摘要
深空光学通信是无线电频率（RF）技术的高效替代方案，提供更高的数据带宽。挑战在于，深空光学通信受限于光子。排除杂散光对最大化信号质量至关重要。具有高光学密度（OD）的超窄带通滤光片可以满足这一要求，同时提高信号传输量。本文介绍了带宽为0.2纳米全宽半最大值（FWHM）且带内透过率大于95%、带外抑制大于OD 5的超窄带通滤光片的设计折衷和制造结果。这些滤光片设计用于匹配1550纳米区域的激光波长。
1.0 引言
光学通信提供了比无线电频率技术高出40倍的数据带宽的潜力，同时显著降低了飞行终端站的重量和功耗。深空光学通信链路的关键要求是需要高效地抑制杂散光和环境光，同时保持高带内透过率。带宽小于0.2纳米的超窄带通干涉滤光片可以提供这一能力。制造超窄带通滤光片的挑战在于需要精确调整滤光片的通带波长，以覆盖滤光片的整个孔径。本文提出的实现高均匀性的方法是激光靶向退火。
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光学滤光片对于最大化地面站与位于深空的卫星或探测器之间的信噪比至关重要。目标任务是地面站与火星轨道器和探测器之间的光学通信。光学干涉滤光片必须透过微弱的激光光，同时抑制环境阳光和背景星光。滤光片的最具挑战性的要求是在地球和火星相对时，当通信路径与太阳角度小于5度时，保持足够的信噪比。图1展示了任务挑战的示意图。
2.0 滤光片设计
光学干涉带通滤光片的基本设计是法布里-珀罗（Fabry Perot）设计。该设计由一对镜面构成，镜面之间由一个光学腔隔开。光学腔层的光学厚度使得每个镜面的反射彼此失去相干性，从而决定了中心通带波长。该设计对构成反射镜堆叠的薄膜的厚度误差相对不敏感，但对腔层及其相邻层的误差非常敏感。对于单腔法布里-珀罗滤光片，腔层的误差会移动中心通带波长，但不会显著降低通带的形状或峰值透过率。
图2和图3展示了这些敏感性。图2展示了使用蒙特卡洛模拟随机层厚度误差的单腔通带设计的模拟透过率。图3展示了每一层对性能的相对敏感度图。层厚度误差的影响通过在层厚度中引入小误差，并将滤光片的优值函数变化与设计中其他层的类似变化进行比较来建模。最敏感的层是腔层。
图2：蒙特卡洛模拟的0.5纳米单腔设计的100次试验透过率，假设层厚度误差为1%。
单腔法布里-珀罗设计中的层厚度随机误差不会扭曲形状或带宽，仅会影响中心波长。图3：各层厚度误差的相对敏感度。
误差的影响在中央腔层的厚度误差中最大。
只要最终的滤光片能够通过角度调谐或退火调整到波长，单腔设计可以通过良好的成品率制造。图4：单腔（红色）和多腔（黑色）带通滤光片的透过率，设计带宽相同。
多腔设计提供了平坦的顶部响应、更陡的边缘和更深的裙带。图5：图4中展示的滤光片设计在对数尺度上绘制。
多腔设计在中心波长（CW）1纳米范围内将光学密度（OD）降低到6。
多腔设计的信噪比是单腔设计的7.4倍。
图6：蒙特卡洛模拟的0.175多腔设计的10次试验透过率，假设层厚度误差为0.005%。
多腔设计中的层厚度随机误差会扭曲带通形状，并抑制带内透过率
图7：各层厚度误差的相对敏感度。
该设计由三个腔体组成。
任何一个腔体层的厚度误差都会使滤光片失去相干性，并破坏滤光片的带内透过率。
蒙特卡洛模拟将误差随机应用于每一层。模拟结果显示，整体中心波长的变化相对较小，滤光片的带宽、峰值透过率和形状保持相似。结果是一个中心波长有误差的滤光片，但在其他方面仍然是一个非常可用的滤光片。在许多情况下，取决于滤光片材料的选择，中心波长可以通过角度调谐调整为设计波长，或者通过退火技术进行后处理来将滤光片调谐到设计波长。
单腔滤光片的限制在于其特征性尖锐（或三角形）透过带。更为理想的设计是使用多腔设计实现的“平顶”性能。图4展示了单腔和多腔带通滤光片的叠加图。图5展示了这两种设计的透过率对数尺度图。平顶设计在激光稳定范围内提供了更好的带内透过率、更陡的边缘斜率和更深的光学密度“裙带”。单腔的带内透过率与带外透过率之比为0.563，而多腔为4.14。这表明多腔设计的信噪比是单腔设计的7.4倍。
制造多腔设计的挑战在于需要将每个腔体的中心波长调整一致。图6展示了一组通过蒙特卡洛模拟生成的10个透过率图，厚度误差仅为0.005%。厚度误差扭曲了带形、透过率和通带的位置。图7展示了一个层敏感度模拟，突出了腔层的敏感度。
图8：在0度和5度入射角（AOI）下测量的两个2.5纳米多腔带通滤光片的透过率，与目标激光波长叠加。
该应用用于自由空间激光通信。操作入射角为0到5度。激光波长分别为1552.3纳米和1548.7纳米。
图9：前一图中测得的相同透过率数据在对数尺度上绘制，以突出滤光片的斜率和对相邻激光线的抑制。
这些滤光片在0到5度入射角下提供了高的带内透过率，并对相邻激光带提供了OD 4的抑制。
制造商业化的“平顶”多腔带通滤光片，带宽为1纳米及更大，波长为1550纳米，已得到很好的验证，并且在高精度商业光学涂层设备和计量设备的能力范围内。图8和图9展示了为地面终端与空中目标之间的自由空间激光通信制造的这类滤光片的例子。制造亚纳米级单腔带通滤光片也在当前设备的能力范围内，如图10所示的三种单腔滤光片的透过率测量所示。然而，制造亚纳米级带通滤光片（0.175纳米）超出了现有先进工艺设备在均匀性和厚度控制方面的限制。
图10：展示了三种超窄带阻滤光片的测量透过率。这些是1.0纳米宽、0.65纳米宽和0.3纳米宽带通滤光片的激光波长扫描数据。超窄带阻滤光片可以可靠地制造，但角度和温度引起的光谱偏移需要与系统要求匹配。
3.0 方法
测试滤光片使用Helios级双磁控溅射、等离子体辅助沉积系统制造，该系统采用最先进的光学监测系统进行层终止（图12和图13）。该设备在200毫米板上可靠地保持中心波长的均匀性，公差为+/-0.25%。在1550纳米时，0.25%的非均匀性意味着在25.4毫米孔径上有0.75纳米的梯度误差。这个非均匀性过高，达到了100倍，无法制造高质量的0.175纳米目标带宽滤光片。图11展示了Helios溅射室和洁净室的照片。
我们为提高均匀性并将滤光片调谐到特定波长所开发的方法是后沉积退火技术，用于局部靶向退火滤光片。后沉积退火技术已用于窄带通滤光片的波长调谐，典型的永久波长调整为单腔设计最大可达15纳米，多腔设计为6到8纳米，且不会失去形状。
超窄带通滤光片的中心波长通过波长扫描激光实时监测（图6）。图12展示了用于这些测试的激光光谱仪的照片。在这张照片中，滤光片被放置在一个环形加热器中。该加热器可以在中心核心达到500°C。在部件进行热退火时，监测中心波长的位置。该装置安装在X-Y台上，可以测量部件的透过率。
初步实验使用了热加热器。该加热器无法针对基片上的特定区域进行加热。为了实现局部加热，使用了激光靶向退火技术，以实现表面均匀性的精确调谐。使用CO2激光局部加热滤光片的区域，并将性能调节到所需的中心波长。
图13展示了功率设置与波长偏移之间的关系。该图显示了在低能量输入时预期的“弹性”或热膨胀区域，随着输入能量的增加，紧接着是名义线性的“非弹性”或退火区域。从这些数据可以生成查找表，以确定所需的设置，以实现给定的波长偏移。
图11：Helios多靶高容量反应溅射涂层设备为最具挑战性的设计提供了高容量能力和可靠的性能。
图12：超窄带滤光片使用光纤耦合扫描激光器进行测量。
在这张照片中，滤光片被放置在高温加热器中，并在退火过程中进行监测。4.0 退火结果
一旦确定了激光退火的响应，就可以使用选择性（或靶向）退火来改善滤光片的均匀性。图14显示了200毫米直径1554.0纳米滤光片上中心波长的空间分布。此测量显示了高性能生产涂层中典型的1% CWL变化。在1550纳米时，滤光片上波长大约变化15纳米。图15和图16展示了激光靶向退火后的结果。中心的110 x 110毫米区域经过激光靶向退火。数据显示，中心区域已退火至均匀性为+/-0.05%。该区域的平均中心波长被测量为1554.61纳米。此测试的目标波长为1554.6纳米。图13：波长偏移（纳米）作为功率设置（%）与三种光栅速度的函数绘制。
功率和停留时间都可以作为局部控制波长调节的有效控制方式。
图14：超窄带通滤光片的中心波长作为位置的函数在200毫米板上绘制，数据来自激光靶向退火之前。图15：激光靶向退火单腔带通滤光片：平均值 = 1554.61 纳米 / 标准差 = 0.279 纳米。目标波长为1554.6纳米。图16：中心的110 x 110毫米区域经过激光靶向退火。数据显示，中心区域已退火至均匀性为+/-0.05%。
图17：激光靶向退火超窄带通滤光片的测量透过率。
透过率显示在顶部图中，光学密度显示在底部图中。
图18：退火单腔带通滤光片在22毫米直径孔径上的测量扫描激光复合透过率。
图17和图18展示了使用后处理退火制造的两个滤光片的测量透过率扫描，显示了在25毫米样本上良好的中心波长控制和复合性能。
结论
后处理退火是一种有效的控制滤光片中心波长并满足超窄带通滤光片所需高性能均匀性的方法。这些滤光片是硬质氧化涂层，具有较高的性能和环境稳定性。通过正确选择基片，7,8，这些薄膜的热敏感性可以调谐到每摄氏度0.02纳米以内。可以使用加热器来补偿激光漂移或多普勒偏移。
