45°倾斜应用的多通道干涉截止滤光片研制*

高晓丹，刘 岚，姚 敏，魏 纯

（武汉东湖学院 电子信息工程学院，湖北 武汉 430212）

0 引言

随着“万物互联”时代的到来，5G 移动互联网、云计算和大数据等宽带技术，在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色［1～3］。光通信以光纤作为信号传输的媒介，由于其传输容量大、速率快、成本低等优点，而成为信息高速传输的基础［4～6］。光学薄膜技术在光通信系统中发挥着不可或缺的作用［7］，基于光学薄膜滤波的波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）系统对各种类型多通道滤光膜的要求也越来越高。

本文研制了光纤通信系统中倾斜使用的多通道干涉截止薄膜滤光片。在45°倾斜应用条件下，该滤光片要求有2个通带，通带范围宽，且通带插入损耗不大于0.2 dB。然而，当光线以一定角度倾斜入射薄膜时，薄膜的有效厚度和折射率都会随之发生变化，p偏振分量和s偏振分量分离，薄膜会产生较明显的偏振效应［8］。随着入射角度的增加，p偏振光的带宽逐渐增加，s偏振光的带宽逐渐减小。偏振效应对一般的短波通和长波通滤光片没有重大影响，但对用于光纤通信中波长复用多通道截止滤光片影响较大［9］，往往要求消除或减少薄膜系统中的偏振效应。这对于膜系的设计和镀制工艺提出了更高的要求。

1 膜系设计

根据通信器件的使用需求，45°倾斜应用的多通道干涉截止滤光片的设计指标如表1所示。

表1 45°倾斜应用的多通道干涉截止滤光片的设计指标

光学薄膜的材料选择、膜系设计、制备工艺等与镀膜机密切相关。实验采用APS1104 型镀膜机，该镀膜机是热蒸发方式镀膜。由于滤光膜通带范围较宽，为了减少膜层数，高、低折射率膜料的折射率对比度要尽可能高。结合常见的介质和半导体薄膜材料的折射率、透明度、化学稳定性、机械牢固度以及抗高能辐射等多方面的特性，镀膜基片选择BK7玻璃，高折射率材料选择Nb2O5，折射率为2.175，低折射率材料选择SiO2，折射率为1.465。

为了减少偏振的影响，利用薄膜结构便于剪裁和等效的优势，采用非规整层膜系结构设计滤光膜，用层数较少的非规整层等效多种折射率材料的复杂膜系结构。为便于膜系镀制实时监控，参考波长λ 为1 475 nm，初始设计膜系Sub｜（2.313H2.313L）14｜Air，其中，H为λ／4 光学厚度的高折射率材料Nb2O5，L 为λ／4 光学厚度的低折射率材料SiO2，初始膜系的透射率曲线如图1中虚线所示。

图1 初始膜系与优化膜系的透射率曲线

初始膜系是后续自动优化设计的基础，应用TFCalc膜系设计软件对初始膜系进行自动优化设计，采取梯度优化方法，得到28 层优化膜系：Sub ｜H 1.898 1L 3.044 3H 1.041 7L 2.125 8H 2.795 5L 3.944 9H 0.968 5L 3.429 8H 0.996 2L 3.538 3H 0.945 1L 3.081 3H 2.149 5L 2.539 0H 2.283 9L 3.099 2H 0.958 4L 3.599 7H 1.055 7L 3.256 2H 1.049 6L 3.684 7H 1.381 5L 3.803 7H 1.063 8L 3.404 1H 2.7315L｜Air

优化设计膜系的透射率曲线如图1中实线所示。1255～1 365 nm通带内最大插入损耗为0.055 553 dB（1 365 nm处），1 475～1 502 nm通带内最大插入损耗为0.088 508 dB（1 475 nm 处），1 547～1 565 nm 截止，其通带隔离度为16.209 1 dB，完全满足设计指标要求。

2 设计膜系的可镀制性分析

光学滤光膜的成功镀制涉及多种因素，膜系设计仅仅是其中之一。镀膜设备、镀制工艺、原材料、镀膜人员甚至镀膜时间等均会影响到成膜的性能［9］。膜系设计仅仅是薄膜研制的第一步，为了避免不必要的浪费，在薄膜镀制前有必要对设计膜系进行可镀制性分析，尽量减少不可控因素的影响。

借鉴麦克劳德的膜系误差分析方法［13］，膜层的光学厚度（njdj）误差在随机分布的情况下，计算膜系中各膜层的灵敏度如图2所示。膜层所对应的灵敏度数值越高，表明该膜层对镀制误差就越敏感，对实际镀制时的工艺、精度等要求就更高。从图2 中可以看出，所设计膜系的第1 层膜为规整层，其灵敏度最低为0，第13～17 层灵敏度相对较高，在镀制过程中需要进行严密监控。

图2 设计膜系的膜层灵敏度

由于偏振的影响，所设计的滤光膜是非规整膜系，层数多，膜层厚。而非规整层薄膜沉积没有规整层易控制，在非规整膜层镀制过程中，极值点及其附近的信号变化微弱，容易引入较大的控制误差，甚至可能导致镀膜机监控失误而停止蒸镀。因此，在实际镀膜前模拟镀膜机的监控曲线，观察每一膜层的停镀点，提前了解监控误差变化趋势非常有必要。

根据镀膜机的直接光学控制方式，在监控波长为1 475 nm的条件下，模拟薄膜淀积过程中的透射率随膜厚生长的曲线如图3所示。可见，除了第一层规整层的停镀点在透射率极值上，其余非规整膜层的停镀点都成功避开了透射率的极值点，控制误差较小。综上可见，所设计的膜系具有可镀制性。

图3 设计膜系的监控曲线

3 薄膜的镀制

多通道干涉截止滤光片的镀制是在APS1104 型镀膜机完成。膜层的沉积采用OMS3000 光学监控系统进行直接光学控制，同时辅以QSM石英晶体振荡膜厚控制系统进行物理膜厚监控。为了避免膜层应力较大而崩膜，采用等离子体辅助沉积系统，离子源辉光放电清洁并激活基片，高、低折射率膜料Nb2O5和SiO2均选用纯度为99.99%的国产膜料，采用电子束蒸发技术蒸镀。同时密切关注膜系中灵敏度较高的第13～17膜层，辅以石英晶体振荡膜厚控制系统监控其物理厚度，对比膜厚误差。经过反复试验，最终确定截止滤光膜的工艺参数如表2所示。

表2 滤光膜的工艺参数

采用安捷伦86142B光谱分析仪测试镀制的滤光片，在45°倾斜应用条件下，多通道干涉截止滤光片的透射率测试曲线如图4 所示。从测试结果看，1 255～1 365 nm 波段最大插入损耗为0.152 dB（1362.4 nm处），1475～1502 nm波段最大插入损耗为0.199 dB（1 475.2 nm 处），通带插入损耗均不超过0.2dB，1 547～1 565 nm波段截止，通带隔离度为17.3 dB，大于要求的15 dB。可见，测试结果满足实际应用指标要求。

图4 镀制滤光片的透射率测试曲线

4 结论

研制了45°倾斜应用条件下的多通道干涉截止滤光片，测试参数满足通信器件应用需求。但测试指标跟理论膜系设计略有区别。事实上，热蒸发沉积的薄膜并不是理想化的均匀平面固体薄膜，其微观结构是由蒸发的原子或分子在基片上迁移形成的柱状结构［14］。采取离子源辅助沉积也只是尽可能降低膜层结构所引起的吸收、散射等损耗。改善薄膜的微结构，不断提高其紧密程度，使实际镀制结果尽可能靠近理论设计依然是光学薄膜研制的重要课题。