Co je TFF a jak souvisí s CWDM/DWDM?

Zkratka TFF neoznačuje jen formát souboru písma vytvořený firmou Apple, ale také Thin Film Filters, tedy tenkovrstvý optický filtr používaný v optické telekomunikaci.

Obecně řečeno, TFF (Thin Film Filters) jsou optické filtry sloužící ke kontrole spektrálního obsahu světelného svazku, potlačení nežádoucího světla a přenosu požadovaného světla. Existují dva hlavní typy optických filtrů: absorpční a reflexní. V technologii xWDM se používají k propouštění definovaného rozsahu vlnových délek a odrážení všech ostatních.

Z fyzikálního hlediska jsou tenkovrstvé filtry (TFF) obvykle tvořeny sadou Fabry–Perotových rezonátorů uspořádaných do série, oddělených zrcadly složenými z dielektrických tenkovrstvých reflexních vrstev, jak je znázorněno na obrázku níže.

Schéma tenkovrstvého TFF filtru s kavitami Fabry–Perot

Filtry propouštějí určitou vlnovou délku a všechny ostatní vlnové délky odrážejí. Propouštěná vlnová délka závisí na šířce rezonátoru.

Při přidávání dalších rezonátorů se horní část propustného pásma stává plošší a spektrální špičky jsou ostřejší. To jsou velmi žádoucí efekty zejména u vlnového multiplexu, kde jsou rozestupy mezi přenášenými vlnovými délkami malé (20 nm pro CWDM, 08 nm a 04 nm pro DWDM, odpovídající mřížce 100 GHz a 50 GHz). Tento jev je znázorněn na následujícím grafu.

Transmisní charakteristika TFF filtru s jedním, dvěma a třemi rezonátory

Fáze přenášené vlny souvisí s časovým zpožděním světla procházejícího filtrem. Zpoždění je relativně malé v blízkosti střední vlnové délky propustného pásma a roste až na maximální dobu života fotonu v blízkosti vlnové délky, kde je pravděpodobnost přenosu 50 procent, nebo o 3 dB níže na hraně filtru. To způsobuje charakteristickou funkci „netopýřího ucha“ (obrázek níže), která je typická pro průběhy skupinového zpoždění (GD) tenkovrstvých pásmových filtrů. Protože chromatická disperze (CD) je změna GD v závislosti na vlnové délce, vede to k přibližně konstantní hodnotě disperze ve středu filtru. V telekomunikacích se tato disperze označuje jako chromatická disperze.

Skupinové zpoždění a chromatická disperze tenkovrstvého pásmového filtru pro rozestupy kanálů 100 GHz

Graf skupinového zpoždění a chromatické disperze tenkovrstvého pásmového filtru pro rozestupy kanálů 100 GHz.

Změnu fáze ve filtru TFF není snadné řídit, protože amplituda přenosu a fázová odezva jsou vzájemně svázány Hilbertovou transformací. Jakákoli změna fázové odezvy se okamžitě projeví v amplitudové odezvě a naopak. Toto omezení platí pro veškeré světlo přenášené tenkovrstvými filtry, ale neuplatňuje se u odraženého světla, pokud je konstrukce filtru asymetrická. Z tohoto důvodu lze fázovou odezvu nízkodisperzního laserového zrcadla upravovat téměř nezávisle na jeho odrazivosti, zatímco disperze přenosového telekomunikačního filtru je v podstatě určena samotnou amplitudou přenosu. Řízení fázové odezvy optických filtrů má zásadní význam ve speciálních aplikacích filtrů a je důležitým prvkem optického návrhu nejen v telekomunikačních aplikacích. Fázi lze určovat změnami tloušťky filtru (využívá se to například v mikroskopii s fázovým kontrastem).

Technologie tenkovrstvých filtrů ovládla trh xWDM multiplexu z důvodu:

nízkých výrobních nákladů,
jednoduché výroby,
vysoké spolehlivosti,
teplotní stability,
nevnímavosti k polarizaci signálu,
nízkých ztrát,
plochého spektrálního profilu.

Z hlediska fyziky a technologie se tenkovrstvé optické filtry vyrábějí nanášením střídajících se tenkých vrstev materiálů se speciálními optickými vlastnostmi na substrát z optického skla. Když světlo prochází optickým filtrem, mění svůj směr při přechodu z jedné vrstvy do druhé, což způsobuje vnitřní interferenci. Vyplývá to z rozdílů mezi koeficienty odrazu vlny materiálů v dielektrickém tenkovrstvém povlaku. Konfigurace vrstev vytváří optický filtr, který různými způsoby manipuluje s jednotlivými vlnovými délkami světla. V závislosti na vlnové délce a typu optického filtru může být světlo od filtru odraženo, filtrem přeneseno nebo jím pohlceno.

Optické filtry lze navrhnout tak, aby přenášely, blokovaly nebo odrážely světlo v libovolném rozsahu vlnových délek od UV po IR. Obecně je lze rozdělit do pěti základních kategorií na základě jejich spektrálního průběhu:

Základní spektrální typy TFF filtrů: pásmové, zádržné, krátkovlnné, dlouhovlnné a dichroické

Při pohledu zleva:

pásmové filtry propouštějí rozsah vlnových délek a zároveň blokují sousední světlo na obou stranách;
zádržné filtry blokují rozsah vlnových délek a propouštějí světlo na obou stranách;
krátkovlnné hranové filtry propouštějí kratší vlny a zároveň blokují delší;
dlouhovlnné hranové filtry blokují kratší vlnové délky a přenášejí delší;
dichroické filtry odrážejí definované rozsahy vlnových délek a jiné propouštějí.

Ačkoli většina optických filtrů spadá do výše uvedených kategorií, lze navrhnout i nestandardní filtry s libovolným dosažitelným spektrálním průběhem.

Tenkovrstvé filtry (TFF) se vyrábějí pomocí různých depozičních technologií, jako je odpařování elektronovým paprskem s asistencí iontového svazku (nebo plazmy), iontové naprašování a mikrovlnné magnetronové naprašování.

Filtry TFF najdeme v zařízeních CWDM, kde vhodně navržená kaskáda filtrů propouští definovaný rozsah vlnových délek a všechny ostatní odráží. Každý filtr odráží jinou vlnovou délku a ostatní propouští. V případě demultiplexeru první filtr v kaskádě propouští jednu vlnovou délku a všechny ostatní odráží na druhý filtr. Druhý filtr propustí jinou vlnovou délku a zbytek znovu odráží atd.

Schéma jednoho TFF filtru používaného v CWDM multiplexerech

Schéma jednoho TFF filtru používaného v CWDM multiplexerech

Tento filtr má 3 porty:

PASS – konkrétní vlnová délka definovaná pro daný filtr,
REFLECTION – ostatní vlnové délky,
COM – součet vlnových délek z portů REFLECTION a PASS.

Velmi důležité je, že filtry TFF jsou „nesměrové“. To znamená, že stejný filtr dokáže „rozdělit“ vlnové délky přivedené na port COM na porty REFLECTION a PASS, stejně jako sloučit do portu COM to, co je přivedeno na porty PASS a REFLECTION.

Téma kaskády filtrů popisujeme podrobněji v článku Jak funguje CWDM Simplex.

Tenkovrstvé filtry popsané v tomto textu najdete v následujících zařízeních:

CWDM multiplexery