¿Qué es AWG? Análisis de componentes básicos en el sistema DWDM

1、¿Qué es AWG?

El nombre completo de AWG es Arrays Waveguide Grating. Es un dispositivo óptico basado en la tecnología de circuito de onda de luz plana, que puede entenderse simplemente como la compresión de la rejilla de difracción en la óptica tradicional en un pequeño chip a través de la tecnología de semiconductores.

Por la apariencia, AWG es generalmente una pequeña caja rectangular con un tamaño de aproximadamente unos pocos centímetros cuadrados. Un lado de la caja extiende una fibra de entrada, mientras que el otro lado extiende decenas de fibras de salida, dispuestas en una matriz ordenada. Es precisamente esta característica de apariencia "uno en, múltiples fuera" que refleja intuitivamente su función central.

La función central de AWG es muy pura: actuar como un multiplexador en el extremo de transmisión, combinando múltiples señales ópticas de diferentes longitudes de onda en una fibra óptica para la transmisión; En el extremo receptor, se usa un divisor para separar la señal óptica compuesta en una fibra óptica en diferentes puertos según la longitud de onda. Es esta función aparentemente sencilla la que soporta la infraestructura de todo el sistema DWDM.

2、Estructura interna de AWG

Un AWG típico consiste en cinco componentes centrales, cada uno con su función insustituible:

La primera parte es la guía de onda de entrada. Esta es la "entrada" de AWG, que lleva luz compuesta que contiene múltiples longitudes de onda en el chip. Por lo general es una interfaz de acoplamiento entre una fibra de modo único estándar y un chip.

La segunda parte es el acoplador de estrellas de entrada. La función de esta área es dispersar la luz de entrada y distribuirla uniformemente a todas las guías de onda de la matriz detrás de ella. Este proceso es independiente de la longitud de onda, y todas las longitudes de onda entran en cada guía de onda "por igual".

La tercera parte es la región de guía de onda de matriz. Esta es la zona central de AWG, compuesta por cientos de guías de onda dispuestas en paralelo. La longitud de estas guías de onda aumenta con precisión, tal como la primera longitud L, la segunda longitud L + Δ L, la tercera longitud L + 2 Δ L, y así sucesivamente.Esta pequeña diferencia de longitud Δ L está generalmente en el intervalo de micrómetros, pero determina la resolución de longitud de onda de todo el dispositivo.

La cuarta parte es el acoplador de estrella de salida. La luz de varias guías de onda de la matriz converge aquí, lo que resulta en interferencia de múltiples haces. De acuerdo con el principio de interferencia, la luz de diferentes longitudes de onda formará puntos focales en diferentes posiciones.

La quinta parte es la matriz de guía de onda de salida. Estos puntos focales están alineados con precisión con la entrada de la guía de onda de salida, y cada longitud de onda de luz entra en su guía de onda de salida correspondiente, conduciendo finalmente fuera del chip a través de fibras ópticas.

3、Principio de trabajo de AWG

Desde una perspectiva técnica profesional, el diseño de AWG se basa en el círculo Roland y la estructura de rejilla cóncava:

El radio del círculo de Roland es r, y el radio de curvatura de la rejilla cóncava es R = 2r. Los dos están inscritos y el círculo Roland pasa a través del centro de la rejilla.   

Mediante análisis y aproximación de trayectoria óptica, se puede concluir que la luz emitida desde cualquier punto del círculo de Roland permanece enfocada en el círculo de Roland después de la difracción por una rejilla cóncava, con diferentes órdenes de difracción correspondientes a diferentes ángulos de difracción;

La señal de luz emitida desde el punto C en el círculo de Roland en la figura se refleja y difracta por una rejilla cóncava, y diferentes longitudes de onda se enfocan en diferentes puntos en el círculo de Roland.

Para AWG, la guía de onda C es equivalente a una guía de onda de entrada, y la señal óptica de entrada en esa posición se refleja, difracta y enfoca en diferentes guías de onda de salida a través de la guía de onda de matriz. Las posiciones de λ 1-λ 7 corresponden a diferentes guías de onda de salida.

El acoplador estrella de entrada/salida de AWG adopta una estructura similar a las rejillas reflectantes cóncavas y los círculos Roland. La guía de onda de entrada y la guía de onda de salida restringen y conducen la luz respectivamente.   

Los puertos de la guía de ondas de entrada/salida están situados en la circunferencia del círculo de Roland, mientras que la guía de ondas de matriz está situada en la circunferencia de la rejilla cóncava, pero la guía de ondas de matriz es equivalente a una rejilla transmisiva.   

El acoplador de estrella de entrada y el acoplador de estrella de salida forman una relación espejo, y la señal óptica emitida por la guía de onda de entrada es difractada por la guía de onda de matriz, enfocando diferentes longitudes de onda en diferentes guías de onda de salida.

La introducción de una gran diferencia de trayectoria óptica en la guía de ondas de la matriz permite que la rejilla opere en difracción de alto orden, mejorando la resolución de la rejilla.

4、Parámetros clave de rendimiento de AWG

Para evaluar el desempeño de un GTE, deben considerarse los siguientes indicadores básicos:

El número de canales se refiere al número de longitudes de onda soportadas por AWG. Los productos comerciales principales son 40 ondas, 48 ondas, 80 ondas y 96 ondas, y los productos de gama alta pueden alcanzar más de 120 ondas. Cuantos más canales hay, mayor es la capacidad del sistema.

La separación de canales se refiere a la diferencia de longitud de onda o frecuencia entre canales adyacentes. Los estándares principales son 100GHz y 50GHz, y un intervalo de 50GHz puede duplicar el número de canales. Un intervalo más estrecho de 25 GHz se utiliza para sistemas de densidad ultra alta.

La pérdida de inserción se refiere a la pérdida de potencia de la luz después de pasar a través de AWG. El valor típico está entre 2.5dB y 5dB, y cuantos más canales hay, ligeramente mayor es la pérdida. Cuanto menor sea la pérdida de inserción, más ventajosa será para el presupuesto de potencia óptica del sistema.

El aislamiento del canal adyacente se refiere a la capacidad de suprimir la conversación cruzada entre longitudes de onda adyacentes. El requisito típico es ≥ 25dB, cuanto mayor sea el valor, mejor. Si el aislamiento no es suficiente, las señales procedentes de canales adyacentes interferirán entre sí, dando como resultado un aumento en la tasa de error de bits.

El aislamiento de canales no adyacentes se refiere a la capacidad para suprimir la conversación cruzada entre otras longitudes de onda no adyacentes. El requisito típico es ≥ 30dB, cuanto más alto mejor.

La pérdida relacionada con la polarización se refiere a la diferencia en la pérdida cuando la luz de diferentes estados de polarización pasa a través de un AWG. El requisito típico es ≤ 0.5dB. Cuanto más pequeño es el tamaño, menos sensible es el dispositivo a la polarización y mejor es la estabilidad del sistema.

La precisión de la longitud de onda central se refiere a la desviación entre el canal real y la longitud de onda estándar ITU-T. El requisito típico está dentro de ± 0,05 nm, y cuanto menor sea la desviación, mejor será la interoperabilidad con otros dispositivos.

Entre todos los parámetros, el aislamiento es el más crítico, ya que determina directamente el nivel de conversación cruzada que el sistema puede tolerar.

5、Clasificaciones principales de AWG

Según diferentes escenarios de aplicación y diseños, AWG se puede dividir en múltiples tipos:

Clasificados por espaciamiento de canal, hay AWG de 100GHz, AWG de 50GHz y AWG de 25GHz. El intervalo de 100GHz es amplio, el número de canales es pequeño y el costo es bajo; 50 GHz es actualmente la corriente principal, logrando un equilibrio entre el número de canales y el costo; 25GHz se utiliza para sistemas DWDM a escala ultra grande, que requieren una precisión de fabricación extremadamente alta.

Clasificados por características de temperatura, hay dos tipos: AWG térmico y AWG de control térmico. AWG no térmico con estructura de compensación de temperatura incorporada, no se requiere consumo de energía eléctrica, adecuado para escenarios pasivos como redes de acceso urbano. AWG térmicamente ajustable con calentador puede bloquear con precisión la longitud de onda, adecuado para escenarios con altos requisitos de estabilidad, como redes de espina dorsal central.

Clasificados por función, hay AWG de multiplexado, AWG de multiplexado y AWG integrado de multiplexado/demultiplexado. El AWG compuesto se utiliza para el extremo de transmisión, con múltiples entradas y una salida; La división de longitud de onda AWG se utiliza para el extremo receptor, con una entrada y múltiples salidas; El AWG integrado puede trabajar en ambas direcciones, y el mismo dispositivo se puede usar para transmitir y recibir simultáneamente.

6、El papel de AWG en el sistema DWDM

En un sistema DWDM punto a punto típico, AWG desempeña un papel indispensable:

En el extremo transmisor, múltiples transmisores ópticos emiten señales ópticas de diferentes longitudes de onda, correspondiendo cada transmisor a una longitud de onda específica. Estas señales ópticas entran en diferentes puertos de entrada del multiplexador AWG. AWG los fusiona de manera eficiente, emitiendo desde un único puerto de salida y transmitiéndolos a través de un solo cable de fibra óptica.

Durante la transmisión, la luz compuesta fusionada puede compensarse por amplificadores ópticos o extenderse por repetidores, pero todas las longitudes de onda siempre se transmiten en paralelo sobre la misma fibra.

En el extremo receptor, la luz compuesta entra en el divisor AWG. AWG los separa con precisión en función de la longitud de onda, con cada longitud de onda que sale de su propio puerto de salida y se envía al receptor óptico correspondiente para su procesamiento.

Este proceso puede parecer simple, pero se basa en la alta selectividad de AWG hacia las longitudes de onda. Si el rendimiento de AWG es insuficiente, puede producirse una conversación cruzada entre diferentes longitudes de onda, o una pérdida excesiva puede dar lugar a una recepción de señal incorrecta, causando que todo el sistema funcione mal.

7、Resumen

La rejilla de guía de onda de matriz es un chip óptico basado en la tecnología de circuito de onda óptica plana. Su función principal es combinar múltiples señales ópticas de diferentes longitudes de onda en una fibra óptica para la transmisión en el extremo transmisor, y separar la luz compuesta en diferentes puertos de acuerdo con la longitud de onda en el extremo receptor. Se ha convertido en el componente central de los sistemas DWDM porque actualmente es la única tecnología que puede procesar simultáneamente, eficientemente y de forma rentable docenas o incluso cientos de longitudes de onda, haciendo sistemas de multiplexación de división de longitudes de onda de alta densidad como 40 ondas, 80 ondas y 96 ondas de la teoría a la realidad. Los principales indicadores técnicos para evaluar el AWG incluyen el número de canales, la separación de canales, la pérdida de inserción, el aislamiento, etc. Entre ellos, el aislamiento es el parámetro más crítico, que determina directamente el nivel de control de translocución del sistema. En comparación con otras tecnologías como los filtros de película delgada, AWG tiene ventajas significativas como múltiples canales, pérdida uniforme, alta integración, buena fiabilidad y bajo costo. Por lo tanto, se utiliza ampliamente en varios campos como sistemas DWDM, redes PON, interconexión de centros de datos, detección óptica, instrumentos de prueba óptica, comunicación cuántica, etc. En el futuro, AWG se está desarrollando hacia un espacio más estrecho, una banda de frecuencia más amplia, una menor pérdida, un tamaño más pequeño y una mayor integración.

Acerca de ZG Technology
Fundada en 2005, ZG es un proveedor líder de OEM / ODM y soluciones para componentes ópticos pasivos en la industria global, centrándose en la investigación y el desarrollo, la fabricación, las ventas y el servicio de componentes básicos pasivos para la comunicación óptica. Los principales productos de la compañía son cuatro dispositivos básicos pasivos ópticos de núcleo, incluido el saltador de fibra óptica (cableado de alta densidad en el centro de datos), el multiplexador de división de longitud de onda WDM, el divisor óptico PLC, el interruptor óptico MEMS, que son ampliamente utilizados en campos como fibra al hogar, comunicación móvil 4G / 5G, centro de datos de Internet y comunicación de defensa nacional.