100 G光模块Lan-WDM合光器件的研究

齐双阳，刘冬梅，朱忠尧，张功，陈延涵

（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）

数据中心具有传输、展示、计算数据信息等功能，是在互联网上使用的全球协作的特殊设备的网络。数据中心由高速光网脉络相互连接，传输节点由光模块构成。光模块将电信号转化成光信号进行传输，光谱吸收、光信号强度、偏振等因素都会影响光模块整体的传输信号 功 能 。 QSFP28［1］（Quad Small Form-factor Pluggable 28）是一种紧凑型、可插拔的收发器标准，因其具有体积小、端口密度大、功耗低和成本低等优势，成为了100 G光模块的主要封装方式，广泛应用于全球数据中心。近年来，国内多家科研单位及生产企业都对100 G QSFP28光模块进行了研究，旨在提高光模块的传输效率，降低插入损耗。2019年，肖蠡虎等人［2］利用PAM4信号在高速传输方面的优势，实现了100 Gb/s信号在光纤上的有效传输，保证了100 G光模块器件的小型化，有利于提高集成度；2020年，张博文［3］提出了一种基于COB技术的接收端设计方案，使光模块输出优秀，在高低温环境测试下传输性能较为稳定，通过2 km光纤及电源注噪后传输性能表现良好。

本文研究的是用于数据中心QSFP28 100 Gb/s光模块，该光模块的合光器件采用一种全新的BLOCK结构，将4路25 Gpbs Lan-WDM光信号合成一路光信号耦合到磁光隔离器，在一根单模光纤上进行信号传输。该结构的合光器件封装时，COM端合光信号出射存在一定角度，使得光信号无法准直进入磁光隔离器中，插入损耗会变大。若调整磁光隔离器的位置，则该光模块的尺寸会增大，不利于使用。本文针对BLOCK结构合光器件的合光信号不能准直耦合进入磁光隔离器中的问题进行了研究，在不影响封装的前提下，设计了一种光信号转折棱镜，对其进行理论与实验分析，并测试其可行性。

1 理论分析与转折棱镜结构设计

光模块的合光器件为细波分复用（Lan-WDM）器件，采用BLOCK结构，由一个斜方棱镜和四个滤光片构成，四个滤光片均在斜方棱镜的一侧，该器件的所有组成部件由BK7玻璃制成，部件之间采用紫外固化胶黏接而成。由于玻璃的热膨胀系数CTE（Coefficient of Thermal Expansion）比较小［4］，因此该 BLOCK 结构的合光器件相较于传统焊接的器件具有更好的温度稳定性。如图1所示，将1 295.56 nm、1 300.05 nm、1 304.58 nm、1 309.14 nm四种波长光信号复用成一路光信号以13.5°出射进入磁光隔离器中，通过一根光纤进行信号传输。

图1 BLOCK结构合光器件

该磁光隔离器为偏振相关型，应用在光模块封装中，作用是让光单向传输，防止反向传输的光影响系统的稳定性。一定强度的连续线偏振光信号进入磁光隔离器中，入射光强度I0和透射光强度I分别与其对应的光功率P0、P成正比关系，正向插入损耗 IL［5］为：

入射的线偏振光信号的偏振状态影响光功率和光强，从而影响整个光模块的插入损耗，影响传输距离。磁光隔离器由三部分组成，即起偏器、法拉第旋转器（磁光晶体）和检偏器［6］。法拉第旋转器放置在两个偏振器前后，其中和的透光轴方向呈45°夹角，基本结构如图2所示。

图2 磁光隔离器基本结构

当偏振光信号通过起偏器P1变成与其光轴方向相同的线偏振光，通过法拉第旋转器中，磁光晶体产生磁光效应，使线偏振光振动方向旋转45°，保证了和检偏器光轴方向一致，光信号可以正常通过进行信号传输。光信号在光纤中传输会产生不必要的反射光，当反射光经过检偏器P2，在通过过磁光晶体，最终线偏振光振动方向会与起偏器光轴互相垂直，反射光被阻挡，不能进入光模块中。

合光信号为线偏振光，其转折棱镜反射时偏振状态变化过大影响通过隔离器的光功率，使得插入损耗偏高，影响光模块信号的实际传输距离。为了保证出射光的偏振态保持一致，需要在转折棱镜反射面镀膜来补偿偏振效应。

1.1 偏振态分析

由于当光以一定的角度入射时，对于多层薄膜的有效厚度改变，会导致S光和P光反射率、相位的改变，很难保持光的偏振态。

光学薄膜在光倾斜入射时可等效为一线偏振器和一相位延迟器［7］，可以用琼斯矩阵表示光的偏振态，还可以通过叠加计算反射后的偏振态。设入射偏振光分解成P偏振光和S偏振光，其中P光与x轴平行，S光与y轴平行，反射光对应的琼斯矩阵JR的形式为：

其中，JR表示为薄膜反射面的琼斯矩阵；DR表示线偏振器；CR表示相位延迟器；|分别为P光与S光的反射率；δR表示P光与S光的相位差。基于偏振态改变和相位延迟，经过推导得到斜入射的琼斯矩阵：

其中，α为光所在的入射角的偏振方向与参考偏振方向的旋转角。一般情况下，光波通过一薄膜系统后，反射光的偏振状态会发生变化。因此在薄膜设计时，可以利用这一特性来改变光学系统中光的偏振，将光波控制在理想的偏振状态。这些因素与偏振光的入射角和薄膜的膜系有关，为了维持偏振态，在设计多层膜系须满足 Rp=Rs，δs= δp± 180°。线偏振光在介质高反膜反射时，线偏振光的振动方向发生了改变。记 α1、分别为入射光和反射光的振动方位角，则由菲涅耳公式可得［8］：

光在金属膜中传播时具有傍轴倾向，以相同的入射角入射时偏振效应一般小于介质膜［9］。对于金属膜，P偏振的反射率最小可以近似表示为：

其中，Rs、Rp分别为P偏振光和S偏振光的反射率。不难发现，金属膜的光学常数越大，其偏振效应就越小。在近红外区，金属膜所带来的偏振效应更小且具有很高的反射率。相比于介质高反膜，金属膜在制备工艺、材料价格方面更具有优势，在实际使用时无需调节磁光隔离器中的磁光晶体，提高了生产效率。所以综合考虑，对转折棱镜反射面镀制金属膜，并进行相关测试与分析。

1.2 转折棱镜结构设计

根据转折棱镜的光学结构要求，在设计时需要考虑以下两个方面：一是COM端出射的光信号要尽可能垂直入射到准直器中，二是转折棱镜的体积不能过大，不影响封装。

对于已知的合光器件斜方棱镜的倒角为74°，长度为 5.297±0.05 mm，宽度为 3.247±0.05 mm，厚度为1.025±0.05 mm。转折棱镜尺寸在设计时存在两个难点，第一是设计转折棱镜的角度，以保证垂直入射，第二是转折棱镜的尺寸及胶合时的相对位置。根据菲涅耳反射定律，计算出其转折棱镜的倒角为53°。光以13.5°进入转折棱镜中，薄膜的入射角为43°，如图3所示，在转折棱镜1面和2面镀高反射膜。

图3 转折棱镜结构图

2 高反射膜的研制

铝（Al）、铜（Cu）、银（Ag）、金（Au）是常见的金属薄膜材料，在近红外区域都有很高的反射率［10］。银的光学常数较大，引入的偏振效应也最小，但是价格昂贵，与玻璃的附着力差，容易受硫化物影响导致反射率降低；金价格昂贵，与介质膜搭配很差；铜的光谱曲线与金类似；铝相对来说价格合理，化学性质稳定，与基底附着性良好，与介质材料匹配也不错，综合来说选取铝作为薄膜材料。铝膜质地较软，容易损伤，而且在空气中很容易被氧化而导致反射率降低，因此在铝膜上镀制一层SiO2介质膜，保护铝膜不被损伤和氧化。为保证铝膜在目标波段的反射率，将铝膜的物理厚度设计为120 nm。

薄膜是在西沃克-700真空镀膜机制备的，如图4所示。采用阻蒸的方法沉积铝膜，电子束蒸发沉积SiO2介质膜。

首先将纯度99.99%的铝粒进行处理，以保证干燥无污染，将铝粒放入钨舟进行蒸镀，为了防止铝蒸发时有铝珠掉落到镀膜机底板发生溅射损坏基片，需要在钨丝底部放置铝薄片防护。手动控制阻蒸电流，控制铝膜的沉积速率。薄膜厚度和沉积速率利用SQC-310型晶控仪控制，并用Kaufman离子源进行辅助沉积。在真空度达到3.0×10-3Pa时，打开离子源，轰击基片持续10 min左右，以提高铝膜与BK7玻璃基底的附着力，并且不加温沉积，蒸镀工艺如表1所示。

表1 Al、SiO2蒸镀工艺参数

用日本岛津公司UV-3150分光光度计对实验制得的样品进行检测，得到的光谱图如图5所示，反射率略微下降，原因是铝蒸发的速率不易控制，导致铝膜厚度有所偏差；而且蒸镀铝时对真空度要求较高，稍有变化会影响其折射率。不过在1 280～1 320 nm波段平均反射率96.8%，满足要求。

图5 金属膜反射率理论设计与测试曲线对比图

3 测试

UV无影胶又称紫外固化光学光敏胶，与BK7玻璃的黏结效果良好，且具有耐温性好、透光性高的特点［11］。将镀膜后的样品冷加工切割成所需尺寸的转折棱镜，采用3D影像仪测量尺寸，将尺寸合格的转折棱镜用UV无影胶固定在BLOCK合光处，选取五个样品。图6是使用3D影像仪测量转折棱镜尺寸及其胶合在COM端位置尺寸的测试图。胶合前要对光胶表面进行清理，保证清洁度；其次检查光圈，防止光圈过高或过低导致脱胶；需要在恒温的环境下进行，以免样品受热不均匀，导致胶合困难。

图6 合光器件3D影像仪测试图

3.1 环境测试

针对合光器件的环境性能，对合光器件进行了一系列测试，测试结果如表2所示。

表2 环境测试结果

样品经过了环境测试，表明所制备的合光器件机械性能良好，薄膜具有很好的环境适应能力。

3.2 插入损耗测试

将合光器件样品封装在光模块中，用光功率计测试每一波长的光功率p，再检测通过磁光隔离器的每一波长的光功率p0，根据公式（1）计算出每一波长的插入损耗，总插入损耗要求小于0.7 dB时不影响传输距离，经过测试，其结果如表3所示。

由表3可知，光模块五次测试结果均小于0.7 dB，满足实际使用要求，不影响该器件的传输距离。该测试是在常温下进行的，然而光模块实际使用可能会受到环境温度的影响，将光模块进行高温80℃与低温-40℃的测试，测试结果如表4、表5所示。

表3 光模块测试结果

从表4、表5中可以看出高温下光模块的插入损耗明显提高，合光器件受到的影响较大，而低温下的插入损耗比常温下的偏低，合光器件性能比较稳定。总体看来，该类型的光模块在高低温工作状态下，性能依然能够在合理范围内满足要求。

表4 高温下光模块测试结果

表5 低温下光模块测试结果

4 结论

本文从理论分析、结构设计和实验三方面对合光器件的光学性能进行了分析与讨论，设计了一种胶合于合光器件COM端的转折棱镜结构，保证合光信号能够准直进入磁光隔离器中。通过对不同界面处偏振效应的分析，采用在转折棱镜上镀膜的方法，有效减小了插入损耗，保证了信号的传输距离和完整性，且该合光器件通过了相应环境测试。综合对比，满足插入损耗不超过0.7 dB条件下，铝膜凭借其工艺简单、材料价格低、合光器件在封装时无需调制磁光隔离器的特点，在工业化生产中相较于介质高反膜更具优势。基于本文研究所制作的光模块目前已经投入使用，在数据中心有源器件方向有很广阔的实用前景。