アレイ導波路回折格子 (AWG) は、波長分割多重 (WDM) システムの光マルチプレクサ/デマルチプレクサ (MUX/DeMUX) として一般的に使用されます。 AWG デバイスは、多数の波長を 1 本の光ファイバーに多重化できるため、光ネットワークの伝送容量が大幅に増加します。

 

AWG は、異なる波長の光波が互いに直線的に干渉するという光学の基本原理に基づいています。 これは、光通信ネットワークの各チャネルがわずかに異なる波長の光を使用する場合、これらの多数のチャネルからの光を、チャネル間のクロストークが無視できる程度に 1 本の光ファイバーで伝送できることを意味します。 AWG は、送信側で複数の波長のチャネルを単一の光ファイバに多重化するために使用され、光通信ネットワークの受信側で異なる波長の個々のチャネルを取得するデマルチプレクサとしても使用されます。

 

ファイバーマート

基板に基づいて、AWG は導波路のアレイ (フェーズド アレイとも呼ばれます) と 2 つの結合器 (自由伝播領域 – FPR とも呼ばれます) で構成されます。 入力導波路の 1 つは、複数の波長 λ1 ～ λn からなる光信号を最初の (入力) カプラに送り、その後、導波路のアレイ間で光を分配します。

 

その後、光は導波路を通って 2 番目の (出力) カプラーに伝播します。 これらの導波路の長さは、隣接する導波路間の光路長差 dL がデマルチプレクサの中心波長 λc の整数倍に等しくなるように選択されます。 この波長の場合、個々のアレイ導波路内の電界は等しい位相で出力カプラの入力に到達し、入力カプラの出力における電界分布が出力カプラの入力で再現されます。 アレイ導波路の長さを直線的に増加させると、出力カプラー内で光が混合するときに干渉と回折が発生します。 その結果、各波長は N 個の出力導波路 (出力チャネルとも呼ばれる) のうちの 1 つにのみ集束されます。

 

 

AWGの基本原理

 

 

ファイバーマート

 

1. 各導波路における位相の累積: Φ = 2 π * n(T)*L / λ

 

 

2. 導波路の長さが異なると、波長ごとに異なる位相傾斜が生成されます。

 

 

3. 単一導波路実効屈折率と導波路長差の設計が波長多重機能を担います。

 

 

 

AWGの製造

 

 

AWG は、通常、Si 基板の熱酸化を使用して得られる SiO2 下部クラッド酸化物を備えたシリコン ウェーハ基板上に得られる平面導波路構造です。 化学蒸着 (CVD) プロセスにより、クラッド層の屈折率よりも高い屈折率を持つ GeSiO2 活性層が作成されます。 光リソグラフィーとドライエッチングにより、AWG 導波路構造が定義されます。 下部クラッドと屈折率を一致させた上部クラッドの成長 (CVD プロセス) は、最後の技術ステップです。

 

AWG の製造は標準化技術に基づいているため、AWG の統合により、コンパクトさ、信頼性、製造の安定性、製造およびパッケージングのコストの大幅な削減など、多くの利点が得られます。

 

AWG 固有の利点には、正確に制御されたチャネル間隔 (ITU グリッドに簡単に適合)、シンプルで正確な波長安定化、低く均一な挿入損失、狭くて正確なチャネル間隔、および多数のチャネルも含まれます。

 

 

AWG の種類

 

 

さまざまな AWG が市場で入手可能です。 これらは、使用される材料に応じて、いわゆる低屈折率 AWG と高屈折率 AWG の 2 つの主なグループに分類できます。 典型的な屈折率コントラストが 0.75% の低屈折率 AWG には、光ファイバとの互換性があり、出力導波路と光ファイバ間の結合損失が非常に低いという利点があります。 このような AWG の欠点は、導波路の曲率が臨界値を下回らない可能性があるため、そのサイズに対応することです。 その結果、チャネル数が増加し、チャネル間隔が狭くなると、AWG サイズが急速に増加し、これが結果的に増加します。 これは、挿入損失の増加、特にチャネルクロストークの増加など、光学性能の劣化を引き起こします。 これとは対照的に、高屈折率 AWG はサイズがはるかに小さいですが、結合損失がはるかに高いという特徴があります。

 

DWDM システムで情報を伝送するために使用される導波路の数は通常 2 のべき乗であるため、AWG は 2 つの異なる波長、つまり 4、16、32、64 などを分離するように設計されています。これに加えて、40 および 80 チャンネル AWG も利用可能です。 現在導入されているシステムの波長は通常 40 個以下ですが、技術の進歩によりさらに多くの波長が可能になるでしょう。

 

情報の送信に使用される波長は、通常、光学信号が使用される波長領域である 1550 nm 領域付近です。低損失および低減衰）。 各波長は、前の波長から 0.8 nm の倍数だけ離れています (周波数分離である 100 GHz 間隔とも呼ばれます)。 ただし、0.8 nm の倍数である限り、1.6 nm (つまり 200 GHz) または別の間隔で分離することもできます。 これらのチャネル間隔は WDM システムを指します。 一方、容量需要の増加は、現在の目標がさらに多くの波長をさらに狭い空間に押し込むことを意味しており、その結果、通常の間隔の半分、つまり 0.4 nm (50 GHz) または 4 分の 1 の 0.2 nm になる可能性があります。 (25GHz)。 このような狭いチャネル間隔は、DWDM システムで使用されています。 しかし、最近のネットワーク容量の急速な増加により、DWDM システムではさらに大容量の伝送が必要になっています。 増大する容量需要に応えるには、これらの AWG のチャネル数を可能な限り増やし続ける必要があります。つまり、チャネル間隔を 10 GHz 以下まで減らす必要があります。 このような AWG は、超高密度 WDM アプリケーションで重要な役割を果たします。

 

送信される光信号はさまざまな形状を持つことができます。 最も一般的なのは、非常に低い挿入損失を特徴とするガウス通過帯域 (またはガウス形状) です。 これとは対照的に、フラットトップ通過帯域は挿入損失がはるかに高くなりますが、検出条件ははるかに優れています。 これら 2 つの形状の間のどこかに、いわゆるセミフラット通過帯域があり、これも DWDM システムでよく使用されます。

 

AWG ファミリの特別な部分は、通常 100 GHz または 50 GHz のチャネル間隔と 8 (または 16) の出力チャネルを備えた、いわゆる「サイクリック」または「カラーレス」AWG を作成します。 ここで、AWG などの特別な設計を適用すると、その順序が繰り返され、事前に定義された任意のチャネル帯域で動作できます。 つまり、同じ無色の AWG がチャネル 1 ～ 8、9 ～ 16、または 17 ～ 24 などで機能します。

 

 

AWGの熱制御

 

 

実際の光通信アプリケーションで AWG デバイスを使用するには、正確な波長制御と長期的な波長安定性が必要です。 もちろん、AWG の温度が変動すると、使用される材料の熱係数に応じてチャネル波長が変化します。 熱光学効果を利用することにより、温度コントローラーを AWG に組み込んで、ITU グリッドまたはその他の任意の波長に合わせてデバイスを制御および調整できます。 最近、企業はアサーマル AWG デバイスの使用を実証しました。 原理としては、光回路の一部に石英ガラスとは温度係数の異なる特殊なシリコン樹脂を使用しています。 この設計により、透過光の波長の温度依存性が10分の1以下に抑えられ、温度制御装置が不要になります。

 

 

 

AWG に対する温度の影響

 

 

回折格子の温度変化により、焦点の位置が目的の中心波長からシフトします。 波長変化 11.5 pm/°C この変化は次のように補正する必要があります。 電気的に; b. 受動的に

 

サーマルAWGの温度制御

 

 

回折格子の温度変化により、焦点の位置が目的の中心波長からシフトします。 このため、AWG は伝統的に均一に加熱され、約 80 °C の温度まで積極的に安定化されてきました。

 

注記：

サーマルAWGはチップへの安定した温度制御を基本としています。 アサーマル AWG は機械的な再調整に基づいています。 標準 AWG では、AWG チップの温度は安定しています。

 

AWG アプリケーション

ファイバーマート

AWG はすでにポイントツーポイント DWDM システムで使用されており、柔軟で大容量の DWDM 通信システムの構築における重要なコンポーネントです。 AWG には、低損失、多ポート、大量生産性という利点があります。 AWGの更なる進歩は、OADM（Optical Add/Drop Multiplexing）システムやOXC（Optical Cross Connect）システムなどの将来の光通信システムの構築に大きく貢献すると期待されています。

1. 光ネットワーク (DWDM 伝送、OXC、OADM)

OXC アプリケーション: メッシュ ネットワーク、接続性が 2 を超えるノード。 b. リングインターコネクト

OADM アプリケーション: リングネットワーク内のノード。 b. 線形スパン上の中間ノード。 c. 大規模な OXC ノード間

 

2. λ ごとの管理 (プロビジョニング/保護/復元)

OADM は、ローカル受信機への DWDM 信号からの λ をドロップし、ローカル送信機からの新しい信号 (同じ λ) を追加します。

OADM ポート: ネットワークに接続された入力、出力。 ローカル送信機、受信機への接続の追加、削除

 

 

ファイバーマート

このセクションでは、光ネットワークのどの時点で AWG を使用できるかについて説明します。 一般に、AWG デバイスは、光 WDM および DWDM アプリケーションでマルチプレクサ、デマルチプレクサ、フィルタ、およびアドドロップ デバイスとして機能します。

 

 

 

1. DWDM 長距離ネットワークの送信ポイントで、光ファイバ増幅器の前に多数の WDM チャネルを 1 本のファイバに多重化するために使用できます。

 

2. このようなシステムの受信側でデマルチプレクサとしても使用できます。

 

3. AWG は、長距離通信システムの OADM 部分に実装できます。

 

4.TFTTx システムでは CWDM MUX/DeMUX としての使用が増えています。

 

 

DWDM システム用の超広角 AWGS

 

 

WDM システムの使用は急速に増加しており、これらのシステムでは、AWG が MUX/DeMUX (つまり DWDM MUX/DeMUX) として重要な役割を果たしています。 AWGは、コンパクトで安定性が高く、優れた光学特性と量産性を備えています。 これまで、AWG は通信用途のみに開発されてきたため、その波長範囲は 1.3 ～ 1.6 μm に限定されていました。

 

ただし、センサーなどの新しいアプリケーションの場合は。 可視波長範囲を含む、より短い波長範囲の AWG。 これは、多くの材料や分析がこれらの波長で特定の特性を持っているためです。 これまで、可視波長範囲で動作する AWG については理論的な考察のみが行われてきました。

 

AWG の主な利点の 1 つは、材料の識別や分析用に設計された光学分光センサーに必要な微細な波長分解能を提供できることです。 これは導波路レイアウトの設計自由度によるもので、隣接するアレイ導波路間の路長差やスラブ導波路の焦点距離を変えることで任意の分光特性を得ることができます。

 

プレーナー光波回路 (PLC) テクノロジーと設計は、過去 10 年間で性能と歩留まりの両方の点で大幅に進化しました。 集積光学系に適用された新しい半導体技術により、ウェーハの品質が大幅に向上し、同時に設計努力により挿入損失の低減、クロストークの低減、チャネル帯域幅の増加、チャネル間隔の減少、波長分散 (CD) の管理が行われました。

 

薄膜フィルタと同等以上の性能を持つAWGを採用し、可変光減衰器や監視タップとの統合により、システムに機能を追加した高性能かつ低コストのモジュールを実現します。 AWG デバイスの望ましい特性には、通過帯域内の低損失、通過帯域外の高損失、1 つのチャネル内およびチャネル間での均一な損失、および偏波に依存しない動作が含まれます。 デマルチプレクサでは、帯域外信号が通過帯域外の損失、1 つのチャネル内およびチャネル間の均一な損失、および偏波に依存しない動作として現れるため、低クロストークが最も重要です。 低クロストークは、帯域外信号が受信機でノイズとして現れるデマルチプレクサでは最も重要ですが、帯域外信号が送信機に存在しないマルチプレクサではほとんど問題になりません。 多重化の場合、レーザー光源の波長ドリフトを考慮して、通過帯域内で平坦な応答が非常に望ましいです。

 

 

サーマル AWGS とアサーマル AWGS の比較

 

 

1. サーマル AWG とアサーマル AWG は両方とも、光ネットワークの DWDM および OADM として広く使用されています。

 

2. AWG 応用技術は井戸導波路の理論と技術に基づいています。

 

3. サーマルキープロセスは電気制御により動作温度を安定させ、アサーマルキープロセスは環境温度が変化した場合のマイクロメカニカル再調整により安定した機械的補償を行います。

 

 

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