（光学工程专业论文）薄膜fp梳状滤波器的设计与制作.pdf

薄膜f - p 梳状滤波器的设计与制作 研究生签字：彳寸舐 指导教师签字：j 基丕 摘要 基于薄膜法布里一珀罗滤波器的原理，本文对密集波分复用( d w d m ) 系统 中的窄带滤光片的基片加工、光谱特性、膜系的优化设计、误差分析、膜厚监控 方式、镀制工艺和粘接工艺等方面进行了深入的理论分析和试验研究。论文内容 组织如下： ( 1 ) 以光学薄膜基本理论为基础，介绍了法布里珀罗干涉仪的原理，引出薄 膜法布里珀罗滤光片的类型，着重分析了多腔薄膜法布里珀罗滤光片的设计原 理，及光束斜入射对薄膜窄带滤光片的中心波长的影响。对不同类型滤波器的原 理进行了分类介绍。 ( 2 ) 详细阐述了多腔级联型f - p 梳状滤波器的设计方法和制备过程。对基片 的规格要求进行讨论确定，检测其厚度和面形精度引进加工误差分析。根据全介 质法布里一珀罗滤光片的设计原理，运用m a s s 3 0 软件模拟得到理想的透射光谱 曲线。针对光学极值法监控制备膜层带来的误差，进行了膜系误差分析，直观模 拟了单腔膜系灵敏度和允差透射曲线，得到相关敏感层和最优允差范围。对于基 片的连接方式，采用粘接剂胶合和直接键合两种方法进行试验，对比试验结果得 出不同连接方式的适用范围和特点。 ( 3 ) 检测制备好的通道间隔为2 0 0 g h z 多腔薄膜f - p 型梳状滤波器，获得了多 信道透射光谱，分析得到器件峰值透过率，通带宽度等各项参数，得到了在 1 5 2 0 1 5 9 0 n m 波段有8 个反射通道和8 个透射通道，相邻通道间隔是6 n m ，通带 隔离度为1 4 d b ，插入损耗 0 5 d b 的实验结果，基本满足设计要求。最后分析了 材料色散、间隔层厚度、间隔层温度稳定性、结构对称性对滤波器性能的影响。 关键词：光学梳状滤波器；法布里一珀罗腔；光学器件；波分复用 t h ed e s i g na n df a b r i c a t i o nf o rt h i n - f i l m f a b r y - p e r o tf i l t e r d i s c i p l i n e ：o p t i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ：斛件 s u p e 响。rs i g n a t u r e ：“jf 认护 a b s t r a c t b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h i n f i l mf a b r y - p e r o tf i l t e r , t h i sp a p e rp r o v i d e st h e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n da n a l y s e so fd w d m s y s t e m ，e s p t h em a n u f a c t u r eo fg l a s s ， t h es p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c s ，o p t i m u md e s i g no ft h em u l t i l a y e rf i l m ，e r r o ra n a l y s e s o ft h ef i l m ，m o n i t o r i n gm e t h o d ，t h ea c t u a lc o a t i n gt e c h n o l o g ya n dt h ec o n n e c t i o n t e c h n o l o g ye t c t h es t r u c t u r eo ft h et h e s i si s ： l s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r yo ff a b r y - p e r o ti n t e r l e a v e r , w h i c hb a s e do n t h ef o u n d a t i o n o fo p t i c a lf i l mt h e o r y ；c l a s s i f i e st h et h i nf i l mf a b r y - p e r o tf i l t e r ； f o c u s e so nt h et h e o r yo ft h ei n t e r l e a v e rb a s e do nm u l t i - c a v i t yt h i nf i l mf a b r y - p e r o t f i l t e ra n dt h ei n f l u e n c eo ft h ei n c l i n e di n c i d e n c eo ft h eb e a mo fl i g h to nc e n t r a l w a v e l e n g t ho ft h i nf i l mn a r r o w b a n df i l t e r f i n a l l y , t h eb r e i fr e v i e wo fd i f f e r e n t t h e o r i e sa b o u tf i l t e ri sf o l l o w e d 2 n d l y , t h ep a p e rt r yt o d e s c r i b et h ed e s i g n i n ga n dp r o d u c i n gp r o c e s so f i n t e r l e a v e rb a s e do nm u l t i c a v i t yt h i nf i l mf a b r y - p e r o tf i l t e r i nw e l l d e t a i l e dw a ya n d t od e f i n et h es t a n d a r do ft h es p e c i f i c a t i o no fg l a s s ；e x a mt h et h i c k n e s sa n da n a l y z et h e m a n u f a c t u r ee r r o ro ft h es u r f a c ep r e c i s i o no fg l a s s ；o p e r a t et h em a s s 3 0t og e tt h e i d e a lt r a n s m i t t a n c es p e c t r u mw h i c ha d o p t e dt h et h e o r yo fm e d i u mf a b r y p e r o tf i l t e r b e s i d e s ，t h ef i l me r r o ra n a l y s e so ft h ef i l mw a sm a d et os i m u l a t et h es e n s i t i v i t yo f f i l ml a y e ra n de r r o rt r a n s m i t t a n c ec u r v e ，w h i c hh e l pu sg e t t i n gt h er e l a t i v es e n s i t i v e f i l ml a y e ra n do p t i m u mr a n g eo ft h ee r r o r m o r e o v e r , t h ew a yo fg l a s sc o n n e c t i o n si s s t u d i e da sw e l l 3 r d l y , t h i sr e s e a r c he x a m st h et h i n f i l mf a b r y - p e r o ti n t e r l e a v e rb ym u l t i - c a v i t y c a s c a d e dw a sf a b r i c a t e d ，w h i c hh a s2 0 0 g h z - s p a c e dc h a n n e la n da c h i e v e dv a r i o u s p a r a m e t e r s ，e s p t h em u l t i c h a n n e lt r a n s m i t t a n c es p e c t r u m ，p e a kt r a n s m i t t a n c e ，a n d p a s sb a n dw i d t he t c ，t h ef i n d i n g ss h o wu st h a ta tt h eb a n do f1 5 2 0 1 5 9 0 n m ，t h e r ea r e 8r e f l e c t i o nc h a n n e l sa n d8t r a n s m i s s i o nc h a n n e l s ，t h ed i s t a n c eb e t w e e ne a c hc h a n n e l i s6 n ma n dp a s sb a n di s o l a t i o ni s1 4 d b ，t h ei n s e r t i o nl o s s 0 5 d b ，t h er e s u l t sa r e s a t i s f a c t o r y a tl a s t ，t h ei n f l u e n c eo ft h em a t e r i a ld i s p e r s i o n ，t h et h i c k n e s so fi n t e r v a l l a y e r t h et e m p e r a t u r es t a b i l i t yo fi n t e r v a ll a y e ra n ds t r u c t u r es y m m e t r yo nf i l t e r c a p a b i l i t ya led i s c u s s e d k e yw o r d s ：o p t i c a li n t e r l e a v e r ；f a b r y - p e r o te t a l o n ；o p t i c a ld e v i c e ；w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或使用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍是西安工业大学。学校有权保留送交的 学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 指导老师签名：j 銎善 日期：舍。g 。，7 9 1 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加 以标注和致谢的地方外，学位论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 不包含本人已申请学位或他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工 作的老师和同学对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了感 谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 日期：) 溜t 7 1 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 1 1 1 波分复用技术 光通信网络已经成为现代通信网的基础平台。光纤通信系统经历了几个发展 阶段，从8 0 年代末的p d h 系统，9 0 年代中期的s d h 系统，以及今年来的波分 复用( w d m ) 系统，光纤通信系统更新换代的趋势日益加快。双波长 w d m ( 1 3 1 0 1 5 5 0 n m ) 系统8 0 年代在美国a t & t 网中使用，速率为2 x 1 7 g b s 。9 0 年代中期，w d m 系统发展速度并不快，主要原因在于：( 1 ) 时分复用( t d m ) 技术的 发展，1 5 5 m b s ，6 2 2 m b s ，2 5 g b s t d m 技术相对简单。根据统计，在2 5 g b s 系统 以下( 含2 5 g b s 系统) ，系统每升级一次，每比特的传输成本下降3 0 左右。因 此在系统升级中，人们首先想到的是时分复用技术；( 2 ) 波分复用器件不成熟。 波分复用器解复用器和光放大器在9 0 年代初才开始商用化。但是在1 9 9 5 年至 2 0 0 0 年期间，w d m 技术发展很快，特别是基于掺铒光纤放大器a ( e d f a ) 的1 5 5 0 n m 窗口密集波分复用( d w d m ) 系统。c i e n a 推出了1 6 x 2 5 g b s 系统，l u c e n t 公司推 出了8 x 2 5 g b s 系统，目前，在实验室实现的d w d m 系统已经能够达到总容量 6 t b s 的传输，其工作距离为6 1 2 0 k m ，共1 2 9 个通道，5 0 g h z 频带间隔的复用， 基本覆盖了c + l 波段【1 1 。w d m 系统发展迅速的主要原因在于：( 1 ) 光电器件的迅 速发展，特别是e d f a 的成熟和商用化，使得在光放大器( 1 5 3 0 1 5 5 0 n m ) l x 域采 用w d m 技术成为可能；( 2 ) 利用t d m 方式接近硅和镓砷技术的极限，t d m 已 无太多的潜力，且传输设备价格高；( 3 ) 已敷设g 6 5 2 光纤1 5 5 0 n m 窗口的高色散 限制了t d m1 0 g b s 系统的传输，光纤色散的影响日益严重。因而目前w d m 系 统已成为光通信中主要技术。 自从2 0 0 1 年光通信市场跌入低谷以来，全球电信市场经过近两年的低迷之 后，从2 0 0 3 年下半年开始，出现了增长势头。据r h k 公司的最新统计，仅在北 美，有线业务提供商在2 0 0 3 年第4 季度的基建投资( c a p e x ) 就达7 5 亿美元，比上 一季度增长3 0 ；北美无线通信运营商的基建投资在2 0 0 3 年第4 季度也达到6 3 亿美元，比第3 季度增长4 3 。全球范围来说，2 0 0 3 年长途网设备的销售额增 长了1 9 ，同比增长1 7 。城域网设备的销售推动了光网络设备的增长，机顶 西安t 业大学硕十学位论文 盒的销售则推动了c a t v 收入的增长。另外，i p 网络所需的交换机和路由器产 品的销售额在2 0 0 3 年第4 季度增长了8 ，而宽带i n e r n e t 接入设备如d s l 接入 模块，c a b l e m o d e m 终端系统等也都有较高增长。促使光通信市场复苏的另一个 重要因素是带宽需求的增长。按r h k 公司的统计，到2 0 0 4 年底全球带宽用户已 超过1 3 5 亿。为了更充分的利用光纤的带宽资源，未来几年d w d m ，c w d m 技术和应用将持续发展，这也会促进与相关的光器件需求的增长。 当前基于w d m 系统的光传输网的发展主要有以下几个趋势【2 】：( 1 ) 超长途 ( u l h ) d w d m 设备进来成为传输界关注的焦点。超长途d w d m 系统比较充分的 利用了光纤的传输带宽，解决了网络节点间无电中继传输问题，对多种数字业务 具有透明传输特性，具有极高的性能价格比，正逐渐成为核心网传输技术的首选 方案。目前，超长途传输系统在码型技术，f e c 技术，r a m a n 放大器技术，色 散补偿技术，孤子技术等方面都有所突破，延长了传输距离，可以实现 2 0 0 0 4 0 0 0 k m 的无电中继传输，朗讯，阿尔卡特，北电等公司都纷纷推出了商用 化产品；( 2 ) 可重构的光分插复用器( r o a d m ) 是目前业界的热点话题，在2 0 0 4 年2 月的o f c 会议上，很多厂商都纷纷展示了他们的r o a d m 部件和子系统， 不过r o a d m 在网络中大规模采用还要等待价格的下降和技术的进一步成熟。 r o a d m 具有如下优点：1 运营公司可根据需要上下波长，仅仅通过操作键盘即 可实现控制，这不仅大大简化了网络，而且节省了人工配置所需的费用。 2 r o a d m 采用了交换矩阵，可将环形的网络变成灵活的网络结构。3 r o a d m 在整个波长内均衡了信号噪声。运营公司一直希望可配置的d w d m 系统能在网 络中采用，但目前有关设备的费用高昂。随着一批新的d w d m 厂商正研制新的、 价格便宜的r o a d m 产品。另外，一些大的厂商如c i s c o 、l u c e n t 、北电网络、 e c i 等一些公司也开始提供r o a d m 产品，今后r o a d m 的价格将会大大降低。 如果r o a d m 设备价格合适，并容易配置，r o a d m 设备将会取代固定的o a d m 设备，进入网络的时间还要取决于运营公司的网络及业务量需求。( 3 ) 光交叉连 接( o x c ) 设备是未来智能化光网络的核心，也是近年光网络研究中的热点，国际 上一些知名的大公司( 如北电、a l c a t e l 、c i e n a 、s i e m e n s 、t e l l i u m 等) 均 推出了各具特色的o x c 产品，近来一些大型国际通信展上也经常可以见到其展 览设备，其中以北电的h d x 光交叉连接设备最引人注目。目前，北电的h d x 光交叉连接平台传输容量达到5 t b i t s ，而以前为1 2 t b i t s 。升级后的h d c 设备 仍具有网络智能和自动控制的能力，这种新的光交换系统可使运营公司节省5 0 的运营费用。实现光交叉连接( o x c ) 的关键在于开发应用先进的光器件，特别是 光交换器件和光波长转换器件，国外已研制了多种可用于实现光交换的器件，并 已申请专利。目前，基于二维和三维设计的m e m s 光开关技术发展很快，已有 2 两安工业人学硕十学位论文 厂家能够提供商用产品，交叉规模很快可达5 1 2 x 5 1 2 甚至1 0 2 4 x 1 0 2 4 ，但价格仍 是阻碍其推广的主要因素。目前正在开发有关m e m s 产品的公司有富士通、 a g i l t r o n 和x e r o x 公司等。( 4 ) 1 圭t 于受多种物理效应( 如色散、非线性、光信噪比 和器件集成度) 的限制，前几年4 0 g b i t s 系统进展不大。新的i p 路由器的发展推 动了4 0 g b i t s 的产品，运营公司( 如德国电信和m c i ) 开始在网络中进行4 0 g b i t s 系统的现场试验，这些都标志着4 0 g b i t s 的系统技术开始走出低谷。一些4 0 g b i t s 的光器件厂商认为，2 0 0 5 年4 0 g b i t s 的设备将进入商用，最终采用哪种传输调 制格式更能提高其系统的传输效率，目前还正在用户中进行试验，没有最终确定。 西门子公司计划2 0 0 5 年4 0 g b i t s 系统能为其带来一些收益，与德国电信进行其 系统的现场试验。德国电信2 0 0 5 年采用c i s c o 的新一代i p 交换机。西门子公司 的4 0 g b i t s 设备可支持8 0 个波长，传送5 0 0 k m 。 1 1 2 波分复用系统中的光学滤波器 光学滤波技术作为d w d m 系统的关键技术已不仅仅是用于复用( m u x ) 解复 用( d e m u x ) ，其涉及范围也越来越广：包括光分插复用( o a d m ) p j 、光交叉连接。 ( o x c ) 【4 1 、增益平坦滤波( g f f ) 【5 1 、色散补偿( d c ) 【6 1 、动态增益均衡器r ( d g e ) 【7 1 、 梳状滤波器( i n t e r l e a v e r ) 8 l 等等。同时，光滤波的技术种类也越来越多，包括介 质薄膜梳状滤波器( t f f ) 【9 1 、阵列波导光栅( a w g ) 【1 0 1 、光纤布拉格光栅( f b g ) i i 】、 熔融拉锥器件( f b t ) 1 2 j ；而且随着可重构的光分插复用器( r o a d m ) 设备的需求 逐渐增加，具有可调谐功能的滤波器包括声光可调谐滤波器( a o t f ) 1 1 3 】、波导型 马赫一泽德干涉滤波器( m z 1 ) 【1 4 】、液晶可调谐滤波器i ”j 以及法布里一珀罗可调。i 谐滤波器【1 6 】技术都得到不断的发展。上述滤波技术根据信道间隔、自由光谱范围 ( f s 酌、高边模抑制比、平坦度( f l a t t o p ) 、动态可调谐范围、色散和偏振模式不 同而各具优缺点。光通信市场的不同需求将推动这些不同技术继续发展，相互竞 争，朝着器件的小型化、集成化和低成本的趋势前进。 ( 1 ) 薄膜滤波技术 在实际商用的d w d m 系统设备中，光学滤波器中最具竞争力的三种技术是： 薄膜滤波器( ，r f f ) 1 1 7 、阵列波导光栅( a w g ) 【1 8 】和光纤布拉格光栅( f b g ) 。基于光 学薄膜沉积工艺的t f f 由于具有结构简单，工艺成熟，环境稳定性好，插入损 耗小，偏振损耗小和配置的灵活性等特点，因此商用最早使用范围最广，目前仍 是市场上占有率最高的滤波器件。图1 1 所示为一个简单的点对点w d m 系统的 示意图。从图中可以看到，薄膜滤光片在其中发挥着广泛的作用。包括带通滤波 器( b a n dp a s sf i l t e r ) 、截止滤波器( e d g ef i l t e r ) 、分束器( b e a ms p l i t e r ) 和增益平坦 滤波器( g a i nf l a t t i n gf i l t e r ) 等等。 3 西安工业大学硕士学位论文 群翟黪潮麓 萋i 鬻霭i 麴豁蠹：嚣鬻 国1 1 点到点删系统中的薄膜滤波嚣 对于在d w d m 系统中使用的薄膜带通滤波器，一般采用多腔薄膜法布里一 珀罗结构，其制各的关键在于控制好膜层的折射率和物理厚度。膜层折射率的稳 定性取决于薄膜沉积过程，而物理厚度的精确控制则对光学监控和控制系统提出 了更高的要求。同时由于膜层的厚度很大，会带来应力的影响。t a k a h a s h i 首先 分析了这个问题，提出了必须选用线性膨胀系数匹配的基板才能消除这种影响； 最近，又有研究者以5 0 g l t z 的僻为例进行了更加详细的分析，考虑了基板的 厚度、类型和线性膨胀系数对器件通带的波纹度( r i p p l e ) 、色散以及偏振模式的 影响。此外，由于吸收和散射会影响到1 下f 的插入损耗和通带形状，对于通道 间隔小于5 0 0 的唧更加要注意这个问题。目前，利用薄膜沉积工艺制备的 d w d m 系统中使用的窄带t f f 已经能够达到2 5 g 1 乜的水平。 薄膜g f f 是e d f a 中最重要的器件之一，它的性能用插入损耗误差函数 ( i l e f ：表示目标插入损耗光谱与实际插入损耗光谱之差) 来衡量。i l e f 越小， 则g 阡的性能就越好。一般而言，对g f f 膜层折射率的控制精度要求达到小数 点后第四位，膜厚必须精确到0 1 a m ，且大多数情况下都需要非规整膜系的设计。 近年来薄膜监控技术的发展已经可以达到这些要求。利用薄膜技术制备的g f f 相比较于f b g 而言具有更低的色散( 印s p s m ) ，温度稳定性小于l p m 1 2 。 具有良好特性的4 通道、8 通道和c l - b a n d 薄膜波段滤波器( b a n d * p u r r ) 在 d w d m 系统中也经常使用。为了获得尽可能大的波段，在两个透过波段之间的 截止带越小越好。对于一个4 通道的薄膜波段滤波器而言，其膜厚队硬沉淀时间 都要大于1 0 0 g h 2 的薄膜带通滤波器( 前者总膜厚大于7 0 u m ，而后者不到4 0 u 曲。 由于沉积过程的时问非常长，膜厚监控系统需要更加精确，制各过程也要求更加 稳定。同样的，由于膜层较厚，应力问鹿也变得突出。 两安丁业大学硕士学位论文 ( 2 ) 可调谐滤波技术 当前d w d m 系统中存在多种可调谐滤波技术，分别具有各自的优势和缺陷， 适用于不同的应用场合。主要包括：1 基于光纤技术的光纤布拉格光栅结构，如 通过温度或者应力改变实现f b g 的布拉格反射波长的调谐；多个f b g 串联阵列 实现的单旁带滤波技术；m e m s 与f b g 混合型的可调谐滤波器；2 基于平面波 导工艺的m a c h z e l l i l d e r 滤波器和a w g 型滤波器，如使用电阻加热方法改变两 光臂长来实现波长可调谐的级联型波导m a c h z e h n d e r 滤波器，聚合物a w g 型 可调谐滤波器。3 基于法布里一珀罗腔结构的可调谐滤波器，如p z t 驱动的光纤 法布里一珀罗可调谐滤波器，静电驱动的法布里一珀罗腔m e m s 滤波器，液晶 表1 1 帅m 系统中的可调谐技术比较 法布里一珀罗滤波器，利用角度改变实现波长可调谐的窄带薄膜滤波器。4 基于 模式耦合的声光和电光可调谐滤波器。最近还有研究者提出了利用薄膜窄带滤波 器中基板与膜层的应力变化来实现波长的调谐。 可调谐滤波器用于光网络的分组交换和包交换中，调谐速度是一项重要的指 标。光纤f p 可调谐滤波器现在已经实现商业化，但是调谐速度不高，适用于低 速的光网络中，此外其调谐范围也小于典型的e d f a 增益范围( 3 0 - 4 0 n m ) ，因而 限制了w d m 系统中的可用信道数。a o t f 也已实现了商业化，然而其通带太宽， 边带抑制比也不够高。a w g 滤波器和f b g 目前也实现了商用，但是大多数还是 用于固定滤波，用于可调谐情况很少。光电可调谐滤波器具有快的可调谐速度， 但是边带抑制比不高，基本上仍处于研发阶段。表1 1 为这些可调谐滤波器技术 的比较。 5 西安t 业大学硕士学f 奇= 论文 ( 3 ) 光子晶体滤波器 光子晶体无疑是光学材料的一次革新，自从这个概念1 9 8 7 年提出以来【1 9 】， 光子晶体的理论，数值模拟技术已经发展的比较成熟，而利用光子晶体制成的各 种器件也层出不穷1 2 0 】1 2 1 l 【2 2 1 。由于光子晶体尺寸较小，因而非常适合制作微小的 集成光器件，也是d w d m 系统中光学滤波器的发展趋势。对光子禁带的研究表 明通过光子晶体的周期性结构中引入缺陷，可以使得光子禁带中产生透射模式， 从而实现对光波的控制，实现滤波器的功能【矧。同时，研究者对禁带旁边的透射 带进行研究的结果表明在这个区域，光子晶体具有反常色散性质，这是一种空间 色散效应【2 4 】。s t a n f o r d 的m a t i n a 等人利用光子晶体的这个特性设计并制备了一维 薄膜非规整结构的空间复用解复用器件【2 5 1 。在8 2 7 n m 8 4 1 n m 波段得到了1 0 0 微 米的线性位移。有研究者数值模拟了二维光子晶体构成的4 通道空间复用解复 用滤波器件1 2 6 。随着光子晶体理论和数值模拟技术的进一步发展和微细加工工 艺，特别是纳米技术的不断成熟，基于光子晶体制作的光学器件将会在d w d m 系统中发挥越来越大的作用。 1 2 研究内容 正如前面所述，w d m 系统的不断发展极大的推动了光学薄膜技术的不断进 步，目前的光学薄膜制备水平相比于d w d m 技术出现以前，在膜厚监控、成膜 质量等各方面都有了长足的进展。利用光学薄膜沉积技术实现w d m 系统中的光 学滤波器仍继续成为今后光通信中颇具竞争力的技术，薄膜光学滤波器在 d w d m 系统中将更加体现出高性能和低成本的优势。薄膜滤波器具有的良好光 学特性，非常低的色散和批量生产的能力将成为性价比极佳的器件选择。因此， 对基于光学薄膜技术设计的光学滤波器的研究更具有实际意义。 为了深入理解薄膜滤波器在实际制作中的工艺问题及其对滤波器性能的影 响，本课题基于光学薄膜法布里一珀罗滤波器的基本原理，对d w d m 系统中使 用的i n t e r l e a v e r 器件进行了研究，通过对法布里一珀罗滤光片性能的理解，运用 相关软件设计了多腔级联的膜系结构，依此结构并分步骤进行了薄膜制备的实 验，将得到的镀层基片运用胶合和键合两种方式进行粘接，通过试验分析得出不 同粘接方法的优缺点，最后得到成品。运用红外光谱仪对成品进行检测，得到多 信道透射光谱图和局部单信道光谱图，通过对检测曲线的分析，得到器件峰值透 过率为9 8 9 7 ，通带损耗为0 ，6 d b ，波纹度 0 5 d b ，通带隔离度为1 4 d b ，通带 宽度为0 7 n m ，截止带宽度为l n m 等各项参数，得到了在1 5 2 0 - - 1 5 9 0 n m 波段有 8 个反射通道和8 个透射通道，相邻通道间隔是6 n m ，相邻通道隔离度是3 0 d b ， 峰值插入损耗 0 5 d b 的实验结果，基本满足设计要求。 6 西安下业大学硕+ 学位论文 具体研究内容如下： a 按照技术要求，计算设计出了基片的尺寸和其面形精度要求，并对实际 加工好的基片进行了相关方面的检测。 b 应用a u t of i l m 3 0 和t f c a l e 软件设计模拟出了理想膜系a l h l h1 9 3 6 l h l h l h l h1 9 3 6l h l h l h l h1 9 3 6l h l h m ，并对膜系灵敏度、膜系监控问题、 膜系允差进行了分析。 c 给出了三腔薄膜f p 梳状滤波器的实际制备过程，包括基片膜层的镀制、 基片的串置，重点论述了基片镀制出现的问题。 d 随后对镀好膜层的基片串置问题进行了深入分析，分别对使用粘合剂的 串置方式和直接键合方式进行实验，对比得出了不同方式串置的不同特点与不 足。 e 将最终制备好的器件进行检测，得到其光谱曲线，经过分析，得到器件 峰值透过率、通带损耗、通带隔离度、截止带宽度等各项参数。分析了间隔层厚 度、间隔层温度稳定性和结构对称性对器件性能的影响，并应用编程软件进行模 拟，直观体现各因素与器件性能之间的关系。 7 2 法布里珀罗滤波器原理 2 法布里一珀罗滤波器原理 自从法布里一珀罗干涉仪( f p i ： f a b r y p c r o ti n t e r l e a v 1 8 7 9 年发明以来， 作为1 0 0 多年以来最重要的精密测试仪器它已经在科学研究的各个领域得到广 泛使用。c h a r l e sf a b r y 在1 8 9 0 - - 1 8 9 2 年其问发展了光的多光束干涉理论，并在 1 8 9 7 年基于这个理论和他的同事a l f r e dp e r o t 制作了第一个f p i ，它是由平行固 定的两面 图21 最早的法布里一珀罗干涉仪模型 镀有很薄金属银膜的平板玻璃组成，其金属反射镜的反射率约为9 0 ( 原始模型 如图2i 所示1 嘲。f p i 最大的优点在于其分辨力特别高，对于使用波长为5 0 0 n r a 附近时的现代f p i 而占，腔厚为l c n l ，反射镜的反射率为9 5 时，可阻获得的分 辨力为1 2 x 1 0 6 ，在特殊场合应用中，甚至可以达到2 5 1 0 7 。这几乎是棱镜和 光栅光谱仪的i - 2 个数量级。目前，由于f p i 具有其它光学测试仪无法比拟的精 密波长测量的优点，它已经被运用于原子的超精细结构的分析、根据光的波长作 为标准米的校准、激光器的谐振腔以及一些其它特殊应用场合。 这种分立元件式的f p i 在制作时对平行玻璃板的平行度、基板表面的平整度 和空气间隔层稳定性的要求非常严格；其次平行玻璃板和空气问隔层的固定环都 无法制作的太薄，因为易碎；如果太厚，则会形成高级次干涉，相邻通道之间靠 的太近，在某些需要窄光谱带宽、宽通带间隔场合就不适用。薄膜法布里一珀罗 窄带滤光片的提出很好的解决了上述问题，通过将平行玻璃板改为介质薄膜，只 要镀膜均匀性较好，作为间隔层的膜层平行度将完全取决于基板的表面平整度： 当使用固体腔作为间隔层时，则平行度由固体腔平板的表面平整度决定。 西安工业大学硕士学位论文 图2 2 所示的为实际使用的固体腔薄膜法布里一珀罗滤光片。目前实际使用 的薄膜法布里一珀罗滤光片主要分为金属与介质膜组合型、全介质型，它们具有 法布里一珀罗滤光片的共性，同时具有各自的特点。以下我将首先介绍光学薄膜 的基本理论和法布里珀罗干涉仪原理，在此基础上对薄膜法布里一珀罗滤光片 的设计进行详细讨。 圈22 实际商用的固体腔薄膜法布里一珀罗滤波器 2 1 光学薄膜的基本理论 薄膜法布里一珀罗滤光片实际上是一个多层膜的结构，因而光学薄膜的理论 是设计这种滤光片的基础。我们将对实际设计薄膜法布里一珀罗滤光片需要涉及 到的特征矩阵和对称周期法分别进行介绍。 2 1 1 特征矩阵法 如图2 3 所示，薄膜的折射率l ，厚度为d ，基板的折射率为，膜层与入 射介质和基本构成两个界面a 和b 。当入射光波从介质。入射时，经由界面a 和 冒o _ - 。_ _ 墓i 量i 一薹蔓。 图23 单启薄膜结构的示意图 b 发生反射和透射，在a 和b 界面形成总的电场和磁场分别为。、h 。以及乜、h 。 为了方便讨论，假设所有的介质是均匀且各向同性、界面是平行且无限大。 根据电场和磁场的切向分量在界面的连续性，在基板和薄膜交界面b 处可阻 得到例： 西安工业大学硕十学位论文 苎。丘。一 ( 2 1 ) h 6 = r l e 矗一刀l e 五 、。 这里忽略了相位因子，其中仇代表了薄膜的导纳，它被定义为磁场和电场标 量之比，介质中的导纳数值上等于其折射率与自由空间导纳之积，而自由空间导 纳为常量( 2 6 5x 1 0 3 西门子) ；e 。和h 。则分别代表了界面b 处总的电场和磁场， 因此可以得到： e 立= 去( h 6 ，7 1 + e 6 ) 一去( 一h 6 r 1 1 + e 6 ) 二 1 ( 2 2 ) 1 、， 日五= 7 7 1 一去饵6 + r l e 6 ) 日五- - r ，= 去俾b t h e 6 ) 而膜层的相位厚度可表示为： 6 - 乃1 d c o s o l a( 2 3 ) 这里的鼠为膜层中的折射角，可以为复数，由膜层性质决定。这样界面a 处的电 场e 和磁场h 就可以写为： e 之= e 五e ”一去( 日6 叩1 + e o ) e 沁 e 二一e 一6 ；去( 一h b ，7 1 + e 6 弦一6 ： ( 2 4 ) 、 ， h 之= h 五e 晒= 去( 日6 + r 1 1 e 6 ) p 沾 h 二= 日二e 。6 一去旧6 一t h e 6 弘砌 从上式可以得到e 。和日。的表达式分别为： 驴耻4 - 弘玩( 华h 竿) 。邑c o s 6 + h b i s i n 6( 2 5 ) 即日，+ + h 二= t h e b ( 竿h 竿) = e 6 切1s i n 6 + 日6c o s 6( 2 6 ) 1 0 西安工业人学硕十学位论文 将式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 写成矩阵形式，则口j 以得剑： 卧警例 仁力 上式中的矩阵表达式即称为单层薄膜的特征矩阵( c h a r a c e r i s t i cm a t r i x ) ：2 8 1 。 当入射光倾斜入射到多层薄膜表面时，在不同膜层内的光束方向由s n e l l 法则 决定： 咒os i n o o = 咒1s i n o , 一= 咒fs i n o f( 2 8 ) 反射系数p ，透射系数f ，反射率r ，透射率t 和吸收率a 分别可以定义为： 反射波振幅( 切向分量)透射波振幅( 切向分量) ， 入射波振幅( 切向分量) 入射波振幅( 切向分量) 。 垂直于界面的反射光强 个 垂直于界面的透射光强 ，n 、 k 2 至爵再雨丽丙i 丽1 l 至薛两话而瓦i 丽 怕w 一 垂直于界面的入射光强 垂直于界面的入射光强 r 7 a = 1 一r r ( 2 1 0 ) 一般而言，在倾斜入射时，电场和磁场平行于界面的分量会离开包含光线方 向和场方向的平面。这就意味着反射光束和透射光束的偏振态发生了改变。 入射波 i 自寸、瘐 弋 a 界面 。 0 x z 1 图2 4 倾斜入射时的电场正方向的符号约定 仅有两种状态时，这些分量保持在同一平面内。一种其电场矢量平行于入射 面，即p 偏振光，另一种电场矢量垂至于入射面，即s 偏振光。我们可以用这两 个分量作为基本分量来表示任意偏振态。将任意偏振态分解为各自求解的这样两 个分量的组合后，最终结果就可以由这两个分量解的合成得到。根据光学导纳的 两安： 业大学硕士学位论文 r l ，一y c o s olo - i k ) c o s o( 2 1 1 ) 此处y 和0 分别代表在各个膜层的折射率和折射角，导纳的单位为自由空间单位。 其中，0 由s n e l l 法则给出。一般情况下，y 和n 是复数，意味着0 也是复数。 要注意的是入射介质和出射介质的导纳也必须根据式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 进行转 p ：_ ( r o - r h _ ) r ：? 二刀1 ) ( 叩。一叩。j 。一叼。，。 c 2 1 4 ) n 舢2 装( r o 器r h+ 叼1 ) 何o +j f ； 望! 咖。)(215)t ；z f + 。兰翌旦! 坚址 。 o o + r h ) 仞o + r 1 ) 舯k c o s 即6 j ，i i s i n 6 忙。】 仁峋 这个表达式正如前面所述的垂直入射时的一样，不过这里要使用式( 2 1 1 ) 和i ( 2 1 2 ) 定义的合适的s 或p 光的导纳和正确的位相厚度值。根据式( 2 1 6 ) ，可以得 1 2 两安工业大学硕+ 学位论文 肚等器 仁切 国o b + c ) 铆。口+ c ) 、7 反射相移为： 叫嚣】 仁均 透射率可写为： r ；丽丽4 r or丽e(rl,b)i ( 2 1 9 ) ；一 - ，lvl 卿o b + c ) 研o b + c ) 、7 透射相移为： 芋一锄 等b 筹c + r lb4 - c 仁2 。， 7 j ，7 0 + o i 、7 当折射角为复数形式时( 金属薄膜或吸收较大的介质薄膜) ，利用上述公式时 很难得到直观的表达，也不容易处理。因此，一般使用另一种方法来处理公式的 折射角。通过设定c o s 8 ；、厂；r 丽，就可以避免符号与象限带来的困难。这种 情况下，s n e l l s 定律可改写为【2 9 1 ： 0 ，- k ，) c o s o ，= ( 玎；- k ；一，l ；s i n 2o o - 2 n j k 胆 ( 2 2 1 ) 上式中准确解应该位于第四象限中，这样从( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 和( 2 2 1 ) 可以得到： r ，= 0 ；一k 2 - 以0 2s i n 2o o 一2 n f k f ) “2( 2 2 2 ) r 扫- 0 j 一k j ) 2 7 矗 ( 2 2 3 ) 相应的位相厚度表达式为： 1 一】 6 一半o ；一七卜2 s i l l2 吼一撕j k j ) u 2 ( 2 2 4 ) 2 1 2 对称周期法 对称周期法的薄膜组合也就是这个薄膜组合的膜层当它们以相反的次序排 列时，膜层的次序仍然不变。e p s t e i n 最早在1 9 5 2 年提出【则；任何对称的薄膜组 合，在数学上可以用一个等效单层膜来表示，它的光学导纳和位相厚度可以从各 个薄膜的参数中算出来。其后t h e l e n 在1 9 6 6 年发展了这种方法【3 ，简化了求解 等效导纳和等效相位厚度的计算并运用到薄膜设计中。现在对称周期方法已经成 为薄膜设计中的一种重要技术。 如果我们用一个矩阵m 代表对称周期中各个膜层的特征矩阵的乘积，在忽略 膜系损耗的情况下，可以发现m 1 1 = m 2 2 ，而且这个矩阵的行列式是1 。因此矩阵 1 3 两安工业大学硕+ 学位论文 m ，可以写成这样的形式： 降m 2 1 1 蚶m 1 2 【c o s yi i s i n ) , 】 仁2 5 ， 其中，等效导纳e 和等效位相) ，分别可表示为： a d m i t t a n c e p a s s 、? p a s s “ 、 歹 。彩二f 琦 一、 , s t o ps t o p s t o p a s s ，厂一、 t f j i f r e q ue n c y ， 厂 p a s s，i s t o p ： p a s s ，：t 。，警 。印，t o 7 ： 鬣 p a s s ，譬姊 ，：，旃， 一i 、 i”， f r e q u