TFF (Thin-Film Filter) vs. AWG (Arrayed Waveguide Grating): Ein Vergleich zweier wichtiger WDM-Technologien zur Wellenlängenmultiplexierung

Wavelength Division Multiplexing (WDM) ist ein ausgereiftes Verfahren zur Stärkung der Bandbreite und zur Verbesserung der Übertragungskapazität von Glasfasern. Dies wird erreicht, indem zahlreiche optische Signale gleichzeitig übertragen werden, die jeweils mit unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten. Zu den verbreiteten WDM-Technologien gehören Thin-Film Filters (TFF) und Arrayed Waveguide Gratings (AWG), die beide aufgrund ihrer Wirksamkeit bei der Verwaltung optischer Signale über verschiedene Wellenlängen hinweg weit verbreitet sind.

Thin-Film-Filter-TFF-Technologie

Die Dünnschichtfilter-Technologie (TFF) ist eine weit verbreitete Wahl im Bereich der WDM-Gerätetechnologie. TFF trennt oder kombiniert optische Signale unterschiedlicher Wellenlängen effektiv, indem die optischen Eigenschaften spezieller Dünnschichtmaterialien genutzt werden. Diese Filter bestehen typischerweise aus mehreren Filmschichten mit unterschiedlichen Dicken und weisen eine strukturierte Anordnung sowie präzise Reflexionsgrade auf. Diese Konfiguration ermöglicht es bestimmten Wellenlängen, innerhalb der Dünnschicht reflektiert zu werden, während andere hindurchtreten können, wodurch Signaltrennung und Multiplexing erreicht werden. Zu den bemerkenswerten Vorteilen der TFF-Technologie zählen ihr unkomplizierter Aufbau, ihre kompakte Bauform, ihre Kosteneffizienz und ihre hohe Zuverlässigkeit.

TFF-Technologie

Ein mehrschichtiger dielektrischer Dünnschichtfilter stellt eine Klasse hochreflektierender Filmschichten dar, die aus zahlreichen Lagen aufgebaut ist. Diese Lagen können von wenigen bis möglicherweise Hunderten reichen und wechseln zwischen zwei unterschiedlichen dielektrischen Materialien mit verschiedenen Brechungsindizes. Angrenzend an die Luft weisen die Lagen auf dem Filtersubstrat einen höheren Brechungsindex auf. Ein Interferenzfilter mit präzisen Eigenschaften zur Wellenlängenauswahl kann durch die Kombination mehrerer Lagen unterschiedlicher dielektrischer Dünnschichten hergestellt werden. Dies ermöglicht es, verschiedene Wellenlängen effektiv zu trennen oder zusammenzuführen.

Die Dünnschichtfilter (TFF) ist die zentrale und relativ kostspielige Komponente innerhalb der gesamten Wavelength Division Multiplexing (WDM)-Vorrichtung. Ein WDM-Gerät mit drei Ports umfasst einen Dual-Faser-Kollimator, einen Einzelfaser-Kollimator und den TFF-Filter. Der TFF-Filter befindet sich an der Endfläche der Kollimationslinse des Dual-Faser-Kollimators und dient hauptsächlich der Signalübertragung und -reflexion. Innerhalb von WDM-Signalen, die die Wellenlängen λ1, λ2,...λn umfassen und von einer gemeinsamen Quelle stammen, ermöglicht der TFF-Filter die Übertragung einer Wellenlänge, λn, während die übrigen reflektiert werden. Folglich tritt λn aus dem Übertragungsabschnitt aus, während die verbleibenden Wellenlängen am Reflexionsende austreten. Diese Aufteilung wandelt ein optisches Eingangssignal in zwei getrennte optische Ausgangssignale um und stellt damit Demultiplexing dar. Umgekehrt laufen zwei optische Eingangssignale zu einem einzigen zusammengesetzten optischen Ausgangssignal zusammen, was Multiplexing darstellt.

Mehrere Drei-Port-Geräte müssen nacheinander verbunden werden, um ein Wavelength Division Multiplexing (WDM)-Modul zu erstellen, das alle Wellenlängen demultiplext, wie in der Abbildung dargestellt. In diesem Aufbau verfügt jedes Drei-Port-Gerät über TFF-Filter mit unterschiedlichen Transmissionswellenlängen. Das daraus entstehende WDM-Modul erfüllt zwei Rollen: Es kann je nach Richtung der Signalübertragung entweder als Demultiplexer oder als Multiplexer fungieren.

Das Wavelength Division Multiplexing (WDM)-Modul, das aus kaskadierten dreitorigen WDM-Geräten aufgebaut ist, weist häufig eine relativ große Stellfläche auf, mit Abmessungen von typischerweise etwa 130×90×13mm³ für ein 8-Kanal-WDM-Modul, was für bestimmte Spezialanwendungen möglicherweise nicht geeignet ist. Um diese Einschränkung zu beheben, wurde ein kompaktes WDM-Modul entwickelt, wie in der Abbildung dargestellt. Die TFF-Filter sind bei diesem Aufbau auf einer Glasbank befestigt, während die Eingangs-/Ausgangs-Faserkollimatoren sorgfältig in Reihe ausgerichtet sind. Das kompakte Modul verfügt über deutlich reduzierte Abmessungen, die typischerweise 50×30×6mm³ betragen, wodurch es wesentlich kleiner ist. Diese kompakten Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)- und Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM)-Module werden allgemein als CDWDM bzw. CCWDM bezeichnet.

Compact Coarse Wavelength Division Multiplexing (CCWDM) bietet eine kompaktere Lösung. Dabei werden benachbarte Kanäle kaskadiert, ohne auf sperrige Faser-Kaskadenkonfigurationen angewiesen zu sein, sondern sie arbeiten in einer Freiraumkonfiguration unter kollimierten Strahlbedingungen. Das zugrunde liegende Prinzip besteht darin, eine Eingangslinse zu verwenden, um die optischen Signale der Wellenlängen λ1, λ2...λn auf den ersten Filter zu bündeln. Anschließend durchläuft die Wellenlänge λ1, die das optische Signal trägt, den ersten Filter und wird zur ersten Ausgangslinse geleitet. In der ersten Ausgangsfaser wird das optische Signal λ1 isoliert, während die übrigen Signale vom ersten Schieber auf den nachfolgenden reflektiert werden, um eine weitere Signaltrennung zu ermöglichen. Dieser Prozess wird wiederholt, bis alle Signale erfolgreich getrennt sind. Die Verbindung zwischen den Wellenlängenkanälen erfolgt durch Zickzack-Lichtmuster.

Arrayed-Waveguide-Grating-AWG-Technologie

In einem Thin-Film-Filter-(TFF)-Wavelength-Division-Multiplexing-(WDM)-Modul durchlaufen unterschiedliche Wellenlängen verschiedene Bauteile, was zu unterschiedlichen Leistungsverlusten führt. Mit steigender Portanzahl verschlechtert sich die Gleichmäßigkeit der Verluste. Zusätzlich begrenzt der maximale Verlust am letzten Port die Portanzahl. Folglich sind TFF-basierte WDM-Module typischerweise auf ≤16 Kanäle beschränkt. Ein herkömmliches Dense-Wavelength-Division-Multiplexing-(DWDM)-System erfordert jedoch häufig die Übertragung von 40 oder 48 Wellenlängen über eine einzelne Faser. Dies erfordert Multiplexer-/Demultiplexer-Einheiten mit hoher Portanzahl. Eine serielle Struktur würde an den Endports übermäßige Verluste akkumulieren, wodurch eine parallele Struktur erforderlich wird, die Dutzende von Wellenlängen gleichzeitig multiplexen/demultiplexen kann. Das Arrayed Waveguide Grating (AWG) ist eine Lösung, die diese Anforderung erfüllt.

Arrayed-Waveguide-Grating-Technologie (AWG) ist eine weitere weit verbreitete Wavelength Division Multiplexing (WDM)-Gerät Technologie. Sie umfasst die Fertigung eines Arrayed-Waveguide-Gratings auf einem Chip-Substrat unter Nutzung der PLC-Technologie (Planar Lightwave Circuit). AWG dient dazu, optische Signale verschiedener Wellenlängen über einen planaren Wellenfront-Strahlteiler in einer optischen Faser zu multiplexen und zu trennen. Typischerweise besteht AWG aus einer Reihe paralleler Wellenleiter, die mit spezifischer Regelmäßigkeit und Gitterverteilung auf dem optischen Wellenleiter angeordnet sind. Jede Wellenlänge wird durch einen zugewiesenen Wellenleiter geleitet, wodurch Signal-Multiplexing und -Trennung realisiert werden können. Im Vergleich zur TFF-Technologie bietet die AWG-Technologie eine überlegene Wellenlängenisolation, Kanalanzahl und Bandbreite. Folglich findet sie Anwendung in optischen Kommunikationssystemen mit höherer Geschwindigkeit.

Das folgende Bild veranschaulicht die typische Struktur eines AWG. Es umfasst fünf Hauptkomponenten:

1. Ein Sender-Wellenleiter

2. Ein Eingangssternkoppler (FPR - Freistrahlbereich)

3. Eine Anordnung von Wellenleitern

4. Ein Ausgangs-Sternkoppler

5. Zahlreiche Empfänger-Wellenleiter

Die Signale gehen vom Senderwellenleiter aus und werden getrennt, während sie sich frei im Eingangs-Sternkoppler ausbreiten, bevor sie schließlich in die Array-Wellenleiter eintreten. Bemerkenswert ist, dass dieser Trennprozess farblos ist, was bedeutet, dass alle Wellenlängen gleichmäßig auf die Array-Wellenleiter verteilt werden. In den Array-Wellenleitern wird zwischen mehreren optischen Strahlen eine Phasendifferenz erzeugt. Die Phasen dieser Strahlen folgen einer arithmetischen Progression, ähnlich wie bei herkömmlichen Gittern. Folglich werden die unterschiedlichen Wellenlängen dispergiert und anschließend auf verschiedene Positionen im Ausgangs-Sternkoppler fokussiert. An diesen Brennpunkten befinden sich die Empfängerwellenleiter. Jeder Empfängerwellenleiter entspricht einer bestimmten Wellenlänge und ermöglicht so das parallele Demultiplexen von Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)-Signalen.

Beide Technologien des Wavelength Division Multiplexing (WDM) finden umfangreiche Anwendungen in optischen Kommunikationssystemen. Konventionell gilt die Arrayed Waveguide Grating (AWG)-Technologie als kostengünstiger für Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM)-Szenarien über lange Distanzen mit hoher Kanalkapazität, während die Thin-Film Filter (TFF)-Technologie für Metropolitan-Setups mit Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) und niedriger Kanalkapazität vorzuziehen ist. 

Fazit

TFF umfasst typischerweise mehrere Filmschichten unterschiedlicher Dicke, wobei der Dünnschichtfilter die zentrale und teuerste Komponente von WDM-Geräten ist. Wenn ein Gerät mehr Kanäle benötigt, muss die Anzahl der Dünnschichten erhöht werden, wodurch der Preis des TFF steigt. Im Gegensatz dazu ermöglicht AWG die gleichzeitige Bereitstellung von 40 Kanälen, bietet jedoch nicht die Flexibilität, einzelne Kanäle selektiv zu nutzen. Folglich bleiben die Kosten für das Hinzufügen und Herausführen von Signalen mit zehn Kanälen gleich wie bei der Verwaltung von 40 Kanälen. Daher erweist sich AWG in Szenarien mit vielen Kanälen als wirtschaftlicher als TFF. Viele Quellen nennen 16 Kanäle als Abgrenzungspunkt zwischen den beiden Technologien. Anwendungen, die weniger als 16 Kanäle erfordern, gelten als geeignet für die TFF-Technologie, während solche, die mehr als 16 Kanäle benötigen, besser für die AWG-Technologie geeignet sind.