Skrót TFF to nie tylko format pliku czcionki stworzony przez firmę Apple, TFF to również Thin Film Filters, czyli cienkowarstwowy filtr optyczny stosowany w telekomunikacji światłowodowej.

Najogólniej rzecz biorąc, TFF (Thin Film Filters) to filtry optyczne służące do kontroli zawartości widmowej wiązki światła, tłumienia niechcianego światła i przekazywania pożądanego światła. Istnieją dwa główne typy filtrów optycznych: absorpcyjne i odbiciowe. Wykorzystuje się je w technologii xWDM do przepuszczania określonego zakresu fal i odbijania wszystkich pozostałych. 

Z fizycznego punktu widzenia filtry cienkowarstwowe (TFF) zbudowane są zazwyczaj z zestawu ułożonych w stos wnęk Fabry’ego-Perota, rozdzielonych zwierciadłami, w skład których wchodzą dielektryczne cienkowarstwowe warstwy odbijające, jak na rysunku poniżej.

 

 

Filtry przepuszczają określoną długość fali i odbijają wszystkie inne długości fali. Długość fali, która jest przepuszczana, zależy od szerokości wnęki.

W miarę dodawania kolejnych wnęk górna część pasma przepustowego staje się bardziej płaska, a piki widma stają się ostrzejsze. Są to bardzo pożądane efekty szczególnie w zastosowaniach zwielokrotnienia falowego, w których odstępy pomiędzy przesyłanymi długościami fal są niewielkie (20 nm dla CWDM 08 nm i 04 nm dla DWDM odpowiednio dla siatki 100 GHz i 50 GHz). Zjawisko to zobrazowane jest na poniższym wykresie.

 

 

 

Faza transmitowanej fali związana jest z opóźnieniem czasowym światła przechodzącego przez filtr. Opóźnienie jest stosunkowo małe w pobliżu środkowej długości fali pasmowo-przepustowej i wzrasta do maksymalnego okresu życia fotonu w pobliżu długości fali, gdzie prawdopodobieństwo transmisji wynosi 50 procent lub 3 dB w dół nachylenia filtra. Powoduje to charakterystyczną funkcję „ucha nietoperza” (rysunek poniżej), która jest wspólna dla profili opóźnienie grupowego – GD cienkowarstwowych filtrów pasmowych. Ponieważ dyspersja chromatyczna CD jest zmianą GD wraz z długością fali, powoduje ona w przybliżeniu stałą wartość dyspersji w środku filtra. W telekomunikacji dyspersja ta nazywana jest dyspersją chromatyczną.

 

Wykres opóźnienia grupy i dyspersji chromatycznej cienkowarstwowego filtra pasmowo-przepustowego dla odstępów między kanałami 100 GHz.

Zmiana fazy w filtrze TFF nie jest łatwa do regulowania, ponieważ amplituda transmisji i odpowiedź fazowa są połączone transformacją Hilberta. Każda zmiana w reakcji fazowej natychmiast pojawia się w odpowiedzi amplitudowej i odwrotnie. Ograniczenie to dotyczy całego światła przepuszczanego przez filtry cienkowarstwowe, ale nie ma zastosowania w przypadku światła odbitego, o ile konstrukcja filtra jest asymetryczna. Z tego powodu odpowiedź fazowa zwierciadła laserowego o niskiej dyspersji może być regulowana prawie niezależnie od jego odbicia, podczas gdy dyspersja transmisyjnego filtra telekomunikacyjnego jest zasadniczo ustalona przez samą amplitudę transmisji. Kontrolowanie odpowiedzi fazowej filtrów optycznych ma istotne znaczenie w specjalistycznych zastosowaniach filtrów i jest ważnym elementem projektowania optycznego nie tylko w aplikacjach telekomunikacyjnych. Faza może być określana przez zmiany grubości filtra (wykorzystywane jest to na przykład w mikroskopii z kontrastem fazowym).

Technologia filtrów cienkowarstwowych zdominowała rynek multipleksowania xWDM z uwagi na:

  • niski koszt produkcji, 
  • łatwość produkcji, 
  • wysoką niezawodność,
  • stabilność termiczną,
  • niewrażliwość na polaryzację sygnału,
  • niskie straty,
  • płaski profil widmowy.

 

Natomiast fizycznie oraz technologicznie cienkowarstwowe filtry optyczne wytwarza się przez osadzanie naprzemiennych cienkich warstw materiałów o specjalnych właściwościach optycznych na podłożu ze szkła optycznego. Gdy światło przenika przez filtr optyczny, jego kierunek zmienia się podczas przechodzenia z jednej warstwy do drugiej, powodując interferencje wewnętrzne. Wynika to z różnic między współczynnikami odbicia fali materiałów w dielektrycznej cienkowarstwowej powłoce. Konfiguracja warstw daje filtr optyczny, który na różne sposoby manipuluje różnymi długościami fal światła. W zależności od długości fali i rodzaju filtra optycznego światło może zostać odbite od filtra, przepuszczone przez niego lub pochłonięte przez niego.

 

Filtry optyczne mogą być zaprojektowane do przesyłania, blokowania lub odbijania światła w dowolnym zakresie długości fal od UV do IR. Można je ogólnie podzielić na pięć podstawowych kategorii na podstawie ich spektralnego kształtu:

 

 

 

Patrząc od lewej strony: 

  1. filtry pasmowo-przepuszczalne transmitują zakres długości fal, jednocześnie blokując sąsiednie światło po obu stronach;
  2. filtry wycinające blokują zakres długości fal, przepuszczając światło po obu stronach;
  3. filtry krawędzi krótkoprzepustowych transmitują krótsze fale, a jednocześnie blokują dłuższe;
  4. długoprzepustowe filtry krawędziowe blokują krótsze długości fali podczas transmisji dłuższych;
  5. filtry dichroiczne odbijają określone zakresy długości fal podczas przesyłania innych.

 

Chociaż większość filtrów optycznych należy do powyższych kategorii, filtry niestandardowe można projektować w dowolnym możliwym kształcie spektralnym.

Filtry cienkowarstwowe (TFF) są wytwarzane przy użyciu różnych technologii osadzania, takich jak: odparowywanie wiązki elektronów wspomagane wiązką jonów (lub plazmą), rozpylanie wiązki jonowej i rozpylanie magnetronowe mikrofalowe. 

Filtry TFF możemy znaleźć w urządzeniach CWDM, w których to odpowiednio zaprojektowana kaskada filtrów przepuszcza określony zakres fal, a wszystkie pozostałe odbija. Każdy z filtrów odbija inną długość fali i przepuszcza wszystkie pozostałe. W przypadku demultipleksera pierwszy filtr w kaskadzie przechodzi przez jedną długość fali i odbija wszystkie pozostałe na drugim filtrze. Drugi filtr przepuszcza inną długość fali i odzwierciedla pozostałe, i tak dalej. 

Schemat pojedynczego filtru TFF stosowanego w multiplekserach CWDM

 

Powyższy filtr posiada 3 porty:

  • PASS – konkretna dla danego filtra długość fali,
  • REFLECTION – pozostałe długości fali,
  • COM – suma długości fali z portu REFLECTION oraz PASS.

Bardzo istotne jest to, że filtry TFF są „bezkierunkowe”. Oznacza to, że ten sam filtr będzie w stanie „podzielić” długości fal, które dostanie na porcie COM, REFLECTION i PASS, jak również zsumować do portu COM to, co dostanie na porty PASS i REFLECTION.

Temat kaskady filtrów szerzej opisujemy w artykule Jak działa CWDM Simplex.

Cienkowarstwowe filtry opisywane w tym tekście możesz znaleźć w takich urządzeniach, jak: 

Multipleksery CWDM

Demultipleksery CWDM

OADM-y

Źródła:
- Photonics Media
- Fosco Connect

 

Nie chcesz przegapić kolejnych artykułów Zapisz się do newslettera lub polub nas na:

FACEBOOKU