1 引 言
21世纪在信息高技术高速发展的背景下，人们对于信息的需求不断增大，可靠性高、速度高、频带宽的通信网络构建已成为通信行业的首要任务，而光纤通信技术是实现信息高速传输的基础[1-2]。在光通信中，薄膜光学技术发挥着不可取代的作用，尤其是在光纤通信的无源器件与有源器件中具有最为广泛的应用，如干涉滤光膜波分多路复用(WDM)器件在光纤通信系统中起关键性的作用[3-6]。
本文所研究的帯通滤光膜，需实现：1479~1504 nm 插入损耗(IL)小于 0.3 dB，1260~1450 nm 和 1530~1620 nm透射隔离度分别大于31 dB和20 dB。由于反射带1(1260~1450 nm)带宽较宽，仅通过帯通滤光膜难以实现，需将带通滤光膜(BPF)与长波通(LPF)膜系组合才能实现反射带1的要求，这就增加了设计及制备该滤光膜的难度。在研制过程中，重点解决了该BPF的设计与优化，分析并解决了耦合层膜厚监控的问题。
2 膜系设计
根据该系统的使用要求，入射角为0°~3°，具体参数指标如表1所示。
从表1中的参数可以看出，该滤光膜在设计及制备方面都有较大的难度。因此，在设计BPF之前，需要对影响其性能的主要参数进行研究分析，然后才能设计出理想的帯通滤光膜。
2.1 影响BPF性能的主要参数分析
影响BPF性能的主要参数有材料折射率差值、干涉级次、谐振腔的个数、间隔层及耦合层的厚度。以高折射率材料作为间隔层的法布里-珀罗[7](F-B)BPF基本结构，即sub|(HL)^S 2mH (LH)^S|air，其中H和L分别代表1/4波长厚度的高低折射率材料的膜层，m为整数(m=1,2,3,…)，其中2 mH为间隔层，S表示膜堆的周期数。实验中测得的BPF透射光谱如图1所示，其中图1(a)~(e)图分别给出了材料折射率差值、干涉级次、谐振腔个数、间隔层及耦合层厚度对BPF的影响。从图1(a)和(b)中可以看出，随着材料高低折射率差值及膜层干涉级次的增加，通带带宽变窄，截止深度增大；从图1(c)和(d)中则可以看出，谐振腔个数及间隔层厚度增大，通带形状越来越接近矩形，同时截止深度加深；图1(e)表明，随着耦合层厚度的增加，通带形状基本不变，但是在通带两侧会出现2个次通带，同时截止深度变小。
2.2 膜系设计方案
根据光学薄膜设计理论[8]，宽带滤光膜可以采用长波通和短波通滤光膜的组合进行设计，窄带滤光膜的设计可以采用F-P结构[9]。利用长波通和短波通组合设计的帯通滤光膜，通带内波纹较多，无法保证通带IL小于0.3 dB和波长相关损耗(WDL)大于0.3 dB，需增加大量非规整层来抑制通带内的波纹，但非规整层给BPF的制备带来较大困难；另一方面，该设计方法无法保证截止波长有准确的定位，这就严重影响了滤光膜的使用。另外，由于反射带1带宽较宽(1260~1450 nm)，仅用BPF难以实现反射带1透射隔离度大于等于31 dB，需将BPF与长波通滤光膜组合才能满足要求。因此，实验中采用BPF与LPF相组合的方式来制备该滤光膜。
2.2.1 BPF设计原理
基于等效折射率及BPF设计理论[10]，多腔F-P结构帯通滤光膜需考虑其与空气及基板侧的折射率的耦合问题。对于结构为(HLHLHLHLH)^S，其等效折射率为 nE = n5H /n4
L ，在基板侧需镀HLHL膜层，而在空气侧镀HLH膜层，得到新的等效折射率为 n2L /nH ，此值与 n0 ( n0 为空气折射率)差异不大，故BPF的反射损耗很小。
依据以上分析，采用5个F-P结构的谐振腔作为BPF的基础膜系，并在膜堆与空气之间增加匹配层HL，其 基 本 结 构 为 sub|(HL)^2 4H (LH)^1 2H (LH)^1 L (HL)^3 2H (LH)^3 L (HL)^3 4H (LH)^3 L (HL)^3 2H (LH)^3 L(HL)^2 4H (LH)^1 2H (LH)^1 HL|air。为保证通带有平坦和较高的透射率，5个谐振腔均为规整膜层，仅优化匹配膜层，这样一方面增加了通带的透射率及平滑度，降低了WDL，同时可以降低BPF的制备难度。优化后的
膜系为sub|1.0H 1.0L…1.0L 1.0H 0.39H 1.32L|air，物理厚度约16.3 μm，反射带1的透射隔离度大于42 dB，反射带2的透射隔离度大于35 dB，WDL小于0.026 dB，其理论透射光谱曲线如图2所示。
2.2.2 LPF设计原理
LPF初始膜系为sub|(0.5HL 0.5H)^S L |air，依据等效折射率理论，在初始膜系空气侧添加匹配层L，使多层膜的等效折射率与入射介质相匹配，从而抑制通带内的波纹。S=18，优化后的膜系为sub|1.074H 1.079L0.817H 0.714L 0.888H 1.050L 1.090H 1.077L 1.070H 1.067L 1.049H 0.990L 0.911H 0.877L 0.931H 1.008L1.057H 1.071L 1.074H 1.072L 1.072H 1.061L 1.021H 0.942L 0.884H 0.902L 0.979H 1.038L 1.063H 1.065L1.077H 1.098L 1.072H 0.905L 0.716H 0.730L 1.267H 2.057L|air，物理厚度约7.2 μm，理论设计透射光谱曲线如图3所示。
根据以上分析，将BPF、LPF及背面抗反(AR)膜系组合在一起，理论透射光谱曲线如图4所示。
该帯通滤光膜在0.3 dB处帯通宽度为1476~1508 nm，反射带1的透射隔离度大于41 dB，反射带2的透射隔离度大于34 dB，通带IL小于0.1 dB，WDL小于0.17 dB；当光束以3°入射，光谱曲线往短波漂移0.4 nm，均满足使用要求。
3 薄膜的制备
该滤光膜是在Leybold真空镀膜机上制备的，该设备配备有石英晶体膜厚控制仪、OMS5100光控系统、APS(Advanced Plasma Source)离子源和双电子枪。实际镀制的工艺参数如表2所示，APS实验参数如表3所示。
在制备该帯通滤光膜时，采用OMS5100直接光控方法监控膜层厚度，晶振片监控膜料沉积速率。BPF直接光控监控曲线如图5所示，监控波长为1492 nm。由于耦合层L光信号变化比较微弱，无法用直接光进行监控。可采用两种方法监控其厚度，一种是时间判断法，即根据镀膜时间来判断膜层厚度；另一种是晶振监控法，即根据晶振片检测到的膜层厚度来判断。同时，采用Scale Thickness[11-12]方法，分析了耦合层膜厚误差对BPF的影响，其结果如图6所示。当耦合层厚度变化 Δd = ±0.2%时，光谱曲线漂移量为±3 nm，仅使用晶振监控的方法达不到±0.2 %的膜厚控制精度；另外，对于蒸发镀膜，膜料蒸发速率不稳定，采用时间判断法会增大误差。以上两种方法单独使用均不可行，在以上方法的基础上，采用SiO2膜厚平均值与晶振监控相结合的方法来监控耦合层的厚度。膜系中的5个谐振腔膜层结构都是规整膜层，所有的SiO2膜层厚度均相同，通过计算晶振片检测到的前几层SiO2厚度的平均值作为耦合层L的膜层厚度，后面的耦合层也采用同样计算方法，这样不仅提高了耦合层厚度的监控精度，同时也提高了BPF的制备精度。
4 测试结果与分析
使用Agilent Cary 5000分光光度计对制备的BPF的光谱特性进行测试，透射光谱测试曲线如图7所示。
测试结果表明通带IL小于0.23 dB，其余各项参数同样满足要求，然后在BPF的基础上镀制LPF膜层，基板背面镀制AR膜层，实验测试结果如图8所示。
测试数据表明，当通带WDL小于0.2 dB，IL小于0.27 dB，制备的BPF满足该滤光膜参数要求。图9为理论与实测曲线对比图，表5为测试数据。经讨论分析，实际透射率与理论设计仍存在偏差的主要源于BPF膜层与LPF膜层等效折射率的偏差和耦合层的膜厚误差。另外，当整个膜系较厚时，膜层中的散射与吸收所导致的误差不能忽略，测试仪器的误差也会导致实际测试结果与理论结果的偏差。因此若使实验结果与理论值更加接近，需要对耦合层的监控方式以及改进膜系的设计方案进行改进。
5 结 论
根据光学薄膜设计理论和滤光膜设计参数要求，选用Ta2O5、SiO2分别作为高低折射率材料，通过ScaleThickness方法分析耦合层厚度误差，采用SiO2膜厚平均值与晶振监控相结合的方法来监控耦合层的厚度，解决了监控耦合层厚度的问题。采用电子束及离子辅助沉积技术制备了该滤光膜。制备的滤光膜在1479~1540 nm处IL小于0.3 dB，在1260~1450 nm和1530~1620 nm处透射隔离度分别大于39 dB和31 dB。
参 考 文 献
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