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在光通讯领域中，提出将新型BLOCK结构的合光器件应用在光模块发射端中，并采用QSFP28封装。对此封 装下合光信号出射后不能准直耦合进入磁光隔离器中的问题，设计了一种转折棱镜，实现对光路的转折。针对转折 棱镜的加入使得光信号产生的偏振效应增大、插入损耗不满足要求的问题，根据琼斯矩阵等理论进行分析，对转折棱 镜镀金属膜减少插入损耗。将转折棱镜胶合在COM端，对整体进行环境测试结果表明，该器件能够通过高低温、恒 温恒湿测试，具有良好的耐环境适应性能。将其整体进行封装并测试，结果表明，产生的总插入损耗不超过0.7dB， 满足实际使用要求。
本文研究的是用于数据中心QSFP28 100Gb/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25Gpbs 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，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1295.56nm、1300.05nm、1304.58nm、1309.14nm 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为：
IL =-10lg(P/P0 ) =-10lg(I/I0 )
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。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。
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；| | rp、| | rs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 、α, 1 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：
可见反射光的方位角α,1与入射方位角α1振 动方向受入射角θ1变化影响，导致振动方向不 同，这样会导致在实际使用时需要对磁光隔离 器中磁光晶体进行调制，不利于工业化的生产。
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。对于金属膜，P偏振的反射率最小可以近似表示 为：
其中，kn为消光系数与折射率的比值，即光学 常数，偏振度为：
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±0.05mm，宽度为3.247±0.05mm，厚 度为1.025±0.05mm。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。
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。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120nm。
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3.0×10-3 Pa 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。
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1280~1320nm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。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。
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 0.7dB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0.7dB，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。
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。
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0.7dB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。
来源：SLP老张
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