Qué es TFF en sistemas CWDM/DWDM

TFF no es solo un formato de archivo de fuentes creado por Apple; TFF también significa Thin Film Filters, es decir, filtros ópticos de película fina utilizados en telecomunicaciones por fibra óptica.

En términos generales, TFF (Thin Film Filters) son filtros ópticos que sirven para controlar el contenido espectral de un haz de luz, atenuar la luz no deseada y transmitir la luz deseada. Existen dos tipos principales de filtros ópticos: de absorción y reflectivos. Se utilizan en tecnología xWDM para transmitir un rango específico de longitudes de onda y reflejar todas las demás.

Desde el punto de vista físico, los filtros de película fina (TFF) se construyen normalmente con un conjunto apilado de cavidades de Fabry–Perot separadas por espejos, que constan de capas delgadas reflectantes dieléctricas, como se muestra en la figura siguiente.

Esquema de un filtro TFF de película fina

Los filtros transmiten una longitud de onda determinada y reflejan todas las demás longitudes de onda. La longitud de onda que se transmite depende del ancho de la cavidad.

A medida que se añaden más cavidades, la parte superior de la banda de paso se vuelve más plana y los picos del espectro se vuelven más pronunciados. Estos efectos son muy deseables, especialmente en aplicaciones de multiplexación por longitud de onda, en las que el espaciado entre las longitudes de onda transmitidas es pequeño (20 nm para CWDM, 08 nm y 04 nm para DWDM para rejillas de 100 GHz y 50 GHz, respectivamente). Este fenómeno se ilustra en el siguiente gráfico.

Curvas de transmisión de filtros TFF con 1, 2 y 3 cavidades

La fase de la onda transmitida está relacionada con el retardo temporal de la luz que pasa por el filtro. El retardo es relativamente pequeño cerca de la longitud de onda central de la banda de paso y aumenta hasta el tiempo de vida máximo del fotón cerca de la longitud de onda en la que la probabilidad de transmisión es del 50 por ciento, o 3 dB por debajo sobre la pendiente del filtro. Esto da lugar a la característica función de “oreja de murciélago” (figura siguiente), común en los perfiles de retardo de grupo (GD) de los filtros de película fina de banda de paso. Dado que la dispersión cromática (CD) es el cambio del GD con la longitud de onda, se obtiene un valor aproximadamente constante de dispersión en el centro del filtro. En telecomunicaciones, a esta dispersión se la denomina dispersión cromática.

Retardo de grupo y dispersión cromática para un filtro TFF con espaciado de 100 GHz

Gráfico del retardo de grupo y de la dispersión cromática de un filtro de película fina de banda de paso para espaciado entre canales de 100 GHz.

La variación de fase en un filtro TFF no es fácil de ajustar, porque la amplitud de transmisión y la respuesta en fase están vinculadas mediante la transformada de Hilbert. Cualquier cambio en la respuesta en fase aparece inmediatamente en la respuesta de amplitud y viceversa. Esta limitación se aplica a toda la luz transmitida a través de los filtros de película fina, pero no a la luz reflejada, siempre que el diseño del filtro sea asimétrico. Por este motivo, la respuesta en fase de un espejo láser de baja dispersión puede ajustarse casi de manera independiente de su reflectividad, mientras que la dispersión de un filtro de transmisión para telecomunicaciones queda esencialmente fijada por la propia amplitud de transmisión. El control de la respuesta en fase de los filtros ópticos es fundamental en aplicaciones especializadas de filtrado y es un elemento clave del diseño óptico, no solo en aplicaciones de telecomunicaciones. La fase puede ajustarse mediante cambios en el grosor del filtro (esto se aprovecha, por ejemplo, en microscopía de contraste de fase).

La tecnología de filtros de película fina ha dominado el mercado de multiplexación xWDM debido a:

bajo coste de producción,
facilidad de fabricación,
alta fiabilidad,
estabilidad térmica,
insensibilidad a la polarización de la señal,
bajas pérdidas,
perfil espectral plano.

Desde el punto de vista físico y tecnológico, los filtros ópticos de película fina se fabrican depositando capas delgadas alternas de materiales con propiedades ópticas específicas sobre un sustrato de vidrio óptico. Cuando la luz atraviesa un filtro óptico, su dirección cambia al pasar de una capa a otra, produciendo interferencias internas. Esto se debe a las diferencias entre los coeficientes de reflexión de onda de los materiales en el recubrimiento dieléctrico de película fina. La configuración de capas da lugar a un filtro óptico que manipula diferentes longitudes de onda de la luz de distintas maneras. Dependiendo de la longitud de onda y del tipo de filtro óptico, la luz puede reflejarse en el filtro, transmitirse a través de él o ser absorbida por él.

Los filtros ópticos pueden diseñarse para transmitir, bloquear o reflejar la luz en cualquier rango de longitud de onda, desde UV hasta IR. En general, pueden dividirse en cinco categorías básicas en función de su forma espectral:

Principales tipos de filtros ópticos TFF según su respuesta espectral

De izquierda a derecha:

los filtros de banda de paso transmiten un rango de longitudes de onda, bloqueando la luz adyacente por ambos lados;
los filtros de rechazo de banda bloquean un rango de longitudes de onda y transmiten la luz por ambos lados;
los filtros de borde de paso corto transmiten las longitudes de onda más cortas y bloquean las más largas;
los filtros de borde de paso largo bloquean las longitudes de onda más cortas mientras transmiten las más largas;
los filtros dicroicos reflejan rangos específicos de longitudes de onda mientras transmiten otros.

Aunque la mayoría de los filtros ópticos pertenecen a las categorías anteriores, es posible diseñar filtros a medida con cualquier forma espectral factible.

Los filtros de película fina (TFF) se fabrican utilizando distintas tecnologías de deposición, tales como evaporación por haz de electrones asistida por haz iónico (o plasma), sputtering por haz iónico y sputtering magnetrón asistido por microondas.

Los filtros TFF se utilizan en dispositivos CWDM, donde una cascada de filtros adecuadamente diseñada transmite un rango específico de longitudes de onda y refleja todas las demás. Cada filtro refleja una longitud de onda diferente y transmite todas las restantes. En el caso de un demultiplexor, el primer filtro de la cascada transmite una longitud de onda y refleja todas las demás hacia el segundo filtro. El segundo filtro transmite otra longitud de onda y refleja el resto, y así sucesivamente.

Esquema de un único filtro TFF utilizado en multiplexores CWDM

Esquema de un único filtro TFF utilizado en multiplexores CWDM

El filtro anterior tiene 3 puertos:

PASS – longitud de onda específica para ese filtro,
REFLECTION – las longitudes de onda restantes,
COM – suma de las longitudes de onda de los puertos REFLECTION y PASS.

Es muy importante destacar que los filtros TFF son “no direccionales”. Esto significa que el mismo filtro puede “dividir” las longitudes de onda que recibe en el puerto COM hacia los puertos REFLECTION y PASS, así como sumar en el puerto COM lo que recibe en los puertos PASS y REFLECTION.

El tema de la cascada de filtros lo describimos con más detalle en el artículo Cómo funciona CWDM Simplex.

Los filtros de película fina descritos en este texto se pueden encontrar en dispositivos como:

Multiplexores CWDM