Arrayed Waveguide Grating (AWG) é comumente usado como multiplexador/demultiplexador óptico (MUX/DeMUX) em sistemas de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM). Os dispositivos AWG são capazes de multiplexar um grande número de comprimentos de onda em uma única fibra óptica, aumentando consideravelmente a capacidade de transmissão das redes ópticas.

 

Os AWGs são baseados em um princípio fundamental da óptica de que ondas de luz de diferentes comprimentos de onda interferem linearmente umas com as outras. Isto significa que, se cada canal numa rede de comunicação óptica utilizar luz com um comprimento de onda ligeiramente diferente, então a luz de um grande número destes canais pode ser transportada por uma única fibra óptica com diafonia insignificante entre os canais. Os AWGs são usados para multiplexar canais de vários comprimentos de onda em uma única fibra óptica na extremidade de transmissão e também são usados como demultiplexadores para recuperar canais individuais de diferentes comprimentos de onda na extremidade receptora de uma rede de comunicação óptica.

 

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Com base no substrato, um AWG consiste em um conjunto de guias de onda (também chamado de phased array) e dois acopladores (também chamados de região de propagação livre – FPR). Um dos guias de onda de entrada carrega um sinal óptico que consiste em múltiplos comprimentos de onda λ1 – λn para o primeiro acoplador (de entrada), que então distribui a luz entre uma série de guias de onda.

 

A luz posteriormente se propaga através dos guias de onda até o segundo acoplador (de saída). O comprimento desses guias de ondas é escolhido de modo que a diferença de comprimento do caminho óptico entre guias de ondas adjacentes, dL, seja igual a um múltiplo inteiro do comprimento de onda central λc do demultiplexador. Para este comprimento de onda, os campos nos guias de onda individuais dispostos chegarão à entrada do acoplador de saída com fase igual, e a distribuição de campo na saída do acoplador de entrada será reproduzida na entrada do acoplador de saída. O aumento linear do comprimento dos guias de onda do conjunto causará interferência e difração quando a luz se mistura no acoplador de saída. Como resultado, cada comprimento de onda é focado em apenas um dos N guias de onda de saída (também chamados de canais de saída).

 

 

PRINCÍPIO BÁSICO AWG

 

 

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1. Acúmulo de fase em cada guia de ondas: Φ = 2 π * n(T)*L / λ

 

 

2. O comprimento diferencial do guia de ondas gera diferentes inclinações de fase para diferentes comprimentos de onda.

 

 

3. O índice efetivo do guia de ondas único e o design da diferença de comprimento do guia de ondas são responsáveis pela função de multiplexação do comprimento de onda.

 

 

 

FABRICAÇÃO AWG

 

 

O AWG é uma estrutura de guia de ondas plana geralmente obtida em substrato de wafer de silício com um óxido de revestimento inferior de SiO2 obtido por oxidação térmica de substrato de Si. O processo de deposição química de vapor (CVD) cria uma camada ativa de GeSiO2 com índice de refração superior ao índice de refração da camada de revestimento. A litografia óptica e a gravação a seco definem a estrutura do guia de ondas AWG. O crescimento do revestimento superior (processo CVD) com índice de refração compatível com o revestimento inferior é o último passo tecnológico.

 

Como a fabricação do AWG é baseada em técnicas padronizadas, a integração do AWG oferece muitas vantagens, como compacidade, confiabilidade, estabilidade de fabricação e custos de fabricação e embalagem significativamente reduzidos.

 

As vantagens inerentes do AWG também incluem espaçamento de canal controlado com precisão (facilmente compatível com a grade ITU), estabilização de comprimento de onda simples e precisa, perda de inserção baixa e uniforme, espaçamento de canal estreito e preciso e grandes números de canais.

 

 

TIPOS AWG

 

 

Vários AWGs estão disponíveis no mercado. Eles podem ser divididos em dois grupos principais de acordo com o material utilizado: os chamados AWGs de baixo índice e de alto índice. AWGs de baixo índice com um contraste de índice de refração típico de 0,75% têm a vantagem de sua compatibilidade com fibras ópticas e, portanto, perdas de acoplamento muito baixas entre guias de onda de saída e fibras ópticas. A desvantagem de tais AWGs é o seu tamanho, que corresponde à curvatura do guia de ondas que não pode ficar abaixo de um valor crítico. Como resultado, aumentar a contagem de canais e estreitar o espaçamento entre canais leva a um rápido aumento no tamanho AWG e este, por sua vez; causa a deterioração no desempenho óptico, como maior perda de inserção e, em particular, maior diafonia de canal. Em contraste com isso, os AWGs de alto índice apresentam um tamanho muito menor, mas também perdas de acoplamento muito maiores.

 

Como o número de guias de onda usados para transportar informações em sistemas DWDM é geralmente uma potência de 2, os AWGs são projetados para separar dois comprimentos de onda diferentes, ou 4, 16, 32, 64 etc. AWGs de canal também estão disponíveis. Os sistemas que estão sendo implantados atualmente geralmente não têm mais de 40 comprimentos de onda, mas os avanços tecnológicos continuarão a possibilitar números maiores de comprimentos de onda.

 

Os comprimentos de onda usados para transmitir a informação estão geralmente em torno da região de 1550 nm, a região de comprimento de onda na qual a ópticay baixa perda e baixa atenuação). Cada comprimento de onda é separado do anterior por um múltiplo de 0,8 nm (também conhecido como espaçamento de 100 GHz, que é a separação de frequência). No entanto, eles também podem ser separados por 1,6 nm (ou seja, 200 GHz) ou outro espaçamento, desde que seja um múltiplo de 0,8 nm. Esses espaçamentos de canal referem-se a sistemas WDM. Por outro lado, as crescentes exigências de capacidade significam que o objectivo actual é comprimir ainda mais comprimentos de onda num espaço ainda mais apertado, o que pode resultar em apenas metade do espaçamento regular, ou seja, 0,4 nm (50 GHz) ou mesmo um quarto, 0,2 nm. (25GHz). Esses espaçamentos estreitos de canal estão sendo usados em sistemas DWDM. No entanto, o rápido crescimento recente na capacidade da rede significou que é necessária uma capacidade de transmissão ainda maior em sistemas DWDM. Para atender às crescentes demandas de capacidade, é necessário continuar aumentando o número de canais desses AWGs tanto quanto possível, ou seja, diminuindo o espaçamento dos canais até 10 GHz ou menos. Esses AWGs desempenham um papel fundamental nas aplicações WDM de densidade muito alta.

 

Os sinais ópticos transmitidos podem ter diferentes formatos. A mais comum é a banda passante gaussiana (ou formato gaussiano), que apresenta perda de inserção muito baixa. Em contraste com isso, a banda passante plana sofre perdas de inserção muito maiores, mas apresenta condições de detecção muito melhores. Em algum lugar entre essas duas formas está a chamada banda passante semiplana, que também é frequentemente usada em sistemas DWDM.

 

Uma parte especial da família AWG cria o chamado AWG "cíclico" ou "incolor" com espaçamento de canal usual de 100 GHz ou 50 GHz e 8 (ou 16) canais de saída. Aqui, aplicando um design especial, tal AWG repetirá suas ordens e poderá funcionar em qualquer banda de canal predefinida. Em outras palavras, o mesmo AWG incolor pode funcionar nos canais 1 a 8 ou 9 a 16 ou 17 a 24 e assim por diante.

 

 

CONTROLE TÉRMICO DE AWG

 

 

Para usar dispositivos AWG em aplicações práticas de comunicações ópticas, são necessários controle preciso do comprimento de onda e estabilidade de comprimento de onda a longo prazo. É claro que se a temperatura de um AWG flutuar, o comprimento de onda do canal mudará de acordo com o coeficiente térmico do material utilizado. Ao fazer uso do efeito termo-óptico, um controlador de temperatura pode ser integrado ao AWG para controlar e sintonizar o dispositivo na rede ITU ou em qualquer outro comprimento de onda desejado. Recentemente, empresas demonstraram o uso de dispositivos Athermal AWG. O princípio envolve o uso de uma resina de silício especial em parte do circuito de ondas luminosas que possui um coeficiente de temperatura diferente do vidro de quartzo. Este projeto reduz a dependência da temperatura dos comprimentos de onda da luz transmitida para menos de um décimo do seu valor original, o que torna desnecessário o uso de um dispositivo de controle de temperatura.

 

 

 

Efeito da temperatura no AWG

 

 

As mudanças de temperatura na grade deslocam a posição do ponto focal para longe do comprimento de onda central desejado. Mudanças no comprimento de onda 11,5 pm/°C Esta mudança deve ser compensada: a. Eletricamente; b. Passivamente

 

Controle de temperatura do Thermal AWG

 

 

As mudanças de temperatura na grade deslocam a posição do ponto focal para longe do comprimento de onda central desejado. Por esta razão, os AWGs têm sido tradicionalmente aquecidos uniformemente e ativamente estabilizados a uma temperatura de aproximadamente 80 °C.

 

Observação:

O AWG térmico é baseado no controle estável de temperatura do chip. Athermal AWG é baseado no realinhamento mecânico. Nos AWGs padrão, a temperatura do chip AWG é estabilizada.

 

APLICAÇÕES AWG

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O AWG já foi utilizado em sistemas DWDM ponto a ponto e é um componente chave na construção de sistemas de comunicação DWDM flexíveis e de grande capacidade. O AWG oferece as vantagens de baixas perdas, alto número de portas e produtividade em massa. Espera-se que novos progressos no AWG contribuam grandemente para a construção de futuros sistemas de comunicação fotônica, incluindo sistemas Optical Add/Drop Multiplexing (OADM) e sistemas Optical Cross Connect (OXC).

1. Rede Óptica (transmissão DWDM, OXCs, OADMs)

Aplicação OXC: a. Rede mesh, nós com conectividade >2; b. Interconexão de anel

Aplicação OADM: a. Nós em redes em anel; b. Nós intermediários em vãos lineares; c. Entre nós OXC maiores

 

2. Gerenciamento λ por λ (provisionamento/proteção/restauração)

OADM descarta λ do sinal DWDM de entrada para receptores locais, adiciona novos sinais (mesmo λ) de transmissores locais

Portas OADM: entrada, saída conectada à rede. Adicione, solte conectado a transmissores e receptores locais

 

 

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Nesta seção, descrevemos em quais pontos de uma rede óptica os AWGs podem ser usados. Geralmente os dispositivos AWG servem como multiplexadores, demultiplexadores, filtros e dispositivos add-drop em aplicações ópticas WDM e DWDM:

 

 

 

1. No ponto de transmissão de uma rede DWDM de longa distância, eles podem ser usados para multiplexar os numerosos canais WDM em uma fibra antes dos amplificadores de fibra óptica.

 

2. Eles também podem ser usados como demultiplexadores na extremidade do receptor de tais sistemas.

 

3. Os AWGs podem ser implementados na parte OADM dos sistemas de comunicação de longa distância.

 

4.Teles estão encontrando uso crescente em sistemas FTTx como CWDM MUX/DeMUX.

 

 

AWGS ULTRA AMPLO PARA SISTEMAS DWDM

 

 

O uso de sistemas WDM está aumentando rapidamente e, nesses sistemas, o AWG desempenha um papel importante como MUX/DeMUX (ou seja, DWDM MUX/DeMUX). Os AWGs oferecem compacidade, alta estabilidade, excelentes características ópticas e produtividade em massa. Até agora, os AWGs foram desenvolvidos exclusivamente para aplicações de telecomunicações, portanto a sua faixa de comprimento de onda foi limitada a 1,3–1,6 μm.

 

No entanto, para novas aplicações, como sensores. AWGs com faixa de comprimento de onda mais curta, incluindo a faixa de comprimento de onda visível. Isso ocorre porque muitos materiais e análises possuem características específicas nesses comprimentos de onda. Até agora, apenas considerações teóricas foram dadas aos AWGs operando na faixa de comprimento de onda visível.

 

Uma das principais vantagens dos AWGs é a sua capacidade de fornecer a resolução de comprimento de onda fina necessária para sensores espectroscópicos ópticos projetados para identificar materiais e análises. Isto surge da flexibilidade do projeto do layout do guia de ondas e nos permite obter características espectroscópicas arbitrárias, alterando a diferença de comprimento do caminho entre os guias de ondas dispostos vizinhos e a distância focal dos guias de onda da placa.

 

A tecnologia e o design do Circuito Planar Lightwave (PLC) evoluíram significativamente na última década em termos de desempenho e rendimento. Novas técnicas de semicondutores aplicadas à óptica integrada melhoraram drasticamente a qualidade do wafer em paralelo, os esforços de design levaram à redução da perda de inserção, à redução do crosstalk, ao aumento da largura de banda do canal, à diminuição do espaçamento do canal e ao gerenciamento da dispersão cromática (CD).

 

Com AWGs que igualam ou excedem o desempenho dos filtros de película fina e permitirão com a integração de atenuadores ópticos variáveis ​​e taps de monitoramento a realização de módulos de alto desempenho e baixo custo com funções adicionais para o sistema. As características desejáveis de qualquer dispositivo AWG incluem baixa perda nas bandas passantes, alta perda fora das bandas passantes, perda uniforme dentro de um canal e canal a canal e comportamento independente de polarização. Embora o crosstalk baixo seja de suma importância em demultiplexadores, onde os sinais fora de banda aparecem como perda fora das bandas passantes, perda uniforme dentro de um canal e canal a canal e comportamento independente de polarização. Embora o crosstalk baixo seja de suma importância em demultiplexadores onde os sinais fora de banda aparecem como ruído no receptor, é pouco preocupante em multiplexadores onde os sinais fora de banda simplesmente não estão presentes no transmissor. Para multiplexação, uma resposta plana dentro da banda passante é altamente desejável para levar em conta o desvio de comprimento de onda na fonte de laser.

 

 

COMPARAÇÃO DE AWGS TÉRMICO E ATÉRMICO

 

 

1. Tanto o AWG térmico quanto o atérmico são amplamente utilizados como DWDM e OADM em redes ópticas.

 

2. A tecnologia de aplicação AWG é baseada na teoria e tecnologia de guias de onda de poço.

 

3. O processo de chave térmica é uma temperatura de operação estável por controle elétrico, o processo de chave atérmica é uma compensação mecânica estável por realinhamento micromecânico quando a temperatura ambiente muda.

 

 

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