滤光器涂层增强通信系统简析-滤光片厚度对光路影响

光滤波器是通信系统中关键的基本组件之一。近年来，滤光片设计和制造技术的进步导致了越来越复杂的滤光片的大规模生产。

光学薄膜滤波器是任何现代光通信系统的重要组成部分——它们传输光谱的选定部分，同时拒绝其他波长。这些组件通常由沉积在玻璃基板上的多层薄膜堆叠组成。滤光片涂层的工作原理基于光学干涉理论。

涂层的设计和制造决定了在特定波长范围内透射、反射或阻挡光线的不同过滤功能。在一些应用中，例如波分复用（WDM）、光分插复用（OADM）和无源光网络（PON），滤波器涂层功能遵循ITU或IEEE定义的波长网格标准以及其他要求 ，但过滤性能可根据具体需求定制。用于光通信的滤波器的典型尺寸通常在1~3毫米的范围内。滤光片通常涂覆在大尺寸的基板或晶片上，然后加工成最终尺寸。图1显示了滤光器元件。

在1980年代早期的WDM系统中，在光放大器出现之前，光学薄膜滤波器首先用于电信应用。随着1990年代初期光放大器和传输系统的发展，密集波分复用 (DWDM) 引起了电信运营商的兴趣。从那时起，薄膜技术一直是主要的滤波器技术，它组合或分离光信号或波段，以适当地塑造光谱，以及将光通道插入传输链路或从传输链路中提取。与阵列波导光栅 (AWG) 或光纤布拉格光栅 (FBG) 技术相比，它在市场上的成功归功于其低成本、低损耗和温度稳定性。在2000年代初期，DWDM 50/100/200 GHz 滤波器和跳跃滤波器成功部署在光纤电信基础设施中。

近20年来，由于新标准的发展，出现了新型滤波器，包括粗波分复用（CWDM）、局域网波分复用（LAN-WDM）和短波波分复用（SWDM）。新的和非常具有挑战性的滤波器设计，例如双频带和多频带设计，被开发出来以支持这些新标准。这些设计减少了封装器件中滤波器的数量，降低了插入损耗并使整个器件更小。在电信网络中 DWDM/CWDM/PON 滤波器取得成功之后，滤波器对于部署在数据中心的 O-band CWDM、LAN-WDM 和 SWDM 收发器变得越来越重要。

在数据通信需求不断增长的推动下，滤波器生产规模显着增加，推动了沉积工艺、制造控制和测试自动化的改进，从而大大降低了生产成本。这些技术进步推动了光通信网络的广泛部署，从而支撑了全球互联网。

从技术角度来看，一个好的滤光片镀膜工艺主要包括三个方面：

可制造性设计。通常，光学薄膜镀膜设计方法基于初始堆叠，或所谓的起始设计。应用数值方法细化每个涂层的厚度以达到目标性能。选择一个好的起始设计是实现所需性能的基础，这在很大程度上取决于设计师的经验和专业知识。

借助现代镀膜设计软件，不难获得实现非常复杂光学功能的镀膜设计。但是，如果没有经验支持，这种方法可能会导致无法大批量生产的设计。对于过滤器设计人员而言，最具挑战性和最耗时的任务是设计出最简单的过滤器设计，以承受最大的制造过程可变性并仍能实现高产量。工艺可变性会导致涂层厚度和材料折射率的误差。先进的软件模拟工具提供制造和监控过程的参数细节，包括沉积速率漂移、基板的旋转速度、光学监控系统的狭缝宽度、快门延迟等。必须区分系统性错误和随机性错误并分别处理。

生产效率高。沉积工艺的选择往往直接决定了生产的批量成本。用于光通信滤波器的薄膜沉积工艺主要有三种类型：离子辅助沉积 (IAD)、离子束溅射 (IBS) 和磁控管溅射 (MS)。其中，IAD的成本相对较低，但沉积速率波动和整个涂层材料折射率的不一致限制了其在最复杂滤波器的生产中的使用，例如DWDM和增益平坦滤波器。与 IAD 相比，IBS 和 MS 工艺能够在相对较大的基板上沉积薄膜。众所周知，IBS 可以生产具有极低缺陷浓度的出色光学质量的涂层。相比之下，MS 的材料沉积速率大约是 IBS 的两倍，将单次涂层运行的时间缩短了大约一半。

给定相同的沉积工艺和涂层面积，产量（或有效涂层面积）决定了最终过滤器产品的产量和成本。沉积过程需要稳定、可重复和良好控制才能实现高产量。所有的工艺设置和实际参数，如离子源、真空度、气流、加热器和转速，都可以被记录和跟踪，以分析波动对产量的影响。优化产量意味着实现最佳的涂层厚度均匀性。对于高精度光通信滤波器，需要将镀膜区域的镀膜厚度均匀性误差控制在0.07%以内。

复杂涂层的厚度控制。广泛采用的涂层厚度控制方法包括时间控制、石英晶体监测和直接光学监测。其中，直接光监测方法可以大大提高波长目标，这对通信滤波器至关重要。

有两种类型的滤光器涂层堆叠结构。第一个此类结构由四分之一波 (QW) 层组成，通常用于生成单带通滤波器。第二种结构基于涂层堆叠，其层厚通过数值方法充分优化；优化后没有 QW 或“非 QW”层。对于 QW 堆栈，当监测光信号的反射或透射强度达到最大值或最小值时，涂层系统过渡到下一层的生长。基于这种技术的光学厚度控制称为转折点监测。这种实时监控技术的一大优势是，通过实时调整后续层的沉积，可以即时纠正薄膜沉积中的小错误。

对于非 QW 设计，当光反射或透射强度达到理论预测水平时，通常使用光学水平监测技术来终止每一层沉积。对于每个非 QW 设计，都需要开发和实施光学控制策略。不同的光学水平监测策略利用不同的涂层厚度预测模型，并且没有适用于所有情况的单一、通用策略。适当的策略取决于沉积环境和要制造的涂层类型。

批量生产的高端滤光片涂层

尽管窄带通道间隔低至 50 GHz 和 25 GHz 的薄膜解决方案已经得到展示，但 DWDM 滤波器的大部分市场需求是针对 100 GHz 通道间隔的应用。这些 100 GHz 滤波器是基于广为人知的 QW 设计的窄带滤波器，由五个或六个腔组成。六腔 100 GHz 滤波器提供更陡峭的斜率（见图2）。这转化为更大的三端口封装装配公差。

图2. 五腔和六腔 100 GHz 滤波器的理论传输

增益平坦滤波器 (GFF) 用于光放大器中以均衡放大频谱上的信号增益。它们是高度复杂的过滤器，需要严格控制材料折射率、层厚和涂层均匀性。GFF 被视为宽带滤波器，通常基于非 QW 涂层设计。最大峰峰值误差函数 (PPEF) 是定义 GFF 性能的最重要参数之一。带宽、调制深度和最大斜率是表征 GFF 质量的其他参数。图3显示了专为高增益放大器设计的 GFF 的目标和测量插入损耗。

图3.为高增益光放大器设计的增益平坦滤波器的插入损耗目标和测量结果

分束器用于将入射光以指定的比率分成两个独立的光束。 涂层表面的入射角通常为 45 度，从而导致透射光路和反射光路之间存在垂直关系。 分束器最重要的性能参数之一是均匀偏振光束的 p 和 s 偏振态之间的最大分束差。 分束器可用作立方体或板。 与立方体相比，板更轻且成本更低，但立方体可以实现p和s偏振之间最均匀的分裂差异。

分束立方体涂层的设计和制造与GFF和100GHz滤波器有很大不同。首先，涂层的入射介质是玻璃而不是空气。在制造工作流程中，介电涂层应用于两个棱镜之一的斜边；然后将两个棱镜粘合在一起形成立方体。此外，一对高折射率涂层材料和低折射率涂层材料不足以实现所需的非偏振透射。典型的设计涉及至少三种涂层材料，每一种都经过仔细调整。图 4 展示了 50/50 非偏振分束器镀膜设计的性能。该图表明，三种完全优化的涂层材料可以实现小于1% 的偏振分光差异。

图4.使用三种材料的 50/50 非偏振分束器涂层的设计性能

滤光片技术的发展得益于悠久的重要成就历史以及设计和制造工具方面多年的技术进步。镀膜滤光片仍然是一个复杂的过程，仍然需要专业知识和经验才能以最高的产量提供最佳性能。深入了解材料的特性和沉积系统是高性能滤波器设计的关键，这将使下一代系统具有更高的光谱效率。

审核编辑：刘清