dernière étape technologique.

 

Étant donné que la fabrication de l'AWG est basée sur des techniques standardisées, l'intégration de l'AWG offre de nombreux avantages tels que la compacité, la fiabilité, la stabilité de fabrication et des coûts de fabrication et d'emballage considérablement réduits.

 

Les avantages inhérents de l'AWG incluent également un espacement des canaux contrôlé avec précision (facilement adapté à la grille de l'ITU), une stabilisation de longueur d'onde simple et précise, une perte d'insertion faible et uniforme, un espacement étroit et précis des canaux et un grand nombre de canaux.

 

 

TYPES AWG

 

 

Différents AWG sont disponibles sur le marché. Ils peuvent être divisés en deux groupes principaux selon le matériau utilisé : les AWG dits à faible indice et à haut indice. Les AWG à faible indice avec un contraste d'indice de réfraction typique de 0,75 % présentent l'avantage de leur compatibilité avec les fibres optiques, et donc de très faibles pertes de couplage entre les guides d'ondes de sortie et les fibres optiques. L'inconvénient de ces AWG est leur taille, qui correspond à la courbure du guide d'ondes qui ne peut pas être inférieure à une valeur critique. En conséquence, l'augmentation du nombre de canaux et le rétrécissement de l'espacement des canaux entraînent une augmentation rapide de la taille de l'AWG, ce qui, à son tour ; entraîne une détérioration des performances optiques, comme une perte d'insertion plus élevée et, en particulier, une diaphonie de canal plus élevée. Contrairement à cela, les AWG à indice élevé présentent une taille beaucoup plus petite mais également des pertes de couplage beaucoup plus élevées.

 

Comme le nombre de guides d'ondes utilisés pour transporter les informations dans les systèmes DWDM est généralement une puissance de 2, les AWG sont conçus pour séparer deux longueurs d'onde différentes, soit 4, 16, 32, 64, etc. En plus de cela, 40 et 80 Des canaux AWG sont également disponibles. Les systèmes actuellement déployés ne comportent généralement pas plus de 40 longueurs d’onde, mais les progrès technologiques continueront à rendre possible un plus grand nombre de longueurs d’onde.

 

Les longueurs d'onde utilisées pour transmettre les informations se situent généralement autour de la région de 1 550 nm, la région de longueur d'onde dans laquelle optiKal-Faser bietet die beste Leistung (sie hat einen sehr geringen Verlust und eine geringe Dämpfung). Jede Wellenlänge ist um ein Vielfaches von 0,8 nm von der vorherigen getrennt (auch als 100-GHz-Abstand bezeichnet, was dem Frequenzabstand entspricht). Sie können jedoch auch einen Abstand von 1,6 nm (d. h. 200 GHz) oder einen anderen Abstand haben, sofern dieser ein Vielfaches von 0,8 nm beträgt. Diese Kanalabstände beziehen sich auf WDM-Systeme. Andererseits bedeutet der steigende Kapazitätsbedarf, dass das derzeitige Ziel darin besteht, noch mehr Wellenlängen auf einen noch engeren Raum zu quetschen, was möglicherweise nur die Hälfte des regulären Abstands, d. h. 0,4 nm (50 GHz) oder sogar ein Viertel, 0,2 nm, zur Folge haben kann (25 GHz). Solche engen Kanalabstände werden in DWDM-Systemen verwendet. Das jüngste schnelle Wachstum der Netzwerkkapazität hat jedoch dazu geführt, dass in DWDM-Systemen eine noch höhere Übertragungskapazität erforderlich ist. Um den wachsenden Kapazitätsanforderungen gerecht zu werden, ist es notwendig, die Kanalanzahl dieser AWGs so weit wie möglich weiter zu erhöhen, d. h. ihren Kanalabstand auf 10 GHz oder weniger zu verringern. Solche AWGs spielen eine Schlüsselrolle bei WDM-Anwendungen mit sehr hoher Dichte.

 

Die übertragenen optischen Signale können unterschiedliche Formen haben. Am gebräuchlichsten ist der Gaußsche Durchlassbereich (oder die Gaußsche Form), der sich durch eine sehr geringe Einfügungsdämpfung auszeichnet. Im Gegensatz dazu weist der Flat-Top-Durchlassbereich weitaus höhere Einfügungsverluste auf, weist aber deutlich bessere Detektionsbedingungen auf. Irgendwo zwischen diesen beiden Formen liegt der sogenannte halbflache Durchlassbereich, der auch häufig in DWDM-Systemen verwendet wird.

 

Ein besonderer Teil der AWG-Familie bildet sogenannte „zyklische“ oder „farblose“ AWG mit einem üblichen 100-GHz- oder 50-GHz-Kanalabstand und 8 (oder 16) Ausgangskanälen. Hier wiederholt die Anwendung eines speziellen Designs wie AWG seine Befehle und kann in jedem vordefinierten Kanalband arbeiten. Mit anderen Worten: Das gleiche farblose AWG kann auf den Kanälen 1 bis 8 oder 9 bis 16 oder 17 bis 24 usw. funktionieren.

 

 

THERMISCHE KONTROLLE VON AWG

 

 

Um AWG-Geräte in praktischen Anwendungen der optischen Kommunikation einzusetzen, sind eine präzise Wellenlängensteuerung und langfristige Wellenlängenstabilität erforderlich. Wenn die Temperatur eines AWG schwankt, ändert sich natürlich die Kanalwellenlänge entsprechend dem Wärmekoeffizienten des verwendeten Materials. Durch Nutzung des thermooptischen Effekts kann ein Temperaturregler in das AWG eingebaut werden, um das Gerät zu steuern und auf das ITU-Gitter oder jede andere gewünschte Wellenlänge abzustimmen. Kürzlich haben Unternehmen den Einsatz athermischer AWG-Geräte demonstriert. Das Prinzip besteht darin, in einem Teil des Lichtwellenkreises ein spezielles Silikonharz zu verwenden, das einen anderen Temperaturkoeffizienten als Quarzglas aufweist. Dieses Design reduziert die Temperaturabhängigkeit der Wellenlängen des durchgelassenen Lichts auf weniger als ein Zehntel seines ursprünglichen Wertes, wodurch der Einsatz eines Temperaturkontrollgeräts überflüssig wird.

 

 

 

Einfluss der Temperatur auf AWG

 

 

Temperaturänderungen im Gitter verschieben die Position des Brennpunkts weg von der gewünschten Mittenwellenlänge. Wellenlängenänderungen 11,5 pm/°C Diese Änderung muss kompensiert werden: a. Elektrisch; B. Passiv

 

Temperaturregelung von Thermal AWG

 

 

Temperaturänderungen im Gitter verschieben die Position des Brennpunkts weg von der gewünschten Mittenwellenlänge. Aus diesem Grund werden AWGs traditionell gleichmäßig erhitzt und aktiv auf eine Temperatur von etwa 80 °C stabilisiert.

 

Notiz:

Thermal AWG basiert auf einer stabilen Temperaturregelung des Chips. Athermisches AWG basiert auf mechanischer Neuausrichtung. Bei Standard-AWGs wird die Temperatur des AWG-Chips stabilisiert.

 

AWG-ANWENDUNGEN

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Der AWG wurde bereits in Punkt-zu-Punkt-DWDM-Systemen eingesetzt und ist eine Schlüsselkomponente beim Aufbau flexibler und leistungsfähiger DWDM-Kommunikationssysteme. AWG bietet die Vorteile geringer Verluste, hoher Portanzahl und Massenproduktivität. Es wird erwartet, dass weitere Fortschritte beim AWG einen großen Beitrag zum Aufbau künftiger photonischer Kommunikationssysteme leisten werden, darunter Optical Add/Drop Multiplexing (OADM)-Systeme und Optical Cross Connect (OXC)-Systeme.

1. Optisches Netzwerk (DWDM-Übertragung, OXCs, OADMs)

OXC-Anwendung: a. Mesh-Netzwerk, Knoten mit Konnektivität >2; B. Ringverbindung

OADM-Anwendung: a. Knoten in Ringnetzen; B. Zwischenknoten auf linearen Feldern; C. Zwischen größeren OXC-Knoten

 

2. λ-by-λ-Management (Bereitstellung/Schutz/Wiederherstellung)

OADM entfernt λs vom eingehenden DWDM-Signal an lokale Empfänger und fügt neue Signale (gleiches λ) von lokalen Sendern hinzu

OADM-Ports: Ein- und Ausgänge, verbunden mit dem Netzwerk. Fügen Sie lokale Sender und Empfänger hinzu oder trennen Sie sie

 

 

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In diesem Abschnitt beschreiben wir, an welchen Stellen in einem optischen Netzwerk AWGs eingesetzt werden können. Im Allgemeinen dienen AWG-Geräte als Multiplexer, Demultiplexer, Filter und Add-Drop-Geräte in optischen WDM- und DWDM-Anwendungen:

 

 

 

1. Am Übertragungspunkt eines DWDM-Langstreckennetzes können sie dazu eingesetzt werden, die zahlreichen WDM-Kanäle vor den Glasfaserverstärkern in eine Faser zu multiplexen.

 

2. Sie können auch als Demultiplexer auf der Empfängerseite solcher Systeme verwendet werden.

 

3. AWGs können im OADM-Teil von LON implementiert werdensystèmes de communication g-haul.

 

4. Ils sont de plus en plus utilisés dans les systèmes FTTx comme CWDM MUX/DeMUX.

 

 

AWGS ULTRA LARGES POUR SYSTÈMES DWDM

 

 

L'utilisation des systèmes WDM augmente rapidement et, dans ces systèmes, AWG joue un rôle important en tant que MUX/DeMUX (c'est-à-dire DWDM MUX/DeMUX). Les AWG offrent une compacité, une stabilité élevée, d'excellentes caractéristiques optiques et une productibilité de masse. Jusqu'à présent, les AWG ont été développés uniquement pour les applications de télécommunications, leur plage de longueurs d'onde a donc été limitée à 1,3-1,6 μm.

 

Cependant, pour de nouvelles applications telles que les capteurs. AWG avec une plage de longueurs d'onde plus courte, y compris la plage de longueurs d'onde visible. En effet, de nombreux matériaux et analyses présentent des caractéristiques spécifiques à ces longueurs d'onde. Jusqu’à présent, seule une considération théorique a été accordée aux AWG fonctionnant dans la gamme de longueurs d’onde visibles.

 

L'un des principaux avantages des AWG est leur capacité à fournir la résolution de longueur d'onde fine requise pour les capteurs spectroscopiques optiques conçus pour identifier les matériaux et les analyses. Cela découle de la flexibilité de conception de la disposition des guides d’ondes et nous permet d’obtenir des caractéristiques spectroscopiques arbitraires en modifiant la différence de longueur de trajet entre les guides d’ondes en réseau voisins et la longueur focale des guides d’ondes en dalle.

 

La technologie et la conception des circuits planaires à ondes lumineuses (PLC) ont considérablement évolué au cours de la dernière décennie en termes de performances et de rendement. Les nouvelles techniques de semi-conducteurs appliquées à l'optique intégrée ont considérablement amélioré la qualité des tranches. Parallèlement, les efforts de conception ont conduit à réduire la perte d'insertion, à réduire la diaphonie, à augmenter la bande passante des canaux, à diminuer l'espacement des canaux et à gérer la dispersion chromatique (CD).

 

Avec des AWG qui égalent ou dépassent les performances des filtres à couches minces, et permettront, grâce à l'intégration d'atténuateurs optiques variables et de prises de surveillance, de réaliser des modules hautes performances et à faible coût avec des fonctions supplémentaires pour le système. Les caractéristiques souhaitables de tout dispositif AWG incluent une faible perte dans les bandes passantes, une perte élevée en dehors des bandes passantes, une perte uniforme au sein d'un canal et d'un canal à l'autre, et un comportement indépendant de la polarisation. Tandis qu'une faible diaphonie est d'une importance primordiale dans les démultiplexeurs où les signaux hors bande apparaissent comme une perte en dehors des bandes passantes, une perte uniforme au sein d'un canal et d'un canal à l'autre, et un comportement indépendant de la polarisation. Même si une faible diaphonie est d'une importance primordiale dans les démultiplexeurs où les signaux hors bande apparaissent sous forme de bruit au niveau du récepteur, elle est peu préoccupante dans les multiplexeurs où les signaux hors bande ne sont tout simplement pas présents dans l'émetteur. Pour le multiplexage, une réponse plate dans la bande passante est hautement souhaitable afin de tenir compte de la dérive de longueur d'onde dans la source laser.

 

 

COMPARAISON DES AWGS THERMIQUES ET ATHERMIQUES

 

 

1. Les AWG thermiques et athermiques sont largement utilisés comme DWDM et OADM dans les réseaux optiques.

 

2. La technologie d'application AWG est basée sur la théorie et la technologie des guides d'ondes de puits.

 

3. Le processus de clé thermique est une température de fonctionnement stable par contrôle électrique, le processus de clé athermique est une compensation mécanique stable par un réalignement micromécanique lorsque la température ambiante change.

 

 

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