BCBポリマーに基づくDWDM / CWDMアプリケーション向けのアレイ導波路回折格子（AWG）の設計
1.はじめに
波長分割多重（WDM）は、各エンドユーザーの機器が電子レートでのみ動作することを要求することにより、巨大な光電子帯域幅の不一致を活用できるアプローチですが、異なるエンドユーザーからの複数のWDMチャネルを同じファイバーで多重化できます。
WDMメトロネットワークには、高密度WDM（DWDM）と粗WDM（CWDM）の2つの選択肢があります。 大容量環境では、DWDMが使用されます。 DWDMでは、最大10 Gbpsのラインレートで最大80の光チャネルの場合、チャネル分離は0.8または0.4 nm程度に小さくできます。 DWDMテクノロジーは非常に高価であるため、アクセスネットワークへの適用は困難です。 代わりに、CWDMは堅牢で経済的なソリューションとして統合されています。 CWDMテクノロジーの利点は、低コストの光学コンポーネントにあります。 CWDMは、20 nm間隔の最大15の光チャネルで、10 Gbpsおよび40 Gbpsで850、1,300、および1,500 nmのアプリケーションにソリューションを提供します。 CWDMとDWDMの両方のテクノロジーは、現在および新興のメトロネットワークインフラストラクチャに位置しています。 これらの技術を適切な光ファイバーと組み合わせて使用すると、システムコストの削減に役立つ経済的なメリットが大きくなります。
アレイ導波路回折格子（AWG）は、挿入損失が低く、安定性が高く、低コストであるため、WDMシステムのマルチ/デマルチプレクサにとって最も有望なデバイスの1つです。 アレイ導波路回折格子は、1988年にスミスによって最初にWDM問題の解決策として提案され、その後、高橋によってさらに開発されました[高橋は、長波長ウィンドウで動作する最初のデバイスを報告しました。 Dragonet。は、1 x NのデマルチプレクサーからN x Nの波長長ルーターに概念を拡張し、多波長ネットワークアプリケーションで重要な役割を果たします。
AWGの主な利点は、誘電体フィルターソリューションのように、そのコストが波長数に依存しないことです。 したがって、費用対効果の高い多数の波長を必要とする大都市アプリケーションに適しています。 AWGのその他の利点は、チャネル番号とチャネル間隔を柔軟に選択できることです。その結果、さまざまな種類のAWGを同様の方法で製造できます。
ポリマーは、さまざまな種類の基板上に低温で簡単に製造できるため、低コストのWDMコンポーネントを実現する優れた可能性を提供します。 ポリマーAWGマルチ/デマルチプレクサーは、製造が容易で低コストであり、アドドロップマルチプレクサーアプリケーション用のポリマー熱光学スイッチなどの他のデバイスと統合できる可能性があるため、多くの注目を集めています。
BenzoCylobutene（BCB4024-40）ポリマーは、低複屈折、良好な熱安定性、低波長分散などの利点を提供するため、このプロジェクトのコア材料として選択されました。 BCBポリマーは魅力的な材料になり、さまざまな光学デバイス、たとえば、光学スイッチング、高分子光導波路、マルチモード干渉光学スプリッターの製造に使用されています。
この論文では、1.5556μmの中心波長で動作し、1.5556の屈折率を持つBCB-4024ポリマーに基づいて100 GHzおよび1200 GHzのチャネル間隔で動作できる4×4チャネルの従来のAWGの提案された設計を提示します。
2.基本操作
一般に、AWGデバイスは、光WDMアプリケーションのマルチプレクサ、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。 図1は、AWGデマルチプレクサの概略レイアウトを示しています。 デバイスは、複数の入力および出力導波管、2つのスラブ波導波管スターカプラー（または自由伝搬領域（FPR））である3つの主要部分で構成され、隣接する導波管間の長さの差が等しい分散導波管アレイによって接続されています。 AWGマルチプレクサ/デマルチプレクサの動作原理は次のとおりです。
図1. AWGデマルチプレクサの構造
入力導波路の1つに入力されたDWDM / CWDM信号は、最初のスラブ領域で回折され、最初のFPRによってアレイ導波路に結合されます。 アレイ導波路の長さは、隣接するアレイ導波路間の光路長差（ΔL）がデマルチプレクサの中心波長（λc）の整数（m）倍に等しくなるように設計されています。 結果として、入力開口での電界分布は出力開口で再現されます。 したがって、この中心波長では、光は画像面の中心に焦点を合わせます（ただし、入力導波路が入力面の中心にある場合）。
入力波長がこの中心波長から離調している場合、アレイ分岐で位相変化が発生します。 隣接する導波路間の一定の経路長の差により、この位相変化は内側から外側のアレイ導波路へ直線的に増加し、それにより波面が出力開口部で傾斜します。 その結果、画像面の焦点は中心から離れてシフトします。 受信機の導波管を画像平面に沿った適切な位置に配置することにより、異なる波長チャンネルの空間的分離が得られます。
3.デザイン
中心波長1.55μmのDWDM用の4×4チャネルAWGの概略レイアウトを図2に示します。入力ポートと出力ポートの位置は対称に形成され、同一です。 Optiwave®のWDM_PHASAR設計ツールは、中心波長1.55μmで動作する2種類の4チャネルAWGを設計するために使用され、それぞれDWDMおよびCWDMアプリケーション用にチャネル間隔0.8 nmおよび9.6 nmで使用されています。
1.55μmでのBCBポリマーコアの屈折率は1.5556です。クラッドは1.537の屈折率を持つORMOCERで、基板はマイクロエレクトロニクスおよび集積回路で広く使用されているシリコンです。 ORMOCER（有機的に修飾されたセラミクス）は、ネガ型のレジスト挙動を示す光パターン化可能な無機有機コポリマーです。 図3に示すように、コアサイズは3μmx 4μmで、埋め込み型導波路を使用します。入出力のポート分離は、ファイバーリボンへのピグテール用に100μm接続オフセットで250μmに設計されています。
AWGのすべての設計パラメーターを表1および表2に示します。中心波長は1.55μm、チャネル間隔はそれぞれ100 GHzおよび1200 GHzです。 この設計では、コアとクラッド間の屈折率のコントラストが非常に大きく（約1.2％）、曲げ半径が小さくなり、チップサイズが小さくなります。 ただし、モードフィールドの不整合に起因する導波路とファイバ間の結合損失は増加します。 100 GHz間隔のAWGの合計デバイスサイズは21.5 x 10mm2で、1200 GHz間隔のAWGの場合は17.8 x 5 mm2です。 この違いは、100GHz間隔のAWGのパス長の増分が、同じ方向角の1200GHz間隔のAWGよりも大きいためです。
4.結果と考察
0.8 nmのチャネル間隔でのAWGのシミュレーション結果を図4に示します。4チャネル出力導波路の出力分布を示しています。 出力チャンネルの波長はそれぞれ1549.04 nm（λ1）、1549.872 nm（λ2）、1550.704 nm（λ3）、1551.360 nm（λ4）であり、0.832 nmのシミュレートされたチャンネル間隔を示しています。 したがって、各チャネルの出力波長はITU仕様に準拠していますが、0.032 nmがわずかにずれていても、小さすぎて無視できます。 ただし、5.04 dBの最大挿入損失はチャネル4で、3.88 dBの最小挿入損失はチャネル2です。クロストークは-32.77 dB未満です。
表3は、0.8 nmのチャネル間隔でのAWGの計算された出力パラメーターを示しています。 これらの値は、-3 dBの帯域幅レベルで計算されています。 帯域幅レベルは、帯域幅を定義するための参照として使用されます。
チャネル間隔が9.6 nmのAWGのシミュレーション結果を図5に示します。4つの出力波長λ1、λ2、λ3およびλ4は、それぞれ1542 nm、1552 nm、1562 nmおよび1572 nmです。 チャネル間隔の結果は10 nmであり、設計入力パラメーターである9.6 nmとわずかに異なります。 一方、6.63 dBの最大挿入損失はチャネル1で、5.30 dBの最小挿入損失はチャネル3です。クロストークは-23 dB未満です。
図5. 1200 GHzチャネル間隔の4チャネルAWGの出力スペクトル応答
表4は、9.6 nmのチャネル間隔でのAWGの計算された出力パラメーターを示しています。 これらの値は、-3dBの帯域幅レベルで計算されています。 得られたチャネル間隔の値は10 nmで、これはCWDMアプリケーションの範囲です。シミュレーション結果によると、これらのAWGはDWDMおよびCWDMシステムで適切に機能することがわかりました。
5.パフォーマンスの比較
AWGポリマーマルチプレクサの開発は、多くの研究者の関心を集めています。 飛etらによって実証された最初のポリマーAWGは、シリコン基板に重水素化フルオロメタクリレート（d-PFMA）を塗布しています。 ただし、このAWGは1300 nmのウィンドウでのみ動作し、偏光依存性はわずか0.03 nmでした。 渡辺らは、1550 nmで動作する16チャネルのポリマーAWGが、シリコーン樹脂導波路を使用して実現されたことを報告しました。 このAWGマルチプレクサには、9〜13 dBの範囲の挿入損失、-20 dB未満のクロストーク、および偏光依存性の低い波長シフトがあります。
Leo [19]は、中心波長1520 nmでCWDM（20 nm）に基づく2 x 8 AWGポリマーを、合計デバイスサイズ23 mm x 2.5 mmで実証しました。 挿入損失とクロストークは、それぞれ約7 dBと-30 dBです。 一方、ラザリ[中心波長1570 nmで動作する0.8 nm（DWDM）間隔の4 x4 AWGポリマーを提案しました。 このデバイスの挿入損失は3 dBで、クロストークレベルは-30 dB未満です。デバイスのサイズは31 mm x 9 mmです。
この論文では、提案された設計は、チャネル間隔0.8 nmおよび9.6 nmで中心波長1550 nmで動作する4 x 4 AWGポリマーです。 対応するチャネル間隔の挿入損失はそれぞれ-5 dBと-6 dBであり、クロストークレベルはそれぞれ-33 dBと-23 dBであることが観察されます。 デバイスの合計サイズは、0.8 nm間隔で21.5 mm x 10 mm、9.6 nm間隔で17.8 mm x 5 mmです。 必然的に、これは、ガイド材料としてBCB 4024-40ポリマーを利用することにより、CWDMおよびDWDMアプリケーションのAWGを実現できることを示しています。
6.結論
DWDM / CWDMのアプリケーション向けのBCBポリマーに基づくAWGが提示されています。 クロストークレベルが32 dBおよび23 dB未満の4チャネルAWGの2つの設計が、DWDMおよびCWDMアプリケーションの1550 nm通信ウィンドウで動作することが実証されています。 BCBポリマーは、DWDMおよびCWDMアプリケーションに優れたパフォーマンスを示すため、AWGの開発に適した候補と見なすことができます。
