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通訊技術，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，最終實現萬物互聯（如圖1所示）。5G峰值理論傳輸速度可達每秒數10Gb，比4G網絡的傳輸速度快數百倍[1]。5G時代所需基站數量將是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，需要應用大量的光纖、光纜，對光網絡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用WDM(Wavelength Division Multiplexing)。

圖1：5G應用場景

波分復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[2]，即將兩種或多種不同波長的光載波信號（攜帶各種信息）在發送端經復用器(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的技術；在接收端，經解復用器(亦稱分波器或稱去復用器，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原信號。波分復用器的主要類型有熔融拉錐型，介質膜型，光柵型和平面型四種。而基于波長選擇開關（WSS，圖2）技術的可重構光分插復用器件(ROADM，圖3），是波分復用（WDM））光網絡的關鍵器件之一。

圖2：波長選擇開關

（Wavelength Selective Switch ,WSS）

[該圖片來源于網絡]

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，N是一定區域內光柵的柵線總數，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：棱鏡光柵結構示意圖及實物圖

光經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

經過理論仿真設計，本棱鏡光柵周期密度大于1600線/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系如圖6所示：當光柵深度為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系

本設計方案下，棱鏡光柵的衍射效率與入射光波長的關系如圖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：入射光波長與衍射效率的關系

棱鏡光柵加工工藝

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

圖8：高精度光刻機

結論.

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，是光柵型波分復用器的優選元件。

審核編輯 ：李倩