福晶小課堂 | 一種應用于5G通訊的棱鏡光柵元件

  前言

  5G通訊是第指五代移動(dòng)通訊技術(shù)，其定義了增強移動(dòng)帶寬(eMBB)、高可靠低時(shí)延通訊(uRLLC)和海量機器類(lèi)通訊(mMTC)和三大類(lèi)場(chǎng)景，最終實(shí)現萬(wàn)物互聯(lián)(如圖1所示)。5G峰值理論傳輸速度可達每秒數10Gb，比4G網(wǎng)絡(luò )的傳輸速度快數百倍[1]。5G時(shí)代所需基站數量將是4G時(shí)代的約4-5倍，帶寬是4G時(shí)代的10倍。而5G基站的密集組網(wǎng)，需要應用大量的光纖、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(jìn)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(gè)方法是采用波分復用WDM(Wavelength Division Multiplexing)。

  圖1：5G應用場(chǎng)景

  波分復用是在同一根光纖中同時(shí)傳輸兩個(gè)或眾多不同波長(cháng)光信號的技術(shù)[2]，即將兩種或多種不同波長(cháng)的光載波信號(攜帶各種信息)在發(fā)送端經(jīng)復用器(亦稱(chēng)合波器，Multiplexer)匯合在一起，并耦合到光路的同一根光纖中進(jìn)行傳輸的技術(shù);在接收端，經(jīng)解復用器(亦稱(chēng)分波器或稱(chēng)去復用器，Demultiplexer)將各種波長(cháng)的光載波分離，然后由光接收機作進(jìn)一步處理以恢復原信號。波分復用器的主要類(lèi)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(cháng)選擇開(kāi)關(guān)(WSS，圖2)技術(shù)的可重構光分插復用器件(ROADM，圖3)，是波分復用(WDM))光網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵器件之一。

圖2：波長(cháng)選擇開(kāi)關(guān)

(Wavelength Selective Switch ,WSS)

[該圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )]

圖3：可重構光分插復用器[3]

(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM)

  對于光柵型波分復用器來(lái)說(shuō)，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，N是一定區域內光柵的柵線(xiàn)總數，在一定程度上，光柵光譜分辨能力由N決定[4]。通過(guò)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，當周期寬度小于入射光波長(cháng)的一半時(shí)沒(méi)有衍射光，所以平面光柵的周期密度不能太高，一般不超過(guò)1200line/mm，具有一定的限制性。

  棱鏡光柵設計方案

  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(shí)現了一種高線(xiàn)密度棱鏡光柵，可提高光纖通訊的帶寬容量，又能滿(mǎn)足高光譜分辨率的要求，實(shí)物圖如圖4所示：

圖4：棱鏡光柵結構示意圖及實(shí)物圖

  光經(jīng)過(guò)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(guò)理論仿真設計，本棱鏡光柵周期密度大于1600線(xiàn)/毫米，是常規平面光柵的1.5倍左右，提高了光柵的光譜分辨率，進(jìn)而提高波分復用器的通訊帶寬容量，基本設計參數如表1所示:

表1：棱鏡光柵參數表

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

圖6：光柵槽深度與衍射效率的關(guān)系

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

圖7：入射光波長(cháng)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(guò)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方案的棱鏡光柵復制技術(shù)，本加工工藝下，產(chǎn)品的線(xiàn)密度周期精度為±0.1line/mm，柵線(xiàn)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。

  結論

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

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  參考文獻：

  [1] 5G移動(dòng)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(zhuān)題：波長(cháng)選擇開(kāi)光(WSS), 宋軍, 深圳大學(xué)

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

  [5] 波分復用技術(shù)的應用現狀和發(fā)展前景，姬衛玲，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(yáng)，長(cháng)春理工大學(xué)