用于5 G分光器件低损耗滤光膜的研究

陈星聿，付秀华，朱忠尧，张功，檀承启

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.北京空间机电研究所，北京 100049）

5 G网络作为4 G网络的延伸，是将4 G网络中的基带处理单元重新划分，将基站与核心网络之间分成前传网络、中传网络与回传网络。虽然前传网络的带宽需求没有回传网络要求高，但是由于基站的数量多［1-3］，前传网络规模庞大，所以需要降低前传网络的成本。

基站与分布单元之间的传输网络称为前传网络。基站分为三个扇区，采用光纤直联的方式，三个方向同时进行信号的接收与发射，则需要六条光纤［4-5］。如果在靠近基站的位置使用波分复用器件，将三个方向的信号汇集到一根光纤传输给分布单元，则可以大大减低前传网络的光纤成本。接收信号和发射信号采用不同的波段，所以需要六通道的波分复用器件。

深圳亿源通光电科技有限公司的粗波分复用器件（CWDM）采用自由空间技术的光纤联级方式，四通道插入损耗为1.4 dB、八通道插入损耗为1.7 dB，器件尺寸为40 mm×20 mm×604 mm。用于双光纤传输的无源6端口CWDM，它的单通道插入损耗为0.7 dB。为了得到低损耗的分光器件，提升分光器件中滤光膜的光谱性能是研究的主要方向。

本文提出将斜方棱镜与滤光片胶合的结构作为新的光纤联级方式，设计了一种适合用于5 G前传的分光器件。针对分光器件的结构以及分光器件中滤光膜的材料选择、膜系设计、制备技术进行研究。

1 分光器件的结构设计

2002年4月ITU-T建议G.694.2规范粗波分复用系统的波段范围为O、E、S、C、L和U这6个波段，其波长间隔为20 nm。目前25 G分光器件常用的波段［9-10］分为1 271 nm、1 291 nm、1 311 nm、1 331 nm、1 351 nm、1 371 nm这六个波段。5 G光模块接口带宽需求从CPRI的100 G下降至eCPRI的25 G［11］，协议要求工业温度等级为-40℃～85℃。

分光器件的结构由图1所示，斜方棱镜与滤光片都选用N-BK7肖特玻璃，其透明区为350～2 500 nm，折射率为1.504（对应波长1 300 nm）。三端口波分复用器件的光信号入射角度最大为13.5°，根据目前的封装规范，为了器件小型化，设定斜方棱镜长为13 mm，倾斜角为76.5°，根据折射定律，光信号进入斜方棱镜上表面的折射角为8.8°。由于经过滤光片的六束光束要与六个阵列排布的准直器耦合，出射光束间距固定为1.8 mm，经计算斜方棱镜的斜边为5.88 mm。

图1 六通道分光器件的光路图

在大规模生产中，厂家固定玻璃片的厚度，滤光片统一尺寸为0.76 mm×0.76 mm×0.7 mm。则设计第一个滤光片距边缘1.62 mm，其余每个滤光片都相隔1.04 mm分布，以确定六束光信号全部出射。斜方棱镜上表面一部分反射剩余的光信号，另一部分透射光纤准直器出射的光。斜方棱镜上下表面尽可能达到平行，所以上表面的反射光间距同样为1.8 mm。经计算第一个反射点距离上表面左边缘为8.78 mm，入射光距离右边缘为2.48 mm，所以设计反射区长度为9.5±0.5 mm。

玻璃加工中通常会产生一定误差，斜方棱镜的平行度会影响光信号的出射位置。当平行度误差为α时，光信号在六个滤光片的入射角分别为 8.8°、8.8°+2α、8.8°+4α、8.8°+6α、8.8°+8α、8.8°+10α。经计算当α为3′时，最后一片滤光片处的入射光位置偏移了0.31 mm，接近滤光片的边缘。所以器件加工时需控制平行度在3′以内。

图2为分光器件的俯视图，它的结构设计和分光方式，与三端口设计不同［12］，通过控制斜方棱镜入射面和出射面的平行度，降低六束出射信号光束的角度误差。这种全新的分光方式，固定了透射光的角度，大大降低了出射光束与光纤准直器的耦合难度，提高了封装效率。

图2 六通道分光器件的俯视图

为满足分光器件最大插入损耗小于1.2 dB，即第六通道插入损耗小于1.2 dB，经计算在1 371 nm处插入损耗应小于0.4 dB，能使最后一束光信号在斜方棱镜内经过十次反射产生的叠加损耗小于1.2 dB。光纤准直器的插入损耗通常为0.2 dB，所以在1 371±6.5 nm的通带范围内，指标要求插入损耗≤0.15 dB，通带最大插入损耗≤0.2 dB。截至带宽指标要求30 dB处≤25 nm。在光纤通信系统中，波长的透射损耗比τ（dB）与光谱透过率T（%）的关系为

经计算得滤光片透射区平均透过率≥96.6%，最小透过率≥95.5%，截止区深度为OD3。六个滤光片的通带宽度、反射带宽度、通带内插入损耗、反射带传输隔离度等指标相同，可以由一个滤光片调整参考波长得到其他滤光片。本文将以中心波长1 371 nm滤光片为例，对其制备过程及性能展开研究。

2 材料选择

在波分复用系统中，目前常用在介质薄膜滤光片的高、低材料为 Ta2O5或 Ti3O5和 SiO2［13］。由于Ta2O5的折射率比Ti3O5的折射率低，与SiO2匹配时更有利于达到滤光片的带宽要求。Ta2O5作为高折射薄膜材料具有较强的机械性能和耐腐蚀性，也可以用在高温环境中，适合用于户外工作。两种材料采用电子式蒸发，离子源辅助沉积工艺，离子源充入高纯氧气可以补充材料在热蒸发中缺失的氧原子，降低材料的吸收损耗。分别将Ta2O5和SiO2的单层膜透过率光谱曲线导入Macleod软件，进行材料折射率拟合。Ta2O5与SiO2的折射率曲线如图3所示，在1 371 nm处Ta2O5的折射率为2.123，SiO2的折射率为1.457。

图3 材料折射率

3 膜系设计

本文以N-BK7作为基底材料，其透明区为350～2 500 nm。根据滤光片的指标要求，前表面采用全介质法布里-珀珞滤光片，它具有近平三角形的通带，串置组合简单的滤光片，可以改变滤光片通带的形状，以实现入射角8.8°时，1 364.5～1 378.5 nm的高透过率，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，提高通带的透过率，减少信号的损耗。

3.1 滤光片的前表面设计原理

采用法布里-珀珞滤光片G|（HL）sH 2 mL H（LH）s|J（G|反射层 间隔层 反射层|J）作为初始膜系，G表示基底N-BK7，J表示胶合剂UV胶水，H表示高折射率材料Ta2O5，L表示低折射率材料SiO2，s表示周期数，m为干涉级次。它是根据法布里-珀珞干涉仪的原理制成的干涉膜系。F-P标准具是将两个间距为d的平行平板的内表面镀上高反膜，形成多光束干涉以获得尖锐的细条纹［14］。用反射层代替平行平板，两个反射层之间由虚设层连接，由于虚设层代替标准具的间距d的位置，所以又称为间隔层，这种薄膜组合的特性分析与标准具完全相同，称之为法布里-珀珞滤光片。

虽然膜料均匀蒸发在光滑的基板上，但还是不能加工到标准具平板的面型精度，所以法布里-珀珞滤光片只能用在较低的干涉级次［15］，事实也证明，当间隔层的级次超过四时，光谱通带会变宽，峰值透过率将变低。

取反射层中高折射率膜层的数量为x，反射层的导纳为：

得出低折射率间隔层G|（HL）sH 2 mL H（LH）s|J的光谱透过率为：

同样，可得光谱半宽度表达式为：

得出，低反射率将会得到更宽的通带。由于滤光片使用在激光系统中，在基板表面先沉积λ/2SiO2作为内保护层，可以提高激光损伤阈值，并对光谱曲线没有影响。为了使通带具有高的透过率且边缘陡峭，借助TFC膜系设计软件将多个法珀腔由耦合层SiO2叠加起来，并在最外层增加增透膜，可以大大提高通带透过率，得到的优化设计曲线如图4所示，膜系结构为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，通带宽度、截止深度满足技术指标的要求。

图4 窄带滤光片的透过率理论曲线

3.2 滤光片的后表面设计原理

由于单面镀膜不能满足指标的全部要求，因此在后表面镀增透膜提高通带透过率，增透膜的基础膜系为G|（HL）s|A。经TFC膜系设计软件，根据技术指标优化后得到的膜系结构为G|5.28H 1.48L 4.39H 1.78L|A，得到双面镀膜的光谱设计曲线如图5所示。

图5 双面透射理论曲线

理论设计1 364.5～1 378.5 nm的平均透过率为99.82%，透过率最小值为99.68%，1 260～1 358.5 nm和1 383.5～1 390 nm的透过率分别为0.04%、0.06%，满足指标要求。

4 薄膜的制备

本实验采用光驰科技（上海）有限公司生产的OTFC-1300型直控机制备滤光片，该设备配有HOM2-R-VIS350A光学膜厚监控仪、XTC/3+6点式水晶传感器和17 cmRF离子源。在镀膜过程中，监控光路的透过率随膜层厚度而变化，当到达极值点时其光学厚度为监控波长的1/4的整数倍，对于规整膜系可以使用光学监控的方法控制膜厚。由于耦合层SiO2没有极值点，所以这几层用晶控法监控膜厚，其利用了石英晶体振动频率与其质量成反比的原理，通过仪表监控来进行膜厚控制。

对于多层膜的制备工艺，基板温度、蒸发速率、充氧量等因素都会影响成膜质量。在电子束蒸发过程中Ta2O5、SiO2的氧空位会产生缺失，材料的蒸发速率也影响着材料与离子源氧气的结合。随着基板温度的升高，材料粒子获得较大的跃迁动能，使材料在基板上均匀的生长。综合考虑本实验Ta2O5与SiO2的蒸发速率分别为0.35 nm/s、0.8 nm/s，充氧量分别为 70 mL/min、50 mL/min。

在开始镀膜前先进行光控调试，把光调到最大，测试光的稳定性。将用去离子水清洗好的基片放置在伞架上，当抽真空到1×10-2Pa时开始烘烤，将工件盘加热至220℃保持0.5 h。然后设置缓慢放气360 s使真空度达到8×10-3Pa，进行离子源清洗300 s，提高薄膜与基板的吸附性。当真空度达到3×10-4Pa时开始镀膜，离子源工艺参数如表1所示。

表1 离子源工艺参数

5 测试与分析

5.1 光谱测试

采用 1 250～1 670 nm ASE light Source光谱仪对双面镀膜后的滤光片进行测试。滤光片涂胶测试其8.8°入射下1 300～1 400 nm波段的透过率曲线如图6所示，从图中可以得出带通滤光片通带平均透过率为96.90%，最小透过率为93.48%，反射带的平均透过率为0.1%。

图6 测试光谱曲线与设计对比

由于通带光谱曲线波动较大，采用Macleod膜系设计软件对带通滤光片测试曲线进行逆向反演分析，将Ta2O5设为组1，由于制备滤光片时采用光控晶控相结合的监控模式，所以将由光学监控的反射层中SiO2设为组2、由石英晶控的间隔层SiO2与耦合层SiO2分别设为组3和组4，对各组进行Tooling调试，使设计曲线与测试曲线基本重合。组1和组2的Tooling值不变，组3的Tooling值为1.004，组4的Tooling值为0.97。膜层物理厚度除以Tooling值为拟合新膜系的物理厚度，优化后光谱曲线与设计光谱曲线如图7所示，带通滤光片通带平均透过率为97.64%，最小透过率为96.36%，反射带的平均透过率为0.1%，满足指标要求。

图7 优化后光谱曲线与设计对比

5.2 分光器件的测试

将以上制备好的滤光片放入Disco-123晶圆切割机中，切割成0.76 mm×0.76 mm×0.7 mm的小滤光片。每片切割完毕的小滤光片放置在30倍率显微镜下进行目检，检测小滤光片上是否有黑点、刮伤、切穿等现象，将合格的滤光片收集起来，如图8所示。

图8 切割后的滤光片

小滤光片与定制的斜方棱镜之间用胶水粘接。选择固化快、收缩率低、粘接强度高的UV胶水，将清洗干净的斜方棱镜与滤光片前表面用力均匀粘接，然后固定UV灯照射，加速固化。溢胶用沾取酒精丙酮混合溶液的软布轻轻擦除。

胶合后的分光器件如图9所示，将它与六个阵列排布的准直器连接，六个通道全部出光，证明光全部耦合进入光纤，并用功率计测试插入损耗，1 371 nm通道的测试数据如图10所示，通带插入损耗为0.37 dB。最终每个通道的插入损耗分别为 0.37 dB、0.53 dB、0.68 dB、0.83 dB、0.99 dB、1.14 dB，满足指标要求。

图9 分光器件的实物图

图10 1 371 nm通道插入损耗测试曲线

6 结论

为了器件小型化，并固定出射光的间距和角度，以降低出射光与准直器的耦合难度，本文设计了一种新型分光器件，平行度≤3′，使六束分光全部进入准直器。并根据分光器件中滤光片的技术指标要求，利用TFCalc膜系设计软件，完成对窄带滤光片的设计。最终研制滤光片通带平均透过率为97.64%，最小透过率为96.36%，反射带截止深度为OD3，并具有良好的环境适应性。最终测得六个通道的插入损耗分别为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损耗。