福晶小課堂 | 一種應(yīng)用于5G通訊的棱鏡光柵元件

  前言

  5G通訊是第指五代移動通訊技術(shù)，其定義了增強移動帶寬(eMBB)、高可靠低時延通訊(uRLLC)和海量機器類通訊(mMTC)和三大類場景，最終實現(xiàn)萬物互聯(lián)(如圖1所示)。5G峰值理論傳輸速度可達每秒數(shù)10Gb，比4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度快數(shù)百倍[1]。5G時代所需基站數(shù)量將是4G時代的約4-5倍，帶寬是4G時代的10倍。而5G基站的密集組網(wǎng)，需要應(yīng)用大量的光纖、光纜，對光網(wǎng)絡(luò)提出了更大的需求和更高的標準。通訊的遠程傳輸是利用光纖進行的，越大的通訊容量需要越大的光纖通訊帶寬容量。提高光纖通訊帶寬容量的一個方法是采用波分復(fù)用WDM(Wavelength Division Multiplexing)。

  圖1：5G應(yīng)用場景

  波分復(fù)用是在同一根光纖中同時傳輸兩個或眾多不同波長光信號的技術(shù)[2]，即將兩種或多種不同波長的光載波信號(攜帶各種信息)在發(fā)送端經(jīng)復(fù)用器(亦稱合波器，Multiplexer)匯合在一起，并耦合到光路的同一根光纖中進行傳輸?shù)募夹g(shù);在接收端，經(jīng)解復(fù)用器(亦稱分波器或稱去復(fù)用器，Demultiplexer)將各種波長的光載波分離，然后由光接收機作進一步處理以恢復(fù)原信號。波分復(fù)用器的主要類型有熔融拉錐型，介質(zhì)膜型，光柵型和平面型四種。而基于波長選擇開關(guān)(WSS，圖2)技術(shù)的可重構(gòu)光分插復(fù)用器件(ROADM，圖3)，是波分復(fù)用(WDM))光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件之一。

圖2：波長選擇開關(guān)

(Wavelength Selective Switch ,WSS)

[該圖片來源于網(wǎng)絡(luò)]

圖3：可重構(gòu)光分插復(fù)用器[3]

(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM)

  對于光柵型波分復(fù)用器來說，光柵的光譜分辨能力在一定程度上決定了光纖通訊的寬帶容量。光柵的光譜分辨能力的公式是：P=jN，其中j是光譜的級數(shù)，N是一定區(qū)域內(nèi)光柵的柵線總數(shù)，在一定程度上，光柵光譜分辨能力由N決定[4]。通過提高光柵周期密度即可提高光柵光譜分辨率。對于平面光柵，當(dāng)周期寬度小于入射光波長的一半時沒有衍射光，所以平面光柵的周期密度不能太高，一般不超過1200line/mm，具有一定的限制性。

  棱鏡光柵設(shè)計方案

  為了解決5G通訊高寬帶容量及平面光柵周期密度限制性這一矛盾，本文實現(xiàn)了一種高線密度棱鏡光柵，可提高光纖通訊的帶寬容量，又能滿足高光譜分辨率的要求，實物圖如圖4所示：

圖4：棱鏡光柵結(jié)構(gòu)示意圖及實物圖

  光經(jīng)過上述棱鏡光柵作用后的光路圖如圖5所示：

圖5：棱鏡光柵光路圖

  經(jīng)過理論仿真設(shè)計，本棱鏡光柵周期密度大于1600線/毫米，是常規(guī)平面光柵的1.5倍左右，提高了光柵的光譜分辨率，進而提高波分復(fù)用器的通訊帶寬容量，基本設(shè)計參數(shù)如表1所示:

表1：棱鏡光柵參數(shù)表

  本設(shè)計方案下，棱鏡光柵的衍射效率與光柵深度的關(guān)系如圖6所示：當(dāng)光柵深度為0.22um至0.25um之間時衍射效率接近于100%。

圖6：光柵槽深度與衍射效率的關(guān)系

  本設(shè)計方案下，棱鏡光柵的衍射效率與入射光波長的關(guān)系如圖7所示，在1.50um至1.58um的通訊波段范圍內(nèi)，理論衍射效率大于98%。

圖7：入射光波長與衍射效率的關(guān)系

  棱鏡光柵加工工藝

  本棱鏡光柵加工過程采用兩種關(guān)鍵工藝技術(shù)，即基于高精度光刻機(如圖8所示)曝光技術(shù)生產(chǎn)光柵母版，以及基于lift-off方案的棱鏡光柵復(fù)制技術(shù)，本加工工藝下，產(chǎn)品的線密度周期精度為±0.1line/mm，柵線垂直度為±0.1°，與國外公司相關(guān)產(chǎn)品相比，可降低成本50%左右。

  結(jié)論

  本文介紹的棱鏡光柵理論衍射效率可達98%以上，線密度周期精度為±0.1line/mm，柵線垂直度為±0.1°。與常規(guī)平面光柵相比，光譜分辨率提高了1.5倍左右，且制作工藝簡單、性價比高，是光柵型波分復(fù)用器的優(yōu)選元件。

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  參考文獻：

  [1] 5G移動通訊概述本刊編輯部，保密科學(xué)技術(shù)

  [2] 光纖通訊概論, 胡先志 劉一，人民郵電出版社

  [3] 技術(shù)專題：波長選擇開光(WSS), 宋軍, 深圳大學(xué)

  [4] DIFFRACTION GRATING HANDBOOK，sixth edition，Christopher Palmer Newport Corporation

  [5] 波分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景，姬衛(wèi)玲，南京郵電大學(xué)

  [6] 基于全息光刻的微納光柵刻蝕關(guān)鍵技術(shù)研究，龔春陽，長春理工大學(xué)