TFF (filtre à couche mince) vs. AWG (réseau de guides d’ondes en réseau) : comparaison de deux principales technologies WDM de multiplexage en longueurs d’onde

Le multiplexage par répartition en longueur d’onde (WDM) est une méthode sophistiquée permettant de renforcer la bande passante et d’améliorer la capacité de transmission des fibres optiques. Il y parvient en transmettant simultanément de nombreux signaux optiques, chacun fonctionnant à des longueurs d’onde distinctes. Parmi les technologies WDM courantes figurent les filtres à couches minces (TFF) et les réseaux de guides d’ondes en réseau (AWG), tous deux largement adoptés pour leur efficacité dans la gestion des signaux optiques sur différentes longueurs d’onde.

Technologie de filtre à couche mince-TFF

La technologie des filtres à couches minces (TFF) constitue un choix courant dans le domaine de la technologie des dispositifs WDM. Le TFF sépare ou combine efficacement des signaux optiques de différentes longueurs d’onde en exploitant les caractéristiques optiques de matériaux spécialisés à couches minces. Généralement fabriqués à partir de plusieurs couches de films d’épaisseurs diverses, ces filtres présentent une disposition structurée et une réflectivité précise. Cette configuration permet à certaines longueurs d’onde de se réfléchir dans la couche mince tout en autorisant d’autres à la traverser, réalisant ainsi la séparation et le multiplexage des signaux. Parmi les avantages notables de la technologie TFF figurent sa construction simple, son format compact, son bon rapport coût-efficacité et sa grande fiabilité.

Technologie TFF

Un filtre à film diélectrique multicouche représente une catégorie de film à haute réflexion structuré avec de nombreuses couches. Ces couches peuvent aller de plusieurs à potentiellement des centaines, alternant entre deux matériaux diélectriques distincts possédant des indices de réfraction différents. Au contact de l'air, les couches sur le substrat du filtre présentent un indice de réfraction plus élevé. Un filtre interférentiel doté d'attributs de sélection précise de la longueur d'onde peut être synthétisé en amalgamant plusieurs couches de divers films diélectriques. Cela facilite la capacité à séparer ou à amalgamer efficacement différentes longueurs d'onde.

Le Filtre à couche mince (TFF) est le composant essentiel et relativement coûteux de l’ensemble de l’appareil de multiplexage par répartition en longueur d’onde (WDM). Un dispositif WDM à trois ports comprend un collimateur à double fibre, un collimateur à fibre unique et le filtre TFF. Positionné sur la face d’extrémité de la lentille de collimation du collimateur à double fibre, le filtre TFF joue le rôle principal de transmission et de réflexion des signaux. Dans les signaux WDM englobant les longueurs d’onde λ1, λ2,...λn, provenant d’une source commune, le filtre TFF permet la transmission d’une longueur d’onde, λn, tandis que les autres sont réfléchies. Par conséquent, λn sort de la section de transmission, tandis que les longueurs d’onde restantes sortent par l’extrémité de réflexion. Cette division transforme un signal optique d’entrée en deux sorties de signaux optiques distinctes, constituant un démultiplexage. À l’inverse, deux signaux optiques d’entrée convergent en une seule sortie de signal optique composite, constituant un multiplexage.

Plusieurs dispositifs à trois ports doivent être reliés séquentiellement pour construire un module de multiplexage par répartition en longueur d’onde (WDM) afin de démultiplexer toutes les longueurs d’onde, comme illustré dans le schéma. Dans cette configuration, chaque dispositif à trois ports comporte des filtres TFF avec des longueurs d’onde de transmission distinctes. Le module WDM obtenu joue deux rôles : il peut fonctionner soit comme démultiplexeur, soit comme multiplexeur, selon le sens de transmission du signal.

Le module Wavelength Division Multiplexing (WDM), construit à partir de dispositifs WDM à trois ports en cascade, présente souvent une empreinte relativement importante, avec des dimensions généralement d’environ 130×90×13mm³ pour un module WDM 8 canaux, ce qui peut ne pas convenir à certaines applications spécialisées. Un module WDM compact a été développé pour remédier à cette limitation, comme illustré dans la figure. Dans cette configuration, les filtres TFF sont fixés sur un banc en verre, tandis que les collimateurs de fibre d’entrée/sortie sont minutieusement alignés en séquence. Le module compact affiche des dimensions considérablement réduites, mesurant généralement 50×30×6mm³, ce qui le rend beaucoup plus petit. Ces modules compacts Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) et Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) sont couramment appelés CDWDM et CCWDM, respectivement.

Le multiplexage compact par répartition en longueurs d’onde espacées (CCWDM) offre une solution plus condensée. Ici, les canaux adjacents sont mis en cascade, sans s’appuyer sur des configurations de cascade de fibre encombrantes, mais en fonctionnant dans une configuration en espace libre avec des faisceaux collimatés. Le principe sous-jacent consiste à utiliser une lentille d’entrée pour concentrer les signaux optiques des longueurs d’onde λ1, λ2...λn sur le filtre initial. Ensuite, la longueur d’onde portant le signal optique λ1 traverse le filtre initial et est dirigée vers la première lentille de sortie. Dans la première fibre de sortie, le signal optique λ1 est isolé, tandis que les signaux restants sont réfléchis par la première lame vers la suivante afin de poursuivre la séparation des signaux. Ce processus se répète jusqu’à ce que tous les signaux soient séparés avec succès. L’interconnexion entre les canaux de longueur d’onde s’effectue par des motifs lumineux en zigzag.

Technologie AWG (Arrayed Waveguide Grating)

Dans un module de multiplexage en longueur d’onde (WDM) à filtre à couches minces (TFF), des longueurs d’onde variables traversent différents dispositifs, ce qui entraîne des pertes de puissance distinctes. À mesure que le nombre de ports augmente, l’uniformité des pertes se détériore. De plus, la perte maximale au dernier port limite le nombre de ports. Par conséquent, les modules WDM basés sur la technologie TFF sont généralement limités à ≤16 canaux. Cependant, un système conventionnel de multiplexage dense en longueur d’onde (DWDM) nécessite souvent la transmission de 40 ou 48 longueurs d’onde sur une seule fibre. Cela exige des unités multiplexeur/démultiplexeur avec un nombre élevé de ports. Une structure en série accumulerait une perte excessive aux ports terminaux, d’où la nécessité d’une structure parallèle capable de multiplexer/démultiplexer simultanément des dizaines de longueurs d’onde. Le réseau de guides d’ondes en réseau (AWG) est une solution qui répond à cette exigence.

La technologie Arrayed Waveguide Grating (AWG) est une autre technologie courante Dispositif de multiplexage par répartition en longueur d’onde (WDM) technologie. Elle implique la fabrication d’un réseau de guides d’ondes matriciel sur un substrat de puce utilisant la technologie PLC (Planar Lightwave Circuit). AWG sert à multiplexer et séparer des signaux optiques de différentes longueurs d’onde au moyen d’un séparateur de faisceau à front d’onde planaire sur une fibre optique. Généralement, AWG comprend une série de guides d’ondes parallèles disposés avec une régularité spécifique et une distribution en réseau sur le guide d’ondes optique. Chaque longueur d’onde est dirigée à travers un guide d’ondes désigné, permettant la réalisation du multiplexage et de la séparation des signaux. Comparée à la technologie TFF, la technologie AWG offre une isolation des longueurs d’onde, un nombre de canaux et une bande passante supérieurs. Par conséquent, elle trouve des applications dans les systèmes de communication optique à plus haut débit.

L’image suivante illustre la structure typique d’un AWG. Elle comprend cinq composants principaux :

1. Un guide d'ondes d'émetteur

2. Un coupleur en étoile d’entrée (FPR - région de propagation libre)

3. Un réseau de guides d’ondes

4. Un coupleur en étoile de sortie

5. Nombreux guides d’ondes récepteurs

Les signaux émanent du guide d’ondes émetteur et subissent une séparation lorsqu’ils se propagent librement dans le coupleur en étoile d’entrée, entrant finalement dans les guides d’ondes en réseau. Il convient de noter que ce processus de séparation est incolore, ce qui signifie que toutes les longueurs d’onde sont distribuées uniformément dans les guides d’ondes en réseau. Une différence de phase est induite entre plusieurs faisceaux optiques dans les guides d’ondes en réseau. Les phases de ces faisceaux suivent une progression arithmétique semblable à celle des réseaux traditionnels. Par conséquent, les longueurs d’onde distinctes sont dispersées puis focalisées sur diverses positions dans le coupleur en étoile de sortie. Les guides d’ondes récepteurs sont positionnés à ces points focaux. Chaque guide d’ondes récepteur correspond à une longueur d’onde spécifique, permettant le démultiplexage parallèle des signaux de multiplexage dense en longueur d’onde (DWDM).

Les deux technologies de multiplexage par répartition en longueur d’onde (WDM) ont de nombreuses applications dans les systèmes de communication optique. Traditionnellement, la technologie de réseau de guides d’ondes en réseau (AWG) est considérée comme plus rentable pour les scénarios de multiplexage dense par répartition en longueur d’onde (DWDM) longue distance à grande capacité de canaux, tandis que la technologie de filtre à couches minces (TFF) est préférable pour les déploiements métropolitains de multiplexage grossier par répartition en longueur d’onde (CWDM) à faible capacité de canaux. 

Conclusion

Le TFF comprend généralement plusieurs couches de films d’épaisseurs variables, le filtre à couche mince étant le composant essentiel et le plus coûteux des dispositifs WDM. Si un dispositif nécessite davantage de canaux, la quantité de couches minces doit être augmentée, ce qui accroît donc le prix du TFF. À l’inverse, l’AWG permet l’acquisition simultanée de 40 canaux, mais n’offre pas la flexibilité nécessaire pour utiliser sélectivement des canaux individuels. Par conséquent, le coût d’ajout et d’extraction de signaux avec dix canaux reste équivalent à celui de la gestion de 40 canaux. Ainsi, l’AWG s’avère plus économique que le TFF dans les scénarios impliquant de nombreux canaux. De nombreuses sources citent 16 canaux comme point de démarcation entre les deux technologies. Les applications nécessitant moins de 16 canaux sont considérées comme adaptées à la technologie TFF, tandis que celles nécessitant plus de 16 canaux conviennent mieux à la technologie AWG.