陳星聿，付秀華，朱忠堯，張功，檀承啟

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.北京空間機電研究所，北京 100049）

5 G網(wǎng)絡作為4 G網(wǎng)絡的延伸，是將4 G網(wǎng)絡中的基帶處理單元重新劃分，將基站與核心網(wǎng)絡之間分成前傳網(wǎng)絡、中傳網(wǎng)絡與回傳網(wǎng)絡。雖然前傳網(wǎng)絡的帶寬需求沒有回傳網(wǎng)絡要求高，但是由于基站的數(shù)量多［1-3］，前傳網(wǎng)絡規(guī)模龐大，所以需要降低前傳網(wǎng)絡的成本。

基站與分布單元之間的傳輸網(wǎng)絡稱為前傳網(wǎng)絡?；痉譃槿齻€扇區(qū)，采用光纖直聯(lián)的方式，三個方向同時進行信號的接收與發(fā)射，則需要六條光纖［4-5］。如果在靠近基站的位置使用波分復用器件，將三個方向的信號匯集到一根光纖傳輸給分布單元，則可以大大減低前傳網(wǎng)絡的光纖成本。接收信號和發(fā)射信號采用不同的波段，所以需要六通道的波分復用器件。

深圳億源通光電科技有限公司的粗波分復用器件（CWDM）采用自由空間技術(shù)的光纖聯(lián)級方式，四通道插入損耗為1.4 dB、八通道插入損耗為1.7 dB，器件尺寸為40 mm×20 mm×604 mm。用于雙光纖傳輸?shù)臒o源6端口CWDM，它的單通道插入損耗為0.7 dB。為了得到低損耗的分光器件，提升分光器件中濾光膜的光譜性能是研究的主要方向。

本文提出將斜方棱鏡與濾光片膠合的結(jié)構(gòu)作為新的光纖聯(lián)級方式，設(shè)計了一種適合用于5 G前傳的分光器件。針對分光器件的結(jié)構(gòu)以及分光器件中濾光膜的材料選擇、膜系設(shè)計、制備技術(shù)進行研究。

1 分光器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2002年4月ITU-T建議G.694.2規(guī)范粗波分復用系統(tǒng)的波段范圍為O、E、S、C、L和U這6個波段，其波長間隔為20 nm。目前25 G分光器件常用的波段［9-10］分為1 271 nm、1 291 nm、1 311 nm、1 331 nm、1 351 nm、1 371 nm這六個波段。5 G光模塊接口帶寬需求從CPRI的100 G下降至eCPRI的25 G［11］，協(xié)議要求工業(yè)溫度等級為-40℃～85℃。

分光器件的結(jié)構(gòu)由圖1所示，斜方棱鏡與濾光片都選用N-BK7肖特玻璃，其透明區(qū)為350～2 500 nm，折射率為1.504（對應波長1 300 nm）。三端口波分復用器件的光信號入射角度最大為13.5°，根據(jù)目前的封裝規(guī)范，為了器件小型化，設(shè)定斜方棱鏡長為13 mm，傾斜角為76.5°，根據(jù)折射定律，光信號進入斜方棱鏡上表面的折射角為8.8°。由于經(jīng)過濾光片的六束光束要與六個陣列排布的準直器耦合，出射光束間距固定為1.8 mm，經(jīng)計算斜方棱鏡的斜邊為5.88 mm。

圖1 六通道分光器件的光路圖

在大規(guī)模生產(chǎn)中，廠家固定玻璃片的厚度，濾光片統(tǒng)一尺寸為0.76 mm×0.76 mm×0.7 mm。則設(shè)計第一個濾光片距邊緣1.62 mm，其余每個濾光片都相隔1.04 mm分布，以確定六束光信號全部出射。斜方棱鏡上表面一部分反射剩余的光信號，另一部分透射光纖準直器出射的光。斜方棱鏡上下表面盡可能達到平行，所以上表面的反射光間距同樣為1.8 mm。經(jīng)計算第一個反射點距離上表面左邊緣為8.78 mm，入射光距離右邊緣為2.48 mm，所以設(shè)計反射區(qū)長度為9.5±0.5 mm。

玻璃加工中通常會產(chǎn)生一定誤差，斜方棱鏡的平行度會影響光信號的出射位置。當平行度誤差為α時，光信號在六個濾光片的入射角分別為 8.8°、8.8°+2α、8.8°+4α、8.8°+6α、8.8°+8α、8.8°+10α。經(jīng)計算當α為3′時，最后一片濾光片處的入射光位置偏移了0.31 mm，接近濾光片的邊緣。所以器件加工時需控制平行度在3′以內(nèi)。

圖2為分光器件的俯視圖，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計和分光方式，與三端口設(shè)計不同［12］，通過控制斜方棱鏡入射面和出射面的平行度，降低六束出射信號光束的角度誤差。這種全新的分光方式，固定了透射光的角度，大大降低了出射光束與光纖準直器的耦合難度，提高了封裝效率。

圖2 六通道分光器件的俯視圖

為滿足分光器件最大插入損耗小于1.2 dB，即第六通道插入損耗小于1.2 dB，經(jīng)計算在1 371 nm處插入損耗應小于0.4 dB，能使最后一束光信號在斜方棱鏡內(nèi)經(jīng)過十次反射產(chǎn)生的疊加損耗小于1.2 dB。光纖準直器的插入損耗通常為0.2 dB，所以在1 371±6.5 nm的通帶范圍內(nèi)，指標要求插入損耗≤0.15 dB，通帶最大插入損耗≤0.2 dB。截至帶寬指標要求30 dB處≤25 nm。在光纖通信系統(tǒng)中，波長的透射損耗比τ（dB）與光譜透過率T（%）的關(guān)系為

經(jīng)計算得濾光片透射區(qū)平均透過率≥96.6%，最小透過率≥95.5%，截止區(qū)深度為OD3。六個濾光片的通帶寬度、反射帶寬度、通帶內(nèi)插入損耗、反射帶傳輸隔離度等指標相同，可以由一個濾光片調(diào)整參考波長得到其他濾光片。本文將以中心波長1 371 nm濾光片為例，對其制備過程及性能展開研究。

2 材料選擇

在波分復用系統(tǒng)中，目前常用在介質(zhì)薄膜濾光片的高、低材料為 Ta2O5或 Ti3O5和 SiO2［13］。由于Ta2O5的折射率比Ti3O5的折射率低，與SiO2匹配時更有利于達到濾光片的帶寬要求。Ta2O5作為高折射薄膜材料具有較強的機械性能和耐腐蝕性，也可以用在高溫環(huán)境中，適合用于戶外工作。兩種材料采用電子式蒸發(fā)，離子源輔助沉積工藝，離子源充入高純氧氣可以補充材料在熱蒸發(fā)中缺失的氧原子，降低材料的吸收損耗。分別將Ta2O5和SiO2的單層膜透過率光譜曲線導入Macleod軟件，進行材料折射率擬合。Ta2O5與SiO2的折射率曲線如圖3所示，在1 371 nm處Ta2O5的折射率為2.123，SiO2的折射率為1.457。

圖3 材料折射率

3 膜系設(shè)計

本文以N-BK7作為基底材料，其透明區(qū)為350～2 500 nm。根據(jù)濾光片的指標要求，前表面采用全介質(zhì)法布里-珀珞濾光片，它具有近平三角形的通帶，串置組合簡單的濾光片，可以改變?yōu)V光片通帶的形狀，以實現(xiàn)入射角8.8°時，1 364.5～1 378.5 nm的高透過率，以及1 260～1 358.5 nm和1 383.5～1 390 nm的高反射率。后表面采用增透膜系，提高通帶的透過率，減少信號的損耗。

3.1 濾光片的前表面設(shè)計原理

采用法布里-珀珞濾光片G|（HL）sH 2 mL H（LH）s|J（G|反射層 間隔層 反射層|J）作為初始膜系，G表示基底N-BK7，J表示膠合劑UV膠水，H表示高折射率材料Ta2O5，L表示低折射率材料SiO2，s表示周期數(shù)，m為干涉級次。它是根據(jù)法布里-珀珞干涉儀的原理制成的干涉膜系。F-P標準具是將兩個間距為d的平行平板的內(nèi)表面鍍上高反膜，形成多光束干涉以獲得尖銳的細條紋［14］。用反射層代替平行平板，兩個反射層之間由虛設(shè)層連接，由于虛設(shè)層代替標準具的間距d的位置，所以又稱為間隔層，這種薄膜組合的特性分析與標準具完全相同，稱之為法布里-珀珞濾光片。

雖然膜料均勻蒸發(fā)在光滑的基板上，但還是不能加工到標準具平板的面型精度，所以法布里-珀珞濾光片只能用在較低的干涉級次［15］，事實也證明，當間隔層的級次超過四時，光譜通帶會變寬，峰值透過率將變低。

取反射層中高折射率膜層的數(shù)量為x，反射層的導納為：

得出低折射率間隔層G|（HL）sH 2 mL H（LH）s|J的光譜透過率為：

同樣，可得光譜半寬度表達式為：

得出，低反射率將會得到更寬的通帶。由于濾光片使用在激光系統(tǒng)中，在基板表面先沉積λ/2SiO2作為內(nèi)保護層，可以提高激光損傷閾值，并對光譜曲線沒有影響。為了使通帶具有高的透過率且邊緣陡峭，借助TFC膜系設(shè)計軟件將多個法珀腔由耦合層SiO2疊加起來，并在最外層增加增透膜，可以大大提高通帶透過率，得到的優(yōu)化設(shè)計曲線如圖4所示，膜系結(jié)構(gòu)為G|2L（HL）2H 2L H（LH）2L（HL）3H 2L H（LH）3L（HL）3H 4L H（LH）3L（HL）3H 4L H（LH）3L（HL）3H 4L H（LH）3L（HL）3H 4L H（LH）3L（HL）3H 4L H（LH）3L HL）2H 2L H（LH）21.03H 1.66L|J，通帶寬度、截止深度滿足技術(shù)指標的要求。

圖4 窄帶濾光片的透過率理論曲線

3.2 濾光片的后表面設(shè)計原理

由于單面鍍膜不能滿足指標的全部要求，因此在后表面鍍增透膜提高通帶透過率，增透膜的基礎(chǔ)膜系為G|（HL）s|A。經(jīng)TFC膜系設(shè)計軟件，根據(jù)技術(shù)指標優(yōu)化后得到的膜系結(jié)構(gòu)為G|5.28H 1.48L 4.39H 1.78L|A，得到雙面鍍膜的光譜設(shè)計曲線如圖5所示。

圖5 雙面透射理論曲線

理論設(shè)計1 364.5～1 378.5 nm的平均透過率為99.82%，透過率最小值為99.68%，1 260～1 358.5 nm和1 383.5～1 390 nm的透過率分別為0.04%、0.06%，滿足指標要求。

4 薄膜的制備

本實驗采用光馳科技（上海）有限公司生產(chǎn)的OTFC-1300型直控機制備濾光片，該設(shè)備配有HOM2-R-VIS350A光學膜厚監(jiān)控儀、XTC/3+6點式水晶傳感器和17 cmRF離子源。在鍍膜過程中，監(jiān)控光路的透過率隨膜層厚度而變化，當?shù)竭_極值點時其光學厚度為監(jiān)控波長的1/4的整數(shù)倍，對于規(guī)整膜系可以使用光學監(jiān)控的方法控制膜厚。由于耦合層SiO2沒有極值點，所以這幾層用晶控法監(jiān)控膜厚，其利用了石英晶體振動頻率與其質(zhì)量成反比的原理，通過儀表監(jiān)控來進行膜厚控制。

對于多層膜的制備工藝，基板溫度、蒸發(fā)速率、充氧量等因素都會影響成膜質(zhì)量。在電子束蒸發(fā)過程中Ta2O5、SiO2的氧空位會產(chǎn)生缺失，材料的蒸發(fā)速率也影響著材料與離子源氧氣的結(jié)合。隨著基板溫度的升高，材料粒子獲得較大的躍遷動能，使材料在基板上均勻的生長。綜合考慮本實驗Ta2O5與SiO2的蒸發(fā)速率分別為0.35 nm/s、0.8 nm/s，充氧量分別為 70 mL/min、50 mL/min。

在開始鍍膜前先進行光控調(diào)試，把光調(diào)到最大，測試光的穩(wěn)定性。將用去離子水清洗好的基片放置在傘架上，當抽真空到1×10-2Pa時開始烘烤，將工件盤加熱至220℃保持0.5 h。然后設(shè)置緩慢放氣360 s使真空度達到8×10-3Pa，進行離子源清洗300 s，提高薄膜與基板的吸附性。當真空度達到3×10-4Pa時開始鍍膜，離子源工藝參數(shù)如表1所示。

表1 離子源工藝參數(shù)

5 測試與分析

5.1 光譜測試

采用 1 250～1 670 nm ASE light Source光譜儀對雙面鍍膜后的濾光片進行測試。濾光片涂膠測試其8.8°入射下1 300～1 400 nm波段的透過率曲線如圖6所示，從圖中可以得出帶通濾光片通帶平均透過率為96.90%，最小透過率為93.48%，反射帶的平均透過率為0.1%。

圖6 測試光譜曲線與設(shè)計對比

由于通帶光譜曲線波動較大，采用Macleod膜系設(shè)計軟件對帶通濾光片測試曲線進行逆向反演分析，將Ta2O5設(shè)為組1，由于制備濾光片時采用光控晶控相結(jié)合的監(jiān)控模式，所以將由光學監(jiān)控的反射層中SiO2設(shè)為組2、由石英晶控的間隔層SiO2與耦合層SiO2分別設(shè)為組3和組4，對各組進行Tooling調(diào)試，使設(shè)計曲線與測試曲線基本重合。組1和組2的Tooling值不變，組3的Tooling值為1.004，組4的Tooling值為0.97。膜層物理厚度除以Tooling值為擬合新膜系的物理厚度，優(yōu)化后光譜曲線與設(shè)計光譜曲線如圖7所示，帶通濾光片通帶平均透過率為97.64%，最小透過率為96.36%，反射帶的平均透過率為0.1%，滿足指標要求。

圖7 優(yōu)化后光譜曲線與設(shè)計對比

5.2 分光器件的測試

將以上制備好的濾光片放入Disco-123晶圓切割機中，切割成0.76 mm×0.76 mm×0.7 mm的小濾光片。每片切割完畢的小濾光片放置在30倍率顯微鏡下進行目檢，檢測小濾光片上是否有黑點、刮傷、切穿等現(xiàn)象，將合格的濾光片收集起來，如圖8所示。

圖8 切割后的濾光片

小濾光片與定制的斜方棱鏡之間用膠水粘接。選擇固化快、收縮率低、粘接強度高的UV膠水，將清洗干凈的斜方棱鏡與濾光片前表面用力均勻粘接，然后固定UV燈照射，加速固化。溢膠用沾取酒精丙酮混合溶液的軟布輕輕擦除。

膠合后的分光器件如圖9所示，將它與六個陣列排布的準直器連接，六個通道全部出光，證明光全部耦合進入光纖，并用功率計測試插入損耗，1 371 nm通道的測試數(shù)據(jù)如圖10所示，通帶插入損耗為0.37 dB。最終每個通道的插入損耗分別為 0.37 dB、0.53 dB、0.68 dB、0.83 dB、0.99 dB、1.14 dB，滿足指標要求。

圖9 分光器件的實物圖

圖10 1 371 nm通道插入損耗測試曲線

6 結(jié)論

為了器件小型化，并固定出射光的間距和角度，以降低出射光與準直器的耦合難度，本文設(shè)計了一種新型分光器件，平行度≤3′，使六束分光全部進入準直器。并根據(jù)分光器件中濾光片的技術(shù)指標要求，利用TFCalc膜系設(shè)計軟件，完成對窄帶濾光片的設(shè)計。最終研制濾光片通帶平均透過率為97.64%，最小透過率為96.36%，反射帶截止深度為OD3，并具有良好的環(huán)境適應性。最終測得六個通道的插入損耗分別為0.37 dB、0.53 dB、0.68 dB、0.83 dB、0.99 dB、1.14 dB，有效降低了器件的插入損耗。