Краткое введение в решетчатые волноводы

Технология спектрального уплотнения (WDM) обеспечивает эффективный подход к быстрому росту требований к пропускной способности и емкости систем связи и сетей. В системах WDM ключевыми компонентами, используемыми для спектрального уплотнения/демультиплексирования, являются всевозможные фотонные устройства на основе решеток волноводов (AWG).

Что такое решетка волноводов (AWG)?

Решётка волновода с решеткой (AWG), также известная как оптическая фазированная решётка (PHASAR), фазированная волноводная решётка (PAWG) или маршрутизатор волноводной решётки (WGR), представляет собой устройство, построенное на кремниевых планарных световодных схемах (ПЛС), которое позволяет объединять и разделять несколько длин волн в системе плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM). Решётка приобретает всё большую популярность в качестве мультиплексора и демультиплексора ( MUX/DeMUX ) для приложений плотного мультиплексирования по длине волны (DWDM) и мультиплексирования по длине волны сверхвысокой плотности (VHDWDM).

Структура и принцип работы AWG

В зависимости от подложки, волноводный волновод состоит из массива волноводов (также называемого фазированной решеткой) и двух ответвителей (также называемых областью свободного распространения – FPR). Один из входных волноводов переносит оптический сигнал, состоящий из нескольких длин волн λ1 – λn, в первый (входной) ответвитель, который затем распределяет свет по массиву волноводов, как показано на следующем рисунке.

Затем свет распространяется по волноводам ко второму (выходному) ответвителю. Длина этих волноводов выбирается таким образом, чтобы разность оптических путей между соседними волноводами, dL, была равна целому кратному центральной длины волны λc демультиплексора. Для этой длины волны поля в отдельных решетчатых волноводах будут поступать на вход выходного ответвителя с одинаковой фазой, а распределение поля на выходе входного ответвителя будет воспроизводиться на входе выходного ответвителя. Линейное увеличение длины решетчатых волноводов приведет к интерференции и дифракции при смешивании света в выходном ответвителе. В результате каждая длина волны фокусируется только в один из N выходных волноводов (также называемых выходными каналами).

Или мы можем просто представить это, взяв, например, следующую картинку: входящий свет (1) проходит через свободное пространство (2) и попадает в жгут оптических волокон или волноводов (3). Волокна имеют разную длину и, следовательно, создают разный фазовый сдвиг на выходе. Затем свет проходит через другое свободное пространство (4) и интерферирует на входах выходных волноводов (5) таким образом, что каждый выходной канал получает только свет определённой длины волны. Оранжевые линии лишь иллюстрируют путь света. Путь света от (1) до (5) представляет собой демультиплексор, от (5) до (1) – мультиплексор.

Типы AWG

На рынке представлены различные волноводы с произвольным индексом преломления (AWG). В целом, их можно разделить на две основные группы в зависимости от используемого материала: волноводы с низким и высоким индексом преломления. Преимуществом волноводов с низким индексом преломления и типичным контрастом показателя преломления 0,75% является их совместимость с оптическими волокнами, а следовательно, очень низкие потери на переход между выходными волноводами и оптическими волокнами. Недостатком таких волноводов является их размер, который соответствует кривизне волновода, которая может быть не ниже критического значения. В результате увеличение числа каналов и сужение расстояния между ними приводит к быстрому увеличению размера волновода, что, в свою очередь, приводит к ухудшению оптических характеристик, такому как более высокие вносимые потери и, в частности, более высокие перекрестные помехи в каналах. В отличие от них, волноводы с высоким индексом преломления имеют значительно меньший размер, но также и значительно более высокие потери на переход.

Поскольку количество волноводов, используемых для передачи информации в системах DWDM, обычно пропорционально степени двойки, генераторы сигналов произвольной формы (AWG) предназначены для разделения двух различных длин волн: 4, 16, 32, 64 и т. д. Кроме того, доступны 40- и 80-канальные генераторы сигналов произвольной формы. В настоящее время системы обычно используют не более 40 длин волн, но технологический прогресс позволит использовать большее количество длин волн.

Длины волн, используемые для передачи информации, обычно находятся в диапазоне 1550 нм – диапазоне длин волн, в котором оптическое волокно работает наилучшим образом (имеет очень низкие потери и затухание). Каждая длина волны отделена от предыдущей на расстояние, кратное 0,8 нм (также называемое разносом 100 ГГц, что соответствует частотному разносу). Однако они также могут быть отделены на расстояние 1,6 нм (т.е. 200 ГГц) или на другое расстояние, кратное 0,8 нм. Такие разносы каналов относятся к системам WDM. С другой стороны, растущие требования к пропускной способности означают, что в настоящее время ставится задача втиснуть ещё больше длин волн в ещё более ограниченное пространство, что может привести к уменьшению стандартного разноса всего вдвое, т.е. 0,4 нм (50 ГГц) или даже в четверть – 0,2 нм (25 ГГц). Такие узкие разносы каналов используются в системах DWDM. Однако недавний быстрый рост пропускной способности сетей означает, что в системах DWDM требуется ещё более высокая пропускная способность. Для удовлетворения растущих потребностей в пропускной способности необходимо продолжать максимально увеличивать число каналов этих генераторов произвольной формы (AWG), то есть уменьшать их разнос до 10 ГГц и менее. Такие генераторы произвольной формы играют ключевую роль в приложениях WDM сверхвысокой плотности.

Передаваемые оптические сигналы могут иметь различную форму. Наиболее распространённой является гауссова полоса пропускания (или гауссова форма), которая характеризуется очень низкими вносимыми потерями. В отличие от неё, полоса пропускания с плоской вершиной имеет гораздо более высокие вносимые потери, но обеспечивает гораздо лучшие условия обнаружения. Где-то между этими двумя формами находится так называемая полуплоская полоса пропускания, которая также часто используется в системах DWDM.

Особая часть семейства генераторов произвольной формы (AWG) создаёт так называемые «циклические» или «бесцветные» генераторы произвольной формы (AWG) с обычным разносом каналов 100 ГГц или 50 ГГц и 8 (или 16) выходными каналами. При использовании специальной конструкции такой генератор произвольной формы будет повторять свои порядки и сможет работать в любом предопределённом диапазоне каналов. Другими словами, один и тот же бесцветный генератор произвольной формы может работать на каналах с 1 по 8, с 9 по 16, с 17 по 24 и так далее.

Температурно-нечувствительный (атермический) AWG против термического AWG

Для использования устройств на основе волноводов с произвольным распределением волн (AWG) в практических приложениях оптической связи необходимы точный контроль длины волны и её долговременная стабильность. Однако при колебаниях температуры волновода с произвольным распределением волн длина волны канала будет меняться в соответствии с температурным коэффициентом используемого материала. Используя термооптический эффект, в волновод с произвольным распределением волн (AWG) можно встроить регулятор температуры для управления и настройки устройства на сетку МСЭ или любую другую требуемую длину волны. С развитием этой технологии появился новый тип волноводов с произвольным распределением волн (AWG) – атермальный (Atermal AWG). Этот тип волноводов с произвольным распределением волн основан на технологии «кремний на кремнии» и не требует электропитания. Ниже приведено сравнение атермического и термического волноводов с произвольным распределением волн (AWG).

Преимущества и применение AWG

Преимущество

Ключевым преимуществом AWG является то, что его стоимость не зависит от количества длин волн, как в случае с диэлектрическим фильтром. Поэтому он подходит для городских приложений, где требуется экономически эффективное использование большого количества длин волн. Другое преимущество AWG — гибкость в выборе количества каналов и межканального расстояния, что позволяет изготавливать различные типы AWG аналогичным образом.

Приложения

У вас может возникнуть вопрос, где можно использовать генераторы сигналов произвольной формы (AWG) в оптической сети. Обычно генераторы сигналов произвольной формы (AWG) служат мультиплексорами, демультиплексорами, фильтрами и устройствами ввода-вывода в оптических системах WDM и DWDM :