濾光器涂層增強(qiáng)通信系統(tǒng)簡析

光濾波器是通信系統(tǒng)中關(guān)鍵的基本組件之一。近年來，濾光片設(shè)計和制造技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了越來越復(fù)雜的濾光片的大規(guī)模生產(chǎn)。

光學(xué)薄膜濾波器是任何現(xiàn)代光通信系統(tǒng)的重要組成部分——它們傳輸光譜的選定部分，同時拒絕其他波長。這些組件通常由沉積在玻璃基板上的多層薄膜堆疊組成。濾光片涂層的工作原理基于光學(xué)干涉理論。

涂層的設(shè)計和制造決定了在特定波長范圍內(nèi)透射、反射或阻擋光線的不同過濾功能。在一些應(yīng)用中，例如波分復(fù)用（WDM）、光分插復(fù)用（OADM）和無源光網(wǎng)絡(luò)（PON），濾波器涂層功能遵循ITU或IEEE定義的波長網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)以及其他要求 ，但過濾性能可根據(jù)具體需求定制。用于光通信的濾波器的典型尺寸通常在1~3毫米的范圍內(nèi)。濾光片通常涂覆在大尺寸的基板或晶片上，然后加工成最終尺寸。圖1顯示了濾光器元件。

在1980年代早期的WDM系統(tǒng)中，在光放大器出現(xiàn)之前，光學(xué)薄膜濾波器首先用于電信應(yīng)用。隨著1990年代初期光放大器和傳輸系統(tǒng)的發(fā)展，密集波分復(fù)用 (DWDM) 引起了電信運(yùn)營商的興趣。從那時起，薄膜技術(shù)一直是主要的濾波器技術(shù)，它組合或分離光信號或波段，以適當(dāng)?shù)厮茉旃庾V，以及將光通道插入傳輸鏈路或從傳輸鏈路中提取。與陣列波導(dǎo)光柵 (AWG) 或光纖布拉格光柵 (FBG) 技術(shù)相比，它在市場上的成功歸功于其低成本、低損耗和溫度穩(wěn)定性。在2000年代初期，DWDM 50/100/200 GHz 濾波器和跳躍濾波器成功部署在光纖電信基礎(chǔ)設(shè)施中。

近20年來，由于新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，出現(xiàn)了新型濾波器，包括粗波分復(fù)用（CWDM）、局域網(wǎng)波分復(fù)用（LAN-WDM）和短波波分復(fù)用（SWDM）。新的和非常具有挑戰(zhàn)性的濾波器設(shè)計，例如雙頻帶和多頻帶設(shè)計，被開發(fā)出來以支持這些新標(biāo)準(zhǔn)。這些設(shè)計減少了封裝器件中濾波器的數(shù)量，降低了插入損耗并使整個器件更小。在電信網(wǎng)絡(luò)中 DWDM/CWDM/PON 濾波器取得成功之后，濾波器對于部署在數(shù)據(jù)中心的 O-band CWDM、LAN-WDM 和 SWDM 收發(fā)器變得越來越重要。

在數(shù)據(jù)通信需求不斷增長的推動下，濾波器生產(chǎn)規(guī)模顯著增加，推動了沉積工藝、制造控制和測試自動化的改進(jìn)，從而大大降低了生產(chǎn)成本。這些技術(shù)進(jìn)步推動了光通信網(wǎng)絡(luò)的廣泛部署，從而支撐了全球互聯(lián)網(wǎng)。

從技術(shù)角度來看，一個好的濾光片鍍膜工藝主要包括三個方面：

可制造性設(shè)計。通常，光學(xué)薄膜鍍膜設(shè)計方法基于初始堆疊，或所謂的起始設(shè)計。應(yīng)用數(shù)值方法細(xì)化每個涂層的厚度以達(dá)到目標(biāo)性能。選擇一個好的起始設(shè)計是實現(xiàn)所需性能的基礎(chǔ)，這在很大程度上取決于設(shè)計師的經(jīng)驗和專業(yè)知識。

借助現(xiàn)代鍍膜設(shè)計軟件，不難獲得實現(xiàn)非常復(fù)雜光學(xué)功能的鍍膜設(shè)計。但是，如果沒有經(jīng)驗支持，這種方法可能會導(dǎo)致無法大批量生產(chǎn)的設(shè)計。對于過濾器設(shè)計人員而言，最具挑戰(zhàn)性和最耗時的任務(wù)是設(shè)計出最簡單的過濾器設(shè)計，以承受最大的制造過程可變性并仍能實現(xiàn)高產(chǎn)量。工藝可變性會導(dǎo)致涂層厚度和材料折射率的誤差。先進(jìn)的軟件模擬工具提供制造和監(jiān)控過程的參數(shù)細(xì)節(jié)，包括沉積速率漂移、基板的旋轉(zhuǎn)速度、光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)的狹縫寬度、快門延遲等。必須區(qū)分系統(tǒng)性錯誤和隨機(jī)性錯誤并分別處理。

生產(chǎn)效率高。沉積工藝的選擇往往直接決定了生產(chǎn)的批量成本。用于光通信濾波器的薄膜沉積工藝主要有三種類型：離子輔助沉積 (IAD)、離子束濺射 (IBS) 和磁控管濺射 (MS)。其中，IAD的成本相對較低，但沉積速率波動和整個涂層材料折射率的不一致限制了其在最復(fù)雜濾波器的生產(chǎn)中的使用，例如DWDM和增益平坦濾波器。與 IAD 相比，IBS 和 MS 工藝能夠在相對較大的基板上沉積薄膜。眾所周知，IBS 可以生產(chǎn)具有極低缺陷濃度的出色光學(xué)質(zhì)量的涂層。相比之下，MS 的材料沉積速率大約是 IBS 的兩倍，將單次涂層運(yùn)行的時間縮短了大約一半。

給定相同的沉積工藝和涂層面積，產(chǎn)量（或有效涂層面積）決定了最終過濾器產(chǎn)品的產(chǎn)量和成本。沉積過程需要穩(wěn)定、可重復(fù)和良好控制才能實現(xiàn)高產(chǎn)量。所有的工藝設(shè)置和實際參數(shù)，如離子源、真空度、氣流、加熱器和轉(zhuǎn)速，都可以被記錄和跟蹤，以分析波動對產(chǎn)量的影響。優(yōu)化產(chǎn)量意味著實現(xiàn)最佳的涂層厚度均勻性。對于高精度光通信濾波器，需要將鍍膜區(qū)域的鍍膜厚度均勻性誤差控制在0.07%以內(nèi)。

復(fù)雜涂層的厚度控制。廣泛采用的涂層厚度控制方法包括時間控制、石英晶體監(jiān)測和直接光學(xué)監(jiān)測。其中，直接光監(jiān)測方法可以大大提高波長目標(biāo)，這對通信濾波器至關(guān)重要。

有兩種類型的濾光器涂層堆疊結(jié)構(gòu)。第一個此類結(jié)構(gòu)由四分之一波 (QW) 層組成，通常用于生成單帶通濾波器。第二種結(jié)構(gòu)基于涂層堆疊，其層厚通過數(shù)值方法充分優(yōu)化；優(yōu)化后沒有 QW 或“非 QW”層。對于 QW 堆棧，當(dāng)監(jiān)測光信號的反射或透射強(qiáng)度達(dá)到最大值或最小值時，涂層系統(tǒng)過渡到下一層的生長?；谶@種技術(shù)的光學(xué)厚度控制稱為轉(zhuǎn)折點(diǎn)監(jiān)測。這種實時監(jiān)控技術(shù)的一大優(yōu)勢是，通過實時調(diào)整后續(xù)層的沉積，可以即時糾正薄膜沉積中的小錯誤。

對于非 QW 設(shè)計，當(dāng)光反射或透射強(qiáng)度達(dá)到理論預(yù)測水平時，通常使用光學(xué)水平監(jiān)測技術(shù)來終止每一層沉積。對于每個非 QW 設(shè)計，都需要開發(fā)和實施光學(xué)控制策略。不同的光學(xué)水平監(jiān)測策略利用不同的涂層厚度預(yù)測模型，并且沒有適用于所有情況的單一、通用策略。適當(dāng)?shù)牟呗匀Q于沉積環(huán)境和要制造的涂層類型。

批量生產(chǎn)的高端濾光片涂層

盡管窄帶通道間隔低至 50 GHz 和 25 GHz 的薄膜解決方案已經(jīng)得到展示，但 DWDM 濾波器的大部分市場需求是針對 100 GHz 通道間隔的應(yīng)用。這些 100 GHz 濾波器是基于廣為人知的 QW 設(shè)計的窄帶濾波器，由五個或六個腔組成。六腔 100 GHz 濾波器提供更陡峭的斜率（見圖2）。這轉(zhuǎn)化為更大的三端口封裝裝配公差。

圖2. 五腔和六腔 100 GHz 濾波器的理論傳輸

增益平坦濾波器 (GFF) 用于光放大器中以均衡放大頻譜上的信號增益。它們是高度復(fù)雜的過濾器，需要嚴(yán)格控制材料折射率、層厚和涂層均勻性。GFF 被視為寬帶濾波器，通?；诜?QW 涂層設(shè)計。最大峰峰值誤差函數(shù) (PPEF) 是定義 GFF 性能的最重要參數(shù)之一。帶寬、調(diào)制深度和最大斜率是表征 GFF 質(zhì)量的其他參數(shù)。圖3顯示了專為高增益放大器設(shè)計的 GFF 的目標(biāo)和測量插入損耗。

圖3.為高增益光放大器設(shè)計的增益平坦濾波器的插入損耗目標(biāo)和測量結(jié)果

分束器用于將入射光以指定的比率分成兩個獨(dú)立的光束。 涂層表面的入射角通常為 45 度，從而導(dǎo)致透射光路和反射光路之間存在垂直關(guān)系。 分束器最重要的性能參數(shù)之一是均勻偏振光束的 p 和 s 偏振態(tài)之間的最大分束差。 分束器可用作立方體或板。 與立方體相比，板更輕且成本更低，但立方體可以實現(xiàn)p和s偏振之間最均勻的分裂差異。

分束立方體涂層的設(shè)計和制造與GFF和100GHz濾波器有很大不同。首先，涂層的入射介質(zhì)是玻璃而不是空氣。在制造工作流程中，介電涂層應(yīng)用于兩個棱鏡之一的斜邊；然后將兩個棱鏡粘合在一起形成立方體。此外，一對高折射率涂層材料和低折射率涂層材料不足以實現(xiàn)所需的非偏振透射。典型的設(shè)計涉及至少三種涂層材料，每一種都經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整。圖 4 展示了 50/50 非偏振分束器鍍膜設(shè)計的性能。該圖表明，三種完全優(yōu)化的涂層材料可以實現(xiàn)小于1% 的偏振分光差異。

圖4.使用三種材料的 50/50 非偏振分束器涂層的設(shè)計性能

濾光片技術(shù)的發(fā)展得益于悠久的重要成就歷史以及設(shè)計和制造工具方面多年的技術(shù)進(jìn)步。鍍膜濾光片仍然是一個復(fù)雜的過程，仍然需要專業(yè)知識和經(jīng)驗才能以最高的產(chǎn)量提供最佳性能。深入了解材料的特性和沉積系統(tǒng)是高性能濾波器設(shè)計的關(guān)鍵，這將使下一代系統(tǒng)具有更高的光譜效率。

審核編輯：劉清