（光学工程专业论文）高质量非规整多层光学薄膜优化设计的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文针对如何利用l e y b o l da p s 11 0 4d w d m 镀膜机制备多层非规整薄膜滤光 片进行了深入的研究。 首先，学习了薄膜光学中的一些基本理论与技术，包括薄膜光学特性计算、膜 系设计、薄膜制备三个主要方面。 接着，从离子源、蒸发源、真空获得、膜厚监控等方面详细分析了l e y b o l d a p s 1 1 0 4d w d m 的工作特性以及它与普通镀膜机的不同点，并从这些适合于制备 d w d m 滤光片的特性中总结出对制备多层非规整薄膜滤光片有利和不利的特性。 指出单波长直接控制法是导致多层非规整膜系难以用l e y b o l da p s1 1 0 4d w d m 制 备的关键所在。 然后，针对这一问题提出了适合于单波长直接控制法的非规整膜系设计要求。 结合这些要求详细分析了非规整膜系的设计方法，提出了p 条件因子，用于对膜系 质量进行定量分析。利用这种方法设计的多层非规整膜系进行实验，取得了良好效 果。 当膜系有数十层时，依靠人工寻找满足上述要求的膜系相当困难，甚至不可能。 为了在膜系的优化设计中自动满足上述要求，提出一种全新的带限制因子膜系优化 算法，该算法通过增加膜系中的限制因子来获得满足多层非规整光学膜系设计要求 的监控曲线。可以利用v b a ( v i s u a lb a s i cf o r a p p l i c a t i o n s ) 同时结合f i l m s t a r 膜系设 计软件的工作表功能来实现。通过对截止滤光片和多层膜任意触发点两个膜系的优 化设计，验证了该算法的可行性。 关键词：非规整膜系光学监控触发点限制因子 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew a yt od e p o s i tn o n q u a r t e r w a v em u l t i l a y e rt h i nf i l mf i l t e rb yl c y b o l da p s 110 4d w d mc o a t c ri ss t u d i e di nd e t a i li nt k st h e s i s f i r s t , b a s i cp r i n c i p l e sa n dt e c h n o l o g yo ft h i nf i l mo p t i c sa res t u d i e d ，i n c l u d i n gt h e c a l c u l a t i o no ft h ec h a r a c t e ro f o p t i c a lt h i nf i l m ，t h i nf i l md e s i g na n dc o a t i n g t h e n ，w o r k i n gc o n d i t i o n so fl e y b o l da p s110 4d w d ms u c ha sp l a s m as o u r c e ， e v a p o r a t o r , v a c u u mp u m pa n df i l mt h i c k n e s sm o n i t o r i n g , w h i c ha r ed i f f e r e n tf r o m g e n e r a lc o a t e r sa n da r es p e c i f i c a l l yd e s i g n e df o rd w d mc o a t i n g ，a r ea n a l y z e di nd e t a i l w o r k i n gc o n d i t i o n st h a ta r ef o ro rn o tf o rc o a t i n gm u l t i - l a y e rn o n q u a r t e r w a v es t a c k sa r e s u m m a r i z e da n dc l a s s i f i e d ac o n c l u s i o ni sd r a w nt h a ti ti st h es i n g l ew a v e l e n g t hd i r e c t m o n i t o r i n gm e t h o dt h a tl e a d st ot h ed i f f i c u l t i e si nc o a t i n gm u l t i - l a y e rn o n q u a r t e r w a v e s t a c kb yl c y b o l da p s110 4d w d m n o n q u a r t e r w a v es t a c kd e s i g nr e q u i r e m e n t st h a ta lef i tf o rs i n g l ew a v e l e n g t hd i r e c t m o n i t o r i n ga r ep u tf o r w a r dt oc o p ew i t ht h ep r o b l e m n o n q u a r t e r w a v es t a c kd e s i g n s t r a t e g i e sa r es t u d i e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s t h epc o n s t r a i n ti sc r e a t e dw h i c h c a nb cu s e dt oq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z ef i l ms t a c k t h em u l t i l a y e rn o n q u a r t e r w a v es t a c k s d e s i g n e di nt h i sw a ya r ee x p e r i m e n t e di nt h ec o a t i n gp r o c e s s ，a n dt h ep e r f o r m a n c et u r n s o u tt ob es a t i s f a c t o r y i faf i l ms t a c kc o n s i s t so fd e c a d e so fl a y e r s ，i t sd i f f i c u l tt os e a r c hf o ras t a c kt h a t m e e t st h er e q u i r e m e n t sm e n t i o n e da b o v em a n u a l l y , o re v e ni m p o s s i b l e t om e e tt h e r e q u i r e m e n t sa u t o m a t i c a l l yd u r i n gt h i nf i l ld e s i g n , ab r a n dn e wo p t i m i z a t i o nm e t h o d 、椭t i lc o n s t r a i n t si si n v e s t i g a t e d c o n s t r a i n t sa r ea t t a c h e dd u r i n gt h i nf i l md e s i g nt om e e t t h em o n i t o r i n gc u l w er e q u i r e m e n t s t h em e t h o di sr e a l i z e db yc o m b i n i n gv b a ( v i s u a l b a s i cf o ra p p l i c a t i o n s ) a n dw o r k s h e e tf u n c t i o ni nf i l m s t a rs o f t w a r e t h ef e a s i b i l i t yo f t h em e t h o di sd e m o n s t r a t e db yo p t i m i z a t i o nd e s i g no fe d g ef i l t e ra n dm u l t i l a y e rf i l m s t a c kw i t ha r b i t r a r yt r i g g e rp o i n t k e yw o r d s ：n o n q u a r t e r w a v e s t a c k o p t i c a lm o n i t o r i n g t r i g g e rp o i n t c o n s t r a i n t s u 独创性声明 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：必炅 日期：和。恽夕月钼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在三年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：袄处 日期：晰夕月厂日 指导教师签名：关步目 1 日期夕年歹月厢日期：。年歹月r 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1w i ) m 光纤通信系统 1 1 1 光纤通信系统的发展 1 绪论 从8 0 年代开始，光纤通信的高速发展超乎了人们的想象，光通信网络逐渐成 为现代通信网的基础平台。在此期间，光纤通信系统的发展经历了几个阶段，从8 0 年代末的p d h 系统，到9 0 年代中期的s d h 系统，直到现在的w d m 系统，光纤 通信系统自身在快速地更新换代。 随着世界经济的发展，语音、图像、数据等信息量成爆炸式的增长，尤其是因 特网的迅速崛起，广大用户对扩大光纤通信网络容量的要求十分迫切，现有的通信 网根本满足不了这种要求，扩大网络容量己成为网络运营商的当务之急。 光载波的频率很高，但由于光纤色散和电子集成电路的极限速率的限制，单模 光纤单信道的传输速率常常被限制到4 0 g b i t s 或者更低。为解决通信容量不足，可 采用波分复用( w d m ) 、空分复用( s d m ) 、电时分复用( e t d m ) 和光时分复用 ( o t d m ) 以及光孤子等技术来充分挖掘光纤通信系统的潜在通信容量u 】。s d m 系 统需要沿主要线路敷设新的光缆，在人口密集的地区或特大城市，每敷设l k m 光缆 都需要数万元费用，代价过于高昂；一度独领风骚的e t d m 由于受“电子瓶颈”的 限制，其扩容的潜力已基本挖掘殆尽；而o t d m 和光孤子技术对扩大光通信容量 虽然具有极大的潜力，但其涉及的技术很复杂，一些关键技术还有待进一步解决， 尚未达到实用化的程度。 早期，人们把1 3 1 0 r i m 和1 5 5 0 n m 两个波段的复用，叫w d m ：后来随着e d f a 的应用，把1 5 5 0 r i m 波段分成许多个波长的复用，叫做d w d m 。今天，实际上光纤 通讯系统都在向着d w d m 系统发展【2 1 。 从1 9 9 5 年开始，w d m 技术的发展进入了快车道。l u c e n t 率先推出8 2 5 g b s 系统，c i e n a 推出了1 6 2 5 g b s 系统，目前实验室的最高传输速率己达到t b i t s 的 华中科技大学硕士学位论文 数量级，2 0 0 2 年阿尔卡特在c 波段和l 波段成功地进行了1 0 2 t b i t s ( 2 5 6x 4 2 7 0 b i t s ) 距离为3 1 0 0 k m 的传输试验。在中国电信的长途干线系统上，已经应 用了4 0 0 g b i d s 的d w d m 系统。目前，1 6 信道和3 2 信道d w d m 技术已经完全成 熟，并得到了广泛的应用，4 8 信道和9 6 信道d w d m 系统也开始商用，3 7 3 信道 d w d m 系统的实验室研究也已有报道【3 】。世界上各大设备生产厂商和运营公司都对 这一技术的商用化表现出极大的兴趣，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，使在光放大器( 1 5 3 0 - - 1 5 6 5 n m ) 区域采用w d m 技 术成为可能。( 2 ) t d m 4 0 g b s 面临着电子元器件的挑战，利用t d m 方式已日益接 近硅和镓砷技术的极限，t d m 已没有太多的潜力可挖，并且传输设备的价格也很 高。( 3 ) 已敷设g 6 5 2 光纤1 5 5 0 r i m 窗口的高色散限制了t d m l 0 g b s 系统的传输， 光纤色度色散和偏振模色散的影响日益加重。 1 1 2w d m 的主要特点 所谓波分复用技术，就是以不同波长的光波作为信号载波而将光纤的低损耗窗 口划分为若干个信道，采用合波器，在发送端将不同标准波长的光载波进行合并， 然后传入单模光纤。在接收部分将再由分波器将不同波长的光载波分开的复用方 式。与光纤通信系统的其它扩容手段相比，w d m 技术具有以下特点： 1 可以充分利用光纤的巨大带宽资源。对于普通单模光纤，其低损耗带宽频 谱范围( 1 6 o 8 0 4 o 2 截止带宽w 2 5 , m n m 4 8 2 4 1 2 0 6 r l = w 2 5 d 8 w o 5 d b 3 3 3 3 通带损耗l d b o 6 0 5 0 5 o 5 通带波纹r d b o 3 0 。3 o 3 0 3 中心波长温度漂移( n m * c ) 0 0 0 2 0 0 0 2 o 0 0 l 0 0 0 0 5 华中科技大学硕士学位论文 to ii -ll lii -ii 印i n _ 一1- p 即i 1 l l , l i , 善1 i i1 j 善i r , i , tl l f u i t , s，5 1 n i , |l t h _ 啊曲_ _ c d o t 啊w a f e l , l l l t t l , l m , 图1 1 腔数对滤光片矩形度的影响 早在1 9 9 5 年，光纤通信业就需求大量的波分复用带通滤光片。从1 9 9 4 年到1 9 9 6 年，许多光学镀膜公司都试图生产这种器件，经过几年鏖战之后，在美国只有3 家 公司能交付出质量合格的镀膜产品。其理由是波分复用器件镀膜的标准远比光学镀 膜工业通常采用的标准更严格，波分复用带通滤光片要求的精度不是百分之一的控 制标准，而是万分之一的控制标准，比光学镀膜工业标准高一百倍，其难度可想而 知。 能交付出质量合格镀膜产品的公司很少，能用于制备d w d m 带通滤光片的镀 膜机种类就更少。目前全球只有德国l e y b o l d 、美国i o nt c c h 和日本o p t r u n 三家公 司能制造出用于制备d w d m 窄带滤光片的镀膜机，其中l c y b o l d 机性能最好，应 用最为普遍。下面以l e y b o l d a p s1 1 0 4d w d m 型号镀膜机( 以下简称1 1 0 4 ) 为例， 说明制备d w d m 滤光片的必要条件【1 5 】【1 6 】。 1 光学直接监控法 d w d m 滤光片对随机厚度误差的灵敏性令人吃惊。尽管11 0 4 的光学控制精度 可以达到万分之一，但要想达到表1 1 中的指标，仍然不够。图1 2 显示o 0 1 的随 机误差对滤光片造成的影响，显然，o 5 d b 通带宽度的产量不能满足要求，将会完 全破坏生产。研究表明，只有0 0 0 2 的误差才能满足指标要求。幸运地是，直接控 制的极值法能在相邻膜层之间自动进行膜厚误差的补偿【1 r i p s 】，同时避免了因凝聚特 性变化所引起的误差，因而使滤光片获得很高的波长定位精度。因此依靠规整膜系 6 华中科技大学硕士学位论文 直接监控法同时结合万分之一的控制精度仍有可能制备出满意地d w d m 滤光片。 戥嘲凹墨圈曼嗌篓絮墨疆强澄泌强 脯黼| 缀f j w 斛 u 黼掰|鼬 l 糊魄 f ；瀚刻 l 溺戮f l 阙剿 鳃鼢l 掰刚 嘲鞴 瓣搿 毽疆揪 糊彭 图1 20 0 1 的随机误差对d w d m 滤光片造成的影响 2 成膜系统的长期稳定性 1 0 0 g h z 、5 0 g h zd w d m 滤光片及宽带滤光片等光通信所用的滤光片的膜层一 般都在1 0 0 多层以上。要镀制这样的滤光片，镀制过程一般需要1 0 多个小时，而 且镀制过程中不能停机，这就需要有足够的蒸发材料。另外还要求机器内的硬件要 可靠稳定，例如要防止出现因电子枪或离子枪异常放电而停电的故障，为此1 1 0 4 采用了稳定可靠的电子枪与离子枪，从而有效地防止了这些故障。 3 基板的温度 1 0 0 g h zd w d m 滤光片的半波宽仅o 6 r i m 而已，虽然已使用了特殊的玻璃基板， 但是温度只要稍有变化就会影响中心波长的偏移，进而会导致光控信号的损失。 l1 0 4 采用了由p i d 控制的加热器，由此这套系统可将基板的温度有效控制在1 以 内。 4 膜厚仪 膜厚仪是制作d w d m 滤光片最重要的技术要素。膜厚仪有两种，一种是光学 膜厚仪，另一种是晶控膜厚仪。光学膜厚仪的最重要的指标是波长的分辨力、信噪 比、以及长期间的稳定性。波长分辨力是决定光学膜厚仪能否监控镀制滤光片最小 半宽的要素。信噪比及长期稳定性是决定监控系统能否正确动作的主要因素。图1 3 7 宣，-】：；蓉g_暑工 华中科技大学硕士学位论文 显示了光学膜厚仪的重要技术指标一稳定性与信噪比，都达到了极高的水平。1 1 0 4 还采用了晶控膜厚仪，晶控一是控制蒸发速率，二是可以监测薄膜的物理厚度。使 用了这些性能可靠的膜厚仪，l1 0 4 就能做到自动地镀制出1 0 0 g h zd w - d m 滤光片。 名 v 田 米 时阿( 0 ) 。 图1 3 光学膜厚仪的稳定性与信噪比 5 膜厚的均匀性 膜厚均匀性是镀制光学滤光镜的重要技术指标。均匀性与系统的结构、真空压、 电子枪的电子束斑大小、离子枪的电流密度分布等都有很大的关系。如有好的均匀 性，不但能提高每次镀膜的成功率，而且还能提高光学膜厚仪的控制精度。 霜 一飞 k 氇淑 一一嘲 ，猡零 一 盘m m 二1 l m m 专缮 a ，荫_ i l雳 噎 爹 奄 | 碜 孕。 考 k 一爹j 。焉 图1 44 腔1 0 0 g h zd w d m 滤光片的面内均匀性分布 8 华中科技大学硕士学位论文 d w d m 滤光原片的有效半径一般要求大于1 5 m m ，l e y b o l d 用自己独特的制成 技术成功地把直径4 0 r n m 范围内的1 0 0 g h z d w d m 滤光片的波长均匀性由l n m 提 高到了o 1 n m 。图1 4 显示的即是用1 1 0 4 镀制的l o o o h zd w d m 滤光片面内分 布曲线图【19 1 。 1 3 非规整薄膜滤光片的发展及应用【2 0 】 随着光通信产业的不断发展，尤其是最近一两年，非规整薄膜滤光片以其灵活 的设计、小巧的体积、可靠的信号处理以及良好的环境稳定性而在光通信市场中占 有一席之地，许多特殊薄膜滤光片的需求在不断增长。 1 略4 1 1 5 5 00 8 cw d mf l l h h r g 阡g a i nf 啪鲥n gf i r 1 4 8 0 1 1 5 5 0w d mf i l t e r a s en o i s es u p p r e s s i o nf i l t e r 9 , 8 甜15 s 0w d mf i l t e r 1 5 5 0 1 1 5 2 s0 8 cw o 埘f l i 咐b a n ds p l i u , m s 图1 5 全光网络示意图。图中标明了系统中使用的主要薄膜滤光片。 图1 5 是具备智能功能的下一代全光网络示意图。这个系统基本由发送器、光 放大器、光分插复用器、光开关、光交叉连接、复用解复用模块和接收设备构成。 通常，w d m 系统主要包括以下技术：第一是合波分波( m u x d e m u x ) 技术。第二 是光放大，主要采用在1 5 5 0 n m 附近工作带宽为3 0 n m - 4 0 n m 的e d f a 。第三是克 服色散和非线性技术。第四是节点技术，即光交叉连接( o x c ) 和光分插( o d a m ) 。 第五是网络监测、控制和管理技术。可以说，以上各项技术都离不开光学薄膜，在 某些情况下，薄膜滤光片甚至可以取代所有非薄膜型的光无源器件，完成它们的功 能。表1 2 列出了光通信中一些常用的滤光片【1 6 】，下面对其中几种作简要介绍1 2 0 2 1 1 。 9 华中科技大学硕士学位论文 表1 2 光通信中常用的几种光学滤光片 带通滤光片 截1 e 滤光片特殊滤光片 5 0 g h z 9 8 0 n m 泵浦滤光片增益平坦滤光片 1 0 0 g h z14 8 0 n m 泵浦滤光片 色散补偿滤光片 2 0 0 g h z长波通截止滤光片( 偏振) 分束器 4 0 0 g h z 短波通截止滤光片a s e 滤光片 c w d mc l 波段分束滤光片 增透( 高反) 膜 a d d d r o p 滤光片 盔红波段分束滤光片激光晶体膜 疏状滤光片( i n t e r l e a v e r ) ：疏状滤光片也可同样用f p 滤光片来构成，它可 与d w d m 滤光片串接，用一个1 0 0 g h z 的疏状滤光片方便地得到5 0 g h z 或进而 2 5 g h z 的超窄滤光片。 增益平坦滤光片( g f f ) ：由于e d f a 在波长1 5 5 0 r i m 附近3 0 n m - - - 4 0 n m 的波 长区间上的增益是不平坦的，所以放大后某些信道的信号会特别强，而另一些会非 常弱，因此必须采用增益均衡技术，其中比较有效的方法是采用g f f( g a i n f l a t t e n i n gf i l t e r ) 来衰减e d f a 增益较高的那些波长光功率。 分束滤光片：可以分为部分反滤光片( p r ) 、偏振分束滤光片( p b s ) 和消偏 振分束滤光片( m b s ) 三类。它被广泛用于光开关、光隔离器、功率探测器、光 环形器、偏振光合( 分) 路器及声光可调器滤波器( a o t f ) 等器件。 截止滤光片：广泛应用于1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 的分离，c 波段和l 波段的分离， 以及泵浦光和信号光的分离等等。它是各种薄膜滤光片中设计最为灵活、用途最为 广泛的滤光片之一。 色散相关滤光片：色散补偿也可用光学薄膜的办法来实现，它是利用一个两面 镀有高反射膜的玻璃平板间的多次反射来实现消色散的。薄膜的色散性质也可以用 来做成波分复用器件【2 2 】。 可调滤光片1 2 3 1 ：新型的可调滤光片是半导体薄膜与光学干涉薄膜相结合的产 物，因此也被称为有源薄膜。半导体的可调性与光学薄膜设计的灵活性的结合是未 来各种新功能、新器件的基础，如波长可调滤光片、可调光衰减器件、可调增益平 坦滤光片、可调色度色散补偿器等。 此外，减反射膜、反射膜、位相膜、激光晶体膜等都被广泛地用于各种光器件 1 0 华中科技大学硕士学位论文 和激光器中。 随着光网络功能的不断扩展，光器件的种类越来越多。由于光学薄膜具有低插 入损耗、容易制造、设计自由、成本低等优点，因此被越来越广泛地应用。同时， 随着光网络的不断发展，对器件的性能指标也提出了更加严格的要求，直接导致构 成薄膜滤光片的膜堆层数的增加，往往多达十几层甚至几十层。另一方面，随着膜 系设计软件的发展以及镀膜工艺的不断改进，采用非规整膜系制各的各种薄膜滤光 片不但满足了千变万化的指标要求，同时也将经济成本降到最低，在光通讯领域所 占的份额逐渐超过d w d m 窄带滤光片。而且在经历过光通讯行业的火爆与随之而 来的迅速降温后，d w d m 窄带滤光片也出现饱和。 现代光通信用薄膜除了d w d m 滤光片必须使用规整膜系外，其它所有滤光片 在考虑到指标与成本后几乎全部使用的是非规整膜系，即各层光学厚度不再是传统 的q w o t 或其整数倍数。虽然这样的膜系能满足各种指标，而且能有效减少总层 数，但它给镀膜机膜厚监控与自动化制备带来困难，对于尚未进行改造的1 1 0 4 来 说更是如此。依靠晶振对每层膜厚进行监控将会导致整个膜系指标的失败，只有采 用具有极高控制精度的光学监控法同时人为地引入误差补偿机制才能完成这一任 务。 1 4 论文研究的主要内容 康顺光通讯公司2 0 0 2 年1 0 月引进的l e y b o l da p s11 0 4d w d m 镀膜机是专为 镀制d w d m 膜片设计的高精密镀膜机。由于系统对膜片指标有严格要求，因此决 定了此镀膜机结构的特殊性。这种特殊的结构既限制了其应用范围，也限制了其产 量。在d w d m 薄膜滤光片产量过剩的情况下，为了获得更多的效益，目前普遍采 用的解决方案是对其进行改造，涉及到光学监控、工件盘等多个方面，使其适用于 常规精密光学镀膜。但存在的问题是改造成本较高，而且改造后不能再生产d w d m 膜片。 正是由于d w d m 薄膜滤光片的特殊性决定了1 1 0 4 镀膜机的特殊结构，从而使 具有非规整膜系，尤其是具有几十层膜层的膜片的制备存在一定的困难。但这种特 华中科技大学硕士学位论文 殊结构与普通镀膜机相比在某些方面也有自身的优势。本文目的在于发现、分析和 利用这些优势，使这种镀膜机镀制高质量多层非规整膜系成为可能。 本文主要在对l1 0 4 镀膜机原理进行深入分析的基础上提出了多层非规整光学 薄膜滤光片的膜系设计原则以及实际操作措施，同时针对该原则提出了一种全新的 膜系优化算法。研究的主要内容有： 1 学习与真空镀膜相关的基础理论知识，主要包括薄膜光学和真空技术两大 部分。 2 深入探索德国l e y b o l da p s1 1 0 4 镀膜机在材料蒸发、夹具、a p s 、膜厚监 控等方面的特点，分析得出其适合制备d w d m 膜片以及高质量非规整多层光学薄 膜滤光片的机理。 3 对光学监控时的误差补偿机制进行深入分析，从膜系的监控曲线入手，对 导致整个膜系失效的监控曲线进行详细地分类和比较，提出了多层非规整光学薄膜 的膜系设计原则，以避免由于监控曲线计算误差影响导致的厚度误差。 4 提出一种全新的带限制因子膜系优化算法，该算法通过增加膜系中的限制 因子来获得满足多层非规整光学膜系设计原则的监控曲线。可以利用m i c r o s o f tv b a ( v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n s ) 同时结合f i l m s t a r 膜系设计软件的工作表功能来实现。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 薄膜光学的基本理论与技术 所谓光学薄膜，是指在一块透明的平整玻璃基片或金属光滑表面上，用物理气 相沉积( p v d ) 或化学气相沉积( c v d ) 两种方法涂敷的透明介质薄膜。现代光学 薄膜普遍采用的是p v d ，即将膜层材料在真空条件下通过各种手段沉积在基底上， 这就是所谓的真空镀膜。 光学薄膜的基本作用是满足不同光学系统对反射率和透射率的不同要求。 2 1 光学薄膜的光学特性计算【2 4 】 光学薄膜的光学特性用薄膜的反射比和透射比来描述。反射比和透射比描述入 射光能分配给反射光及透射光的比例。光在分层介质中传播的干涉效应使得光学薄 膜具有一定的光学特性。光学薄膜的计算方法有导纳矩阵法、矢量法、有效界面法、 对称膜系等效层等等。目前，在薄膜的膜系设计和计算中，常用的是导纳矩阵法， 在多层非规整膜系设计中导纳矩阵法更是必不可少。 在讨论导纳矩阵法之前，首先引入光学导纳的概念，它会对计算膜系的反射比、 透射比带来不少方便。这里将光学导纳定义为总磁场强度与总电场强度的切向分量 之比，即 y = e e , ( 2 1 ) 首先讨论单层膜，如图2 1 所示。单层膜的两个界面在数学上可以用一个等效 界面表示，膜层连同基片一起等效成为一个新的基体，新基体的光学导纳是y 。对 入射媒质和新基体的界面应用菲涅尔公式，得出单层膜的反射系数为 日一 上争 忱2 图2 1单层薄膜的等效界面 华中科技大学硕士学位论文 ，= ( 籍) 眨2 ) 其中t 1 为介质的有效导纳，它不仅与光线入射角0 有关，而且依赖于e 和h 相对于 入射平面的方位，即1 1 还与p 偏振波和s 偏振波有关。 单层膜的反射比为 脚，= ( 糟) ( 籍 眨3 ， 因此，只要求出膜层和基片的组合导纳y ，就可以很方便地计算出单层膜的反射比。 光学导纳法的原理是借助于膜层某一侧的电、磁矢量的切向分量来表达另一侧 的电、磁矢量的切向分量的。因为界面两侧的切向分量是连续的，所以这一方法可 以对整个膜系中各个膜层重复进行。下面推导光学导纳y 的表达式。 在界面1 ，应用e 和h 的切向分量在界面两侧连续的边界条件可以写出 e o = e ；+ e ；= e h + e - 、j h o = 日；+ 日i = 日i i + h = r h e 矗一叩1 占五 因为应用边界条件写出的p 偏振和s 偏振的徒工形式是相同的，所以不再注明p 偏 振和s 偏振的情况：同时e 和h 都是指电场或磁场的切向分量大小，所以不再指明 下标t 。在界面2 与界面1 上具有相同坐标( x ，y ) 的点，只要改变波的位相因子， 就可确定它们在同一瞬时的状况，对正向行波乘以ej a r 。位相因子为 4 2 7 rn d lc o s o l ( 2 4 ) 其中n d c o s o t 为有效光学厚度。因此 所以 e q = e 毛e 泊l + e 再2 e “5 l h o = t l i e l * 2 e 慨一刁1 e 一峨 对界面2 ，在基底中只有正向波，利用边界条件有 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 1 4 因此 华中科技大学硕士学位论文 e 2 = e 去+ e 五 h 2 = r i 最一r ! 把式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 代入式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 并写成矩阵形式，得 鼢 其中矩阵 i 1 昌- f 而1 i 一2 1 编g 一点三 l 2 c o s s l r ls i n 6 , ( 2 7 ) ( 2 8 ) 一- c o 叫s s l l i r l l 扣c o ss 。渺1 - 1 2 2 们 s i i l 4少 称为薄膜的特征矩阵，它的重要意义在于把薄膜的两个界面的场联系了起来，而它 本身却包含了薄膜的一切特征参数。由于 h o = y e o 日2 = r 2 易 故式( 2 。9 ) 可写成 令 料 鑫卺胁 汜 州，： 1 5 日 日 上 一l + 一 e e 一2 一2 = = + ! 一眩 e e 、，& 也 一、l矿00&厂 ，一编一矾上上狐 幽狮，l 蛳嘶 一研c 砚 l旷。艮一峨磊 k 仉 ； 磊= 防范 矩阵b 定义为基片和薄膜组合的特征矩阵。显然 引c o 叫s 8 1 于是整个膜系的特征矩阵为 卺c o s s ：心3 , 1 1 砚 8 ，：，i 仃 眦：岔川( c o s m 万吒2 卺k ) 层芸蒜黧警，麒系懒舰蚍多二的特征确每 层膜的矩阵顺次相乘，即 。蛐叼梦蜃暇明特征矩阵为每 能三忠搬) 眨 + - 为基底的光纳，也可表示为矩阵仉。矩阵 刊 妊剖 h 访万，。 称为第j 层膜的特征矩阵。 一 三竺竺竺兰竺竺兰合导纳y = c 召，反射率、透射率和反射相位变化分别为 ：= 三! ! ：兰兰兰：竺兰 眨噼 2 。 酏 嗡哆 曰侨 。叫如瞅赶嘉鸲呲 协 誓卿 有、广耽隆威厂( 跚 惰 层 茁 雏 弑 秘 凇 晰 拥 暖嗵 酊 c 仍丫l 嗡4 b 仍 ； 华中科技大学硕士学位论文 r=(70b-c)(70b-c1ri b c r i o bc j 。 ( 2 1 4 ) 丁2 丽而4 q 丽o r l 5 ( 2 1 5 ( 吼b + c 勋o b + c ) 一。 知留 害善 眨 式( 2 1 3 ) 在薄膜光学中具有特别重要的意义，因为它构成了几乎全部计算的 基础。 2 2 膜系设计理论 我们常见的膜系基本上可分为两大类，一类称为规整膜系，另一类称为非规整 膜系。当一个膜系中的膜层的光学厚度为1 4 设计波长( q w o t ) 的整数倍时，我 们称之为规整膜系。常见的规整膜系有带通滤光片、截止滤光片等，例如第1 2 节 中给出的窄带滤光片膜系即为典型的规整膜系。当膜系中存在有膜层其光学厚度为 1 4 设计波长的非整数倍时，称之为非规整膜系。 规整膜系的设计和寻优较为简单，因为整数的组合有限，故其膜系结构的可能 性为有限种类的选择，这反过来限制了规整膜系的应用范围。在光通讯领域中，实 际上只有带通滤光片、高反滤光片和色散补偿滤光片采用的是规整膜系设计【2 0 】。尽 管截止滤光片有规整膜系原型，但在实际生产中倾向于采用非规整膜系设计【5 2 】。对 称周期膜系设计法【2 5 】是近年来出现的一种针对带通滤光片的有效方法，理论分析表 明，其在通带波纹和隔离度等指标上都有优异地性能。 非规整膜系的设计和寻优要复杂得多。膜系的光学特性( 如t 或r ) 是由膜系 的结构参数决定的，而膜系的结构参数应该包括各层膜的折射率、厚度及膜系的层 数。优化过程通常分为两步，在第一步中，采用合成法( s y n t h e s i s ) 2 6 】优化任意初 始膜系的层数，直到基本满足给定指标。适合于合成法的膜系优化方法有n e e d l e 法【2 7 】、n e e d l e t u n n e l i n g 法【2 8 】、基于整体退火遗传算法的膜系设计方法【2 9 1 、基因算 法【3 0 】等等。在合成好后，再采用通用的数字优化方法【3 1 1 ，如黄金分割法、正切法、 1 7 华中科技大学硕士学位论文 共轭梯度法、b f g s 法、阻尼最小二乘法等，来进一步寻优每一层的膜层厚度，以 达到局部极值，这一步称为改进( r e f i n e m e n t ) e 3 2 1 。膜系设计结果通过优化函数m f 值【3 3 】的大小来衡量，越接近于零，效果越好。 尽管优化方法多种多样，然而无论是合成法还是改进法，都有一个共同的缺陷， 即不能按镀膜机的性能要求定制膜系，也就是说，这是一种盲目的优化。例如，最 终优化结果从光谱响应曲线上看似乎非常理想，但当我们考虑到如何按照该膜系把 膜片制备出来这个更现实的问题时，却遇到了巨大的挑战。 为了克服这一缺点，一种办法是采用带限制因子的膜系优化方法。通用的数字 优化方法允许使用限制因子p 4 】，这使得带限制因子的膜系优化方法的实现成为可 能。现在的膜系设计软件大都具有膜系结构参数限制功能，但应用条件和范围都比 较窄，本文论述的带限制因子优化方法能弥补这一不足。但应注意这是一种妥协的 办法，必须在优化指标与总膜层厚度或膜层数之间进行妥协。 2 3 光学薄膜的制备 2 3 1 真空基础1 3 5 i 真空技术是薄膜镀制的重要基础。用物理方法制备就是将欲镀的薄膜材料经过 加热或给予足够的动量，使它分解为原子、分子，并使它们在基底上凝结形成薄膜。 这个镀膜过程如果在大气中进行，那么大气中的各种气体分子就会产生以下一些不 良影响：( 1 ) 空气中的活性分子与薄膜、蒸发用的加热器发生反应，形成化合物； ( 2 ) 空气分子进入薄膜而形成杂质；( 3 ) 气体分子妨碍蒸发物质的原子、分子直 线前进，从而不少蒸汽分子不能到达基底；( 4 ) 蒸发物质在真空中达到饱和蒸气压 所需的温度低于空气中要求的温度。因此，排除气体分子，使镀膜过程在真空条件 下进行是十分必要的。如何获得真空是- - i q 重要技术。 一个真空系统往往结合了数项组件，它必须包含泵浦，阀门，管路等项以便可 以形成低压的环境。将气体分子由腔体内转移致腔体外的方式，通常都是利用位移 式的泵浦。常见的泵浦如旋转式和活塞式的机械泵浦，这种泵浦所抽到真空的极限 1 8 华中科技大学硕士学位论文 在1 0 。至1 0 七p a 之间，当真空度要求比这个更高时，不同种类的泵浦必须相互配合 才可达到要求，有几种泵浦可以搭配上面的机械泵浦而使得系统可以达到更高的真 空程度，扩散泵便是第一个常见的高真空泵浦。扩散泵浦如同机械泵浦是一种位移 式泵浦，但是它工作范围无法从大气压力一直持续至高真空范围。第二个常见的高 真空泵浦是涡轮分子泵浦，它可以在低真空的条件下运作。这两种泵浦其气体排放 口的压力必须在o 5 至5 0 p a 之间，也就是说该气体排放必须进入机械式泵浦的进气 口，所以习惯上当机械式泵浦与高真空泵浦的组合时，我们称机械式泵浦为b a c k i n g p u m p 或是f o r ep u m p 。假如扩散泵或涡轮式分子泵的抽气量够大，在这两种泵之间 会加上一种l o b eb l o w e r ，以加快抽气速度，尤其当压力降到不高不低的范围内时， 这样的组合会增加抽气的效率。 除了位移式泵浦外，另一种气体捕捉式的泵浦也可以达到同样的效果。捕捉式 泵浦捕捉气体的原理不外乎是将气体给予冻结便其无法移动，或是与气体分子反应 形成固体，要不然便是将气体由高压的加速作用，最后埋入金属内部。捕捉式泵浦 通常都用在高真空的环境，因为高真空的环境下，其分子数远比低真空下来得少， 对于捕捉式的泵浦其寿命可以增长许多，否则当捕捉式泵浦内部的捕捉量到达饱和 时，该功能将会消失。 2 3 2 镀膜方法 早期的薄膜制备采用电阻加热法，其机械性能较差，经不起擦拭，所以严重地 限制了它们的使用，更无法满足光通信薄膜器件的要求。目前光通信中的介质薄膜 基本上是采用电子束蒸发氧化物材料【2 0 1 。电子柬蒸发的原理是，当金属在高温状态 时，其内部的一部分电子因获得足够的能量而逸出表面，产生电子发射。如果施加 一定的电场，则电子在电场中将向阳极方向运动。高速运动的电子流在一定的电磁 场作用下，使它会聚成细柬并轰击膜料，使动能变成热能，从而将膜料蒸发。 仅用电子束蒸镀方式的致命缺点是膜层容易形成柱状膜结构。为了改善薄膜的 微结构，则可采用离子辅助蒸发法( i a d ) 【35 1 ，即在电子束蒸发膜料的同时，用一个 离子源来产生离子束，如灯+ 、+ 、0 2 + 等。在薄膜形成过程中，离子把自身所携 带的能量、动量、电荷等传递给膜料和基底，在其提供能量、溅射、成核、扩散、 1 9 华中科技大学硕士学位论文 离子注入及加热等综合效应下，膜层的附着力、填充密度、表面粗糙度和结晶状态 等物理性质得到明显的改善。用i a d 的薄膜不但光学性质稳定，而且耐高温、抗低 温、耐磨、耐潮及耐腐蚀等物理性能也大有改善。另外由于离子具有很强的激活作 用，它们可激活薄膜分子和反应气体，因而也减小了薄膜的吸收损耗，因此其抗激 光破坏的阈值也大有提高。考夫曼离子源、霍尔离子源以及德国l e y b o l d 公司的a p s 为其中的典型代表。 离子束溅射( i b s ) 3 5 1 方式则是采用了进一步加大离子束能量的方法，使其能 直接将膜料溅射到基底上。其关键是要有一个能产生等离子体的离子源，在强大的 离子流的轰击下，膜料被溅射在基板上而形成薄膜。其成膜原理基本和离子辅助蒸 发相同，可获得较高的膜层充填率和极致密的微观结构，而折射率又接近块状材料， 因此薄膜具有高的光学稳定性。需要指出的是，加大离子轰击的能量和密度，一方 面固然可提高膜层的附着力，另一方面也增大了表面的粗糙度，从而引起散射损耗 的增加，而且镀膜速度比i a d 慢，膜层内部应力较大。 2 4 本章小结 本章对薄膜光学的基本理论与技术进行了简要的阐述。导纳矩阵法是膜系设计 的基础，真空镀膜机是薄膜制备的基础，二者在理论上自成体系，而在实践中则是 相辅相成，缺一不可。 好的膜系是制各高质量薄膜滤光片的前提条件，精密的真空镀膜机能膜系设计 更加容易，也使高质量薄膜滤光片更容易制备。然而无论镀膜机多么精密，偏离理 想条件是必然的。如今膜系设计都是假设真空镀膜机工作在理想条件下，而这往往 导致膜系实际生产中的失效。如何将理论设计与实际情况相结合，以获得能真正应 用于生产当中的膜系，是如今膜系设计中被忽视的地方。 华中科技大学硕士学位论文 3 l e y b o l da p s11 0 4 镀膜机的特性分析 l e y b o l d a p s1 1 0 4d w d m 镀膜机与普通镀膜机一样，也是由离子源、蒸发源、 真空系统和膜厚监控系统几大部分组成。但它之所以能用来制备d w d m 膜片，与 它在各部分中应用的先进技术和独特构造密不可分。要想利用1 1 0 4 沉积高质量非 规整膜系，必须对1 1 0 4 的特性进行深入分析，掌握其工作原理，尤其是光学监控