（光学工程专业论文）波分复用薄膜滤光片的容差及温度稳定性能分析.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 f 随着近几年光通信技术的快速发展和广泛应用，薄膜型波分复用器件由于其 良好的温度稳定性和通道隔离度在波分复用系统中发挥着巨大的作用。因此，对 于波分复用薄膜滤光片的性能分析工作显得尤为重要。中7 本论文首先对光学薄膜及光通信的发展状况进行了综述，并对薄膜的设计、 制备和监控技术做了较为详细的介绍。在此基础上，推导和改进了薄膜特性、膜 层误差灵敏度，薄膜监控模拟以及监控光源带宽对膜系性能影响的计算公式，并 且利用这些计算公式编制了用于对波分复用薄膜滤光片产品进行监控模拟和容 差性能分析的软件。 针对精度要求极高的波分复用多f ，p 腔窄带滤光片，论文利用软件分析了其 在膜厚误差和折射率误差上的容差性能，各膜层误差灵敏度及对膜系性能的影响 程度。还模拟计算了5 0 g h z 窄带滤光片产品在通带宽度和波纹上受误差影响时 的实际性能情况。同时，通过模拟，提出了对监控光源带宽的要求。论文还对设 计性能大体相同的不同膜系，从监控成品率的角度分析了其各自的容差特性。最 后还分析了多峰滤光片和增益平滑滤光片的容差特性。 论文还讨论了波分复用滤光片的温度稳定性问题。推导了薄膜微观结构和热 应力形变模型上的中心波长漂移计算公式建立了滤光片温度稳定性计算分析软 件用于计算波分复用滤光片的温漂情况。同时经过计算分析发现通过更换膜系基 板和调整膜系结构可以改变滤光片中心波长的漂移，这个结果有助于提高滤光片 的温度稳定性。 最后，论文对完成的工作进行了总结，并提出了值得进一步改进的问题。0 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h e f a s td e v e l o p m e n ta n db r o a da p p l i c a t i o no fo p t i c a l c o m m u n i c a t i o n t h i nf i l md d fd e v i c e sa r eu s e dw i d e l yf o rt h ee x c e l l e n t t e m p e r a t u r es t a b i 1i t ya n dh i g hc h a n n e li n s u l a t i o ni nt h ed w d ms y s t e m t h e r e f o r e ，t ou n d e r s t a n da n da n a l y z et h e i rw o r k i n gp e r f o r m a n c e si sv e r y i m p o r t a n t f o ru s i nt h et h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lt h i nf i l ma n do p t i c a l c o m m u n i c a t jo n s y s t e m i ss u m m a r i z e d f i r s t l y t h e nt h i nf i l md e s i g n ， d e p o s i t i o na n dm o n i t o ts y s t e m sa n dt e c h n o l o g i e sa r ei n t r o d u c e d b a s e do n t h e s ei n t r o d u e t i o t i s ，t h e c o m p u t i n gm o d e l sa n d f o r m u l a so ft h i n f i l m c h a r a c t e r i s t i c s ，e r r o rs e n s i t i v i t y ，m o n i t o rs i m u l a t i o na n di n f l u e n c eo f m o n i t o rl i g h t sb a n d w i d t ha r ed e d u c e d w i t ht h e s em o d e l sa n df o r m u l a s ， t h es o f t w a r eo fm o n i t o rs i m u l a t i o na n de r r o rt o l e r a n c ea n a l y s i sf o rd w d m t h i nf i l mf i l t e r si sb u i l t f o rt h eh i g hp r e c i s i o no ft h i nf i i mm u l t if - pc a v i t yd w d mf i l t e r ， t h e s i sa n a l y z e st h et o l e r a n c eo ft h i c k n e s sa n dr e f r a c t i v i t yi n d e xe r r o r ， s e n s i t i v i t yo fe a c h t h i n f i l m l a y e ra n di n f l u e n c e l e v e lt ot h ew h o l e p e r f o r m a n c eo ff i l t e r t h et h e s i sa l s os i m u l a t e st h ep r a c t i c a lc a p a b i l i t y o f5 0 g h zn a r r o wb a n d p a s sf i l t e ro np a s sb a n dw i d t ha n dr i p p l e m e a n w h i l e ， t h er e q u i r e m e n to fm o n i t o rl i g h t sw i d t hi sa d v a n c e da f t e rs i m u l a t i o n i nt h et h e s i s ，s o m ef i i t e r st h a th a v ec l o s i n gp e r f o r m a n c ea r ec o m p a r e d i nt h ee r r o rt o l e r a n c ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h eb e s to n ef o rp r o d u c t i o ni s s e l e c t e d a tt h el a s to ft h i ss e c t i o n t h ee r r o rt o l e r a n c e so fm u l t i p e a k s f i l t e ra n de d f ag a i nf l a t t i n gf i l t e ra r ea l s oa n a l y z e d t h e s i sa l s od i s c u s s e st h et e m p e r a t u r es t a b i l i t yo fd w d mt h i nf i l m n a r r o wb a n d p a s sf i l t e r t h ec a l c u l a t i n gf o r m u l a so fc e n t r a lw a v e l e n g t h d r i f tb a s e do nt h i nf i l mm i c r o s t r u c t u r ea n dt h e r m a l s t r e s sd e f o r m a t i o n a r ed e d u c e d ，t h ed r i f to fd w d mf i l t e ri sc a l c u l a t e dw i t ht h e s ef o r m u l a s i tisa l s of o u n dt h a tr e p l a c e m e n to fs u b s t r a t ea n da d j u s t m e n to f f i l ms t a c k s t r u c t u r ew o h l d1 e a dt ot h e c h a n g e o fd r i f t ，t h i sw i l le n h a n c et h e t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo ff i l t e r f i n a t l y ，s u m m a r i z a t i o no fa 1 1t h e s ew o r k sa n da d v i c ef o rt h ef u t u r e w o r ka r em a d e nt h et h e s is 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节光学薄膜的历史和现状 光学薄膜是现代光学的个重要分支，同时也是现代光学仪器和各种光学器 件的重要组成部分。它通过在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表 面镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的光 强、偏振状态和相位变化。光学薄膜具有出色的牢固性和光学稳定性，成本相对 比较低，因此是目前改变系统光学参数分布的首选方法。 光学薄膜在其两百多年的发展过程中形成了一套完整的光学理论薄膜 光学。在这门学科里，目前已经形成了自成体系的膜系优化设计方法，较为完善 的设备技术和越来越深入的分析技术。综观光学薄膜的早期历史，现代薄膜光学 的最早起源是r o b e r tb o y l e 和r o b e r th o o k e 对“牛顿环”现象的发现。现在我们 都很清楚这是因为单层薄膜的不同厚度产生的干涉现象【l l 。但在当时，光学理论 还不够发达，人们甚至在长达1 5 0 年的时问里无法给出合理的解释。直到1 8 0 1 年，t h o m a sy o u n g 第一次用光的干涉理论对这种现象进行了阐述【2 】。 在这以后的一百年间，光学薄膜的发展仍然是以一种现在看来非常缓慢的速 度进行着。但是，不可否认的是，在这个时期里，人们不仅在对薄膜的认知上还 是在理论基础上都迈出了对后来光学薄膜发展具有非常重要的一步。特别是 1 8 7 3 年，j a m e sc l e r km a x w e l l 的巨著电磁通论一书的出版。这本书作为电 磁场理论的经典书籍，在理论和本质上证明了光是电磁波的一种，为波动光学， 也为薄膜光学的发展奠定了坚实的理论基础。现在，我们在分析薄膜光学问题中 所使用基本原理都源自于该书的电磁场方程式。 理论上的进展必然推动工业技术的进步。在2 0 世纪以前，我们还没有解决 实际制备各种薄膜的工艺方法和膜系计算分析手段。但是在进入2 0 世纪以后， 特别是1 9 3 0 年油扩散泵的发明，将真空技术推上了一个新的台阶，也使得光学 薄膜的制备进入了可工业化生产的阶段。在实验室里制造出了单层反射膜、减反 膜、分光膜和金属法布里一珀罗干涉滤光片以后，从2 0 世纪4 0 年代开始，薄膜 光学进入了个快速全面发展时期，相继提出了各种薄膜光学理论和膜系计算方 法，1 9 5 6 年瓦施切克( v a s i c e k ) 发表了第一本薄膜光学专著：薄膜光学( o p t i c s o f t h i nf i l m s ) 。到了6 0 年代，激光、空间技术和光谱技术的飞遽发展对光学薄 膜提出了更高的要求，比如激光器中的高反射镜等，同时电子计算机的推广应用 使得光学薄膜的计算和分析有了良好的工具，因此推动了光学薄膜的飞速发展。 1 9 6 9 年麦克劳德( m a c l e o d ) 用干涉矩阵解释和计算光学薄膜，出版了他的专著 薄膜光学滤波器( t h i nf i l mo p t i c a lf i l t e r s ) ，1 9 8 6 年，麦克劳德出版了他的 浙江大学硕士学使论文 专著的第二版，提出了用导纳图( a d m i t t a n c ed i a g r a m ) 的方法来分析膜系的特 性，并且用它来解释膜系监控的一系列问题。这些专著都从理论上全面讨论了薄 膜光学的一些问题，形成了一套完整的光学薄膜从特性计算、设计、监控到结构 特性分析、稳定性分析、光学损耗、抗激光损伤特性等分析手段p 】。 进入9 0 年代以后，随着显示技术和光通信技术的迅猛发展和逐渐的产业化， 对于光学薄膜的发展起到了很大的促进和推动作用。在投影显示系统中，要在越 来越小的体积中做到越来越高的投影亮度和高对比度，对其中的分色合色薄膜要 求定位更精确，这样才能做到高纯度的r g b 三原色，由于入射光有一定的锥角， 甚至要求同一个片子的中心和边缘做到不同的光学厚度。对于影响整机对比度的 偏振分光薄膜( p b s ) ，要求做到宽光谱、大角度和高消光比。在光通信系统中， 波分复用滤光片要求做到近似矩形的带通滤光片，通带的宽度是一个纳米左右， 光放大器的增益补偿滤光片要求在c 波段4 0 n r n 左右的范围内做到一条特定的透 过率曲线，这也是光学薄膜从来没遇到过的要求。色散补偿滤光片在数据传输率 提高的时候，比如到4 0 g b s 的时候，显得非常关键。除此以外，宽光谱大角度 的减反膜，金属膜的表面等离子体谐振探测器，多峰的光学滤光片等等。所有这 一切对光学薄膜的设计、制备、监控、测试都提出了很高的要求因此也大大推动 了光学薄膜这个产业的发展。 从光学薄膜的历史发展，特别是最近几年的发展状况看来，光学薄膜在光学 仪器、光学设备和光学器件中都是不可缺少的关键技术。这对光学薄膜的设计、 制备、监控、测试等方面都提出了新的要求【4 l 。现在利用已知薄膜材料的特性， 设计满足特定要求的薄膜系统己非难事。相比之下，制备一个特性符合理论设计 的薄膜系统却要难得多。特别是在波分复用薄膜器件的制备上，微小的误差可能 就会给膜系性能带来很大的影响【5 1 。因此，制备技术特别是膜系监控和误差分析 技术越来越具有至关重要的作用，它可方便地对设计膜系的特性进行分析，从而 获得大量重要的膜系性能信息。 第二节光通信及波分复用器件的发展 一、光通信与光网络技术的发展 用光来传递信息，可能是人类最早应用的一种远距离通信手段 6 】但是，由 于没有能稳定传送光的介质和理想的光源，长期以来，光通信技术一直裹足不前。 1 9 6 0 年，美国人梅曼发明了红宝石激光器，对光通信的研究工作产生了重 大的影响。在光的传输介质方面，人们发现透明度很高的石英玻璃丝可以传光。 但初期的光纤，光在其中传输时损耗很大，在这种情况下，1 9 6 6 年7 月，英国 标准电信研究所的英籍华人高锟博士论述了造成光纤损耗的主要原因，并从理论 4 浙江人学硕士学位论文 上分析：如果能去除玻璃上的杂质，就有可能使光的传输损耗大大降低，可降低 到每千米2 0 分贝左右。1 9 7 0 年，美国康宁玻璃公司的三名科研人员马瑞尔、卡 普隆、凯克成功地制成了传输损耗每千米只有2 0 分贝的光纤。恰好也是这一年， 美国贝尔研究所成功地研制出能在室温下连续工作的半导体激光器，它只有米粒 那么大，发光面积很小，发出的光是一种极细的光线，频率稳定而且方向性很好， 射入光纤后能封闭在光纤中进行传播，因而它就成为光通信的理想光源。 1 9 7 0 年的上述两项重大突破，使光通信的实现有了光明的前景。在这之后 的2 0 多年里，光纤通信经历了几次更新换代，其中主要是由多模光纤过渡到单 模光纤和由短波长过渡到长波长。7 0 年代开始应用的光纤是多模光纤。这种光 纤的直径大约为o 1 毫米，射入这种光纤的光在传输时有多种不同的传输模式。 不同模式的传输速度不同，使传输的频带变窄，载送的信息量也相对减少。到 8 0 年代后期，在通信系统中改用单模光纤。这种光纤中，只传输一种模式的光， 没有色散，传输的频带宽，能载送的信息量比多模光纤大得多。而且单模光纤比 多模光纤还要细，直径只有0 0 l 毫米，只有头发丝粗细的1 1 0 。另一个重要的 更新换代，是光纤通信的工作区从波长为8 5 0 n m 左右的“短波长”区域过渡到 1 3 1 0 n m 左右的所谓“长波长”区域。这是因为光纤的损耗有随着波长的4 次方 关系而反比例下降的趋势。在8 5 0 n m 的短波长区域工作的光纤损耗约为每千米 2 5 分贝左右，而在1 3 1 0 n m 波长的长波长区工作的光纤损耗可以降低到每千米 o 3 o 4 分贝，这就使光纤通信的无中继传输距离大大加长。8 0 年代后期又实现 了1 5 5 0 n m 单模光纤通信，1 5 5 0 n m 是适应光纤的最低损耗窗口。后来，工作波 长为1 5 5 0 n m 的掺铒光纤放大器( e d f a ) 问世，又使这一波长具有更重要的意 义。这些技术的更新和进步，为光通信的进一步迅速发展铺平了道路。 尽管光通信技术为人们提供了过去难以想象的巨大通信容量和超高速率，但 它的巨大潜力却远远没有完全发挥出来。因此，人们现在将研究的焦点波分复用 ( w d m ) 技术上。波分复用就是让不同波长的光信号同在一根光纤上传输而互 不干扰，利用多个波长适当错开的光源同时在一根光纤上传送各自携带的信息， 可以大大增加所传输的信息容量。翠期的波分复用采用1 3 1 0 r i m 和1 5 5 0 r i m 两个 波长进行波分复用，称为w i d c b a n dw d m 。9 0 年代旱期，实现了2 - 8 个波长的 波分复用，称为n a r r o w b a n d w d m 。如果将其放在现在的1 5 5 0 r i m 窗口中来看， 其间隔大概为4 0 0 g h z 。波分复用发展到现在，已经实现了传输1 6 4 0 个波长 的信号间隔为1 0 0 - - 2 0 0 g h z 和6 4 1 6 0 个波长，信号间隔为5 0 g h z 甚至达到 2 5 g h z 的密集波分复用( d e n s ew d m ) 。这项技术的发展使得光通信的容量成倍 增长，成为最重要也是最有前景的一种通信技术。 随着通信网传输容量的增加，现有通信网中的电子器件在适应高速、大容量 的需求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串话、高功耗等缺点，由此产 浙江大学硕士学位论文 生了通信网中的”电子瓶颈”现象。为了解决这一问题，人们提出了全光网( a o n ) 的概念【”。它是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据 从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则使 用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备。其关键技术包括惮j ：光交叉连 接( o x c ) 、光分插复用( o a d m ) 和掺饵光纤放大器( e d f a ) 。其中o x c 是 全光网中的核心器件，它在网络节点处，对指定波长进行互连，从而有效地利用 波长资源，实现波长复用，也就是使用较少数量的波长，互连较大数量的网络节 点。图i - 1 是基于3 d m e m s 实现的o x c 示意图f 9 j ： 图1 - 1 使用3 d m e m s 技术实现的o x c 系统 o a d m 具有选择性，可以从传输设备中选择下路信号或上路信号，或仅通 过某个波长信号，但不影响其他波长信道的传输。图1 2 是o a d m 示意图： 图1 _ 2 光分插复用( o a d m ) 系统 另外，e d f a 的商用使全光中继成为现实1 1 0 1 。e d f a 是8 0 年代束发展起来 的一种新型光放大器件，具有高增益、低噪声、宽频带、增益特性与编振无关， 以及对数据速率与格式透明等特点。它可以对波长在1 5 3 0 1 5 7 5 n m 的光信号同 时放大，在1 5 5 0 r i m 波段，e d f a 的放大增益可达3 0 4 0 d b 。而且e d f a 可用于 1 0 0 个信道以上的密集波分复用传输系统、接入网中的光图像信号分配系统、空 间光通信，以及用于研究非线性现象等，起到了简化系统，降低传输成本，增加 中继距离，提高光信号传输的透明性的重要作用。 二、波分复用器件的比较 密集波分复用( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，简称d w d m ) 技 术是目前光纤通信的热点技术“】，系统如图1 - 3 所示。密集波分复用+ 掺铒光纤 浙江大学硕士学位论文 放大器( e r b i u 【ld o p e df i b e ra m p l i f i e r ，简称e d f a ) 是目前最直接、有效的提 高光纤通信容量的方法之一。在d w d m 系统中，各信道分别占用不同的光波长 频率。与传统w d m 系统不同，d w d m 的信道间隔更窄，以便充分利用e d f a 的带宽。 图1 - 3 密集波分复用( d w d m ) 系统 d w d m 系统的核心器件是光波分复用解复用器( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x e r d e m u l t i p l e x e r ) 。其功能是将密集间隔的各波长( 信道) 复用至一根 光纤( 复用器) ，或将已复用的各波长( 信道) 分开( 解复用器) ，或实现光波长( 信 道) 的上下复用( 光分插复用器即0 p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 。与光耦合 器的光功率分配不同，这种器件是将各信道按光波长来合波或分波。尽管对器件 要求不同，由于光路可逆，光波分复用器与解复用器一般可以互换使用。 目前，d w d m 器件制作主要有三种方法【坦】：光纤光栅( f i b e rg r a t i n g ) ，阵列 波导光栅( a r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g ) ，及多腔介质膜滤光器( m u l t i c a v i t y d i e l e c t r i ct h i nf i i mf i l t e r s ) 。 1 、光纤光栅( f i b e rg r a t i n g ) ：利用光纤光敏性，采用特定曝光方法，形成光纤 纤芯折射率变化的周期性结构一光纤光栅【13 1 。制造技术主要为全息写入技术 和利用紫外激光相位掩模写入技术。工作时，由于折射率的周期变化满足布 拉格光栅条件，相应波长的光发生全反射，而其他波长的光则顺利通过【】。 其工作原理如图卜4 。 圈1 _ 4 光纤光栅器件工作原理图 光纤光栅具有插入损耗低和对偏振不敏感的优点。由于本身为光纤，因此有 与普通光纤连接简便的独特特点。但由于光栅的中心波长会随温度变化，所 以温度稳定性是其要克服的问题。 2 、阵列波导光栅( a r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g ) ：a w 6 是种平面光波导的无源器 件【1 ”。制作原理是在硅基板镀制多层具有合适折射率的玻璃层形成光栅，这 浙江大学硕十学位论文 些玻璃层用光刻或是反应离子刻蚀的半导体工艺制备在硅衬底上。器件结构 及工作原理如图卜5 ，由一个a w g 与输入输出波导阵列、聚集平板波导集成。 构成a w g 的是许多长度线性递增的光波导路径。其工作原理就是由这些波导 路径的长度差产生的光栅效应，使经过a w g 的多波长信号在输出端获得按一 定顺序排列的单波长信号。 图1 - 5 阵列波导光栅结构及工作原理 该技术的关键在于掌握厚层波导的制备技术，设法避免因应力引入的偏振色 散，甚至导致器件的破裂。而且，如何精确控制各个光波导路径的长度差以 消除不同路径之间的串扰是a w g 进行大规模集成的最大限制因素。此外，制 备材料的折射率等参数的温度敏感性使得该设备必须使用温度控制技术。所 以信道串扰、温度稳定性是a w g 实际面临的最大技术障碍。 3 、多腔介质膜滤光器( m u l t i c a v i t yd i e l e c t r i ct h i nf i l mf i i t e r s ) ：这种类 型的d w d m 器件是由高、低折射率薄膜材料交替淀积在玻璃基板上形成的介 质膜干涉滤光器。利用光波在介质膜中的干涉( 现在通常采用的是基于法布 里一珀罗原理的多f p 腔薄膜滤光片) 以达到所要求的波长响应特性，工 作原理如图1 - 6 ”“。 基片 基 t h l nf i l mm u 蚶d e m u x 图1 - 6 多腔介质膜滤光片工作原理图 由于薄膜技术的成熟，以及结合了材料科学、真空物理学、薄膜物理化学、 计算机辅助设计分析等先进技术。现在的介质膜滤光器可以提供良好的温度稳定 性和通道隔离度，在复用数3 2 以下应用非常广泛。随着薄膜制备技术的不断提 浙江大学硕士学位论文 高，即使是在3 2 信道以上，薄膜滤光片也开始发挥其巨大的作用。因此是目前 最为实用并f 在被广泛使用的波分复用器件技术。 三、薄膜型波分复用滤光片性能分析研究现状 由于薄膜型器件在光通信技术中的广泛应用，以及光通信技术本身所具有的 极高的精密度，对薄膜产品的制备和监控技术都提出了非常高的要求。在这种情 况下，不但要设计出理想的薄膜系统，在制备的技术条件上也同样具有极高的挑 战性。所以在具备较为理想的镀制和监控设备的同时，针对要制备的膜系，在实 际生产前掌握其在制备过程中和制备过程结束后可能表现出来的膜系性能，对于 薄膜制造者来说是非常有意义的。因为这样做一方面可以了解所设计的膜系性 能，并能通过改变膜系结构的方法来尝试提高其性能；另一方面也对实际镀制中 的监控步骤起到非常大的指导作用。 对监控误差的模拟无疑是一种方便直观的方法。历史上人们曾经采用过很多 模型来进行模拟，但是目前被人们所普遍接收的是麦克劳德建立在导纳图解释上 的误差模型，特别是对于极值法直接控制的误差自动补偿过程。基于这个模型， 国内外出现了很多针对极值法的薄膜淀积计算机模拟，同时也对模型本身提出了 一些改进。但是，国内的这些模拟程序大多用于对常规膜系的监控模拟，还没有 用于波分复用高精度滤光片监控模拟的文献报道。相比之下，国外的同行则已经 将对光学薄膜的监控模拟和容差分析的重点放在了现在应用极为广泛并极具前 景的波分复用滤光片上了。美国的r o n a l d r 、w i u e y 在这项工作中做得最为细致， 他在2 0 0 1 到2 0 0 2 年之间发表了几篇论文，较为全面地做了对波分复用窄带滤光 片的监控模拟和误差分析工作。此外，国际上各大光学薄膜设备制造公司及研究 机构也都拥有自己的监控模拟软件。因此，研制能够用于波分复用高精度膜系的 监控模拟和误差分析软件是非常有必要的。 另外，国内外的科研工作者针对薄膜滤光片的工作环境影响，在其温度稳定 性上也进行了一系列的研究工作，希望能够在成因和计算上取得突破。目前的计 算和分析主要是建立在薄膜微观结构模型和日本人t a k a s h a s h i 于1 9 9 5 年发表的 论文中的热应力形变模型。但是，现在对于滤光片的温漂计算分析也大多集中于 常规膜系，对波分复用滤光片的分析几乎没有，而相对于常规膜系来说，温度造 成的中心波长的漂移对波分复用滤光片工作性能的影响要显著的多，并且是波分 复用滤光片的一个很重要的性能参数。所以，对波分复用薄膜滤光片的温度稳定 性分析也是非常有意义的。 鉴于薄膜型滤光片在光通信波分复用系统中广泛而极具前景的应用，以及国 内对于该类滤光片监控模拟和性能分析上与国际的较大差距，使得编制高精度监 控模拟和误差分析软件，并对波分复用滤光片的工作性能进行分析成为目前急需 9 浙江大学硕士学位论文 解决的问题。 第三节本文的研究内容和目的 本课题旨在对膜系性能和实际监控进行预期的了解、掌握和指导，开展监控 模拟、性能分析和温度稳定性等模型的分析、讨论和建立，并在此基础上重点对 目自口应用广泛的波分复用( d w d m ) 系统薄膜滤光片的性能进行全面的分析。 首先，我们对薄膜的性能计算、容差分析和整个监控过程的模拟进行了推导， 并将他们集成为一个膜系性能模拟分析软件，包括了特性计算、极值定值、直 接间接法监控模拟、监控波长带宽影响模拟、膜层误差灵敏度计算、膜层容差 性能分析和膜系温度稳定性分析等模块。通过这个软件，我们不仅可以计算膜系 的特性，同时也可以对膜系的实际监控过程选择合适的监控方法进行模拟进而指 导实际镀制。利用软件中的误差灵敏度计算和容差性能分析模块，我们还可以对 膜系各膜层的容差性能及对整个膜系性能的影响进行分析。此外，监控波长带宽 影响和膜系温度稳定性模块可以用来分析膜系受制备系统和使用环境影响下的 整体性能。整个软件完成了设计膜系从特性计算到制备模拟，再到容差性能分析， 最后到系统及环境温度影响的分析。其中，针对波分复用滤光片的监控模拟计算、 对髓控光源带宽影响的模拟分析以及波分复用膜系的温度稳定性分析的研究和 软件设计是本文的创新点之一。 在监控模拟计算的推导中，我们对以往的模拟计算进行了改进。以往的监控 模拟误差计算中，为了计算简便，将相位厚度误差计算式中较二次项大的高次项 省略。但在软件的编制过程中，通过实际计算发现，这样的省略对于常规膜系来 说并未造成很大的影响，但是对于精度要求极高的波分复用滤光片膜系来说则是 致命的。因此，本文对计算公式进行了完全推导，并代入计算，得到了较好的模 拟结果。另外，考虑到实际镀制中对于波分复用窄带滤光片的耦合层和最后两层 增透层的监控往往采用石英晶体监控的方法来提高监控精度，在模拟程序中加入 了对这些膜层的判断和分离的误差计算，以期与实际相符，提高监控模拟的准确 性，这也是以往的监控模拟程序所不具备的。 由于波分复用滤光片膜系的精度要求很高，监控系统的响应也会造成较大的 膜系性能损害。由实验得到的监控系统响应函数，我们推导出其对滤光片中心波 长漂移的影响，发现对常规膜系来说，这个漂移量可以接受，而对于本身带宽极 窄的波分复用窄带滤光片来说，却不能忽略。因此，本文分析了监控光源带宽对 实际监控信号的影响，建立了相应的模型，模拟了受监控光带宽影响的窄带滤光 片实际性能，提出对镀制波分复用窄带滤光片的监控光源波长带宽的要求。 最后，我们分析了影响滤光片温度稳定性的三种模型。一是由于膜层柱状结 构吸潮和解吸潮过程造成的滤光片中心波长漂移；一是由于基板和膜系之间由于 浙江人学硕士学位论文 热应力相互作用造成弹性形变，引起膜系和基板失匹，从而改变膜层光学厚度带 来的中心波长漂移；一是在热应力形变模型基础上，由于膜层中含杂的水汽随温 度折射率发生变化，进而导致膜层折射率温度系数变化造成的滤光片温漂。基于 这样三种模型，我们分别计算了波分复用窄带滤光片中心波长的漂移，认识到潮 气的存在与否是决定该类滤光片温度稳定性的关键。并通过分析发现在热应力形 变模型上，通过调整基板材料和膜系结构能够改变滤光片中心波长的漂移。 利用以上分析软件，我们从膜系光谱特性，损耗特性，群延迟以及温度稳定 性等角度较为全面地分析了波分复用薄膜滤光片的性能，对于密集波分复用薄膜 滤光片系统的性能分析也是本文的一个创新点。 浙江大学硕士学位论文 参考文献： 1 林永昌、卢维强，光学薄膜原理，国防工业出版社，1 9 9 0 年 2 h a m a c l e o d ，t h i n f i l mo p t i c a lf i l t e r s ，2 ”e d ( m a c m i l l a n ，n e w y 0 r k ，19 8 6 ) 3 唐晋发、郑权， 应用薄膜光学，上海科学技术出版社，1 9 8 4 年 f 4 1 顾培夫，薄膜技术，浙江大学出版社，1 9 9 0 年 5 唐晋发、顾培夫，薄膜光学与技术，机械工业出版社，1 9 8 9 年 6 章燕翼，世纪之光一光通信的伟大发展，h t t p ：w w v r c h i n a t e l e c o m c o n _ i c n 7 安立达通信，全光网络，h t t p ：w w w z - x - h c o m a n d w e b i s 8 f r a n k b r o c k n e r s 、c i s c os y s t e m s ，d w d mn e t w o r k s ，w a v w c i c s o c o m 9 c o r p o r a t eh e a d q u a r t e r s ，i n t r o d u c t i o n t od w d mf o rm e t r o p o l i t a nn e t w o r k s ， c i s c os y s t e m s ，i n c 1 0 p a u lb o n e n f a n t ，c u r tn e w t o ne t c ap r a c t i c a l v i s i o nf o r o p t i c a lt r a n s p o r t n e t w o r k i n g ，l u c e n tt e c h n o l o g i e s ，b e l ll a b si n n o v a t i o n s ，o p t i c a ln e t w o r k i n g g r o u p 【11 许远忠d w d m 系统中的光波分复用解复用器， 塾垃；盟丛型：l i b 笪h q 坐：q m ：型m a g a z i n 型g i k 型g k 撕2 2 q s 垡e 照最：照衄 1 2 a n i s r a h m a n ，a r e v i e w o f d w d m t h e h e a r t o f o p t i e a l n e t w o r k s ， h t t p ：m 巡v e b p a g e s c o m c a s t n e t l d w d m 2 r e v i e w 2 0 0 f 2 0 d w d m p d f 13 】k u a n g y iw u ，s t a r t o f - t h e a r ti nd w d m ，c h o r u m t e c h n o l o g i e s 1 4 江山、付浩军，光纤光栅一能够充分利用光纤带宽资源的无源器件， h ! 垃；型堕巡：i b 也q 盟：q 出：型盟g 丝i 旦型g i k 堑g k ! 撕2 2 q 8 遥幽笠：丛融 1 5 胡台光，光无源器件在w d m 网络中的应用，光纤与电缆及其应用技术， n o 4 ，2 0 0 0 浙江大学硕士学位论文 第二章光学薄膜设计及制备技术简介 第一节前言 光学薄膜计算的理论基础是经典电磁场理论。从2 0 世纪4 0 年代开始，相继 出现了各种薄膜光学理论和膜系计算方法，特别是特征导纳矩阵计算方法给膜系 的性能计算带来了极大的便利。但是，在给出了薄膜要达到的光学特性指标，来 求出每一层薄膜的物理参数，进而得到符合要求的膜系结构却并非易事。因为目 前所知的可用于光学薄膜制备的材料非常有限，这就给折射率n 这个参数的选择 带来了很大的限制，同时，膜系多由多层膜构成，特别是波分复用系统用的薄膜 滤光片，它们的膜系层数可以达到1 0 0 - - 3 0 0 层之多，这么复杂的膜系结构就会 造成自变量的数目太多，导致计算量快速增大。这些就是薄膜优化设计所面临的 问题和要解决的任务。经过了几十年的发展，薄膜优化设计技术已经比较成熟。 现在，结合电子计算机技术的发展，我们已经可以利用各种基于不同算法的优化 设计技术得到理想的膜系结构了。 光学薄膜制备技术的成熟也同样经历了一个相当长的发展时期，随着真空技 术及监测精密仪器技术和材料科学的不断发展，人们已经可以按照不周的要求生 产出符合技术指标的各种复杂的高精度膜系。而且薄膜镀制系统本身也随着仪器 和计算机技术的提高，实现了高精度、高效率、高可靠性和计算机自动控制的人 性化操作控制，这符合现代工业对生产的要求。图2 一l 是l e y b o l d 公司的新型 s y r u s p r o 镀膜系统，该系统完全由客户通过计算机用户界面来完成复杂的操 作过程，数据的交流和控制完全由计算机控制，实现了高度的人工智能和工业自 动化。 图2 - 1l j y b o l d 公司的s y r u s p r o 镀膜系统 整体看来，光学薄膜镀制根据客户的技术要求进行生产的过程大致遵从图 2 2 中的流程“。在一系列生产环节中，镀制过程的方法选择和在线监控是两个 浙江大学硕士学位论文 至关重要的步骤，直接影响到成膜的质量和产品性能。另外，产品性能的误差分 析( e r r o ra n a l y s i s ) 也是产品制造流程中十分重要的一环，它的研究将有助于对在 线实时控制进行必要的调整，从而实现更高精度的镀制监控进而得到高精度的薄 膜产品。 图2 - 2 光学薄膜器件从设计到产品的环节流程图 因此有必要对薄膜的镀制技术方法、监控技术以及误差产生的原理做一个介 绍，并对误差的计算做理论上的分析，给出具体的计算公式，以利于对薄膜的产 品性能做出具有实际工艺指导性的误差容差分析。 第二节光学薄膜优化设计方法 光学薄膜在光学、光谱学、激光、太阳能利用以及航天等技术领域的应用范 围的不断扩大，不仅对光学薄膜的光谱透射率、反射率提出了各种不同的要求， 而且对薄膜的光谱吸收、位相及偏振状态的变化也不断提出新的要求，这些无疑 都促进了薄膜设计理论的发展。 光学薄膜的设计发展到现在，经历了很长的历史积累，对于很多膜系都得到 了很好的基本结构。随着计算机辅助优化合成设计的发展，对于很多新面临的问 题都能得到令人满意的结果。膜系设计最早使用的是试凑法、图解法，以后又逐 步发展到了各种解析设计方案【3 】。由于膜系设计中各个量之间的关系难以用直观 的公式表示，因此膜系设计向优化设计方向发展是十分必要也是必然的。7 0 年 代后，随着计算机技术的迅速发展，以及随之迅速发展的各种数值优化技术的应 用，光学薄膜的计算机辅助优化设计得到越来越多的重视，成为一种广泛应用的 膜系设计方法。 膜系优化设计问题简单来看就是给定光学薄膜要达到的光学特性，求出每一 层薄膜的物理参数，其本质就是通过建立各类评价函数把薄膜最优设计归结为求 评价函数的极值问题【4 】。下面介绍几种常用的优化设计方法： 4 浙江大学硕十学位论文 i 、单纯形法 n e l d e r 和m e a d 于1 9 6 5 年提出非线性的单纯形法来进行最小化，这种方 法不需要计算评价函数的导数，也不需要假定评价函数在我们关心的区间上 连续可微，另一个突出的优点，就是使用者易于保证仅取正值的设计参数。 其基本思想是：对于给定评价函数f ( x ) ，选取k 个x 值，计算并比较这k 个 点的评价函数值，确定最大、次最大和最小三个函数值点。这三点构成一个 初始单纯形，然后向最低点收缩，寻找新的最大、次最大和最小函数值以构 成一个新的单纯形，如此反复，按一定的收敛准则逐步逼近函数的极小值。 单纯形法比较简单，容易用程序实现，但是它的算法下降速度很慢。 2 、p o w e l l 法： p o w e l l 法是1 9 6 4 年m j d p o w e l l 首先提出的一种直接搜索法。这种方法 在迭代过程中直接利用迭代值逐次生成共轭搜索方向进行迭代搜索，故又称 p o w e l l 共轭方向法或方向加速法。目前，p o w e l l 法是直接算法中最有效的算 法，也是我国在膜系设计领域最早程序实现并得以广泛应用的种优化方法。 p o w e l l 算法要求必须有一个好的初始设计才能得到较为满意的结果，这也说 明了p o w e l l 法并不能找到全局极小值。p o w e l l 法还可以用来优化其他方法提 供的设计结果。在应用平方和评价函数进行设计时，这种方法显得更为有效。 3 、遗传算法： 遗传算法是建立在自然选择和自然遗传学机理基础上的迭代自适应概率 性搜索算法，广泛应用于解决各种优化问题，传统的单点搜索算法，对于多 峰分布的搜索空间常常会陷于局部的某个单峰的优解，而遗传算法是同时对 搜索空间中的多个解进行评估。遗传算法的最大特点是在搜索过程中不易陷 入局部极值，此外它还易于和别的技术相结合，形成性能更优的问题求解方 法。遗传算法主要是通过遗传算予，按一定概率，对群体内的个体施加结构 重组处理以不断搜索出群体内的优良个体，逐渐逼近最优解。 应用于膜系设计时，群随机产生，搜索区间为2 n 维，n 为膜系总膜层数。 个体x 是2 n 维的向量，包含膜层厚度和折射率。遗传算法理论上可以找到 全局极值，但计算量很大。对此可以通过变换搜索域以加快收敛速度，还可将 遗传算法和其他方法结合提高计算速度。 4 、n e e d l e 算法： 该算法是在原有的折射率分布中通过不断插入极薄的膜层，从而引起折 射率分布的微小变化。与其他优化算法不同，n e e d l e 是针对光学膜系的优化 设计而提出的一种优化方法，其基本思想是有莫斯科大学的a v t i k h o n r a v o r 于1 9 8 2 年提出的，程序实现在1 9 9 2 年。优点是：对任意初始设计，评价函 数下降迅速，优化速度快。不仅可以优化膜系的膜层厚度和折射率，还可以 浙江大学硕士学位论文 优化整个膜系的层数。 n e e d l e 优化算法的原理是对任意给定的膜系计算其p 函数，算出最佳插 入点，然后在该点插入极薄的膜层，使评价函数大幅度降低。持续这一过程， 使膜系的膜层不断增多，膜系结构的评价函数不断降低，直到最终得到满意 的结果。这时膜系的层数可能较多，调用别的算法是评价函数进一步降低， 再加入关于膜层厚度的约束条件，合并那些较薄的膜层