TFF : rôle dans les systèmes CWDM/DWDM

L’acronyme TFF ne désigne pas seulement un format de fichier de police créé par Apple. TFF signifie aussi Thin Film Filters, c’est-à-dire des filtres optiques à couches minces utilisés en télécommunication par fibre optique.

De manière générale, les TFF (Thin Film Filters) sont des filtres optiques servant à contrôler le contenu spectral d’un faisceau lumineux, à atténuer la lumière indésirable et à transmettre la lumière souhaitée. Il existe deux grands types de filtres optiques : absorbants et réfléchissants. Ils sont utilisés dans la technologie xWDM pour laisser passer une plage donnée de longueurs d’onde et réfléchir toutes les autres.

D’un point de vue physique, les filtres à couches minces (TFF) sont généralement constitués d’un empilement de cavités de Fabry–Pérot, séparées par des miroirs composés de couches minces diélectriques réfléchissantes, comme illustré sur la figure ci‑dessous.

Schéma de filtre TFF à cavités empilées

Les filtres laissent passer une longueur d’onde donnée et réfléchissent toutes les autres longueurs d’onde. La longueur d’onde transmise dépend de la largeur de la cavité.

Au fur et à mesure que l’on ajoute des cavités, la partie supérieure de la bande passante devient plus plate et les pics spectraux deviennent plus abrupts. Ce sont des effets très recherchés, en particulier dans les applications de multiplexage en longueur d’onde, où les espacements entre canaux sont faibles (20 nm pour le CWDM, 08 nm et 04 nm pour le DWDM respectivement pour des grilles de 100 GHz et 50 GHz). Ce phénomène est illustré sur le graphique ci‑dessous.

Courbes de transmission d’un filtre TFF à 1, 2 et 3 cavités

La phase de l’onde transmise est liée au délai temporel de la lumière traversant le filtre. Le délai est relativement faible à proximité de la longueur d’onde centrale de la bande passante et augmente jusqu’à la durée de vie maximale du photon à proximité de la longueur d’onde où la probabilité de transmission est de 50 pour cent, soit 3 dB sous la pente du filtre. Il en résulte une courbe caractéristique en « oreille de chauve‑souris » (graphique ci‑dessous), typique des profils de délai de groupe (GD) des filtres passe‑bande à couches minces. La dispersion chromatique (CD) étant la variation du GD en fonction de la longueur d’onde, elle conduit à une valeur de dispersion approximativement constante au centre du filtre. En télécommunication, cette dispersion est appelée dispersion chromatique.

Délai de groupe et dispersion chromatique d’un filtre TFF pour un espacement de 100 GHz

Courbe du délai de groupe et de la dispersion chromatique d’un filtre passe‑bande à couches minces pour un espacement entre canaux de 100 GHz.

La variation de phase dans un filtre TFF n’est pas simple à ajuster, car l’amplitude de transmission et la réponse de phase sont liées par une transformation de Hilbert. Toute modification de la réponse de phase se répercute immédiatement sur la réponse en amplitude et inversement. Cette contrainte s’applique à toute la lumière transmise par les filtres à couches minces, mais ne concerne pas la lumière réfléchie tant que la structure du filtre reste asymétrique. Pour cette raison, la réponse de phase d’un miroir de laser à faible dispersion peut être ajustée presque indépendamment de sa réflectivité, tandis que la dispersion d’un filtre de transmission pour télécommunications est essentiellement déterminée par sa propre amplitude de transmission. Le contrôle de la réponse de phase des filtres optiques est crucial dans les applications spécialisées de filtrage et constitue un élément important de la conception optique, non seulement en télécommunications. La phase peut être modulée par des variations de l’épaisseur du filtre (principe utilisé par exemple en microscopie à contraste de phase).

La technologie des filtres à couches minces a dominé le marché du multiplexage xWDM en raison de :

leur faible coût de production,
leur facilité de fabrication,
leur haute fiabilité,
leur stabilité thermique,
leur insensibilité à la polarisation du signal,
leurs faibles pertes,
leur profil spectral plat.

Sur le plan physique et technologique, les filtres optiques à couches minces sont réalisés par dépôt alterné de couches minces de matériaux présentant des propriétés optiques spécifiques sur un substrat en verre optique. Lorsque la lumière traverse le filtre optique, sa direction change à chaque passage d’une couche à l’autre, ce qui provoque des interférences internes. Cela résulte des différences entre les coefficients de réflexion d’onde des matériaux utilisés dans l’empilement diélectrique à couches minces. La configuration des couches donne un filtre optique qui manipule de différentes façons les différentes longueurs d’onde de la lumière. Selon la longueur d’onde et le type de filtre optique, la lumière peut être réfléchie par le filtre, transmise au travers ou absorbée.

Les filtres optiques peuvent être conçus pour transmettre, bloquer ou réfléchir la lumière sur n’importe quelle plage de longueurs d’onde, de l’UV à l’IR. On peut les regrouper en cinq catégories principales selon leur forme spectrale :

Principaux types de filtres TFF selon leur réponse spectrale

En partant de la gauche :

les filtres passe‑bande transmettent une plage de longueurs d’onde tout en bloquant la lumière adjacente de part et d’autre ;
les filtres de coupure bloquent une plage de longueurs d’onde tout en transmettant la lumière de part et d’autre ;
les filtres à bord court‑passe transmettent les longueurs d’onde plus courtes et bloquent les plus longues ;
les filtres à bord long‑passe bloquent les longueurs d’onde plus courtes tout en transmettant les plus longues ;
les filtres dichroïques réfléchissent certaines plages de longueurs d’onde tout en en transmettant d’autres.

Bien que la plupart des filtres optiques appartiennent aux catégories ci‑dessus, des filtres personnalisés peuvent être conçus avec pratiquement n’importe quelle forme spectrale.

Les filtres à couches minces (TFF) sont fabriqués à l’aide de différentes technologies de dépôt, telles que : l’évaporation par faisceau d’électrons assistée par faisceau ionique (ou plasma), la pulvérisation par faisceau ionique et la pulvérisation magnétron micro‑ondes.

Les filtres TFF se retrouvent dans les équipements CWDM, où une cascade de filtres correctement conçue laisse passer une plage spécifique de longueurs d’onde et réfléchit toutes les autres. Chacun des filtres réfléchit une longueur d’onde différente et transmet toutes les autres. Dans un démultiplexeur, le premier filtre de la cascade laisse passer une longueur d’onde et réfléchit toutes les autres vers le deuxième filtre. Le deuxième filtre laisse passer une autre longueur d’onde et réfléchit les restantes, et ainsi de suite.

Schéma d’un filtre TFF unique utilisé dans les multiplexeurs CWDM

Schéma d’un filtre TFF unique utilisé dans les multiplexeurs CWDM

Le filtre ci‑dessus possède 3 ports :

PASS – la longueur d’onde spécifique transmise par ce filtre,
REFLECTION – les autres longueurs d’onde,
COM – la somme des longueurs d’onde des ports REFLECTION et PASS.

Un point très important est que les filtres TFF sont « non directionnels ». Cela signifie que le même filtre sera capable à la fois de « séparer » les longueurs d’onde injectées sur le port COM vers les ports REFLECTION et PASS, et de les additionner vers le port COM à partir de ce qu’il reçoit sur les ports PASS et REFLECTION.

Le sujet des cascades de filtres est traité plus en détail dans l’article Fonctionnement d’un CWDM simplex.

Les filtres à couches minces décrits dans ce texte se retrouvent dans les équipements suivants :

Multiplexeurs CWDM