Дифракционная решетка на массиве волноводов AWG

Рецензия

Содержание

1) Постановка задачи……………………………………………………………….……..4

2) Введение…………………………………………………………………………….……5

3) Дифракционная решетка на массиве волноводов AWG…………………….…….7

a) Центральная длина волны канала ………………………………………………..…7

b) Интервал между каналами. …………………………………………….………..…8

c) Полоса пропускания по уровню –3 дБ (и другим пороговым уровням, обычно –0,5 дБ, –20 дБ или ниже) ……………………………………………………………..…8

d) Изоляция и дальние перекрестные помехи FEXT (Far-End Crosstalk) ………..….9

e) Вносимые потери ………..…………………………………………………………10

f) Неравномерность пика мощности в спектре канала (вариации мощности в окрестности максимума полосы пропускания) …………………………….....…11

g) Однородность каналов ………..……………………………………………………11

4) Оценка дисперсии для AWG…………………………………………………....……12

5) Стратегия проектирования AWG……………………………………………...……15

6) Расчет волнового поля выходного разветвителя AWG…………………………..17

7) Определение изоляции, перекрестных помех и вносимых потерь для AWG…20

8) Расчетная часть………………………………………………………………..………22

9) Заключение……………………………………………………………………..………45

10) Список литературы……………………………………………………….……...……46

Постановка задачи

 

Задачей данной работы является ознакомление с технологией оптического демультиплексирования с разделением по длине волны, использующей дифракционную решетку на основе массива планарных волноводов различной длины между двумя разветвителями (AWG). В рамках данной работы требуется определить основные параметры устройства AWG, провести расчет волнового поля и типичных функциональных характеристик выходного разветвителя AWG. За основу взят стандарт ITU-T G.694.1.

 

Введение

Известно, что оптическое волокно является средой, которая позволяет передавать огромные потоки информации. В первое время для деления громадной полосы пропускания отдельного волокна на выделенные каналы связи применялось временное мультиплексирование TDM (Time Division Multiplexing). Однако рост сложности оборудования для модуляции и мультиплексирования при увеличении скоростей передачи данных ограничил применения этой технологии. Дальнейшее увеличение полосы пропускания смог обеспечить альтернативный подход – волновое мультиплексирование WDM (Wavelength Division Multiplexing).

Каждый лазерный передатчик в системе WDM выдает сигнал на одной из заданных частот. Все эти сигналы (каналы) необходимо мультиплексировать (объединить друг с другом) в единый составной сигнал. Устройство, которое выполняет эту функцию, называется оптическим мультиплексором MUX (или OM). Аналогичное устройство на другом конце линии связи разделяет составной сигнал на отдельные каналы и называется оптическим демультиплексором DEMUX (или OD). В отличие от систем TDM, в которых подобные операции уплотнения каналов происходят во временной области, и основное внимание уделяется точности синхронизации приемника и передатчика, в системах WDM мультиплексированию и демультиплексированию подвергаются спектральные компоненты отдельных сигналов, характеристики которых всегда известны заранее.

Оптическое мультиплексирование и демультиплексирование основано на комбинированных или расположенных последовательно друг за другом узкополосных фильтрах. В частности, для фильтрации применяют тонкопленочные фильтры, волоконные или объемные брэгговские дифракционные решетки, сварные биконические волоконные разветвители, фильтры на основе жидких кристаллов, устройства интегральной оптики (матрицы фазовых волноводных дифракционных решеток или фазары). В настоящее время наибольшее распространение получили устройства оптического мультиплексирования и демультиплексирования с частотным интервалом между отдельными каналами в 100 ГГц (~0,8 нм), наиболее распространенный в существующих системах WDM. Появляющиеся в последнее время мультиплексные устройства могут обеспечить большую плотность размещения каналов с частотным интервалом 50 ГГц и меньше. Современные оптического мультиплексоры создаются преимущественно на основе тонкопленочных фильтров и, немного реже – на матрицах волноводных дифракционных решеток и волоконных брэгговских решетках. При дальнейшем увеличении плотности размещения каналов в системах DWDM и ужесточении требований к оптическим устройствам MUX/DEMUX, по-видимому, будет меняться и спектр используемых технологий.

Хотя технологии, используемые при изготовлении демультиплексоров и мультиплексоров, схожи, изготовление демультиплексоров представляется более сложной задачей. Дело в том, что DEMUX в большей степени характеризуется параметром, который называется изоляцией, в то время как MUX – направленностью. Чем меньше значение каждого из параметров, тем выше характеристики устройства. Технологически наиболее трудно изготавливать устройства с низким значением изоляции. Таким образом, любой DEMUX обычно может работать в режиме мультиплексирования, обратное вообще говоря не верно. По мере уменьшения интервала между каналами и увеличения числа каналов изготовление демультиплексора становится технологически более сложной задачей.

Теоретическая часть

Оценка дисперсии для AWG

Демультиплексоры на основе дифракции используют элементы с угловой дисперсией, такие как массивы планарных волноводов, которые пространственно диспергируют входной луч на различные составляющие длины волны.

Степень углового разделения волн, отличающихся по длине , характеризуется угловой дисперсией, которая в нашем случае вычисляется по формуле:

,

где – угол между направлениями распространения волн, отличающихся по длине волны на , – эффективный показатель преломления волноводов массива, – показатель преломления сердцевины волноводов массива, – показатель преломления выходного разветвителя, – разность длин соседних волноводов массива, – центральная длина волны устройства AWG, – период (шаг) решетки массива волноводов.

Рис. 2.

 

Определим порядок дифракции устройства следующим образом:

 

,

тогда для угловой дисперсии получаем

.

Упростим данную формулу, обозначив длину волны света в волноводе через :

,

и

.

Рис. 3.

 

Пространственное разделение лучей, отличающихся по длине волны на , связано с угловым соотношением:

,

где – фокусное расстояние системы волноводов на входе в разветвитель. Расстояние , на которое смещается сфокусированное решеткой световое пятно вследствие изменения длины волны, равно

.

Отсюда для фокусного расстояния получаем выражение:

.

Период (шаг) выходящих из разветвителя волноводных каналов связан с величиной по формуле:

.

Свободный спектральный диапазон демультиплексора (FSR) равен интервалу длин волн между центрами соседних спектральных полос пропускания демультиплексора и вычисляется следующим образом:

,

где N – количество волноводов на выходе AWG, – разнос каналов.

Расчетная часть

Частотный план: ,

где 193,6 ТГц – опорная частота, m – целое число ().

;

;

;

;

;

;

;

.

Длина волны: , где – скорость света.

;

;

;

;

;

;

;

.

Разнос каналов: (м).

(м)

 

Параметр	Значение
	1,4551

Зная разнос каналов , вычисляем свободный спектральный диапазон

(м),

порядок дифракции

,

где.

(м),

Для нахождения разности длин соседних волноводов , расстояния , на которое смещается световое пятно, а также фокусного расстояния системы волноводов массива воспользуемся следующими соотношениями:

(м),

(м),

 

(м).

Важной задачей данной работы является расчет волнового поля в выходном звездообразном разветвителе устройства AWG.

Пусть Q – количество волноводов в массиве. Для удобства дальнейших расчетов совместим оптическую ось выходного разветвителя с осью центрального волновода массива будем отсчитывать все остальные волноводы массива в обе стороны от него. Тогда n будет изменяться в пределах , а номер центрального волновода .

 

Предположим, что структура волнового поля в выходном разветвителе представляет собой результат наложения волновых полей от каждого волновода массива с огибающей описываемой функцией Гаусса. Причем, будем считать, что волновая функция светового пучка на выходе из каждого отдельного волновода массива также задается гауссовским распределением. Тогда для распределения интенсивности I волнового поля на выходе из волноводов массива имеем:

 

,

 

где - интенсивность на выходе из n-го волновода массива, Q – количество волноводов в массиве, , – огибающая волнового поля на выходе из всего массива волноводов, – ее радиус.

 

;

.

Рис 1. Распределения интенсивности I волнового поля на выходе из волноводов массива

 

При расчете результирующего волнового поля на выходе из разветвителя следует учесть, что отдельные волноводы массива направлены под углом друг к другу. Следовательно, угол, под которым направлен n-ый волновод массива к оптической оси выходного разветвителя, равен .

Отметим, что система координат , совмещенная с осью n-го волновода, связана с системой координат центрального волновода соотношениями:

 

,

 

,

 

.

 

В результате для распределения интенсивности волнового поля на выходе из разветвителя запишем следующие соотношения:

– интенсивность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе из n-го волновода массива, ,

– волновое число,

– размер светового пучка,

,

– фазовый сдвиг для сигнала, распространяющегося вдоль n-го волновода массива.

 

 

Рис 2. Распределения интенсивности волнового поля на выходе из разветвителя на длине λ₀

 

Используя расчеты для волнового поля, можно рассчитать такие характеристики AWG вносимые потери.

Для WDM устройств вносимые потери соответствуют элементу , логарифмической матрицы передачи , и должны быть определены для каждой длины волны:

,

где – мощность, передаваемая из порта j, – мощность, подаваемая на порт i.

Например, для излучения на длине волны элемент матрицы передачи вычисляется согласно выражению:

,

где – оптическая мощность, полученная из выходного порта с номером , – полная оптическая мощность, вводимая в выходной разветвитель.

 

(Вт),

(Вт),

(дБ).

Для :

,

,

.

В результате для распределения интенсивности волнового поля на выходе из разветвителя запишем следующие соотношения:

– интенсивность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе из n-го волновода массива, ,

– волновое число,

– размер светового пучка,

,

– фазовый сдвиг для сигнала, распространяющегося вдоль n-го волновода массива.

Используя расчеты для волнового поля, можно рассчитать такие характеристики AWG вносимые потери.

,

где – оптическая мощность, полученная из выходного порта с номером , – полная оптическая мощность, вводимая в выходной разветвитель.

(Вт),

(Вт),

(дБ)

Для :

,

,

.

В результате для распределения интенсивности волнового поля на выходе из разветвителя запишем следующие соотношения:

– интенсивность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе из n-го волновода массива, ,

– волновое число,

– размер светового пучка,

,

– фазовый сдвиг для сигнала, распространяющегося вдоль n-го волновода массива.

 

Используя расчеты для волнового поля, можно рассчитать такие характеристики AWG вносимые потери.

,

где – оптическая мощность, полученная из выходного порта с номером , – полная оптическая мощность, вводимая в выходной разветвитель.

(Вт),

(Вт),

(дБ).

Для :

,

,

.

В результате для распределения интенсивности волнового поля на выходе из разветвителя запишем следующие соотношения:

– интенсивность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе из n-го волновода массива, ,

– волновое число,

– размер светового пучка,

,

– фазовый сдвиг для сигнала, распространяющегося вдоль n-го волновода массива.

 

Используя расчеты для волнового поля, можно рассчитать такие характеристики AWG вносимые потери.

,

где – оптическая мощность, полученная из выходного порта с номером , – полная оптическая мощность, вводимая в выходной разветвитель.

(Вт),

(Вт),

(дБ).
Для :

,

,

.

В результате для распределения интенсивности волнового поля на выходе из разветвителя запишем следующие соотношения:

– интенсивность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе из n-го волновода массива, ,

– волновое число,

– размер светового пучка,

,

– фазовый сдвиг для сигнала, распространяющегося вдоль n-го волновода массива.

Используя расчеты для волнового поля, можно рассчитать такие характеристики AWG вносимые потери.

,

где – оптическая мощность, полученная из выходного порта с номером , – полная оптическая мощность, вводимая в выходной разветвитель.

(Вт),

(Вт),

(дБ).

Для :

,

,

.

В результате для распределения интенсивности волнового поля на выходе из разветвителя запишем следующие соотношения:

– интенсивность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе из n-го волновода массива, ,

– волновое число,

– размер светового пучка,

,

– фазовый сдвиг для сигнала, распространяющегося вдоль n-го волновода массива.

 

Используя расчеты для волнового поля, можно рассчитать такие характеристики AWG вносимые потери.

,

где – оптическая мощность, полученная из выходного порта с номером , – полная оптическая мощность, вводимая в выходной разветвитель.

(Вт),

(Вт),

(дБ),

Для :

,

,

.

В результате для распределения интенсивности волнового поля на выходе из разветвителя запишем следующие соотношения:

– интенсивность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе из n-го волновода массива, ,

– волновое число,

– размер светового пучка,

,

– фазовый сдвиг для сигнала, распространяющегося вдоль n-го волновода массива.

Используя расчеты для волнового поля, можно рассчитать такие характеристики AWG вносимые потери.

,

где – оптическая мощность, полученная из выходного порта с номером , – полная оптическая мощность, вводимая в выходной разветвитель.

(Вт),

(Вт),

(дБ),

Для :

,

,

.

В результате для распределения интенсивности волнового поля на выходе из разветвителя запишем следующие соотношения:

– интенсивность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе разветвителя,

– напряженность светового поля на выходе из n-го волновода массива, ,

– волновое число,

– размер светового пучка,

,

– фазовый сдвиг для сигнала, распространяющегося вдоль n-го волновода массива.

Используя расчеты для волнового поля, можно рассчитать такие характеристики AWG вносимые потери.

,

где – оптическая мощность, полученная из выходного порта с номером , – полная оптическая мощность, вводимая в выходной разветвитель.

(Вт),

(Вт),

(дБ),

Общий график

 

Пики интенсивности:

Таблица №1

	х (м)	I
		0.0567
	-2∙10-5	0.0565
	-4∙10-5	0.0562
	-6∙10-5	0.0555
	-8∙10-5	0.0543
	-1.0∙10-4	0.05531
	-1.2∙10-4	0.0512
	-1.4∙10-4	0.0491

 

Вносимые потери для WDM устройства:

Таблица №2

n	λn, нм	fn, Гц	Вносимые потери
Р1j, Вт	а1j, дБ
	1546,10	193,9	1,882∙10-12	25,66
	1545,70	193,95	1,881∙10-11	15,661
	1544,30		3,931∙10-11	12,46
	1544,90	194,05	5,993∙10-11	10,629
	1544,50	194,1	7,989∙10-11	9,381
	1550,10	194,15	1,007∙10-10	8,375
	1543,70	194,2	1,208∙10-10	7,585
	1543,30	194,25	1,403∙10-10	6,934

 

Заключение

Я ознакомился с технологией оптического демультиплексирования с разделением по длине волны, использующей дифракционную решетку на основе массива из 49 планарных волноводов различной длины между двумя разветвителями (AWG). Определил основные параметры устройства AWG:

- Разнос каналов (м)

- Свободный спектральный диапазон (м)

- Порядок дифракции .

- Разность длин соседних волноводов (м),

- Фокусное расстояние (м).

- Расстояние, на которое смещается световое пятно (м),

Рассчитал координаты для выходных каналов

n	X левый (мкм)	х пик интенсивности (мкм)	Х правый (мкм)	Отклонение от предыдущего пика (мкм)	Ширина пика
	-27	-20	-14
	-49	-40	-34
	-66	-60	-53
	-89	-80	-74
	-110	-100	-92
	-130	-120	-100
	-150	-140	-130

Произвел расчет волнового поля и типичных функциональных характеристик выходного разветвителя AWG.

Список литературы

1. Жирар А., Руководство по технологии и проектированию систем WDM. – М.: EXFO, 2001.

2. Слепов Н.Н., Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи (ATM, PDH, SDH, SONET и WDM). – М.: Радио и связь, 2-е исправленное изд., 2003.

3. Иванов А.Б., Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения. – М.: Syrus Systems, 1999.

 

 

Рецензия

Содержание

1) Постановка задачи……………………………………………………………….……..4

2) Введение…………………………………………………………………………….……5

3) Дифракционная решетка на массиве волноводов AWG…………………….…….7

a) Центральная длина волны канала ………………………………………………..…7

b) Интервал между каналами. …………………………………………….………..…8

c) Полоса пропускания по уровню –3 дБ (и другим пороговым уровням, обычно –0,5 дБ, –20 дБ или ниже) ……………………………………………………………..…8

d) Изоляция и дальние перекрестные помехи FEXT (Far-End Crosstalk) ………..….9

e) Вносимые потери ………..…………………………………………………………10

f) Неравномерность пика мощности в спектре канала (вариации мощности в окрестности максимума полосы пропускания) …………………………….....…11

g) Однородность каналов ………..……………………………………………………11

4) Оценка дисперсии для AWG…………………………………………………....……12

5) Стратегия проектирования AWG……………………………………………...……15

6) Расчет волнового поля выходного разветвителя AWG…………………………..17

7) Определение изоляции, перекрестных помех и вносимых потерь для AWG…20

8) Расчетная часть………………………………………………………………..………22

9) Заключение……………………………………………………………………..………45

10) Список литературы……………………………………………………….……...……46

Постановка задачи

 

Задачей данной работы является ознакомление с технологией оптического демультиплексирования с разделением по длине волны, использующей дифракционную решетку на основе массива планарных волноводов различной длины между двумя разветвителями (AWG). В рамках данной работы требуется определить основные параметры устройства AWG, провести расчет волнового поля и типичных функциональных характеристик выходного разветвителя AWG. За основу взят стандарт ITU-T G.694.1.

 

Введение

Известно, что оптическое волокно является средой, которая позволяет передавать огромные потоки информации. В первое время для деления громадной полосы пропускания отдельного волокна на выделенные каналы связи применялось временное мультиплексирование TDM (Time Division Multiplexing). Однако рост сложности оборудования для модуляции и мультиплексирования при увеличении скоростей передачи данных ограничил применения этой технологии. Дальнейшее увеличение полосы пропускания смог обеспечить альтернативный подход – волновое мультиплексирование WDM (Wavelength Division Multiplexing).

Каждый лазерный передатчик в системе WDM выдает сигнал на одной из заданных частот