Brève introduction aux réseaux de guides d'ondes en réseau

La technologie de multiplexage en longueur d'onde (WDM) offre une approche efficace pour répondre à l'augmentation rapide des besoins en bande passante et en capacité des systèmes et réseaux de communication. Dans les systèmes WDM, tous les types de dispositifs photoniques basés sur des réseaux de guides d'ondes en réseau (AWG) sont des composants clés utilisés pour le multiplexage/démultiplexage en longueur d'onde.

Qu'est-ce qu'un réseau de guides d'ondes en réseau (AWG) ?

Le réseau de guides d'ondes en réseau (AWG), également appelé réseau phasé optique (PHASAR), réseau de guides d'ondes en réseau phasé (PAWG) ou routeur de réseaux de guides d'ondes (WGR), est un dispositif construit à partir de circuits optiques planaires (PLC) en silicium, permettant de combiner et de séparer plusieurs longueurs d'onde dans un système de multiplexage en longueur d'onde dense (DWDM). Il est devenu de plus en plus populaire comme multiplexeur et démultiplexeur de longueurs d'onde ( MUX/DeMUX ) pour les applications de multiplexage en longueur d'onde dense (DWDM) et de multiplexage en longueur d'onde à très haute densité (VHDWDM).

Structure et principe de fonctionnement de l'AWG

Selon le substrat, un AWG se compose d'un réseau de guides d'ondes (également appelé réseau phasé) et de deux coupleurs (également appelés région de propagation libre – RPL). L'un des guides d'ondes d'entrée transporte un signal optique composé de plusieurs longueurs d'onde λ1 à λn vers le premier coupleur (d'entrée), qui distribue ensuite la lumière entre un réseau de guides d'ondes, comme illustré ci-dessous.

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

On peut aussi le comprendre simplement en prenant l'exemple suivant : la lumière entrante (1) traverse un espace libre (2) et pénètre dans un faisceau de fibres optiques ou de guides d'ondes de canal (3). Les fibres sont de longueurs différentes et appliquent donc un déphasage différent à la sortie. La lumière traverse ensuite un autre espace libre (4) et interfère aux entrées des guides d'ondes de sortie (5), de sorte que chaque canal de sortie ne reçoit que la lumière d'une certaine longueur d'onde. Les lignes orange illustrent uniquement le trajet lumineux. Le trajet lumineux de (1) à (5) est un démultiplexeur, de (5) à (1) un multiplexeur.

Types d'AWG

Différents AWG sont disponibles sur le marché. Ils se divisent généralement en deux groupes principaux selon le matériau utilisé : les AWG à faible indice et les AWG à indice élevé. Les AWG à faible indice, avec un contraste d'indice de réfraction typique de 0,75 %, présentent l'avantage d'être compatibles avec les fibres optiques, et donc de très faibles pertes de couplage entre les guides d'ondes de sortie et les fibres optiques. Leur inconvénient réside dans leur taille, qui correspond à la courbure du guide d'ondes, laquelle ne doit pas être inférieure à une valeur critique. Par conséquent, l'augmentation du nombre de canaux et le rétrécissement de leur espacement entraînent une augmentation rapide de la taille des AWG, ce qui entraîne une dégradation des performances optiques, notamment une perte d'insertion et, en particulier, une diaphonie accrue. En revanche, les AWG à indice élevé présentent une taille beaucoup plus petite, mais également des pertes de couplage beaucoup plus élevées.

Le nombre de guides d'ondes utilisés pour transporter l'information dans les systèmes DWDM étant généralement une puissance de 2, les AWG sont conçus pour séparer deux longueurs d'onde différentes : 4, 16, 32, 64, etc. Des AWG à 40 et 80 canaux sont également disponibles. Les systèmes actuellement déployés ne dépassent généralement pas 40 longueurs d'onde, mais les avancées technologiques continueront d'offrir un nombre de longueurs d'onde plus élevé.

Les longueurs d'onde utilisées pour transmettre l'information se situent généralement autour de 1 550 nm, la plage de longueurs d'onde où la fibre optique offre les meilleures performances (pertes et atténuation très faibles). Chaque longueur d'onde est séparée de la précédente par un multiple de 0,8 nm (également appelé espacement de 100 GHz, qui correspond à la séparation fréquentielle). Cependant, elles peuvent également être séparées par 1,6 nm (soit 200 GHz) ou un autre espacement, à condition qu'il soit un multiple de 0,8 nm. Ces espacements de canaux se réfèrent aux systèmes WDM. D'autre part, face à la demande croissante de capacité, l'objectif actuel est de condenser encore plus de longueurs d'onde dans un espace encore plus restreint, ce qui peut se traduire par une réduction de la moitié de l'espacement habituel, soit 0,4 nm (50 GHz), voire un quart, soit 0,2 nm (25 GHz). Ces espacements de canaux étroits sont utilisés dans les systèmes DWDM. Cependant, la croissance rapide récente de la capacité des réseaux nécessite une capacité de transmission encore plus élevée dans les systèmes DWDM. Pour répondre aux besoins croissants en capacité, il est nécessaire d'augmenter le nombre de canaux de ces AWG autant que possible, c'est-à-dire de réduire leur espacement jusqu'à 10 GHz ou moins. Ces AWG jouent un rôle clé dans les applications WDM à très haute densité.

Les signaux optiques transmis peuvent avoir différentes formes. La plus courante est la bande passante gaussienne (ou forme gaussienne), qui présente une très faible perte d'insertion. À l'inverse, la bande passante plate subit des pertes d'insertion bien plus élevées, mais offre de bien meilleures conditions de détection. Entre ces deux formes se trouve la bande passante dite semi-plate, également souvent utilisée dans les systèmes DWDM.

Une branche spéciale de la famille AWG crée des AWG dits « cycliques » ou « incolores », avec un espacement habituel de 100 ou 50 GHz entre les canaux et 8 (ou 16) canaux de sortie. Grâce à une conception spéciale, ces AWG répètent leurs ordres et peuvent fonctionner dans n'importe quelle bande de fréquences prédéfinie. Autrement dit, un même AWG incolore peut fonctionner sur les canaux 1 à 8, 9 à 16, 17 à 24, et ainsi de suite.

AWG insensible à la température (athermique) vs AWG thermique

Pour utiliser les dispositifs AWG dans des applications pratiques de communications optiques, un contrôle précis de la longueur d'onde et une stabilité à long terme sont nécessaires. Cependant, si la température d'un AWG fluctue, la longueur d'onde du canal varie en fonction du coefficient thermique du matériau utilisé. Grâce à l'effet thermo-optique, un contrôleur de température peut être intégré à l'AWG pour contrôler et ajuster le dispositif à la grille ITU ou à toute autre longueur d'onde souhaitée. Grâce à cette technologie, un nouveau type d'AWG, appelé AWG Athermal, est lancé. Ce type d'AWG est basé sur la technologie silice sur silicium et ne nécessite aucune alimentation électrique. Voici une comparaison entre l'AWG Athermal et l'AWG Thermique.

Avantages et applications de l'AWG

Avantage

Le principal avantage de l'AWG réside dans son coût indépendant du nombre de longueurs d'onde, contrairement à la solution de filtre diélectrique. Il est donc adapté aux applications métropolitaines nécessitant un grand nombre de longueurs d'onde rentable. Un autre avantage de l'AWG réside dans la flexibilité de sélection du nombre et de l'espacement des canaux, ce qui permet de fabriquer différents types d'AWG de manière similaire.

Applications

Vous vous demandez peut-être où utiliser les AWG dans votre réseau optique. Généralement, les AWG servent de multiplexeurs, de démultiplexeurs, de filtres et d'éléments d'insertion-extraction dans les applications optiques WDM et DWDM :