傅凯文 解金山
Auxora 北极光电（深圳）有限公司
摘要：光学滤波器被广泛地应用于光纤通信，民用高科技产品中的光电显示，航空航天以及军事技术当中。本文通过对薄膜滤波器的结构与工作原理、制作工艺、理论分析等阐述了薄膜滤波器的研制问题。
关键字：光学滤波器 光频选择器 结构 工作原理 研制
引言
光学滤波器被广泛地应用于光纤通信，民用高科技产品中的光电显示，航空航天以及军事技术当中。是一类非常重要的光无源器件，由于它的功能不可替代，而且用量较大，所以已形成了一个新兴产业。
所谓光学滤波器，即光频选择器。它能使某一光频通过而使其它光频被阻断。正因为它具有这种功能，可使混合的光波一一被分开，变成单一频率的光波。光纤通信复用系统中所用的光解复用器就是利用这种原理将复用的混合波被解复用为单一的光载波。
光滤波器的种类很多，按照选频特性划分为带通滤波器、带阻滤波器、低通滤波器、高通滤波器、以及梳指滤波器；从选频功能划分，有固定光频滤波器和可调光频滤波器；若从结构上划分滤波器，那么种类就更加繁多。有薄膜干涉滤波器（TFF）、阵列波导光栅（AWG）滤波器、光纤布喇格光栅滤波器（FBG）、全息光栅（HG）滤波器、光子晶体滤波器（PCF）、以及这些结构构成的混合型光滤波器，等等。以上诸多类型的光滤波器，应用最多也最为重要的有三种：薄膜干涉滤波器、阵列波导光栅滤波器、以及光纤布喇格光栅滤波器。
光滤波器从应用角度上考虑，不论何种滤波器，都必须具有以下性能：插入损耗小、选频特性严格、通带频响曲线接近矩型、滤波性能稳定、结构紧凑、使用方便、以及价格低廉。
1 薄膜滤波器的结构与工作原理
薄膜滤波器是在玻璃衬底上或玻璃陶瓷衬底上，通过精确的镀膜工艺，将SiO2和TiO2交替的沉积在其表面上。其厚度为分子层量级。并根据需要，其层数从几层到几百层不等。层数越多，通过的响应谱曲线越接近矩形，其性能越优越。
图1：薄膜滤波器结构示意图
图1是薄膜滤波器结构示意图。图中的H、L分别代表高低折射率介质膜。由多层交错介质膜组成反射器，并构成法布里-泊罗谐振腔。它的工作原理是这样的：每层介质膜即可透射一部分光又可反射一部分光，每层介质膜界面上多次反射与透射，进行光学干涉，线性叠加。当两个薄膜界面上，来回反射和透射的光程差为光波长时，多次透射光同相加强，形成更强的透射光波，反相则相消。所以薄膜滤光器，也称为薄膜干涉滤波器。只要适当地设计多层介质膜系，就可得到性能良好的滤波器。
薄膜干涉滤波器与其它滤波器（如AWG、FBG等）相比，具有插损小、隔离度高、串扰小、以及工作稳定性好等优点。从近几年广泛地应用实践来看，其优良性能已得到公认。是实际应用中的首选品种。
2 制作工艺
制造薄膜滤光片，北极光电是依赖自己专有的纳米码TM（NanoCODETM）技术。这是一种集滤波器设计、镀膜工艺和控制技术于一体的系统技术。该技术是本公司的核心技术。纳米码TM使我们能做到生产出的产品重复性好、一致性好、预测性高以及成品率高的薄膜滤波器。依赖纳米码的设计软件，使我们能按照生产工艺准确地设计出客户所需的各种薄膜滤波器，依赖纳米码的控制系统使我们能精确地模拟和控制镀膜工艺，使其镀层厚度在分子层量级，并且具有极好的重复性和一致性。
此外，我们还研究出一整套的精密光学冷加工工艺和能清除薄膜切割时所造成的碎边现象。不仅能提供卓越的光洁度和精度，而且还能保证薄膜滤波器的光学特性。
我们经过四、五年的努力，已开发成功一套自动检测自动分类的测试系统。该系统的检测精度高、重复性好，而且生产效率高，适合于大规模生产。使生产出的光滤波器的性能超过美国的Telcordia标准和军用标准（MIL）。使其成为世界领先的技术和产品。
3 理论分析
3.1 谐振腔数目与滤波器光谱响应的关系
理论分析与实验结果都证明了这一实事：当谐振腔的数目增加时，滤波器响应光谱的形状，逾接近矩形。这是由于当谐振腔数目增多时，光在整个谐振腔中透射和反射的次数增多，也就是说其干涉次数增多。每干涉一次就是一次光频的选择，也就是一次滤波。因此，随着谐振腔数目的增多，滤波作用越好。就是说非带宽内的光频将被阻断得越彻底。这不仅仅保证了带宽光谱的纯度，还由于通带内光谱来回透反射和路程差很小，而使得损耗趋于一致，这就是光谱更加接近矩形的原因。图2是谐振腔数目与滤波器响应光谱形状的关系。一般情况下密集波分复用器（DWDM）所用的滤波器需要4个或更多个谐振腔。也只有这样，才能保证相邻两个信道之间有最小的串扰。
图2：薄膜单层厚度对滤波器光谱特性的影响
图3：解复用器串扰的典型要求
图3是DWDM滤波器特性的基本要求：相邻两信道之间有足够大的隔离度，串扰小于-25dB，中心波长准确，以及光谱范围内有平坦的响应。
3.2 薄膜单层光学厚度对滤波器光谱特性的影响
薄膜滤波器的光谱特性是由每个单个层的光学厚度（物理厚度乘于折射率）所决定。图4示出了光谱特性形状对每一层光学厚度变化的敏感性。图中粗实线代表理想的设计。若光学厚度发生0.2nm（相当于一个分子层）的变化，滤波器光谱特性形状将会落入处于两条虚线之间的区域内，如细实线所示。为了制造出理想的光谱特性的滤波器，十分精确地控制每一层的折射率和物理厚度是极端重要的。这就是制造DWDM滤波器方面两个最基本的技术要求。
图4：每层光学厚度变化对光谱特性形状的影响
3.3 关于滤波器性能稳定性问题
众所周知，折射率受多种因素影响。环境温度、应力、以及空气组成、湿度等都会引起折射率的不稳定性。而镀膜工艺过程对折射率的稳定性影响则是更大。镀膜工艺必须满足环境变化使其薄膜的稳定性不受影响。而物理厚度的控制则取决于光学监测和软件控制系统的精度。
为了保证滤波器有稳定的性能，就必须保证镀膜的高质量以及对各种影响稳定性因素的抑制。为此
1）制备高密度薄膜和减小应力。
高密度薄膜制备通常需要一种离子束辅助镀膜工艺。但是这种生产工艺滤光片通常会有很大的应力。这种应力在滤波器加工和切割时会充分地得到释放。但释放的程度在中心和边缘是不同的。应力释放的非均性会造成边缘处中心波长短移，插损增加，以及光谱形状劣化。为克服这一现象，滤波器的尺寸尽可能的大一点，多数为1.4×1.4mm2。这样既保证有足够的通光孔径，又可避免边缘处0.3mm范围内易发生的这些现象。
2）消温差处理以便抑制温度的影响。
薄膜材料的折射率随温度的变化率dn/dT为正值，其热膨胀系数CTE也为正值。在薄膜材料未有补偿时，滤波器中心波长将随温度增加而增加。为保证滤波器工作的稳定性，必须进行消温差处理。波长漂移的消温差处理是一个复杂的系统工程。它涉及衬底及薄膜材料的特性，滤波器的设计以及镀膜处理工艺。我们研制的滤波器均经过精细的工程设计和制造，系统地考虑到消温差处理，使其能完全满足甚至超过了密集波分复用系统（DWDM）中严格的热稳定性要求。图5是100GHz滤波器中心波长偏移与温度变化的关系。数据表明平均热变化偏移率小于0.5pm/℃。
图5：100GHz滤波器中心波长偏移与温度的关系
3.4 入射角对中心波长的影响
随着光束入射角（AOI）的增加，薄膜带通滤波器的中心波长（CWL）则相应短移，如图6所示。对于大多数封装器件来说，入射角通常在1.8度左右，这会引起中心波长向短波方向偏移大约0.3mm。对于不同的滤波器设计，由入射角变化引起的中心波长漂移量也会有所不同。
图6：入射角与中心波长的关系
5 结论
以上我们相当系统地论述了有关薄膜光滤波器的研制工作，并对其性能进了理论分析。我们依赖于自己专有的纳米码TM技术，从滤波器的设计、制造、性能控制，直到器件性能检测有一套完整的软件系统。从而保证了我们能够根据用户的需求、灵活的设计、精密的制造，严格的控制。以获得性能完美的产品。
作者介绍：傅凯文，硕士，长期从事光滤波器的研究工作，现任公司总经理。
