（光学专业论文）无源光网络滤波器的研制.pdfVIP

摘要 无源光网络是解决“最后一公里”的光纤到户的主要接入技术， 基于光学薄膜的分波合波器是无源光网络的单纤三向技术的关键器 件。这种新型的应用于无源光网络的薄膜器件是光学薄膜、光通信领 域研究、开发的热点。 本文运用光学薄膜消偏振截止理论，结合工艺要求，基于非传统 的f p 腔结构系统的设计出满足指标要求的应用于无源光网络的消 偏振截止滤波器，以工艺因素分析为基础结合光通信镀膜工艺，在 d w d m ( 密集波分复用) 镀膜机上完成了镀制镀制的样品消偏振截止 效果显著，具有创新与重要的应用价值。因此本文的设计方法是实用 的，进一步可指导其他光学薄膜消偏振截止器件的设计。同时也研制 了无源光网络的其余滤波器，也具有一定的应用价值。 本文还结合光通信薄膜器件的制备，在镀制滤波器的过程中对工 艺因素和制备参数进行了探讨。分析了真空度、基板温度、镀膜均匀 性、镀膜材料、沉积速率等对高精度要求薄膜的镀膜过程的影响。以 工艺分析为基础，确定了较佳的镀膜制备参数，包括真空度、沉积速 率、基板温度等。 最后论文针对对偏振有要求的光学薄膜的镀制提出了偏振监控， 探讨了搭建的偏振极值监控系统进行实际监控的可行性，计算了监控 片4 5 度斜放置时基片较佳的放置位置，进行了基于c c d 高速光谱扫 描的宽光谱偏振监控仪的初步研制。 关键词：无源光网络波分复用消偏振截止光学薄膜制各技术 l a b s t r a c t p a 豁i v eo p t i c a ln e t w o f k 口o n ) b a df t t hi st h cp m m i s i n gs o l u t i o n 如f “t h c l a s tr n j l e ”o r“t h e f i r s ti l l i k ”t h i nf i l mb 笛c d w a v e l e n g t h d i v i s j o n m u n j p l e x i n g ( w d m ) f i l t e ri st h ck c yc o m p o n c mo ft h ep o n st r i p l ep l a yt e c h n o l o g y w h i c hc a r r yt h eb u n d l es 远n a lo fd 远i t a l ，v o i c ea n dc a b l et v _ s ot h c s en o v c l t h i l lf i l m c o m p o n e n ti st h eh o tr e a r c hd o 眦曲o fo p t i c a l t h i i l 丘l i i la n do p t i c a lc 0 l m n i c a i t i o n t h cf i r s to f t h i st h c s i sr e s e a r c h ，i sh a v i l i gp u t 锄p h a s i so nt h c np o l a r i z i n g e d g cf i n e rd e s j g na n dc o a t i n g 如fp o n d i 如咖g 丘0 mt h e np o l 盯i z i n gt r a d i t i o n a l d e s i g n ，t h ep 印e r sd e s i g nr c 鲫l ti ss i n 巾l ea n dp 翔c t i c a lb a do nt h co p t i c a l t h i l lf i l m n o np o l a r i z i n gc d g ef i n e f t h e o r ya l l dt h cd c t u n c ds p a c e r l a y e e c l l i i o l o g y ，p m v c db y c 0 a t i n ge x p e r i m e n td o b yd w d mc o a t 吨m h i n cw i l hp r o p e rc o a t i n gp a r a m e t c r t h ei i i v a t j o nd e s i g na l l d a t i 唱鼢m p l cs 1 1 0 u l dl l a v ci m p o n a m a p p l i c a t i o nf o r t h e n o np o l a r j z i l l ge d g ef n t e ro f o p t i c a lc o m m u n i c a l i o ns y s t e ma n dp o n t h eo t h e rf i n e 璐 o fp o n sd e s i g i ia n dc o a t 吨f e s u na r ea l s 0 咖n s e c o n d l y ，t h ct h c s i sa 舱l y sa b o u tt h c 缸c t o ra 施c t i n gt h ec o a t i n gl a y e 砖o ft h c p c i nf i n e r r e f c r r i n ga b o u tt h cp r o d u d i o no ft h i l l f i l m c 0 i n p o m 向ro p t i c a l c o m m u n i c a t i o n a 矗e r 锄l y z i n g ，t h cp o n6 h e 幅a r ed e p o s i t c di i it h cc o n t m l l i i l g p m p r i c t yc o a t i n gc o n d i l i o n ，s u c h 弱t h e 咒s i d u a ig 舔p m 辐u r e ，s u b s t r a t et c m p e r 甜u f c ， t h er a t eo fd e p o s i t j o n ，趾ds oo n i nt h cc n d ，t h cp a p e rp u t sf o n v a r dt h c 肿n i t o r i n gf o ft l l cp o l a r i z i n gc o a t i n g t h c 确s i b i l i l yc x p e r i 呲n to f t l l ep o l a r i z 吨c 烈肌m 啪n 赴。血gs y s t e mi sd o a n dt l i e t h cu n 渤册i t yo ft h ep o l a r i z i n gc x t 咄肌mi 帕n i i o r i n gp 打d c c e di sa 姐l y z c d 1 kl a s t w o r ka b o mt h ep a p c ri sm 皿白c t u r i n gt | i c p o h 吨i l l gw i d t hs p e c t m mm o n 的血g s y s t e mb a s c do nc a ) s p 鳅m 踮a 雌h l g k e yw o r d s ：p o n ，w d m ，琳- p o l a r i z i n ge d g c ，o p t i c a lt h i i lf i l n l c o a t i n g t e c i l l i o l o g y i v 引言 薄膜光学是应用光学学科的一个重要分支，是研究光在分层介质中传播 规律的一门科学。薄膜光学主要研究光在分层介质中传播时的分光透射特性、 分光反射特性、分光吸收特性、以及光的偏振状态和相位变化等现象 ”，通 过在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等材料表面镀一层或多层薄膜，基于 薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的光强、偏振状态或相位的变化。 运用光学镀膜技术制各的多层光学薄膜元器件已广泛应用于光学、电子、信 息、通信、生物、医学、环保、节能、材料等国民经济的各个领域，并起着 重要的作用2 】_ 【4 】。随着光通信的发展，光通信用的光学薄膜器件对光学薄膜 的设计、制各、监控、测试都提出了很高的要求因此也大大推动了光学薄膜 技术的发展。 光通信9 嘲络中，由于薄膜滤光片本身具有低的温度系数( 1 ，表示一个高反区，对应截止带 3 旧。，t 阻。l ；1 ，与此相对应的波长称为截止波长。 等效膜理论的重要性在于将对一多层膜的解释变为对一单层膜特性的解 释，同时还容易将单个周期的结果推广到多个周期组成的多层膜。 周期对称膜系的等效定理 若一个周期性对称膜系的基本周期的特征矩阵为： m 。| c 0 皇批i n 6 ：纫j ( 2 - 4 ) l ，仉s i n 6 。c o s 6 ，i 、。 则整个周期性对称膜系的干涉矩阵为各个基本周期特征矩阵的乘积，即 m ，。卜s 土心柏：仉1 5 ( 2 - 5 ) f ，仇s i n 6 。c o s 6 。l 、 可证明 1 7 m ，。1 s 6 e js i n 6 e 7 吖。：lc o s ( 始e ) j 8 i n ( 5 6 e ) 仇1( 2 - 6 ) i ，仇s i nd 。 c o s 6 。 i ，仇s i n 0 6 。)c o s 0 6 。) l 因此一个周期性对称膜系仍然存在一个单层膜和它等效，并且这个等效 单层膜的等效折射率就是它的基本周期膜系的等效折射率，而它的等效位相 厚度等于基本周期的等效位相厚度的s 倍。 2 2 光学薄膜消偏振截止设计原理 当光线斜入射时，由于光学薄膜膜系的p 偏振态等效折射率与s 偏 振态的等效折射率不同，光学干涉薄膜滤光片便产生偏振效应。在很多种 情况下，特别是在一些光通信波分复用系统和液晶投影显示系统罩，这种偏 振效应是必须消除和减少的。 2 2 1 消偏振截止膜系的要求 实现消偏振截止的膜系对膜系的基本单元的个数是有要求的。如采膜系 结构为二元周期结构g i ( a 4 p 月) 5 1 月扣，无论如何调整a 、卢，都是不能实现 消偏振截止。下面证明之。 设二元周期膜系为g i 4 卢曰) 5 b 咖，a 、b 分别是两种不同折射率的材料， 当选择其中一种材料的一个厚度作为一个单位，如选吼d 。作为一个厚度单 位，记为a ，另外一种材料的相对厚度即为阳，于是g l 一卢b ) 5 爿扫可以等 效写成g l 胡) l 4 扣。在空气某一斜入射角度吼下，根据切比雪夫多项式， g i 曲) 5 1 4 一的基本周期s 光、p 光的宗量的表达式为【l 】： 弘型坠些纠业 ( 2 - 。) r ：， 1 8 妒业塑半 墨：，、r ：，分别是两个膜层界面上s 、 则s 、p 光分别在截止位置重合，即有： x 。t x 。一1 由( 2 7 ) ( 2 9 ) ，得 pc o s ( 1 + c ) 6 可端 ( 2 - 8 ) p 光的反射率。如果消偏振截止 = 搿 所以 r 2 ，- r 2 p 而 2 ( 糕) 2 - ( 篡糌) 2 玑，+ 叩 巩c o s + c o s 。c 端) 2 c 糍等糕，2 玑p + 叩却 玑，c o s 叱+ ，c o s 怖巳t 再c o s 一脬 代入( 2 - 1 0 ) - ( 2 - 1 2 ) ， ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - ) ( 2 - 1 2 ) 得玑。 这与开始设定a 、b 是两种不同折射率的材料是不符的。因此二元周期膜 系是不能实现消偏振截止的。 在设计上为了方便，往往选用对称周期膜系来进行消偏振截止膜系的设 计。但是消偏振截止膜系对对称膜系的基本周期的单元数也是有要求。如果 对称膜系的基本单元数为3 个，也是不能实现消偏振截止的。可以利用上面 2 元周期膜系不能消偏振截止的结论来证明。设对称膜系为g l 爿点h 1 5 以一，则 可以写成g b 2 爿) 5 。删 爿挣。膜系的特性一般由丰周期决定，因为 1 9 g l 2 爿) 5 。l 彳f r 不能实现消偏振截止，所以g 陋2 4 ) 5 删i 爿f r 也不能实现消偏 振截止即g l 爿且盯爿f r 不能实现消偏振截止。严格的证明如下： 为简单化，设三元对称周期膜系为g 1 ( a 旭4 ) 1 4 扣，入射介质为空气，斜入 射角度为吼。 根据等效定理， g l ( a 墟d ) 1 爿f r 的基本周期的干涉矩阵元m ，根据等效定理可表示为： m 。，z c o s ( 2 6 。) s ( 6 b ) 一o 5 ( + ) s i n ( 2 6 。) s i n ( 如) ( 2 1 3 ) 玑 其中6 。z o 5 玎g c o s 吼、屯= o 5 口增c o s 分别为a 、b 膜层的位相厚度。 没在某个x 值的情况下可以实现偏振分离在截止位置重合。有： m 1 h 一1 m 1 ；1 即 等篡置j 麓j ：置：澎：嚣= p m 1 l p ；c o s ( 2 颤) c 0 “如) 一d ，s i n ( 2 屯) s i n ( 屯) = 1 一7 其中d t = o 5 ( 生旦擘+ 当! ! 丝) o h ac o s 钆c o s d pl o l 5 ( 等+ 等) o ，1 月c o s 门口c o s 吼 ( 2 1 4 ) 可分三种情况： 1 m m - m 1 1 p ；1 或m m = m 1 1 p 一1 时，由( 2 - 1 4 ) 得s i n ( 2 6 ) s i n ( 6 口) = 0 此时等效层为一虚设层，解是无意义的。 2 m l 。= 1 ，m ，；一1a ( 2 1 4 ) 成为： m m = c o s ( 2 6 a ) c o s ( 6 口) 一bs i n ( 2 屯) s i n ( 6 口) = 1 ( 2 1 5 ) 2 0 m 1 1 ，一c o s ( 2 6 ) c o s ( 如) 一d ps i n ( 2 九) s i n ( 屯) 一l ( 2 _ 1 6 ) 由( 2 1 5 ) ，得c o s ( 2 九) c o s ( ) = l + bs j n ( 2 九) s i n ( 如) ( 2 - 1 7 ) 由( 2 一1 6 ) ，得c o s ( 2 丸) c o s ( 如) = 一1 + d ，s i n ( 2 九) s i n ( 6 日) ( 2 1 8 ) 一1 墨c o s ( 2 以) c o s ( 6 口) 5 1 ( 2 - 1 9 ) 分别把( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 代入( 2 1 9 ) ，得 一2s ls i n ( 2 6 ) s i n ( 6 口) so( 2 - 2 0 ) 0sd 。s i n ( 2 以) s i n ( 以) 2 ( 2 - 2 1 ) 因为见、d ，均大于0 ，bs i n ( 2 以) s j n ( 如) 与d ，s i n ( 2 丸) s i n ( 屯) 同为正数 或同为负数，这与( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 是矛盾的。所以( 2 - 1 5 ) 、( 2 - 1 6 ) 的情况下( 2 1 4 ) 式没有解。 3 m 。一1 ，m 。= 1 。这种情况与情况2 类似，同理可证明情况3 下 ( 2 - 1 4 ) 式没有解。 因此( 2 1 4 ) 式总是没有解的，也即无论x 取何值，都不能实现消偏振截止。 由前面两点来看，要实现消偏振截止，若采用对称的周期性结构，至少 周期性结构的基本周期要有5 个以上膜层单元。如膜系gi ( l h o 9 6 l h l ) ”a ， 九一6 9 4 n m ，n h 一2 0 4 ，t 1 4 5 ，膜系在1 4 7 0 n 处两偏振分离很好的重合 在一起，如图2 1 。 图2 一l 膜系g l ( l h o 9 6 l h l ) ”l a 的透射谱 2 2 2 消偏振截止薄膜的设计方法 传统的消偏振截止光学薄膜设计方法，分为窄带和宽带的消偏振截l 光 学薄膜的设计方法 窄带的光学薄膜消偏振截止设计方法，以以下周期性结构进行消偏振截 止设计【3 9 】【4 3 】： 倒b 4 b 4 皿( 2 2 2 ) a 、b 分别表示4 分之一的膜堆，共有2 x + 1 个4 分之一膜层，f 为调谐冈子基本 周期共有2 x + 3 个膜层。 把爿删口一等效成一单层膜m ，则( 2 2 2 ) 的膜系的特征矩阵可以表示为： ：l 1 1 l 。l c o 括抽酬愕t 2 l | c 口f s i n 酬i l f 2 12 2 ll s i n 口 c o s a | | m 1 1m 2 2 l i 卸口s i n d c o s a 要实现消偏振截止，则 1 l ；2 2 互m 1 lc o s 2 0 o 5 ( m 1 2 叩口一肘2 1 ) s i n 2 n = 1 ( 2 2 3 ) 一辞一8亘一lej 得 由于m = a b b 一， 所以，在中心波长附近 m t ，t m ：= ( 一1 ) ( 一) 【国一) 。+ 伪z ，r 。+ + 国。，玑) ( 2 - 2 4 ) - ：2f ( 一1 r 加一，) 。玑 ( 2 - 2 5 ) ：- 。f ( 一1 y 帆y 玑】 ( 2 _ 2 6 ) 一o 2 一g ) 2 ”) 分别把s 偏振态和p 偏振态下的把( 2 2 4 ) ( 2 2 7 ) 代入( 2 2 3 ) ，解 。兰! 二堡坐丝。i 。2 。；：墨二墨f 2 础 _ 二一 s l nz a 耳二一l z 2 石 昂c o s 2 0( g 一0 q ) 其中p 一( ，“，7 。) “1 一叩。玑) q o 5 ( 玑) ”1 因为 a 一白2 ) 招 所以 ，- a 芒一f ) ( 2 _ 2 9 ) 这就是膜系。f 五h 且4 口4 曰实现消偏振截止的f 值。 需要注意的是，e 述的设计都是在特定的入射角度下进行的，膜系里面 规整的四分之一光学厚度是相对于在特定的入射角下的，若要换算成o 度入 射时的光学厚度，需乘以一个1 c o s 疗因子。下面是由上面的方法的一个设计 例子。膜系结构为： 爿扣 9 7 堪1 0 8 7 ) 2 ( 1 0 2 8 三( 1 0 4 9 h 1 1 7 4 ) 3 1 0 4 9 m 0 2 8 l y ( 1 0 8 7 o 9 7 埘) 2 l g 缸驰 入射角度是4 5 度，n 。，2 3 5 ，月= 1 3 5 ，透射谱如图2 - 2 。 0 51 10 7 10 9 l o ，1 11 1 2 1 1 3 g 图2 2 窄带消偏振截止设计的透射谱 从图2 2 可以看出，窄带的消偏振截止光学薄膜设计的通带宽度是很窄 的。在实际使用场合中，往往需要宽的通带对于这种宽的通带消偏振截止， 采用的是多元对成周期膜系来设计宽带消偏振截止滤光片的理论，其原理是 【4 4 l ： 假设多元对称周期膜系的基本周期是： c 1 4 c 2 4 一一l c ，4 c ，4 c “4 _ 1 r 2 4 c ，4 ( 2 3 0 ) 式子( 2 - 3 0 ) 中，4 表示膜层的折射率为n 。，其有效光学厚度为九4 ， c 为调谐系数，v 表示周期的元数，它是大于2 的整数。 ( 2 3 0 ) 的半结构为： c 1 4 c ：4 r ，一 一。c v a ( 2 - 3 1 ) 令： b ：= c 4 t 叫【= i 马 ( 2 3 1 ) 结构的矩阵为： | q | | | 帆川讣饿卺| ；i 盏。劁z 魏b i 裂删，舞名。7 翟叫弘。z ，i 慨1 b 2 2i 向州s i n 瓯一1c o s d v _ 1 l f j 仉s i n 6 。 c o s 6 。 、。 将f 2 - 3 2 ) 展开， 得 q 1 1 一马1 ( c o s 6 “c o s 戌一j l s i n 6 s i n 戌) 一墨2 魄一ls i n 瓯一l c o s 6 ，+ 仉s i n d ，s 瓯一1 ) ( 2 3 3 ) 当实现消偏振截止时， 有q 1 。= o 或q 1 ：= 0 或q 2 。；0 或q 2 ：= o 对于 q 1 1 = o 由( 2 5 3 ) 有 蛾- 警 p s 。， 对在截止位置重合的偏振分离，位相厚度相等，有 警l l i 警 ， 防，s ， 【 叩v 一+ 目 j ，【 仇一，+ 日， j ， 、 在上述各式中，吼由膜层和入射角决定，位相厚度6 。、6 ：戌一：等在 设计中可任意给定，然后将上述参数代入( 2 3 5 ) ，解出歪，再由( 2 - 3 4 ) ， 解出6 。山于6 ：= 要c f g ，q 可如下确定： 铲圳挚 铲酬挚 铲纠挚 下面是上述设计方法的一个例子。膜系结构为： g 4 1 1 6 h o 5 2 4 o 1 2 7 埘o 5 2 4 虬o 4 1 1 6 h ) 6 | 爿 入射角度4 5 度，a3 5 ，吼= 1 4 5 。 g 图2 3 宽带设计方法例子的透射谱 从上述的推导过程可知，由于可以任意给定初始的位相厚度，因此了c 的 爿 大小也可任意，因此每个c ，只具有相对的意义由这点出发，我们可以统一窄带 和宽带的消偏振截止设计方法窄带的设讣方法实际足宽带的设计方法当中 c 2 4 r 4 一。c 。4 c ，4 c 4 r 2 彳2 变为h l hl 的情形而h l hl 是我 们所熟知的一种反射层结构向我们也知道斜入射时由两种折射率材料构成 的多半波滤光片的半波层失调时发生的以下现象： 1 两偏振分量的反射相位不相等，两偏振分量的透过率峰值位置不再 重合： 2 两偏振分量的通带宽度不相等。 由于上面两种情况，所以两偏振分离由通带向截止过渡的截止位置就有 可能重合。从上述结构可以发现，其基本周期单元恰好含有5 个以上的膜层 单元，与我们在前面的证明得到的结论是一致的。膜系g ( 0 5 l h l h 3 0 4 l h l h 0 5 l ) ”a 验证了失调半波层的多半波滤光片可以消偏 振截止。其中耦合层为l ，反射层为l h l ，失调间隔层为3 0 4 l ，凡= 6 9 4 h ， n h 一2 0 4 ，l 工蕾1 4 5 - 幽2 4 膜系g l ( o 5 l h l h 3 0 4 l h l h o 5 l ) “a 的透射谱 因此可以结构：g i ( 半耦合层反射层失调间隔层反射层半耦合层) 5 a 来设计消偏振截止滤光片。我们也注意到，根据反射层实现的形式，结构：g ( 半耦台层反射层失调问隔层反射层半耦合层) 8a 的半结构可以写成： 一 芸( 成且岛b ：展b ) j d c 二 这与( 2 3 1 ) 的形式是一样的。而且当反射层的反射率r o 。时，g | 一担8s芝encj_ ( 半耦合层反射层失调间隔层反射层半耦合层) 8l a 的通带宽度一o ， 而r 很小时，通带宽度可以很大。由此，我们可以以结构： gl ( 半耦合层反射层失调间隔层反射层半耦合层) 8a 来统一窄带和宽带的设计方法，因为由结构gl ( 半耦合层反射层失 调间隔层反射层半耦合层) 8a 出发进行消偏振截止的设计，可以得到不 同的通带宽度。重要的是，从结构g | ( 半耦合层反射层失调间隔层反射 层半耦合层) 8a 出发进行设计，避免了传统的窄宽带消偏振截止复杂的 设计，避免了很多非规整层，同时可根据实际需要获得所需带宽，有实用意 义。 在实际设计中，多半波滤光片的各个结构对膜系光谱特性有以下影响： a 、耦合层主要影响通带透过率 b 、反射层主要影响通带宽度 c 、问隔层主要影响截止定位 d 、周期数主要影响截止深度 当然各个参数对膜系的影响并不是独立的，而是相互影响的。但是可以 不断的调节各个因素，使之不断接近设计目标，所以消偏振截止滤光片的设 计可以采用失调多半波周期膜系中心间隔层的膜系结构，并通过调整膜系结 构的各个参数，来达到设计要求。 2 _ 3 本章小结 本章通过相关证明和推导，总结了可以统一传统的窄宽带消偏振截止设 计方法的失调周期膜系中心间隔层的消偏振截止膜系设计方法。此种方法膜 系结构简单，工艺性优于传统的窄宽带消偏振截止设计，具有实用性。本论 文的消偏振截止膜系的设计将在失调周期膜系中心问隔层的消偏振截止膜系 设计方法的基础上，结合设计目标，系统的设计出满足使用要求的而且效偏 振截止效果显著的消偏振截止滤波器，并在所研制的样品卜进行验证。 2 8 第3 章消偏振截止滤波器设计 3 1 光通信薄膜器件参数 对光通信薄膜器件特性的描述常用以下一些术语【4 5 】： d b ( 功率比) = 1 0 l 双最，只) ( 3 1 ) d b m ：表示光功率的绝对值光功率( d b m ) = l o l g 【尸( 聊) l ，z 矿】 ( 3 - 2 ) 预先知道光路衰减时，器件参数= 一1 0 l 颤b 只) ，对一些器件参数的定 义和相应参数下p 2 、p 1 的值，简单说明如下： 插入损耗：峰值插入损耗，指特定光通道的中心波长通过器件时的损耗 p 2 ：所特定光通道波长的输出光功率 p l ：所特定光通道波长的输入光功率 隔离度： 通带隔离度或扰串或串光 p 2 ：某一规定波长波长输出端口所测得的另一不想要波长的光 功率 p 1 ：该不想要波长输入的光功率 回波损耗：返回的光功率的损耗 p 2 ：从输入端口返回的光功率 p 1 ：同一个输入端口所输入的光功率 偏振相关损耗：偏振分离所造成插入损耗的最大变化值 通带波纹系数： e = q 岫x nm i n dm a x ：通带最大插入损耗 nm i n ：通带最小插入损耗 评价光通信薄膜器件的常用的光学性能指标有：中心波长( c e n t r a l w a v e l e n g t h ) 、峰值插入损耗( p e a ki n s e r t i o n1 0 8 8 ) 、通带损耗( p a s sb a n d 1 0 8 s ) 、波纹( r i p p l e ) ，通带隔离度( p a s sb a n di s o l a t i o n ) 、通带宽度( p a s 8 b a n dw i d t h ) 、截止带宽度( s t o pb a n dw i d t h ) 。图3 1 显示了各指标的台义。 图3 一l 光通信薄膜器件的光学性能指标 3 24 5 度兀r 消偏振截止薄膜滤波器设计 32 1 设计指标 由图1 9 ，t t r 必须对1 3 1 0 、1 4 9 0 高透，1 5 5 0 高反，才能让1 5 5 0 n m 的光信号到达1 5 5 0 接收器。根据l t ug 9 8 6 3 标准，三个信号窗口的波才宽 度分别为：1 3 1 0 正负1 0 0 n m ，1 4 9 0 正负2 0 n m 。1 5 5 0 正负2 0 。因此，t t r 必须： 高透：1 2 6 0 1 3 6 0 n m 、1 4 8 0 1 5 0 0 n m ： 高反：1 5 4 0 一1 5 6 0 m 。 同时为了防止信号的扰串，1 5 5 0 信道通过t t r 时的剩余透过滤必须很小。 按照器件一般的要求，1 5 5 0 1 1 m 和1 4 9 0 、1 3 1 0 的隔离度必须要在2 0 d b 以上。 所以1 5 5 0 n m 的反射率必须满足凡9 9 ，这样才能达到器件隔离度的要求。 在满足器件基本要求的情况下，t t r 对1 3 1 0 、1 4 9 0 的透过率当然越高越 好。但是追求高的透过率会碰到器件成本的问题，还会碰到镀膜的极限。因 此透过率最好有一适当的值。这一值能满足器件的基本要求，同时镀膜又能 够达到。我们的透过率基于以下两点： 1 通带波纹系数控制在o 2 d b 以内： 2 玻璃未镀膜一面大概有4 的反射损失； 因此我们考虑高透的数值要大于9 6 。 同时由于器件的封装带来的误差，必须允许入射角度有一变化量时还可 以保持光谱特性。同时因为在斜入射时会发生偏振偏离，所以我们必须保证 此器件的p d l 。最后我们的t t r 指标为： 1 空气入射角4 5 0 2 0 ，1 2 6 0 一1 3 6 0 n m 、1 4 8 0 1 5 0 0 n m ，r 苫9 6 ，1 5 4 0 一1 5 6 0 ，异9 9 ： 2 通带p d l 3 0 0 姗；s w 4 0 n m g 。= 0 1 1 6 2 ；g ，= 0 0 1 1 5 2 反射层为h l h g i ( lh l h2 0 1 lh l h l ) “1 8l a ，占。= o 4 6 3 4 ；h = 6 9 4 n m 九= 1 1 4 9 7 0 9 1 4 9 7 1 6 i = o 0 7 砌；b w 3 0 0 岫；s w 4 0 衄 g 。= o 1 1 6 2 ；g ，= o o l l 5 3 反射层为h l h l h g l ( u 皿且l h3 2 l h u 皿且l ) “1 8 i ah = 4 6 4 呦 这一情形下膜层数高达2 0 0 多层，监控波长也小，因此不予考虑。由此 也不再考虑下反射层加大的情形。 耦合层为3 l l _ 反射层为l g ( 1 5 l h l _ 5 l h l 5 l ) 4 3 2 l a = o 3 5 5 0 ；k = 5 4 0 姗 九= o 0 5 姗；b w 3 0 0 i l 匝；s w 4 0 姗；g 。= o - 0 8 7 2 ；g ，= o 0 0 0 9 在这情况下，我们发现这种初始膜系需要的周期、层数都很大，监控波 长都比6 0 0 n t l 小。当再变化问隔层，即加大问隔层时，发现膜系要完全满足 指标3 ，需要的层数、周期数都很大，因此不再考虑加大耦合层的情形。 所以初始膜系只采用两个： 1 耦合层为l ，初始膜系结构为：g l ( o 5 lh3 9 3 6 lho 5 l ) 2 0 ia 。 2 耦合层为2 l ，当把l i 的1 和2 情形下的失调层变成规整层，两种情 况实际上是一样的。初始膜系结构为：g l ( l h o 9 6 l h l ) 4 2 5ah = 6 9 4 m 。 3 2 5 间隔层的调整与压缩通带波纹 要完全达到指标3 ，必须对初始膜系进行调整，包括间隔层调整层规整 层、中心波长的调整，s 的确定，加入消波纹匹配膜等。我们以初始膜系g i ( o 5 lh3 9 3 6 lho 5 l ) 2 0i a 进行说明，并也给出另一膜系的结构。 1 - 间隔层的调整 由于间隔层为3 9 3 6 l ，工艺性不好，因此尝试改为规整的4 l ，并改变膜 系中心波长，加大周期s 。改后膜系的透射谱如下： m，3 0 01 3 5 0 1 4 o5 w a v e i e n g l h ( n m ) 蚓3 5 g ( o 5 lh4 i ho 5 l ) 3 0 a 九t 9 8 6 n m 在4 5 度入射f 的透射潜幽 图3 5 膜系的九= j 九一l 1 1 5 1 6 9 5 1 5 1 7 5 3 l o 5 8n m ，消偏振截止 4 l 效果还是很好的。曲线陡度 o = 1 5 1 4 4 4 1 5 3 1 4 l = o 9 8 8 9 q 3 。 因此膜系的陡度是理想的。 2 加入消波纹匹配层 当膜系在某些波长处，膜系的等效折射率与基片和入射介质不匹配时， 将会出现较大波纹。如图3 5 ，在通带范围有较大波纹，其膜系在通带不同 的波长处的等效折射率见表3 1 。 表3 1 膜系6 ( 0 5 lh4 lh0 5 l ) 3 0 通带波睦处的等效折射率 波长姗 1 2 5 0 1 3 l o1 4 7 51 4 9 11 4 9 21 4 9 31 4 9 81 5 0 01 5 1 0 等效折射 2 3 52 0 81 3 91 2 41 2 31 2 l1 1 51 1 20 9 5 如果把膜系等效成一单层膜e ，则膜系的反射率为： 叫糍爿 当t j 瓦= 1 2 3 3 时，反射率为o 。由表3 一l 可见，在1 4 9 2 处其 等效折射率接近1 2 3 3 ，所以在图3 5 中1 4 9 2 的透射率高于其他波长的透 射率。 因此压缩通带波纹，可以在基片和初始膜系见插入一等效折射率为吼的 4 层，在初始膜系与入射介质间插入一等效折射率为叩3 的a 4 层，并且满 足 ”沥了仉= 再忑 则整个膜系的反射率 r = ( 叩。一竹2 叩，2 e 2 q 。) 2 ( 叩。+ 吼2 7 7 3 2 2 t 7 9 ) 2 = o 所以加入的匹配膜系必须满足叩1 = 历仉；丽。 另外，指标3 要求出射介质为空气，所以还需要玻璃的另一面加镀增透 膜。最后，得到完成符合指标3 要求的膜系结构1 为： 前层：g2 6 5 h1 _ 6 5 l1 2 8 h0 3 9 lo 8 h1 6 3 l1 5 5 h1 - 6 4 lo 3 1 hl1 6 2 h 0 5 l ( 0 5 l h 4 l j o 5 l ) “3 1o 3 9 l 1 5 7 h o 9 l o 1 7 h 1 8 6 l 1 6 1 h2 1 7 l 2 3 6 h 2 0 8 l 0 4 4 h1 8 3 la 后层g | o 4 3 l2 8 8 h2 0 5 l3 1 2 h1 4 5 l0 7 4 ho 8 l1 _ 2 7 h 2 0 3 l | a 其透射谱见图3 6 。 图3 6 ( a ) 酗3 6 ( b ) 幽3 6 ( a ) 设计l 在4 5 度入射时偏振分鼙透射谱 ( b ) 没计1 在不同入射角下的透射谱 一leu|lj 光通信的滤波器的透射常用d b 来表示。 d b 一一1 0 l o g ( 1 t ) ( 3 1 2 ) 我们用d b 为纵坐标，将图3 6 ( b ) 表示为 w a v e i e n g t h ( n m 图3 7 膜系1 以d b 为坐标在不同角度下的插损曲线 另一初始膜系g ( l h l h l ) 2 5a 的调整结果为膜系2 ： 前层：g l3 4 l h 2 6 4 lo - 8 3 ho 1 9 l 2 3 4 h1 4 9 l ( l h l h l ) 4 2 1 3 l l32 6 3 0 7 l 2 4 7 h1 6 3 l a 后层：g io 7 2 h2 6 3 l o 3 l la 光谱特性如图( 3 8 ) ( a ) 、( b ) 、( c ) 。 wa ve i en g t h i n m ) 幽( 3 8 ) a s p oor而#一磊cmj (日p)8leo 一孚i口ec日j 一 、- o c ，d e 置二：j 一 心。 - = ：i ：；： 。一47de gr e e 2 o 2a 口l3 z o，36 0t ood48 d15 2 o 5 5 口 wav i ng i l ( n m 图3 8 ( b ) r 八亥i 蹶删 心 幽3 8 ( c ) 图3 8 ( a ) ：膜系2 在4 5 度入射r 偏振分簧的透射谱 ( b ) ：膜系2 分别在不同入射角度f 的透射率曲线 ( c ) ：纵坐标以d b 表示的膜系2 在不同角度f 的插损曲线 由图3 7 、3 8 可见，两个设计都已满足设计指标3 、指标2 ，并且消 偏振截止效果非常好。同时消偏振截止在很大的角度范围内都有很好的效果， 在o 一6 0 度范围内都能消偏振截止( 如图3 9 ) ，比传统的窄宽带的消偏振 截止设计要大大提高消偏振截止的角度敏感性。 4 5 一邑*lel- 占pjuc詈一ec譬 (日p)8l山。； 幽3 9 ( a ) 设计1 在3 0 度入射下的透射谱 ! ，v 派气 幽3 9 ( b ) 设计l 在6 0 度时的透射谱 3 3 误差分析 对设计膜系引入制备过程中的误差参数，进行误差分析，可以评价膜 系的工艺性。从3 7 和3 9 可以看出两个设计膜系都满足了设计指标，但 第一个膜系的非规整比较多，而第2 个膜系的周期比较多，膜层数比较多， 因此可以对这两个膜系进行误差分析，来评价它们的工艺性，进而加以选择 作为实际镀制的膜系。本节主要分析折射率、光学厚度的误差、监控波长带 宽对设计光谱特性的影响。 3 3 1 折射率误差 设计所采用的折射率值由于镀膜工艺的不稳定性，存在爸一定的误差。 o 一_￥_gl 一一*e墨ej 引入随机误差的折射率： n o ) 一，l o ) + 吒0 ) p ( 3 1 3 ) h + o ) 为膜层的理论折射率值，吒( f ) 为膜层的折射率标准偏差，p 为按正 态分布的随机数。按上式给定折射率偏差为l ，两个膜系的折射率误差计 算如下： 强 1 3 0 01 d 1 5 0o t f i c i -v 一i 图3 1 0 设计1 的折射率误著计算曲线 目、! 萨、o 一 k 仰。” 一? 。 。 。“ 3 3 2 光学厚度误差 幽3 1 1 设计2 的折射率误差计算曲线 镀制过程中，监控信号的误差会引起膜层物理厚度或光学厚度的判断误 差。因此设计要考虑物理厚度或光学厚度发生的误差是否在镀制的容差范围 内。两个设计镀制的监控采用的是光控。对于其中的规整层，采用的是极值 法监控。对其中的非规整层，光控所能控制的光学厚度的绝对误差为0 0 1 个4 分一波长。由于极值法监控的误差补偿能保证足够的监控精度，因此本 误差分析将不考虑规整层的误差，只考虑在非规整层中引入误差，误差的计 算曲线如以下两图。 v 。4 洲o _ o 0 1e r r o r + 0 0 1e r r o r - t h e o r e 日c a i 图3 1 2 设计l 的光学厚度误差计算 一 一”气弋 ：b “7 ” 一- 0 0 1 e r m r 一+ 0 0 1e n 口r 一t h e o r e l i i ! 图3 1 3 设计2 的光学厚度误差计算 一水一芑墨一辱c日与 一辞一8c星e*l_ 3 3 3 监控波长带宽的影响 在监控系统中，光学系统、探测器和信号处理装置产生的影响可以通过 多次实验加以矫正。但是监控光源的带宽却是难以矫正的，除非提高监控光 波长的单色性。因此在特定的镀膜系统罩面，监控波长的带宽的影响是不可 避免的。图3 一1 3 是设计1 在中心波长有1 m 带宽的误差分析曲线，图3 一 1 4 是设计2 是在中心波长有o 2 n m 带宽的误差分析曲线。 图3 1 4 设计1 在监控中心波欧带宽1 l l i i i ，4 7 度入射f 的透射谱 幽3 1 5 设计2 在监控中心波k 带宽o 2 n m ，4 7 度入射f 的透射谱 从以上的误差分析，我们看到前面两个误差因素对两个膜系的影响基 一fi、glg 一#一8le，g 本相同，而对于监控中心波长带宽，而设计2 比设计1 要敏感得多，计算表 面，设计2 在中心波长带宽o 1 n m 的时候光谱特性也不是很理想。因此对于 实际的镀制而言，设计1 的镀制容差比设计2 。所以我们采用设计l 来作为 实际镀制的膜系。 3 44 5 度r t r 消偏振截止滤波器的设计结果 对于无源光网络波分复用方案1 ，见图1 8 ，第1 块4 5 放置的r t r 滤 光片是整个波分复用方案的关键，也是研制的难点。第一块三分波滤光片( 见 图1 8 ) ，要求1 4 9 0 1 0 砌透射率大于9 5 ，1 3 l o 5 0 n m 与1 5 5 0 1 0 n m 的反射率大于9 9 ( 2 0 d b ) 。我们运用上面窄宽带消偏振截止统一的设计方 法，适当加大反射层，然后依据通带宽度和截止度确定初始膜系结构的耦合 层，再运用上面的消偏振截止原理解出间隔层的失调因子，最后对通带进行 优化，膜系的理论计算光谱如图3 1 6 。膜系结构如下： g 1 2 h o 5 l ( h l ) 6 3o 1 3h ( l h ) 勺o 5 l ) 6 4 ( 2 3 8 h ) 6 1 ( 1 4 1 l ) “1 睑 n 日置2 0 4 甩= 1 3 8 ，中心波k = ：1 5 9 0 n m 。 2 6 01 2 9 01 3 2 013 5 0 3 8 0 1 01 “o1 4 7 0 5 0 01 5 3 0 1 5 6 015 9 0 w a v e i e n g t h ( n m ) 蚓3 1 64 5 度r t r 消偏振截l r 滤光片s 、p 光的透射计算曲线 一p)ouc#l匕里_ 由于镀膜时光控的补偿作用，因此镀膜时误差主要来源于非规整层的监 控误差。分别给定一2 n m 和+ 2 n m 的非规整层膜厚误差，计