齊雙陽，劉冬梅，朱忠堯，張功，陳延涵

（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）

數(shù)據(jù)中心具有傳輸、展示、計算數(shù)據(jù)信息等功能，是在互聯(lián)網(wǎng)上使用的全球協(xié)作的特殊設備的網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)中心由高速光網(wǎng)脈絡相互連接，傳輸節(jié)點由光模塊構成。光模塊將電信號轉(zhuǎn)化成光信號進行傳輸，光譜吸收、光信號強度、偏振等因素都會影響光模塊整體的傳輸信號 功 能 。 QSFP28［1］（Quad Small Form-factor Pluggable 28）是一種緊湊型、可插拔的收發(fā)器標準，因其具有體積小、端口密度大、功耗低和成本低等優(yōu)勢，成為了100 G光模塊的主要封裝方式，廣泛應用于全球數(shù)據(jù)中心。近年來，國內(nèi)多家科研單位及生產(chǎn)企業(yè)都對100 G QSFP28光模塊進行了研究，旨在提高光模塊的傳輸效率，降低插入損耗。2019年，肖蠡虎等人［2］利用PAM4信號在高速傳輸方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)了100 Gb/s信號在光纖上的有效傳輸，保證了100 G光模塊器件的小型化，有利于提高集成度；2020年，張博文［3］提出了一種基于COB技術的接收端設計方案，使光模塊輸出優(yōu)秀，在高低溫環(huán)境測試下傳輸性能較為穩(wěn)定，通過2 km光纖及電源注噪后傳輸性能表現(xiàn)良好。

本文研究的是用于數(shù)據(jù)中心QSFP28 100 Gb/s光模塊，該光模塊的合光器件采用一種全新的BLOCK結(jié)構，將4路25 Gpbs Lan-WDM光信號合成一路光信號耦合到磁光隔離器，在一根單模光纖上進行信號傳輸。該結(jié)構的合光器件封裝時，COM端合光信號出射存在一定角度，使得光信號無法準直進入磁光隔離器中，插入損耗會變大。若調(diào)整磁光隔離器的位置，則該光模塊的尺寸會增大，不利于使用。本文針對BLOCK結(jié)構合光器件的合光信號不能準直耦合進入磁光隔離器中的問題進行了研究，在不影響封裝的前提下，設計了一種光信號轉(zhuǎn)折棱鏡，對其進行理論與實驗分析，并測試其可行性。

1 理論分析與轉(zhuǎn)折棱鏡結(jié)構設計

光模塊的合光器件為細波分復用（Lan-WDM）器件，采用BLOCK結(jié)構，由一個斜方棱鏡和四個濾光片構成，四個濾光片均在斜方棱鏡的一側(cè)，該器件的所有組成部件由BK7玻璃制成，部件之間采用紫外固化膠黏接而成。由于玻璃的熱膨脹系數(shù)CTE（Coefficient of Thermal Expansion）比較?。?］，因此該 BLOCK 結(jié)構的合光器件相較于傳統(tǒng)焊接的器件具有更好的溫度穩(wěn)定性。如圖1所示，將1 295.56 nm、1 300.05 nm、1 304.58 nm、1 309.14 nm四種波長光信號復用成一路光信號以13.5°出射進入磁光隔離器中，通過一根光纖進行信號傳輸。

圖1 BLOCK結(jié)構合光器件

該磁光隔離器為偏振相關型，應用在光模塊封裝中，作用是讓光單向傳輸，防止反向傳輸?shù)墓庥绊懴到y(tǒng)的穩(wěn)定性。一定強度的連續(xù)線偏振光信號進入磁光隔離器中，入射光強度I0和透射光強度I分別與其對應的光功率P0、P成正比關系，正向插入損耗 IL［5］為：

入射的線偏振光信號的偏振狀態(tài)影響光功率和光強，從而影響整個光模塊的插入損耗，影響傳輸距離。磁光隔離器由三部分組成，即起偏器、法拉第旋轉(zhuǎn)器（磁光晶體）和檢偏器［6］。法拉第旋轉(zhuǎn)器放置在兩個偏振器前后，其中和的透光軸方向呈45°夾角，基本結(jié)構如圖2所示。

圖2 磁光隔離器基本結(jié)構

當偏振光信號通過起偏器P1變成與其光軸方向相同的線偏振光，通過法拉第旋轉(zhuǎn)器中，磁光晶體產(chǎn)生磁光效應，使線偏振光振動方向旋轉(zhuǎn)45°，保證了和檢偏器光軸方向一致，光信號可以正常通過進行信號傳輸。光信號在光纖中傳輸會產(chǎn)生不必要的反射光，當反射光經(jīng)過檢偏器P2，在通過過磁光晶體，最終線偏振光振動方向會與起偏器光軸互相垂直，反射光被阻擋，不能進入光模塊中。

合光信號為線偏振光，其轉(zhuǎn)折棱鏡反射時偏振狀態(tài)變化過大影響通過隔離器的光功率，使得插入損耗偏高，影響光模塊信號的實際傳輸距離。為了保證出射光的偏振態(tài)保持一致，需要在轉(zhuǎn)折棱鏡反射面鍍膜來補償偏振效應。

1.1 偏振態(tài)分析

由于當光以一定的角度入射時，對于多層薄膜的有效厚度改變，會導致S光和P光反射率、相位的改變，很難保持光的偏振態(tài)。

光學薄膜在光傾斜入射時可等效為一線偏振器和一相位延遲器［7］，可以用瓊斯矩陣表示光的偏振態(tài)，還可以通過疊加計算反射后的偏振態(tài)。設入射偏振光分解成P偏振光和S偏振光，其中P光與x軸平行，S光與y軸平行，反射光對應的瓊斯矩陣JR的形式為：

其中，JR表示為薄膜反射面的瓊斯矩陣；DR表示線偏振器；CR表示相位延遲器；|分別為P光與S光的反射率；δR表示P光與S光的相位差?；谄駪B(tài)改變和相位延遲，經(jīng)過推導得到斜入射的瓊斯矩陣：

其中，α為光所在的入射角的偏振方向與參考偏振方向的旋轉(zhuǎn)角。一般情況下，光波通過一薄膜系統(tǒng)后，反射光的偏振狀態(tài)會發(fā)生變化。因此在薄膜設計時，可以利用這一特性來改變光學系統(tǒng)中光的偏振，將光波控制在理想的偏振狀態(tài)。這些因素與偏振光的入射角和薄膜的膜系有關，為了維持偏振態(tài)，在設計多層膜系須滿足 Rp=Rs，δs= δp± 180°。線偏振光在介質(zhì)高反膜反射時，線偏振光的振動方向發(fā)生了改變。記 α1、分別為入射光和反射光的振動方位角，則由菲涅耳公式可得［8］：

光在金屬膜中傳播時具有傍軸傾向，以相同的入射角入射時偏振效應一般小于介質(zhì)膜［9］。對于金屬膜，P偏振的反射率最小可以近似表示為：

其中，Rs、Rp分別為P偏振光和S偏振光的反射率。不難發(fā)現(xiàn)，金屬膜的光學常數(shù)越大，其偏振效應就越小。在近紅外區(qū)，金屬膜所帶來的偏振效應更小且具有很高的反射率。相比于介質(zhì)高反膜，金屬膜在制備工藝、材料價格方面更具有優(yōu)勢，在實際使用時無需調(diào)節(jié)磁光隔離器中的磁光晶體，提高了生產(chǎn)效率。所以綜合考慮，對轉(zhuǎn)折棱鏡反射面鍍制金屬膜，并進行相關測試與分析。

1.2 轉(zhuǎn)折棱鏡結(jié)構設計

根據(jù)轉(zhuǎn)折棱鏡的光學結(jié)構要求，在設計時需要考慮以下兩個方面：一是COM端出射的光信號要盡可能垂直入射到準直器中，二是轉(zhuǎn)折棱鏡的體積不能過大，不影響封裝。

對于已知的合光器件斜方棱鏡的倒角為74°，長度為 5.297±0.05 mm，寬度為 3.247±0.05 mm，厚度為1.025±0.05 mm。轉(zhuǎn)折棱鏡尺寸在設計時存在兩個難點，第一是設計轉(zhuǎn)折棱鏡的角度，以保證垂直入射，第二是轉(zhuǎn)折棱鏡的尺寸及膠合時的相對位置。根據(jù)菲涅耳反射定律，計算出其轉(zhuǎn)折棱鏡的倒角為53°。光以13.5°進入轉(zhuǎn)折棱鏡中，薄膜的入射角為43°，如圖3所示，在轉(zhuǎn)折棱鏡1面和2面鍍高反射膜。

圖3 轉(zhuǎn)折棱鏡結(jié)構圖

2 高反射膜的研制

鋁（Al）、銅（Cu）、銀（Ag）、金（Au）是常見的金屬薄膜材料，在近紅外區(qū)域都有很高的反射率［10］。銀的光學常數(shù)較大，引入的偏振效應也最小，但是價格昂貴，與玻璃的附著力差，容易受硫化物影響導致反射率降低；金價格昂貴，與介質(zhì)膜搭配很差；銅的光譜曲線與金類似；鋁相對來說價格合理，化學性質(zhì)穩(wěn)定，與基底附著性良好，與介質(zhì)材料匹配也不錯，綜合來說選取鋁作為薄膜材料。鋁膜質(zhì)地較軟，容易損傷，而且在空氣中很容易被氧化而導致反射率降低，因此在鋁膜上鍍制一層SiO2介質(zhì)膜，保護鋁膜不被損傷和氧化。為保證鋁膜在目標波段的反射率，將鋁膜的物理厚度設計為120 nm。

薄膜是在西沃克-700真空鍍膜機制備的，如圖4所示。采用阻蒸的方法沉積鋁膜，電子束蒸發(fā)沉積SiO2介質(zhì)膜。

首先將純度99.99%的鋁粒進行處理，以保證干燥無污染，將鋁粒放入鎢舟進行蒸鍍，為了防止鋁蒸發(fā)時有鋁珠掉落到鍍膜機底板發(fā)生濺射損壞基片，需要在鎢絲底部放置鋁薄片防護。手動控制阻蒸電流，控制鋁膜的沉積速率。薄膜厚度和沉積速率利用SQC-310型晶控儀控制，并用Kaufman離子源進行輔助沉積。在真空度達到3.0×10-3Pa時，打開離子源，轟擊基片持續(xù)10 min左右，以提高鋁膜與BK7玻璃基底的附著力，并且不加溫沉積，蒸鍍工藝如表1所示。

表1 Al、SiO2蒸鍍工藝參數(shù)

用日本島津公司UV-3150分光光度計對實驗制得的樣品進行檢測，得到的光譜圖如圖5所示，反射率略微下降，原因是鋁蒸發(fā)的速率不易控制，導致鋁膜厚度有所偏差；而且蒸鍍鋁時對真空度要求較高，稍有變化會影響其折射率。不過在1 280～1 320 nm波段平均反射率96.8%，滿足要求。

圖5 金屬膜反射率理論設計與測試曲線對比圖

3 測試

UV無影膠又稱紫外固化光學光敏膠，與BK7玻璃的黏結(jié)效果良好，且具有耐溫性好、透光性高的特點［11］。將鍍膜后的樣品冷加工切割成所需尺寸的轉(zhuǎn)折棱鏡，采用3D影像儀測量尺寸，將尺寸合格的轉(zhuǎn)折棱鏡用UV無影膠固定在BLOCK合光處，選取五個樣品。圖6是使用3D影像儀測量轉(zhuǎn)折棱鏡尺寸及其膠合在COM端位置尺寸的測試圖。膠合前要對光膠表面進行清理，保證清潔度；其次檢查光圈，防止光圈過高或過低導致脫膠；需要在恒溫的環(huán)境下進行，以免樣品受熱不均勻，導致膠合困難。

圖6 合光器件3D影像儀測試圖

3.1 環(huán)境測試

針對合光器件的環(huán)境性能，對合光器件進行了一系列測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 環(huán)境測試結(jié)果

樣品經(jīng)過了環(huán)境測試，表明所制備的合光器件機械性能良好，薄膜具有很好的環(huán)境適應能力。

3.2 插入損耗測試

將合光器件樣品封裝在光模塊中，用光功率計測試每一波長的光功率p，再檢測通過磁光隔離器的每一波長的光功率p0，根據(jù)公式（1）計算出每一波長的插入損耗，總插入損耗要求小于0.7 dB時不影響傳輸距離，經(jīng)過測試，其結(jié)果如表3所示。

由表3可知，光模塊五次測試結(jié)果均小于0.7 dB，滿足實際使用要求，不影響該器件的傳輸距離。該測試是在常溫下進行的，然而光模塊實際使用可能會受到環(huán)境溫度的影響，將光模塊進行高溫80℃與低溫-40℃的測試，測試結(jié)果如表4、表5所示。

表3 光模塊測試結(jié)果

從表4、表5中可以看出高溫下光模塊的插入損耗明顯提高，合光器件受到的影響較大，而低溫下的插入損耗比常溫下的偏低，合光器件性能比較穩(wěn)定。總體看來，該類型的光模塊在高低溫工作狀態(tài)下，性能依然能夠在合理范圍內(nèi)滿足要求。

表4 高溫下光模塊測試結(jié)果

表5 低溫下光模塊測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文從理論分析、結(jié)構設計和實驗三方面對合光器件的光學性能進行了分析與討論，設計了一種膠合于合光器件COM端的轉(zhuǎn)折棱鏡結(jié)構，保證合光信號能夠準直進入磁光隔離器中。通過對不同界面處偏振效應的分析，采用在轉(zhuǎn)折棱鏡上鍍膜的方法，有效減小了插入損耗，保證了信號的傳輸距離和完整性，且該合光器件通過了相應環(huán)境測試。綜合對比，滿足插入損耗不超過0.7 dB條件下，鋁膜憑借其工藝簡單、材料價格低、合光器件在封裝時無需調(diào)制磁光隔離器的特點，在工業(yè)化生產(chǎn)中相較于介質(zhì)高反膜更具優(yōu)勢?；诒疚难芯克谱鞯墓饽K目前已經(jīng)投入使用，在數(shù)據(jù)中心有源器件方向有很廣闊的實用前景。