福晶小课堂 | 一种应用于5G通讯的棱镜光栅元件

一种应用于5G通讯的

棱镜光栅元件

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前言.

　　5G通讯是第指五代移动通讯技术，其定义了增强移动带宽(eMBB)、高可靠低时延通讯(uRLLC)和海量机器类通讯(mMTC)和三大类场景，最终实现万物互联(如图1所示)。5G峰值理论传输速度可达每秒数10Gb，比4G网络的传输速度快数百倍[1]。5G时代所需基站数量将是4G时代的约4-5倍，带宽是4G时代的10倍。而5G基站的密集组网，需要应用大量的光纤、光缆，对光网络提出了更大的需求和更高的标准。通讯的远程传输是利用光纤进行的，越大的通讯容量需要越大的光纤通讯带宽容量。提高光纤通讯带宽容量的一个方法是采用波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)。

图1：5G应用场景

　　波分复用是在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术[2]，即将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光路的同一根光纤中进行传输的技术;在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。波分复用器的主要类型有熔融拉锥型，介质膜型，光栅型和平面型四种。而基于波长选择开关(WSS，图2)技术的可重构光分插复用器件(ROADM，图3)，是波分复用(WDM))光网络的关键器件之一。

图2：波长选择开关

(Wavelength Selective Switch ,WSS)

图3：可重构光分插复用器[3]

(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer，ROADM)

　　对于光栅型波分复用器来说，光栅的光谱分辨能力在一定程度上决定了光纤通讯的宽带容量。光栅的光谱分辨能力的公式是：P=jN，其中j是光谱的级数，N是一定区域内光栅的栅线总数，在一定程度上，光栅光谱分辨能力由N决定[4]。通过提高光栅周期密度即可提高光栅光谱分辨率。对于平面光栅，当周期宽度小于入射光波长的一半时没有衍射光，所以平面光栅的周期密度不能太高，一般不超过1200line/mm，具有一定的限制性。

　　棱镜光栅设计方案

　　为了解决5G通讯高宽带容量及平面光栅周期密度限制性这一矛盾，本文实现了一种高线密度棱镜光栅，可提高光纤通讯的带宽容量，又能满足高光谱分辨率的要求，实物图如图4所示：

图4：棱镜光栅结构示意图及实物图

　　光经过上述棱镜光栅作用后的光路图如图5所示：

　　图5：棱镜光栅光路图

　　经过理论仿真设计，本棱镜光栅周期密度大于1600线/毫米，是常规平面光栅的1.5倍左右，提高了光栅的光谱分辨率，进而提高波分复用器的通讯带宽容量，基本设计参数如表1所示:

表1：棱镜光栅参数表

　　本设计方案下，棱镜光栅的衍射效率与光栅深度的关系如图6所示：当光栅深度为0.22um至0.25um之间时衍射效率接近于100%。

图6：光栅槽深度与衍射效率的关系

　　本设计方案下，棱镜光栅的衍射效率与入射光波长的关系如图7所示，在1.50um至1.58um的通讯波段范围内，理论衍射效率大于98%。

图7：入射光波长与衍射效率的关系

　　棱镜光栅加工工艺

　　本棱镜光栅加工过程采用两种关键工艺技术，即基于高精度光刻机(如图8所示)曝光技术生产光栅母版，以及基于lift-off方案的棱镜光栅复制技术，本加工工艺下，产品的线密度周期精度为±0.1line/mm，栅线垂直度为±0.1°，与国外公司相关产品相比，可降低成本50%左右。

图8：高精度光刻机

　　结论.

　　本文介绍的棱镜光栅理论衍射效率可达98%以上，线密度周期精度为±0.1line/mm，栅线垂直度为±0.1°。与常规平面光栅相比，光谱分辨率提高了1.5倍左右，且制作工艺简单、性价比高，是光栅型波分复用器的优选元件。