배열 도파관 격자의 간략한 소개

Fibermart
Tuesday 24 February, 2015
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파장 분할 다중화(WDM) 기술은 통신 시스템 및 네트워크의 대역폭 및 용량 요구 사항의 급격한 증가에 효과적인 접근 방식을 제공합니다. WDM 시스템에서는 배열 도파관 격자(AWG)를 기반으로 하는 모든 종류의 광소자가 파장 분할 다중화/역다중화의 핵심 요소로 사용되어 왔습니다.

배열 도파관 회절격자(AWG)란 무엇인가요?

배열 도파관 회절격자(AWG)는 광 위상 배열(PHASAR), 위상 배열 도파관 회절격자(PAWG), 또는 도파관 회절격자 라우터(WGR)로도 알려져 있으며, 실리콘 평면 광파 회로(PLC)로 제작된 장치로, 고밀도 파장 분할 다중화(DWDM) 시스템에서 여러 파장을 결합 및 분리할 수 있도록 합니다. 고밀도 파장 분할 다중화(DWDM) 및 초고밀도 파장 분할 다중화(VHDWDM) 애플리케이션을 위한 파장 다중화기/역다중화기( MUX/DeMUX )로서 점점 더 널리 사용되고 있습니다.

AWG 구조 및 작동 원리

기판에 따라 AWG는 도파관 배열(위상 배열이라고도 함)과 두 개의 커플러(자유 전파 영역, FPR이라고도 함)로 구성됩니다. 입력 도파관 중 하나는 여러 파장(λ1~λn)으로 구성된 광 신호를 첫 번째(입력) 커플러로 전달하고, 이 커플러는 다음 그림과 같이 도파관 배열에 빛을 분배합니다.

빛은 이후 도파관을 통해 두 번째(출력) 커플러로 전파됩니다. 이러한 도파관의 길이는 인접한 도파관 사이의 광 경로 길이 차이인 dL이 디멀티플렉서의 중심 파장 λc의 정수 배와 같도록 선택됩니다. 이 파장의 경우, 개별 배열 도파관의 필드는 동일한 위상으로 출력 커플러의 입력에 도달하고, 입력 커플러 출력의 필드 분포는 출력 커플러의 입력에서 재생됩니다. 배열 도파관의 길이가 선형적으로 증가하면 빛이 출력 커플러에서 혼합될 때 간섭과 회절이 발생합니다. 결과적으로 각 파장은 N개의 출력 도파관(출력 채널이라고도 함) 중 하나에만 집중됩니다.

AWG 원칙

또는 예를 들어 다음 그림을 살펴보면 간단히 이해할 수 있습니다. 들어오는 빛(1)은 자유 공간(2)을 통과하여 광섬유 또는 채널 광파관(3) 묶음에 들어갑니다. 광섬유는 길이가 다르므로 광섬유 출구에서 다른 위상 편이가 적용됩니다. 그런 다음 빛은 다른 자유 공간(4)을 통과하여 출력 광파관(5)의 입구에서 간섭을 일으켜 각 출력 채널이 특정 파장의 빛만 수신합니다. 주황색 선은 광 경로만 보여줍니다. (1)에서 (5)로 가는 광 경로는 디멀티플렉서이고 (5)에서 (1)로 가는 광 경로는 멀티플렉서입니다.

AWG 유형

다양한 AWG가 시중에 판매되고 있습니다. 일반적으로 사용되는 재료에 따라 저굴절률 AWG와 고굴절률 AWG의 두 가지 주요 그룹으로 나눌 수 있습니다. 일반적인 굴절률 대비가 0.75%인 저굴절률 AWG는 광섬유와의 호환성이 뛰어나 출력 도파관과 광섬유 간의 결합 손실이 매우 낮다는 장점이 있습니다. 이러한 AWG의 단점은 크기인데, 이는 도파관 곡률에 해당하며 임계값 아래에 있지 않을 수 있습니다. 결과적으로 채널 수를 늘리고 채널 간격을 좁히면 AWG 크기가 급격히 증가하고, 이는 삽입 손실 증가, 특히 채널 누화 증가와 같은 광학 성능 저하를 초래합니다. 이와 대조적으로 고굴절률 AWG는 크기가 훨씬 작지만 결합 손실이 훨씬 높습니다.

DWDM 시스템에서 정보 전달에 사용되는 도파관의 수는 일반적으로 2의 거듭제곱이므로, AWG는 두 개의 서로 다른 파장, 즉 4, 16, 32, 64 등을 분리하도록 설계되었습니다. 이 외에도 40채널 및 80채널 AWG도 제공됩니다. 현재 구축 중인 시스템은 일반적으로 파장이 40개를 넘지 않지만, 기술 발전으로 더 많은 파장이 가능해질 것입니다.

정보를 전송하는 데 사용되는 파장은 일반적으로 광섬유가 가장 잘 수행되는 파장 영역인 1550nm 영역입니다(매우 낮은 손실과 낮은 감쇠). 각 파장은 이전 파장과 0.8nm의 배수(주파수 간격인 100GHz 간격이라고도 함)로 분리됩니다. 그러나 1.6nm(즉, 200GHz) 또는 0.8nm의 배수인 다른 간격으로 분리될 수도 있습니다. 이러한 채널 간격은 WDM 시스템을 참조합니다. 반면, 용량 요구가 증가함에 따라 현재 목표는 훨씬 더 좁은 공간에 더 많은 파장을 압축하는 것이며, 이는 일반 간격의 절반인 0.4nm(50GHz) 또는 1/4인 0.2nm(25GHz)까지 줄어들 수 있습니다. 이러한 좁은 채널 간격은 DWDM 시스템에서 사용되고 있습니다. 그러나 최근 네트워크 용량의 급속한 성장으로 인해 DWDM 시스템에서 더 높은 용량 전송이 필요하게 되었습니다. 증가하는 용량 수요를 충족하려면 이러한 AWG의 채널 수를 최대한 늘려야 합니다. 즉, 채널 간격을 10GHz 이하로 줄여야 합니다. 이러한 AWG는 초고밀도 WDM 애플리케이션에서 핵심적인 역할을 합니다.

전송되는 광 신호는 다양한 형태를 가질 수 있습니다. 가장 일반적인 형태는 가우시안 통과 대역(또는 가우시안 형태)으로, 삽입 손실이 매우 낮습니다. 이와 대조적으로, 플랫탑 통과 대역은 삽입 손실이 훨씬 높지만 감지 조건이 훨씬 우수합니다. 이 두 형태 사이에는 소위 세미플랫 통과 대역이 있는데, 이는 DWDM 시스템에서도 자주 사용됩니다.

AWG 제품군의 특수한 부분은 일반적인 100GHz 또는 50GHz 채널 간격과 8개(또는 16개) 출력 채널을 갖는 소위 "순환" 또는 "무색" AWG를 생성합니다. 이 특수 설계를 적용한 AWG는 명령을 반복하며 미리 정의된 모든 채널 대역에서 작동할 수 있습니다. 즉, 동일한 무색 AWG는 1~8번 채널, 9~16번 채널, 17~24번 채널 등에서 작동할 수 있습니다.

온도에 민감하지 않은(비열) AWG 대 열 AWG

실제 광통신 응용 분야에서 AWG 소자를 사용하려면 정밀한 파장 제어와 장기적인 파장 안정성이 필요합니다. 그러나 AWG의 온도가 변동하면 사용된 재료의 열 계수에 따라 채널 파장이 변합니다. 열광학 효과를 이용하여 온도 제어기를 AWG에 내장하여 ITU 그리드 또는 기타 원하는 파장에 맞춰 소자를 제어하고 조정할 수 있습니다. 이 기술이 개발됨에 따라 Atermal AWG라는 새로운 유형의 AWG가 출시되었습니다. 이 AWG는 실리콘 기반 실리카 기술을 기반으로 하며 전력이 필요하지 않습니다. Athermal AWG와 Thermal AWG를 비교해 보겠습니다.

열 AWG와 비열 AWG는 모두 광 네트워크에서 DWDM과 OADM으로 널리 사용됩니다.
AWG 응용 기술은 우물파도파관 이론과 기술을 기반으로 합니다.
열적 핵심 공정은 전기적 제어를 통해 안정적으로 작동하는 온도이고, 비열적 핵심 공정은 환경 온도가 변할 때 미세 기계적 재정렬을 통해 안정적으로 작동하는 기계적 보상입니다.

AWG 장점 및 응용 분야

이점

AWG의 주요 장점은 유전체 필터 솔루션처럼 파장 수에 따라 비용이 달라지지 않는다는 것입니다. 따라서 넓은 파장 수의 비용 효율성이 요구되는 대도시 지역에 적합합니다. AWG의 또 다른 장점은 채널 수와 채널 간격을 자유롭게 선택할 수 있다는 점이며, 그 결과 다양한 종류의 AWG를 유사한 방식으로 제작할 수 있습니다.