齊雙陽(yáng)，劉冬梅，朱忠堯，張功，陳延涵

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.北京空間機(jī)電研究所，北京 100049）

數(shù)據(jù)中心具有傳輸、展示、計(jì)算數(shù)據(jù)信息等功能，是在互聯(lián)網(wǎng)上使用的全球協(xié)作的特殊設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)中心由高速光網(wǎng)脈絡(luò)相互連接，傳輸節(jié)點(diǎn)由光模塊構(gòu)成。光模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)進(jìn)行傳輸，光譜吸收、光信號(hào)強(qiáng)度、偏振等因素都會(huì)影響光模塊整體的傳輸信號(hào) 功 能 。 QSFP28［1］（Quad Small Form-factor Pluggable 28）是一種緊湊型、可插拔的收發(fā)器標(biāo)準(zhǔn)，因其具有體積小、端口密度大、功耗低和成本低等優(yōu)勢(shì)，成為了100 G光模塊的主要封裝方式，廣泛應(yīng)用于全球數(shù)據(jù)中心。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多家科研單位及生產(chǎn)企業(yè)都對(duì)100 G QSFP28光模塊進(jìn)行了研究，旨在提高光模塊的傳輸效率，降低插入損耗。2019年，肖蠡虎等人［2］利用PAM4信號(hào)在高速傳輸方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了100 Gb/s信號(hào)在光纖上的有效傳輸，保證了100 G光模塊器件的小型化，有利于提高集成度；2020年，張博文［3］提出了一種基于COB技術(shù)的接收端設(shè)計(jì)方案，使光模塊輸出優(yōu)秀，在高低溫環(huán)境測(cè)試下傳輸性能較為穩(wěn)定，通過(guò)2 km光纖及電源注噪后傳輸性能表現(xiàn)良好。

本文研究的是用于數(shù)據(jù)中心QSFP28 100 Gb/s光模塊，該光模塊的合光器件采用一種全新的BLOCK結(jié)構(gòu)，將4路25 Gpbs Lan-WDM光信號(hào)合成一路光信號(hào)耦合到磁光隔離器，在一根單模光纖上進(jìn)行信號(hào)傳輸。該結(jié)構(gòu)的合光器件封裝時(shí)，COM端合光信號(hào)出射存在一定角度，使得光信號(hào)無(wú)法準(zhǔn)直進(jìn)入磁光隔離器中，插入損耗會(huì)變大。若調(diào)整磁光隔離器的位置，則該光模塊的尺寸會(huì)增大，不利于使用。本文針對(duì)BLOCK結(jié)構(gòu)合光器件的合光信號(hào)不能準(zhǔn)直耦合進(jìn)入磁光隔離器中的問(wèn)題進(jìn)行了研究，在不影響封裝的前提下，設(shè)計(jì)了一種光信號(hào)轉(zhuǎn)折棱鏡，對(duì)其進(jìn)行理論與實(shí)驗(yàn)分析，并測(cè)試其可行性。

1 理論分析與轉(zhuǎn)折棱鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光模塊的合光器件為細(xì)波分復(fù)用（Lan-WDM）器件，采用BLOCK結(jié)構(gòu)，由一個(gè)斜方棱鏡和四個(gè)濾光片構(gòu)成，四個(gè)濾光片均在斜方棱鏡的一側(cè)，該器件的所有組成部件由BK7玻璃制成，部件之間采用紫外固化膠黏接而成。由于玻璃的熱膨脹系數(shù)CTE（Coefficient of Thermal Expansion）比較?。?］，因此該 BLOCK 結(jié)構(gòu)的合光器件相較于傳統(tǒng)焊接的器件具有更好的溫度穩(wěn)定性。如圖1所示，將1 295.56 nm、1 300.05 nm、1 304.58 nm、1 309.14 nm四種波長(zhǎng)光信號(hào)復(fù)用成一路光信號(hào)以13.5°出射進(jìn)入磁光隔離器中，通過(guò)一根光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸。

圖1 BLOCK結(jié)構(gòu)合光器件

該磁光隔離器為偏振相關(guān)型，應(yīng)用在光模塊封裝中，作用是讓光單向傳輸，防止反向傳輸?shù)墓庥绊懴到y(tǒng)的穩(wěn)定性。一定強(qiáng)度的連續(xù)線偏振光信號(hào)進(jìn)入磁光隔離器中，入射光強(qiáng)度I0和透射光強(qiáng)度I分別與其對(duì)應(yīng)的光功率P0、P成正比關(guān)系，正向插入損耗 IL［5］為：

入射的線偏振光信號(hào)的偏振狀態(tài)影響光功率和光強(qiáng)，從而影響整個(gè)光模塊的插入損耗，影響傳輸距離。磁光隔離器由三部分組成，即起偏器、法拉第旋轉(zhuǎn)器（磁光晶體）和檢偏器［6］。法拉第旋轉(zhuǎn)器放置在兩個(gè)偏振器前后，其中和的透光軸方向呈45°夾角，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 磁光隔離器基本結(jié)構(gòu)

當(dāng)偏振光信號(hào)通過(guò)起偏器P1變成與其光軸方向相同的線偏振光，通過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器中，磁光晶體產(chǎn)生磁光效應(yīng)，使線偏振光振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)45°，保證了和檢偏器光軸方向一致，光信號(hào)可以正常通過(guò)進(jìn)行信號(hào)傳輸。光信號(hào)在光纖中傳輸會(huì)產(chǎn)生不必要的反射光，當(dāng)反射光經(jīng)過(guò)檢偏器P2，在通過(guò)過(guò)磁光晶體，最終線偏振光振動(dòng)方向會(huì)與起偏器光軸互相垂直，反射光被阻擋，不能進(jìn)入光模塊中。

合光信號(hào)為線偏振光，其轉(zhuǎn)折棱鏡反射時(shí)偏振狀態(tài)變化過(guò)大影響通過(guò)隔離器的光功率，使得插入損耗偏高，影響光模塊信號(hào)的實(shí)際傳輸距離。為了保證出射光的偏振態(tài)保持一致，需要在轉(zhuǎn)折棱鏡反射面鍍膜來(lái)補(bǔ)償偏振效應(yīng)。

1.1 偏振態(tài)分析

由于當(dāng)光以一定的角度入射時(shí)，對(duì)于多層薄膜的有效厚度改變，會(huì)導(dǎo)致S光和P光反射率、相位的改變，很難保持光的偏振態(tài)。

光學(xué)薄膜在光傾斜入射時(shí)可等效為一線偏振器和一相位延遲器［7］，可以用瓊斯矩陣表示光的偏振態(tài)，還可以通過(guò)疊加計(jì)算反射后的偏振態(tài)。設(shè)入射偏振光分解成P偏振光和S偏振光，其中P光與x軸平行，S光與y軸平行，反射光對(duì)應(yīng)的瓊斯矩陣JR的形式為：

其中，JR表示為薄膜反射面的瓊斯矩陣；DR表示線偏振器；CR表示相位延遲器；|分別為P光與S光的反射率；δR表示P光與S光的相位差?；谄駪B(tài)改變和相位延遲，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得到斜入射的瓊斯矩陣：

其中，α為光所在的入射角的偏振方向與參考偏振方向的旋轉(zhuǎn)角。一般情況下，光波通過(guò)一薄膜系統(tǒng)后，反射光的偏振狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。因此在薄膜設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用這一特性來(lái)改變光學(xué)系統(tǒng)中光的偏振，將光波控制在理想的偏振狀態(tài)。這些因素與偏振光的入射角和薄膜的膜系有關(guān)，為了維持偏振態(tài)，在設(shè)計(jì)多層膜系須滿(mǎn)足 Rp=Rs，δs= δp± 180°。線偏振光在介質(zhì)高反膜反射時(shí)，線偏振光的振動(dòng)方向發(fā)生了改變。記 α1、分別為入射光和反射光的振動(dòng)方位角，則由菲涅耳公式可得［8］：

光在金屬膜中傳播時(shí)具有傍軸傾向，以相同的入射角入射時(shí)偏振效應(yīng)一般小于介質(zhì)膜［9］。對(duì)于金屬膜，P偏振的反射率最小可以近似表示為：

其中，Rs、Rp分別為P偏振光和S偏振光的反射率。不難發(fā)現(xiàn)，金屬膜的光學(xué)常數(shù)越大，其偏振效應(yīng)就越小。在近紅外區(qū)，金屬膜所帶來(lái)的偏振效應(yīng)更小且具有很高的反射率。相比于介質(zhì)高反膜，金屬膜在制備工藝、材料價(jià)格方面更具有優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際使用時(shí)無(wú)需調(diào)節(jié)磁光隔離器中的磁光晶體，提高了生產(chǎn)效率。所以綜合考慮，對(duì)轉(zhuǎn)折棱鏡反射面鍍制金屬膜，并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試與分析。

1.2 轉(zhuǎn)折棱鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)轉(zhuǎn)折棱鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)要求，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下兩個(gè)方面：一是COM端出射的光信號(hào)要盡可能垂直入射到準(zhǔn)直器中，二是轉(zhuǎn)折棱鏡的體積不能過(guò)大，不影響封裝。

對(duì)于已知的合光器件斜方棱鏡的倒角為74°，長(zhǎng)度為 5.297±0.05 mm，寬度為 3.247±0.05 mm，厚度為1.025±0.05 mm。轉(zhuǎn)折棱鏡尺寸在設(shè)計(jì)時(shí)存在兩個(gè)難點(diǎn)，第一是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)折棱鏡的角度，以保證垂直入射，第二是轉(zhuǎn)折棱鏡的尺寸及膠合時(shí)的相對(duì)位置。根據(jù)菲涅耳反射定律，計(jì)算出其轉(zhuǎn)折棱鏡的倒角為53°。光以13.5°進(jìn)入轉(zhuǎn)折棱鏡中，薄膜的入射角為43°，如圖3所示，在轉(zhuǎn)折棱鏡1面和2面鍍高反射膜。

圖3 轉(zhuǎn)折棱鏡結(jié)構(gòu)圖

2 高反射膜的研制

鋁（Al）、銅（Cu）、銀（Ag）、金（Au）是常見(jiàn)的金屬薄膜材料，在近紅外區(qū)域都有很高的反射率［10］。銀的光學(xué)常數(shù)較大，引入的偏振效應(yīng)也最小，但是價(jià)格昂貴，與玻璃的附著力差，容易受硫化物影響導(dǎo)致反射率降低；金價(jià)格昂貴，與介質(zhì)膜搭配很差；銅的光譜曲線與金類(lèi)似；鋁相對(duì)來(lái)說(shuō)價(jià)格合理，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與基底附著性良好，與介質(zhì)材料匹配也不錯(cuò)，綜合來(lái)說(shuō)選取鋁作為薄膜材料。鋁膜質(zhì)地較軟，容易損傷，而且在空氣中很容易被氧化而導(dǎo)致反射率降低，因此在鋁膜上鍍制一層SiO2介質(zhì)膜，保護(hù)鋁膜不被損傷和氧化。為保證鋁膜在目標(biāo)波段的反射率，將鋁膜的物理厚度設(shè)計(jì)為120 nm。

薄膜是在西沃克-700真空鍍膜機(jī)制備的，如圖4所示。采用阻蒸的方法沉積鋁膜，電子束蒸發(fā)沉積SiO2介質(zhì)膜。

首先將純度99.99%的鋁粒進(jìn)行處理，以保證干燥無(wú)污染，將鋁粒放入鎢舟進(jìn)行蒸鍍，為了防止鋁蒸發(fā)時(shí)有鋁珠掉落到鍍膜機(jī)底板發(fā)生濺射損壞基片，需要在鎢絲底部放置鋁薄片防護(hù)。手動(dòng)控制阻蒸電流，控制鋁膜的沉積速率。薄膜厚度和沉積速率利用SQC-310型晶控儀控制，并用Kaufman離子源進(jìn)行輔助沉積。在真空度達(dá)到3.0×10-3Pa時(shí)，打開(kāi)離子源，轟擊基片持續(xù)10 min左右，以提高鋁膜與BK7玻璃基底的附著力，并且不加溫沉積，蒸鍍工藝如表1所示。

表1 Al、SiO2蒸鍍工藝參數(shù)

用日本島津公司UV-3150分光光度計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)制得的樣品進(jìn)行檢測(cè)，得到的光譜圖如圖5所示，反射率略微下降，原因是鋁蒸發(fā)的速率不易控制，導(dǎo)致鋁膜厚度有所偏差；而且蒸鍍鋁時(shí)對(duì)真空度要求較高，稍有變化會(huì)影響其折射率。不過(guò)在1 280～1 320 nm波段平均反射率96.8%，滿(mǎn)足要求。

圖5 金屬膜反射率理論設(shè)計(jì)與測(cè)試曲線對(duì)比圖

3 測(cè)試

UV無(wú)影膠又稱(chēng)紫外固化光學(xué)光敏膠，與BK7玻璃的黏結(jié)效果良好，且具有耐溫性好、透光性高的特點(diǎn)［11］。將鍍膜后的樣品冷加工切割成所需尺寸的轉(zhuǎn)折棱鏡，采用3D影像儀測(cè)量尺寸，將尺寸合格的轉(zhuǎn)折棱鏡用UV無(wú)影膠固定在BLOCK合光處，選取五個(gè)樣品。圖6是使用3D影像儀測(cè)量轉(zhuǎn)折棱鏡尺寸及其膠合在COM端位置尺寸的測(cè)試圖。膠合前要對(duì)光膠表面進(jìn)行清理，保證清潔度；其次檢查光圈，防止光圈過(guò)高或過(guò)低導(dǎo)致脫膠；需要在恒溫的環(huán)境下進(jìn)行，以免樣品受熱不均勻，導(dǎo)致膠合困難。

圖6 合光器件3D影像儀測(cè)試圖

3.1 環(huán)境測(cè)試

針對(duì)合光器件的環(huán)境性能，對(duì)合光器件進(jìn)行了一系列測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 環(huán)境測(cè)試結(jié)果

樣品經(jīng)過(guò)了環(huán)境測(cè)試，表明所制備的合光器件機(jī)械性能良好，薄膜具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力。

3.2 插入損耗測(cè)試

將合光器件樣品封裝在光模塊中，用光功率計(jì)測(cè)試每一波長(zhǎng)的光功率p，再檢測(cè)通過(guò)磁光隔離器的每一波長(zhǎng)的光功率p0，根據(jù)公式（1）計(jì)算出每一波長(zhǎng)的插入損耗，總插入損耗要求小于0.7 dB時(shí)不影響傳輸距離，經(jīng)過(guò)測(cè)試，其結(jié)果如表3所示。

由表3可知，光模塊五次測(cè)試結(jié)果均小于0.7 dB，滿(mǎn)足實(shí)際使用要求，不影響該器件的傳輸距離。該測(cè)試是在常溫下進(jìn)行的，然而光模塊實(shí)際使用可能會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，將光模塊進(jìn)行高溫80℃與低溫-40℃的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4、表5所示。

表3 光模塊測(cè)試結(jié)果

從表4、表5中可以看出高溫下光模塊的插入損耗明顯提高，合光器件受到的影響較大，而低溫下的插入損耗比常溫下的偏低，合光器件性能比較穩(wěn)定?？傮w看來(lái)，該類(lèi)型的光模塊在高低溫工作狀態(tài)下，性能依然能夠在合理范圍內(nèi)滿(mǎn)足要求。

表4 高溫下光模塊測(cè)試結(jié)果

表5 低溫下光模塊測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文從理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)三方面對(duì)合光器件的光學(xué)性能進(jìn)行了分析與討論，設(shè)計(jì)了一種膠合于合光器件COM端的轉(zhuǎn)折棱鏡結(jié)構(gòu)，保證合光信號(hào)能夠準(zhǔn)直進(jìn)入磁光隔離器中。通過(guò)對(duì)不同界面處偏振效應(yīng)的分析，采用在轉(zhuǎn)折棱鏡上鍍膜的方法，有效減小了插入損耗，保證了信號(hào)的傳輸距離和完整性，且該合光器件通過(guò)了相應(yīng)環(huán)境測(cè)試。綜合對(duì)比，滿(mǎn)足插入損耗不超過(guò)0.7 dB條件下，鋁膜憑借其工藝簡(jiǎn)單、材料價(jià)格低、合光器件在封裝時(shí)無(wú)需調(diào)制磁光隔離器的特點(diǎn)，在工業(yè)化生產(chǎn)中相較于介質(zhì)高反膜更具優(yōu)勢(shì)?；诒疚难芯克谱鞯墓饽K目前已經(jīng)投入使用，在數(shù)據(jù)中心有源器件方向有很廣闊的實(shí)用前景。