מערך מוליכי גל

מערך מוליכי גל (באנגלית: Arrayed Waveguide Grating, ובראשי תיבות: AWG) הוא התקן אופטי (בדרך כלל מבוסס סיב) המשמש לסינון (פילוג- DeMux) או ריבוב של אותות אופטיים לפי אורך גל, על ידי התאבכות. בעזרת AWG ניתן לדחוס, על ידי ריבוב, מספר רב של אורכי גל לתוך סיב אופטי בודד, ועל ידי כך להעלות את נפח השידור.

אופן פעולה

פילוג: אור מגיע דרך סיב הכניסה (1) לאזור ההתקדמות החופשית (2), מתפזר, ופוגע במערך מוליכי הגל (3). האורך השונה של המוליכים גורמים לאור להגיע לאזור ההתקדמות החופשית השני (4) עם פאזות שונה מכל מוליך-גל כך שההתאבכות תגרום לכל אורך גל להגיע למוליך גל שונה במערך היציאה (5).
ריבוב יתקבל על ידי כניסה מ-(5) ויציאה ב-(1)

אלומת אור נכנסת להתקן דרך סיב אופטי. כאשר היא מגיעה לאזור התקדמות חופשית, הקרן מתפזרת, עקב דיספרסיה, ופוגעת במערך של מוליכי גל המרוחקים זה מזה מרחק קבוע. ההתקן מתוכנן כך שלכל מוליך-גל שכזה יש אורך אופטי שונה מזה של המוליך השכן, כך שכל מוליך-גל ארוך מחברו במידה קבועה השווה לכפולה שלמה של-${\displaystyle {\textstyle }2\pi }$. עבור אורך גל מסוים, האלומות מכל מוליכי הגל יגיעו למוצא כאשר יש להן את אותה הפאזה (עד כדי ${\displaystyle {\textstyle }2\pi n}$) והתפלגות השדה בכניסה תשוחזר ביציאה. בצורה זו, אורך-גל מסוים יגיע למוליך גל מסוים ביציאה, כאשר השינוי הליניארי באורך מוליכי-הגל גורם לדיספרסיה, בעטיה יגרם שינוי ליניארי במיקום פגיעת כל אורך גל במישור היציאה.
על ידי מערך נוסף של מוליכי גל, המסודרים בצורה מושכלת במישור היציאה, נוכל ליצור הפרדה מרחבית בין אורכי הגל השונים.
בצורה שכזאת ניתן ליצור, לפחות תאורטית, מספר אינסופי של מישורי כניסה ויציאה ולייצר מרבב N×N. ^[1]
כיום, ישנה דרישה להפרדת אורכי גל ברזולוציה גבוהה, עקב עלית הדיוק של הלייזרים. למשל לייזר מסוג DFB מסוגל להפיק רוחב פס צר מאוד ולכן דרוש כושר הפרדה גבוה. הדבר דורש דיוק רב בייצור מוליכי הגל, וכך ניתן להגיע לכושר הפרדה של 1nm.^[2]

רקע מתמטי

כאמור, הפרש האורכים בין שני מוליכי גל סמוכים, ${\displaystyle {\textstyle }\Delta L}$, גורם להפרש מופע קבוע של ${\displaystyle {\textstyle }2\pi n}$ כך שהאור הנפלט ממוליכי הגל מוסט באזור ההתקדמות החופשית בזווית ${\displaystyle {\textstyle }\theta }$ לפי המשואה הבאה:

${\displaystyle {\textstyle }n_{c}\Delta L+n_{s}d\sin \theta =m\lambda }$

כאשר ${\displaystyle {\textstyle }n_{c}}$ ו-${\displaystyle {\textstyle }n_{s}}$ הם מקדמי השבירה של מוליך הגל ושל אזור ההתקדמות החופשית, בהתאמה, ${\displaystyle {\textstyle }d}$ הוא המרחק בין מוליכי הגל (ביציאה לאזור ההתקדמות החופשית), ו-${\displaystyle {\textstyle }m}$ הוא סדר העקיפה. הנפיצה מוגדרת כ-${\displaystyle {\textstyle }dx/d\lambda }$ כאשר ${\displaystyle {\textstyle }x}$ הוא מיקום התכנסות הקרן במישור היציאה, וניתן לבטאה כ-:

${\displaystyle {\textstyle }{\frac {dx}{d\lambda }}={\frac {fm}{n_{s}d}}}$

כאשר ${\displaystyle {\textstyle }f}$ הוא מוקד ההתכנסות (כאשר משתמשים בעדשה הממוקמת במישור היציאה).
רוחב הקרן (בחצי הגובה) מוגבל על ידי מגבלת העקיפה ל-${\displaystyle {\textstyle }\left(\lambda f\right)/\left(n_{s}Nd\right)}$, כאשר ${\displaystyle {\textstyle }N}$ הוא המספר של מוליך הגל. רזולוציית ההפרדה לכן תהיה:

${\displaystyle {\textstyle }\Delta \lambda ={\frac {\lambda }{Nm}}}$

ייצור

מכיוון שהייצור נעשה בדרך-כלל באמצעות ליתוגרפיה אופטית, הדיוק הוא מסדר גודל של עשרות ננו-מטרים, לכן יש הבדלים בין הרכיבים כך שאינם זהים. ניתן לבחון כל רכיב בנפרד ולהחליט האם הוא מתאים להיות מרבב (Mux) או מפלג (DeMux) לפי התנאים הבאים:
מרבב: עבור מרבב נדרוש שההפסדים יהיו אחידים עבור אורכי הגל השונים.
מפלג: עבור מפלג נדרוש הפרדה מקסימלית בין אורכי הגל השונים. (יש לזכור שתמיד קיימת זליגה בין הערוצים השונים ולכן דרישה זו לעולם לא תתקיים במלואה).

צימוד לסיב

ההתקן עצמו מיוצר בדרך-כלל על מוליך למחצה ולכן נוצר צורך לצמד את הכניסה/יציאה לסיב אופטי. לשם כך דרוש דיוק מקסימלי כדי לא לאבד עוצמה.
בעזרת פוטוליתוגרפיה ואיכול יוצרים חריצים בצורת V על גבי גביש סיליקון, כך שעומק החריץ ממקם את ליבת הסיב בגובה פני השטח. קיבוע הסיבים נעשה על ידי הדבקה או הצמדת מערך חריצים זהה מלמעלה. את מערך הסיבים מצמדים לרכיב.

ראו גם

• WDM

הערות שוליים

1. C. Dragone, “Efficient N x N star couplers using Fourier optics,” J. Lightwave Technol., vol. 7, pp. 479-489, 1989.
2. Takahashi, H., Suzuki, S., Kato, K., Nishi, I., 1990. Arrayed-waveguide grating for wavelength division multi/demultiplexer with nanometre resolution. Electron. Lett., 26(2):87-88.