光濾波器是通信系統中關鍵的基本組件之一。近年來，濾光片設計和制造技術的進步導致了越來越復雜的濾光片的大規模生產。

光學薄膜濾波器是任何現代光通信系統的重要組成部分——它們傳輸光譜的選定部分，同時拒絕其他波長。這些組件通常由沉積在玻璃基板上的多層薄膜堆疊組成。濾光片涂層的工作原理基于光學干涉理論。

涂層的設計和制造決定了在特定波長范圍內透射、反射或阻擋光線的不同過濾功能。在一些應用中，例如波分復用（WDM）、光分插復用（OADM）和無源光網絡（PON），濾波器涂層功能遵循ITU或IEEE定義的波長網格標準以及其他要求 ，但過濾性能可根據具體需求定制。用于光通信的濾波器的典型尺寸通常在1~3毫米的范圍內。濾光片通常涂覆在大尺寸的基板或晶片上，然后加工成最終尺寸。圖1顯示了濾光器元件。

在1980年代早期的WDM系統中，在光放大器出現之前，光學薄膜濾波器首先用于電信應用。隨著1990年代初期光放大器和傳輸系統的發展，密集波分復用 (DWDM) 引起了電信運營商的興趣。從那時起，薄膜技術一直是主要的濾波器技術，它組合或分離光信號或波段，以適當地塑造光譜，以及將光通道插入傳輸鏈路或從傳輸鏈路中提取。與陣列波導光柵 (AWG) 或光纖布拉格光柵 (FBG) 技術相比，它在市場上的成功歸功于其低成本、低損耗和溫度穩定性。在2000年代初期，DWDM 50/100/200 GHz 濾波器和跳躍濾波器成功部署在光纖電信基礎設施中。

近20年來，由于新標準的發展，出現了新型濾波器，包括粗波分復用（CWDM）、局域網波分復用（LAN-WDM）和短波波分復用（SWDM）。新的和非常具有挑戰性的濾波器設計，例如雙頻帶和多頻帶設計，被開發出來以支持這些新標準。這些設計減少了封裝器件中濾波器的數量，降低了插入損耗并使整個器件更小。在電信網絡中 DWDM/CWDM/PON 濾波器取得成功之后，濾波器對于部署在數據中心的 O-band CWDM、LAN-WDM 和 SWDM 收發器變得越來越重要。

在數據通信需求不斷增長的推動下，濾波器生產規模顯著增加，推動了沉積工藝、制造控制和測試自動化的改進，從而大大降低了生產成本。這些技術進步推動了光通信網絡的廣泛部署，從而支撐了全球互聯網。

從技術角度來看，一個好的濾光片鍍膜工藝主要包括三個方面：

可制造性設計。通常，光學薄膜鍍膜設計方法基于初始堆疊，或所謂的起始設計。應用數值方法細化每個涂層的厚度以達到目標性能。選擇一個好的起始設計是實現所需性能的基礎，這在很大程度上取決于設計師的經驗和專業知識。

借助現代鍍膜設計軟件，不難獲得實現非常復雜光學功能的鍍膜設計。但是，如果沒有經驗支持，這種方法可能會導致無法大批量生產的設計。對于過濾器設計人員而言，最具挑戰性和最耗時的任務是設計出最簡單的過濾器設計，以承受最大的制造過程可變性并仍能實現高產量。工藝可變性會導致涂層厚度和材料折射率的誤差。先進的軟件模擬工具提供制造和監控過程的參數細節，包括沉積速率漂移、基板的旋轉速度、光學監控系統的狹縫寬度、快門延遲等。必須區分系統性錯誤和隨機性錯誤并分別處理。

生產效率高。沉積工藝的選擇往往直接決定了生產的批量成本。用于光通信濾波器的薄膜沉積工藝主要有三種類型：離子輔助沉積 (IAD)、離子束濺射 (IBS) 和磁控管濺射 (MS)。其中，IAD的成本相對較低，但沉積速率波動和整個涂層材料折射率的不一致限制了其在最復雜濾波器的生產中的使用，例如DWDM和增益平坦濾波器。與 IAD 相比，IBS 和 MS 工藝能夠在相對較大的基板上沉積薄膜。眾所周知，IBS 可以生產具有極低缺陷濃度的出色光學質量的涂層。相比之下，MS 的材料沉積速率大約是 IBS 的兩倍，將單次涂層運行的時間縮短了大約一半。

給定相同的沉積工藝和涂層面積，產量（或有效涂層面積）決定了最終過濾器產品的產量和成本。沉積過程需要穩定、可重復和良好控制才能實現高產量。所有的工藝設置和實際參數，如離子源、真空度、氣流、加熱器和轉速，都可以被記錄和跟蹤，以分析波動對產量的影響。優化產量意味著實現最佳的涂層厚度均勻性。對于高精度光通信濾波器，需要將鍍膜區域的鍍膜厚度均勻性誤差控制在0.07%以內。

復雜涂層的厚度控制。廣泛采用的涂層厚度控制方法包括時間控制、石英晶體監測和直接光學監測。其中，直接光監測方法可以大大提高波長目標，這對通信濾波器至關重要。

有兩種類型的濾光器涂層堆疊結構。第一個此類結構由四分之一波 (QW) 層組成，通常用于生成單帶通濾波器。第二種結構基于涂層堆疊，其層厚通過數值方法充分優化；優化后沒有 QW 或“非 QW”層。對于 QW 堆棧，當監測光信號的反射或透射強度達到最大值或最小值時，涂層系統過渡到下一層的生長。基于這種技術的光學厚度控制稱為轉折點監測。這種實時監控技術的一大優勢是，通過實時調整后續層的沉積，可以即時糾正薄膜沉積中的小錯誤。

對于非 QW 設計，當光反射或透射強度達到理論預測水平時，通常使用光學水平監測技術來終止每一層沉積。對于每個非 QW 設計，都需要開發和實施光學控制策略。不同的光學水平監測策略利用不同的涂層厚度預測模型，并且沒有適用于所有情況的單一、通用策略。適當的策略取決于沉積環境和要制造的涂層類型。

批量生產的高端濾光片涂層

盡管窄帶通道間隔低至 50 GHz 和 25 GHz 的薄膜解決方案已經得到展示，但 DWDM 濾波器的大部分市場需求是針對 100 GHz 通道間隔的應用。這些 100 GHz 濾波器是基于廣為人知的 QW 設計的窄帶濾波器，由五個或六個腔組成。六腔 100 GHz 濾波器提供更陡峭的斜率（見圖2）。這轉化為更大的三端口封裝裝配公差。

圖2. 五腔和六腔 100 GHz 濾波器的理論傳輸

增益平坦濾波器 (GFF) 用于光放大器中以均衡放大頻譜上的信號增益。它們是高度復雜的過濾器，需要嚴格控制材料折射率、層厚和涂層均勻性。GFF 被視為寬帶濾波器，通常基于非 QW 涂層設計。最大峰峰值誤差函數 (PPEF) 是定義 GFF 性能的最重要參數之一。帶寬、調制深度和最大斜率是表征 GFF 質量的其他參數。圖3顯示了專為高增益放大器設計的 GFF 的目標和測量插入損耗。

圖3.為高增益光放大器設計的增益平坦濾波器的插入損耗目標和測量結果

分束器用于將入射光以指定的比率分成兩個獨立的光束。 涂層表面的入射角通常為 45 度，從而導致透射光路和反射光路之間存在垂直關系。 分束器最重要的性能參數之一是均勻偏振光束的 p 和 s 偏振態之間的最大分束差。 分束器可用作立方體或板。 與立方體相比，板更輕且成本更低，但立方體可以實現p和s偏振之間最均勻的分裂差異。

分束立方體涂層的設計和制造與GFF和100GHz濾波器有很大不同。首先，涂層的入射介質是玻璃而不是空氣。在制造工作流程中，介電涂層應用于兩個棱鏡之一的斜邊；然后將兩個棱鏡粘合在一起形成立方體。此外，一對高折射率涂層材料和低折射率涂層材料不足以實現所需的非偏振透射。典型的設計涉及至少三種涂層材料，每一種都經過仔細調整。圖 4 展示了 50/50 非偏振分束器鍍膜設計的性能。該圖表明，三種完全優化的涂層材料可以實現小于1% 的偏振分光差異。

圖4.使用三種材料的 50/50 非偏振分束器涂層的設計性能

濾光片技術的發展得益于悠久的重要成就歷史以及設計和制造工具方面多年的技術進步。鍍膜濾光片仍然是一個復雜的過程，仍然需要專業知識和經驗才能以最高的產量提供最佳性能。深入了解材料的特性和沉積系統是高性能濾波器設計的關鍵，這將使下一代系統具有更高的光譜效率。

審核編輯：劉清