Cos’è il TFF nei sistemi CWDM/DWDM?

L’acronimo TFF non indica solo un formato di file di font creato da Apple, ma anche i Thin Film Filters, ossia i filtri ottici a film sottile utilizzati nelle telecomunicazioni in fibra ottica.

In termini generali, i TFF (Thin Film Filters) sono filtri ottici utilizzati per controllare il contenuto spettrale di un fascio luminoso, attenuando la luce indesiderata e trasmettendo quella desiderata. Esistono due principali tipi di filtri ottici: assorbenti e riflettenti. Vengono impiegati nella tecnologia xWDM per trasmettere specifici intervalli di lunghezze d’onda e riflettere tutte le altre.

Dal punto di vista fisico, i filtri a film sottile (TFF) sono solitamente costituiti da un insieme di cavità di Fabry-Perot impilate e separate da specchi composti da strati riflettenti dielettrici a film sottile, come mostrato nella figura qui sotto.

Schema interno di un filtro TFF a cavità Fabry-Perot

I filtri trasmettono una determinata lunghezza d’onda e riflettono tutte le altre. La lunghezza d’onda trasmessa dipende dalla larghezza della cavità.

Man mano che si aggiungono ulteriori cavità, la parte superiore della banda passante diventa più piatta e i picchi dello spettro diventano più netti. Si tratta di effetti molto desiderabili soprattutto nelle applicazioni di multiplazione di lunghezze d’onda, in cui gli spazi tra le lunghezze d’onda trasmesse sono ridotti (20 nm per CWDM, 08 nm e 04 nm per DWDM rispettivamente per griglia 100 GHz e 50 GHz). Il fenomeno è illustrato nel grafico seguente.

Curve di trasmissione di filtri TFF con 1, 2 e 3 cavità

La fase dell’onda trasmessa è legata al ritardo temporale della luce che attraversa il filtro. Il ritardo è relativamente piccolo in prossimità della lunghezza d’onda centrale della banda passante e aumenta fino al massimo tempo di vita del fotone vicino alla lunghezza d’onda per cui la probabilità di trasmissione è pari al 50 percento, ossia 3 dB sotto la pendenza del filtro. Ne risulta la caratteristica funzione “a orecchio di pipistrello” (grafico sotto), comune ai profili di group delay (GD) dei filtri passabanda a film sottile. Poiché la dispersione cromatica (CD) è la variazione della GD in funzione della lunghezza d’onda, essa produce un valore di dispersione approssimativamente costante al centro del filtro. Nelle telecomunicazioni questa dispersione è detta dispersione cromatica.

Andamento di group delay e dispersione cromatica di un filtro TFF passabanda per spaziatura 100 GHz

Grafico della group delay e della dispersione cromatica di un filtro passabanda a film sottile per spaziatura tra canali di 100 GHz.

La variazione di fase in un filtro TFF non è semplice da controllare, poiché l’ampiezza di trasmissione e la risposta di fase sono collegate dalla trasformata di Hilbert. Qualsiasi modifica della risposta in fase si manifesta immediatamente nella risposta in ampiezza e viceversa. Questo vincolo si applica a tutta la luce trasmessa attraverso i filtri a film sottile, ma non vale per la luce riflessa, a condizione che la struttura del filtro sia asimmetrica. Per questo motivo la risposta in fase di uno specchio laser a bassa dispersione può essere regolata quasi indipendentemente dalla sua riflettività, mentre la dispersione di un filtro trasmissivo per telecomunicazioni è sostanzialmente determinata dalla sola ampiezza di trasmissione. Il controllo della risposta in fase dei filtri ottici è di fondamentale importanza nelle applicazioni specialistiche dei filtri ed è un elemento chiave della progettazione ottica non solo nelle telecomunicazioni. La fase può essere impostata attraverso variazioni dello spessore del filtro (ciò viene utilizzato, per esempio, nella microscopia a contrasto di fase).

La tecnologia dei filtri a film sottile ha dominato il mercato della multiplazione xWDM grazie a:

basso costo di produzione,
semplicità produttiva,
elevata affidabilità,
stabilità termica,
insensibilità alla polarizzazione del segnale,
basse perdite,
profilo spettrale piatto.

Dal punto di vista fisico e tecnologico, i filtri ottici a film sottile sono realizzati depositando in modo alternato sottili strati di materiali con proprietà ottiche specifiche su un substrato in vetro ottico. Quando la luce attraversa il filtro ottico, il suo percorso cambia passando da uno strato all’altro, generando interferenze interne. Ciò deriva dalle differenze tra i coefficienti di riflessione d’onda dei materiali nello strato dielettrico a film sottile. La configurazione degli strati produce un filtro ottico che manipola in modo diverso le varie lunghezze d’onda della luce. A seconda della lunghezza d’onda e del tipo di filtro ottico, la luce può essere riflessa dal filtro, trasmessa attraverso di esso o da esso assorbita.

I filtri ottici possono essere progettati per trasmettere, bloccare o riflettere la luce in qualsiasi intervallo di lunghezze d’onda, dall’UV all’IR. In base alla forma spettrale possono essere suddivisi in cinque categorie di base:

Principali tipi spettrali di filtri TFF

Partendo da sinistra:

i filtri passabanda trasmettono un intervallo di lunghezze d’onda, bloccando al contempo la luce adiacente su entrambi i lati;
i filtri stop-band bloccano un intervallo di lunghezze d’onda, trasmettendo la luce su entrambi i lati;
i filtri edge a passa-basso (short-pass) trasmettono le lunghezze d’onda più corte, bloccando al contempo quelle più lunghe;
i filtri edge a passa-alto (long-pass) bloccano le lunghezze d’onda più corte trasmettendo quelle più lunghe;
i filtri dicroici riflettono specifici intervalli di lunghezze d’onda mentre ne trasmettono altri.

Sebbene la maggior parte dei filtri ottici rientri nelle categorie sopra elencate, è possibile progettare filtri custom con qualsiasi forma spettrale realizzabile.

I filtri a film sottile (TFF) sono prodotti utilizzando diverse tecnologie di deposizione, quali: evaporazione a fascio di elettroni assistita da fascio ionico (o plasma), sputtering a fascio ionico e sputtering magnetron a microonde.

I filtri TFF si trovano nei dispositivi CWDM, dove una cascata opportunamente progettata di filtri trasmette un determinato intervallo di lunghezze d’onda e riflette tutte le altre. Ogni filtro riflette una diversa lunghezza d’onda e trasmette tutte le restanti. Nel caso di un demultiplexer, il primo filtro della cascata trasmette una lunghezza d’onda e riflette tutte le altre verso il secondo filtro. Il secondo filtro trasmette un’altra lunghezza d’onda e riflette le restanti, e così via.

Schema di un singolo filtro TFF utilizzato in un multiplexer CWDM

Schema di un singolo filtro TFF utilizzato nei multiplexer CWDM

Il filtro sopra riportato dispone di 3 porte:

PASS – lunghezza d’onda specifica per il singolo filtro,
REFLECTION – restanti lunghezze d’onda,
COM – somma delle lunghezze d’onda provenienti dalle porte REFLECTION e PASS.

È molto importante sottolineare che i filtri TFF sono “bidirezionali”. Ciò significa che lo stesso filtro sarà in grado sia di “separare” le lunghezze d’onda ricevute sulla porta COM in REFLECTION e PASS, sia di sommarle verso la porta COM a partire da ciò che riceve sulle porte PASS e REFLECTION.

L’argomento della cascata di filtri è descritto più in dettaglio nell’articolo Come funziona CWDM Simplex.

I filtri a film sottile descritti in questo testo si trovano in dispositivi quali:

Multiplexer CWDM