（物理电子学专业论文）光纤通信用几种薄膜的光学特性及工艺研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 光学薄膜技术在d w d m 光传输系统的迅速发展中起到了重要的推动作用。本 文对在d w d m 光传输系统中用做复用和解复用器的全介质窄带干涉滤波片以及涂 覆于光放大器腔面和b k 7 玻璃表面的增透膜的膜系设计和镀制进行了理论上和 实验上的研究o ， f 本文首先从规整膜系和非规整膜系的区别入手，对规整膜系和非规整膜系 的设计及寻优的理论分别进行了分析，并提出了结合实际镀膜过程的逐步寻优 的膜系设计思路。 由于实验中采用了南光的镀膜机，其光学监控系统的显示方式以数字形式 显示，不利于操作人员及时地了解和控制整个镀膜过程，所以本文详细论述了 如何改善实验设备，将数据进行采集和处理，使得监控数据以曲线的方式实时 显示以减少实验过程中出现的误差。 本文对监控方法进行了研究，提出了一种新的监控方法：“监控波长偏移+ 过正控制”方法。这种监控方法能够同时克服在薄膜的镀制中直接的极值监控 所引起随机误差和过正控制监控所带来的系统误差。 本文对全介质窄带干涉滤波片的膜系设计进行了分析研究，选择出适用于 d w d m 系统的窄带滤光片，并对其镀制的监控提出了具体的要求。另外，还进行 了基础工艺和控制参数的实验研究，完成了单双腔窄带滤光片的镀制实验。 本文对实验结果进行了详细的分析，对由基片放置位置不同而引起的窄带 滤光片的光学特性曲线的中心波长及带宽的改变进行了定量的分析。 最后，本文还研究了涂覆于光放大器腔面和b k 7 玻璃表面的增透膜的膜系 设计，并根据设计结果完成了实际的镀制实验。乒一) 一 关键词：窄带干涉滤光片，增透膜，密集波分复用，光学监控法 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p t i c a l t h i nf i l m t e c h n o l o g yg i v e s a n i m p o r t a n ti m p e t u s t o t h e r a p i d d e v e l o p m e n to ft h ed w d mo p t i c a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m t h e f i l m d e s i g n a n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho na l l d i e l e c t r i cn a r r o wb a n di n t e r f e r e n c ef i l t e r su s e di n m u x d e m u xa n dt h ea n t i r e f l e c t i n gc o a t i n g sa tt h eo t h e re n do ft h en a r r o wb a n d f i l t e ra n dt h ec l e a v a g es u r f a c eo fas e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r a r et h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d t o s t a r t w i t ht h ed i f f e r e n c eb e t w e e n r e g u l a ra n di r r e g u l a rf i l m s y s t e m ，t h ed e s i g n a n dt h eo p t i m i z a t i o nt h e o r yo ft h e ma r es e p a r a t e l ya n a l y z e d a n daf i l md e s i g ni d e a s u c c e s s i v eo p t i m i z a t i o n ，i sb r o u g h t u p f r o mt h e p r a c t i c a lc o a t i n gp r o c e s s s o m ee x p e r i m e n t sw e r ec o m p l e t e du s i n gt h en a n g u a n g c o a t i n gm a c h i n e w h i c ht h eo p t i c a lm o n i t o r i n gs y s t e mi sd i s p l a y e di nd i g i t a l t h i si sn o tab e s tw a yf o r o p e r a t i o nc r e w st ou n d e r s t a n da n dc o n t r o lt h ew h o l ec o a t i n gp r o c e s s i nt h et h e s i s ，t h e m e t h o dt o i m p r o v et h ee x p e r i m e n t a lf a c i l i t i e s i sd i s c u s s e di nd e t a i l t h em e t h o d e m p l o y e d i st od i s p l a yr e a l - t i m ec o n t r o lc u r v eo nt h em o n i t o ra f t e rd a t ac o l l e c t i o na n d p r o c e s s i n g s u c h t h ee r r o r c a nb er e d u c e dw h i c hi sc r e a t e di nt h ee x p e r i m e n t p r o c e s s o nt h e s t u d y o f o p t i c a lm o n i t o r i n g ，an e wo p t i c a lm o n i t o r i n gm e t h o d m o n i t o r i n gw a v e l e n g t hs i f tp l u so v e r s h o o tc o n t r o l l i n g ，i sp r e s e n t e d r a n d o me r r o r c r e a t e di nt h em o n i t o r i n gt u r n i n g p o i n t sa n ds y s t e me r r o ri n t r o d u c e di nt h eo v e r s h o o t c o n t r o l l i n gm o n i t o r i n gc a nb er e m o v e di nt h en e wm e t h o dd u r i n gt h ef i l mc o a t i n g p r o c e s s t h ef i l md e s i g no ft h ea l l d i e l e c t r i cn a r r o wb a n di n t e r f e r e n c ef i l t e ri ss t u d i e di n t h i st h e s i s t h en a r r o wb a n df i l t e r sa r es e l e c t e ds u i t a b l ef o rt h ed w d m s y s t e ma n d t h er e q u i m e n t so f t h e c o a t i n ga r ep r e s e n t e ds p e c i f i c a l l y i na d d i t i o n a l ，t h eo p t i c a lf i l m d e p o s i t i o n a n dt h e t e c h n o l o g i c a l a n d c o n t r o l l i n gp a r a m e t e r s a r e e x p e r i m e n t a l l y i i ， 华中科技大学硕士学位论文 i i s t u d i e d a n dt h es i n g l e - c a v i t ya n dt h et w o - c a v i t yn a r r o wb a n df i l t e r sa l eo b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，e s p e c i a l l y t h ee v e n n e s so ft h ef i l m c o a t i n gd u et o d i f f e r e n ts u b s t r a t ep o s i t i o n sa l e s p e c i f i c a l l ya n a l y z e di nt h i st h e s i s f i n a l l y , b a s e do nt h er e s u l t so f f i l md e s i g n ，t h ea n t i r e f l e c t i n gc o m i n g sf o r c a v i t y s u r f a c e o f o p t i c a la m p l i f i e ra n d s u r f a c eo fb k 7 o p t i c a lg l a s sa l ea c q u i r e d k e yw o r d s ：n a r r o wb a n di n t e r f e r e n c ef i l t e r , a n t i - r e f l e c t i n gc o a t i n g ，d w d m ， o p t i c a lm o n i t o r i n gm e t h o d i i i 华中科技大学硕士学位论文 第一章综述 1 i 光纤通信系统的发展近况 一、发展密集波分复用技术的意义 密集波分复用( d w d m ) 技术的发展与成熟是推动全光通信网络发展的最重 要因素。正是由于几十个甚至上百个波长可以在根光纤里同时传输，基于波 长的光交换才成为可能，传统的电交换体制才第次有可能丢掉统治地位。也 正是由于波分复用技术，不同体制的信号如语音，数据，视频才有可能在一起 传输“1 。 利用波分复用( w d m ) 技术是扩大光纤通信容量、充分挖掘光纤带宽资源的 有效手段，在许多光纤技术领域中都获得广泛应用，而且各种w d m 系统应用的 复用度都很高。迄今，w d m 器件的研究水平明显低于系统应用要求。w d m 系统 发展速度迅猛异常，它呼唤高质量的和高密集度的d w d m 器件能不断涌现，以便 满足日益增长的w d m 系统需求。1 。 二、d w d m 发展趋势 当前d w d m 关键技术都已成熟，g b s 级系统得到广泛应用，t b s 级系统的 商用也正在计划中“。目前d w d m 技术体现出如下发展趋势。“”。 1 容量不断扩大。 当前商用时分复用( t d m ) 系统的速率已达1 0 g b s ，可以携带1 2 万条话路， t d m4 0 g b s 系统己进入现场实用。但是t d m 速率的提高受电子器件速率极限的 限制，因此，波分复用成为网络升级、增加容量的必由之路。目前，实用化d w d m 系统的最大波道数已达8 0 个，实验室试验系统的最大波道数达1 0 2 2 个，系统 最大容量为6 4 t b s 。采用光时分复用( o t d m ) 与波分复用相接合，还可以实现 更高速率传输。1 。 2 提高通道速率。 最先实用的d w d m 系统多基于2 5 g b s 的通道速率，现在基于1 0 g b s 的多 波长系统正在实用，基于4 0 g b s 速率的系统已进入实验阶段，技术日渐成熟。 此外应用o t d m 技术可将单通道速率提高至电时分复用( e t d m ) 方式无法达到的 商度，目前的实验系统已经使通道速率达到了1 6 0 g b l s 。 3 增加复用波长数量。 华中科技大学硕士学位论文 8 、1 6 、3 2 个波长的d w d m 系统已经大范围使用， i 0 0 个波长的系统也走向 商用。而实验室里的成绩尤为突出，已完成了1 0 2 2 个波长的复用试验。应用波 长范围受限时，要增加复用波长数量，必须缩窄通道间隔。目前的d w d m 实验中， 通道间隔已达到2 5 g h z 。 4 扩宽应用波长范围 除了充分利用目前使用的”c 波段”( 1 5 3 0 1 5 7 0 h m ) 的传输能力外，d w d m 系统应用的波长范围正在向”l 波段”( 1 5 7 0 1 6 1 0 n m ) 发展，甚至有人将l 波段 的长波长一侧延伸到1 7 0 0 h m 。此外，对s 波段”( 1 4 9 0 1 5 3 0 h m ) 的应用也在计 划之中。当1 3 8 5 n m 波长的0 h 一吸收峰被削减之后，s 波段与1 3 1 0 n m 窗口便连 接起来。对于比较短距离的传输，应用波长范围将扩宽至l l o o n m 1 7 0 0 h m 。 d w d6 f i 技术已经开始向城域网发展，日趋价廉的d w d m 产品及其软件对本地网 的建设和改造颇具有吸引力。各大设备厂商自1 9 9 9 年开始研制用于城域网的 d w d m 系统，并声称已开发出城域d w d d 产品：网络经营商也看好d w d m 设备，b e l l a t l a n t i c 和b e l l s o u t h 这些老牌电信运营商都在考察这项技术并进行试验。据 l u c e n t 公司预测北美城域d w d m 市场将从1 9 9 8 年的2 亿美元发展到2 0 0 3 年的 l o 亿美元，大约占d w d m 市场的2 3 。世界范围内城域网和局域网所应用的d w d m 设备市场年增长率约为6 0 ，到2 0 0 5 年将会达到3 4 2 亿美元，而长途传输用 d w d m 设备将为3 0 4 亿美元“1 。 1 2 薄膜在光通信中的应用及前景 一、用于w d m 的滤波器。 全光网络技术的实现有赖于光开关，光滤波器，新一代掺铒光纤放大器 ( e d f a ) ，密集波分复用技术等器件和系统技术的进展。 滤波器在d w i ) m 系统中的主要应用第一就是构成各种复用和解复用器，把不 同波长的光合在一起或将复用在一起的光区分开来。新一代全光网络的关键器 件o a d m 光上下话路器也可以由滤波器构成。正是这些应用使滤波器在全光网络 和d w d m 系统中不可或缺。滤波器的第二个主要应用是实现e d f a 的增益平坦， 比如长周期的光纤光栅可以制成宽带滤波器，可以事先按照需要补偿的增益谱 来定制增益平坦滤波器“，。 正是由于光纤放大器具有一个较宽的增益谱才使密集波分复用得以实现， 2 华中科技大学硕士学位论文 同样为了更好地利用这段增益谱，人们一直在追求更窄的频率间隔和更多的复 用频道。2 年以前的典型系统是c 波段间隔2 0 0 g h z 的1 6 个通道，而今年的典型 系统是以5 0 g h z 为间隔的4 0 个通道”1 。 实现d w d m 复用解复用滤波器的技术包括很多种。这些技术主要有薄膜干涉 型滤波器，平面波导型( a w g ) ，光纤光栅型，光纤熔融级联m z 干涉仪型以及衍 射光栅型等。 介质薄膜干涉滤波器是使用最广泛的一种滤波器，主要应用在4 0 0 g h z 到 i o o g h z 频率间隔的低通道波分复用系统中。这种技术十分成熟，可以提供良好 的温度稳定性和通道隔离度和很宽的带宽。介质薄膜干涉滤波器的国外供货商 包括s c h o t t ，n s g ”3 等，国内尚无供货单位。近期国内有不少准备开发此产品的 厂商。 介质薄膜干涉滤波器主要工作原理就是将高低折射率不同的材料以预先设 旦生，基窆簧1 1 塞署兰酱盘竺l 一。， i ，e 黝c 鬻暑卜_ 似 l “驴 唧口毫一 善a 暑誓誊p 叫宣捌c 鬻暑卜崩 7 暑c 翔c 冀量| - 删 善奢c 翻c 譬昌一m 置c 蕊c 冀暑 眷e 翻c 燕罱卜_ 一 图1 1 窄带滤光片在8 路d * d 光纤通信系统中的应用 8 x 2 0 0 c j h z- t ur 昔讨 一一一广一f 鼍_ 一 ：一一6 n r 广n f t i j 4 5i ，4 71 5 - 4 91 ，多il ，5 3l ，i ，5 7l j ，1 5 , 6 图1 28 波干涉膜滤光型d w d m 器件的波长响应特性 计的厚度淀积在玻璃基片 上，以达到所要求的波长响 应特性。多层膜的作用使光 产生干涉选频，镀膜的层数 越多选择性越好，一般都要 镀1 0 0 层以上。镀膜后的玻 璃经过切割，研磨，再与光 纤准直器封装在一起。这种 技术现在实现频率间隔 l o o g t t z 已比较稳定。当前的 镀膜技术结合了材料科学、 真空物理学、薄膜物理化 学、计算机辅助设计等先进 技术，可以将多层介质膜干 涉滤波器制成超窄带型， 由此可制成密集型波分复 用器( d w d m ) ，其复用信道间隔( 1 n m 。迄今，已实现实用化的0 8 r i m 信道间隔 ( i o o g h z ) 的d w d m 用的就是多层介质膜多腔干涉滤波器。而且，现在研究工作 1it， o 5 旧 言 们 华中科技大学硕士学位论文 者正在开发稳定实用的能实现频率间隔为5 0 g h z 的介质薄膜干涉滤波器产品。 图1 1 为8 路w d b l 光纤通信系统中充当分波复波器的窄带滤光片的工作原理示 意图。从图中可以看出，具有矩形通带形状的全介质窄带滤光片( n b f ) 或通带 分离滤光片与光隔离器相结合，不仅可充当分波器，也可充当复波器，还可完 成双向( 即全双工) 光通信。图1 2 。“7 1 为图l 1 中的窄带滤光片的波长响应特 性。 介质薄膜型波分复用器的主要特点是，设计上可以实现结构稳定的小型化 器件，信号通带平坦，且与极化无关，插入损耗低，通信隔离度好。而且，采 用硬介质膜时材料的温度稳定性优于0 0 0 0 5 n m 。c 。 采用多个不同波长响应的超窄带滤光器进行串联便可制成多信道的d w d m 器件。表1 1 为干涉膜滤光型d w d m 器件特性参数。 表格1 1 介质薄膜干涉滤波器特性参数 4信道8信道 中心波长( r i m ) i t u t g 6 9 2 l5 4 9 3 2 _ 一l5 6 6 0 6 1 信道间隔( g h z ) 4 0 0 2 0 02 0 0 最小信道带宽( n m )o 3 2o 1 6 0 1 6 ( 4 0 g h z ) ( 2 0 g h z )( 2 0 g h z ) 插入损耗( d b ) 4 0 3 0 7 信道隔离度( d b ) 信道内损耗起伏( d b ) 偏振相关损耗( d b ) 回波损耗( d b ) 工作温度( ) 储藏温度( ) 波长稳定度( r i m ) 2 3 o 5 o 2 5 0 m + 6 0 4 伊+ 8 5 0 0 0 3 对于介质薄膜干涉滤波器和光纤光栅型w d m 器件而言，前者更适合4 、8 、 1 6 波复用系统应用，这类4 、8 、1 6 波复用和解复用器件有较高的隔离度和较低 的插入损耗，成本也比较低。但多于1 6 波的波复用和解复用时，其隔离度和插 4 华中科技大学硕士学位论文 入损耗的优势没有了，而且各波的插入损耗极不均衡，不利于系统应用e d f a 。 光纤光栅型w d m 器件在4 、8 波复用和解复用时，隔离度较低，损耗较大，成本 也比较高。但是，在1 6 波或更多波复用和解复用时，其隔离度可以做得更高一 些，各波的插入损耗也比较均衡，有利于与放大器联合使用，而且设计与制造 周期短，易于批量生产，成本低，在市场的激烈竞争中有明显的价格优势。 平面波导滤波器主要是一种阵列波导光栅( a w g ) 。这种器件的优点在于集 成性，频率间隔可以达到i o o g h z ，5 0 g h z 的器件也可以做出来。缺点是温度稳 定性不好，插损较大。平面波导滤波器的国外供应商有k y 姒t a 等。 基于光纤的滤波器主要是长周期或短周期的光纤光栅以及熔融m z 干涉仪型 的结构。这些器件特别是后者可以提供非常窄的频率间隔。插损与一致性也非 常好。长周期光纤光栅还具有宽带滤波的性能，特别适合制作e d f a 增益平坦的 滤波器。光纤光橱器件的困难在于温度稳定性。目前国际市场上提供光纤光栅 器件的厂商比较多，主要的如j d su n i p h a s e 等”。 截至目前，所有这些互相竞争的滤波器制作技术中还没有明显的胜利者。 用户可根据自己应用的实际情况选择合适的产品。 商品化的器件与实验室产品最重要的区别就是可靠性是否符合标准。由于 新一代器件使d w d m 系统的频率间隔迸一步缩小，通道数进一步增加，器件一旦 发生问题对于整个系统带来的影响也变得更加严重。作为d w d m 系统核心器件的 滤波器的可靠性必须过关。目前光器件可靠性测试的两个主要标准是b e l l c o r e g r l 2 0 9 与g r l 2 2 1 。这其中可能最困难的就是温度与湿度储存实验。 实现密集波分复用的核心器件是复用器与解复用器( m u x d e m u x ) ，而5 0 g h z 的密集波分复用的设计中出现了一种全新的器件i n t e r l e a v e r 。 为实现5 0 g h z 间隔的密集波分系 统同时避免器件技术的过分复杂和 太高成本，2 0 0 0 年的o f c 展览上，多 家公司纷纷提出一种群组滤波器， c h r o u m 公司称之为s 1 i c e r ， w a v e s p l i t t e r ，j d su n i p h a s e 等公司 称之为i n t e r l e a v e r 。 这种器件的基本工作原理如图 图i 3i n z e r l e a v e r 的工作示意 华中科技大学硕士学位论文 1 3 通过两个分别频率间隔为目标间隔两倍的普通复用解复用器的组合使用， 一个专门配合偶数的频道数，一个专门配合奇数频道数。再配合一个可以将信 号按奇偶分开的i n t e r l e a v e r ，就可以实现5 0 g h z 的频率间隔。 可以说i n t e r l e a v e r 的出现使许多传统滤波器技术( 如：介质薄膜型的滤 波器) 在密集波分复用的新应用中重新找到了自己的位置，大大减低了器件设 计制作的压力，降低了整个系统的成本”1 。 二、光放大器中的光学薄膜 具有足够增益带宽的光放大器是w d m 系统所必须的。正是由于e d f a 的研制 成功，才推动了w d m 光纤通信系统发展和应用，而各种光学薄膜则是光放大器 不可或缺的关键技术之一啪“2 ”。 1 s o a 的腔面增透膜 光放大器是新一代光通信系统必不可少的关键器件。光放大器主要分成光 纤放大器、半导体光放大器和光纤拉曼放大器三种。1 。其中，半导体光放大器可 工作在1 3 1 0 h m 或1 5 5 0 n m 窗口，而掺铒光纤放大器目前只限于1 5 5 0 n m 窗口，而 且半导体光放大器具有增益高，频带宽，能量消耗小，平坦性较好，电光转换 效率高，成本低，体积小，重量轻，峰值增益波长与光网络中半导体激光器的 波长相匹配容易，和易于其它光器件和电路集成的优势。 s o a 腔面增透是制作s o a 的关键技术之一。对于在三种不同类型的s o a ( 行 波型、f - p 腔型和注入锁定s o a ) 中较有发展前景的行波s o a 来说，由于其增益 为单程，腔长一般很长( 净增益为2 5 d b 的s o a ，腔长为6 0 01 1i l l 左右) ，工作电流 很高( 一般在1 5 0 l a 以上) ，为了抑制激射，必须要求腔面具有很高的透射率“， 例如2 0 d b 左右净增益的s o b ，假设两个端面的反射率相等，端面反射率必须小 于1 _ 7 1 0 4 才能满足行波条件；若单程增益为3 0 d b ，端面反射率必须小于1 7 1 0 一；在w d m 系统中用作功率放大器、前置放大器和线路放大器的s o a ，要求 净增益一般应大于2 0 d b ，考虑到两端光纤的耦合损耗以及用于抑制外腔反射的 隔离器、透镜组件的插入损耗可能要高达9 d b 以上，故s o a 的芯片的总增益不 应小于3 0 d b ，即解理面的反射率要求小到l o 。量级；在w d m 系统中用作构成光 开关矩阵、波长转换器的s o b 也需要一定的净增益，假设其为5 d b ，考虑损耗后， 内增益不应小于1 5 d b ，即端面反射率也不能大于5 4 1 0 ；至于纤对纤净增益 须达到3 3 d b 的s o b ，则要求腔面剩余反射率达到l o 6 量级。所以，s o a 的腔面增 6 华中科技大学硕士学位论文 透膜是目前w d m 光纤通信系统的重点研究方向之一。 2 选择e d f a 泵浦源的长波长透射型分色滤光片 如图1 4 所示是光纤放大器光路结构原理图。光纤放大器的泵浦源有两种， 即9 8 0 h m 和1 4 8 0 n m 。9 8 0 h m 泵浦源可以保持较低的噪声系数；而1 4 8 0 n m 泵浦源 有着更高的泵浦效率，可以获得较大 的输出功率“。因此，w d m 系统中的功 率放大器和前置放大器应分别采用 1 4 8 0 h m 和9 8 0 n m 泵浦源进行泵浦，有 必要在光纤放大器光路中设置长波长 透射型分色滤光片“”，分色波长分别 为9 8 0 1 5 5 0 h m 和1 4 8 0 n m 1 5 5 0 n m 。 3 滤除e d f a 的a s e 的宽带滤光片 * 枞 图1 4e d f a 光路结构原理图 在光纤放大器对信号放大的过程中，跃迁到亚稳态的铒离子也会以自发辐射 的形式产生光子并被放大，这种放大的自 发辐射( a s e ) 会消耗泵浦功率并引入噪声 = ”“。如图1 5 所示是光纤放大器所输出的 专 光信号，必须利用宽带滤光片滤除a s e 部 。 分1 。 4 充当e d f a 增益均衡器的r u g a t e 滤光片 w d m 系统中的线路放大器的主要功能 是对其中的多路光信号进行放大，为了能够 在1 5 5 0 a m 窗口中很宽的频带内提供大致相 等的增益，必须使e d f a 具有平坦的增益谱。詈 一般e d f a 在1 5 3 0 n m 附近有一个增益峰( 如 。 图1 6 所示) ，可插入光学薄膜型无源增益 均衡器，即镀制透射谱与e d f a 的增益谱相 反的r u g a t e 滤光片“”，平滑其增益谱。 5 s o a 波长转换器中的滤波器 w a v e r e n g t t l ( l m ) 图1 5e d f a 的输出 w a v e l e n g t h ( n m ) 图1 6 级联e d f a 的增益谱 波长转换是w d m ( 尤其是d w d m ) 系统的关键技术之一。利用波长转换不仅 可提高w d m 中同一波长的利用效率，减少所需波长的数量，放松其对光源线宽 7 华中科技大学硕士学位论文 和温度稳定性以及用于解复用的光学滤波器的带宽的苛刻要求；还可用于网络 重构，即自动地将某一业务阻塞或暂时失效的信道转移到另一信道上，提高网 络的效率和可靠性并简化了网络管理“。 利用s o a 的非线性效应可实现波长转换，基于s o a 的波长转换器共有三类： 交叉增益波长转换器、交叉相位波长转换器和四波混频波长转换器“”。其中交 叉增益波长转换器因具有转换波长范 围宽、效率高、结构简单和容易实现等 特性而得到了更广泛的应用1 ，图1 7 所示的交叉增益波长转换器基本结构 袖八信号 i n4 婶 黑翳c o n y 自豳黑。 二= = = = 三? = ： 一- _ - - 一瞄溯uu u 连接光波u 5 0 “ j 黢! 疆= = _ = _ = 图1 7 交叉增益波长转换器的基本结构 示意图表明，全介质光学薄膜滤波器是其中必不可少的关键器件。 三、w d m 系统中的其他光学薄膜“” 1 利用光学薄膜提高激光器的输出特性 光纤通信系统的光载波一般是半导体激光器发出的激光，如果在半导体激 光器的解理面端面镀制不同质量的光学薄膜，可以改变激光器所输出激光的光 学特性【1 3 】。 2 增透膜 当在高比特率的光纤通信系统中为了增加中继间距而提高发送功率时，信 号和光纤之间会出现非线性相互作用，特别是在w d m 这样使用窄谱线宽度的强 度调制系统中，一旦信号光功率超过受激布里渊散射( s b s ) 门限，将有很强的 前向传输信号光转化为后向传输。s b s 极大地限制了光纤中可能传输的光功率， 因此，要提高光纤传输的效率，最简单的方法就是尽量减小器件的插入损耗， 所以，研究涂覆于w d m 光纤通信系统中的各种光学或光电子元器件( 包括光纤 本身和光纤耦合器) 端面的各种增透膜是十分必要的。 3 插分复用器 光通信网络有时需要在传输线路的中途取出特定波长的信号或把信号加载 与那个波长送回系统，信息快速入网和出网( 即上路和下路) 的分派能力决定 了光纤通信系统所传输的巨大信息量能实时利用的有效性，也是对主干网传输 潜力充分利用的决定因素，以光学薄膜元件充当光插分复用器，即在光路中插 入镀有分光膜的光学元件是最快速、廉价和方便的方法。 4 高反膜 华中科技大学硕士学位论文 随着w d m 和d w d m 光纤通信系统的不断发展，波分复用的波长数越来越多， 信道间距也越来越小，各光路间信号的串扰问题己不容忽视，在有些器件的端 面上涂覆高反膜可有效地防止各光路间信号的串扰。 1 3 本论文研究的内容及意义 本文主要对在w d m 光纤通信系统中用做分波复波器的多腔f - p 型窄带滤光 片、普通b k 7 玻璃表面的增透膜等膜系的设计方法、监控手段、以及实际镀制 措施等问题进行了深入的理论研究和实验研究。所做的主要工作有： 1 根据光通信系统的具体要求对窄带滤光片、全透膜进行了膜系设计、光学特 性分析和计算，找到了可实施的具体膜系结构；提出了逐步寻优的膜系设计 思想。 2 实时将光学监控信号采集到微机里，通过编程处理，以曲线的方式实时显示 监控信号的变化趋势，并同时将采集到的监控信号与理论的监控曲线相比 较，有利于操作者准确的了解和控制整个镀膜过程。 3 提出了一种新的监控方法即“监控波长偏移+ 过正控制”方法，通过编程， 来实现减少光学监控中可能产生的随机误差和过正控制带来的系统误差。 4 对实验的具体方法及实验结果进行了深入的分析，就实验中出现的一些现象 提出了原因和改善方案；同时就镀制膜层的均匀性问题进行了详细的分析和 计算，得出膜层均匀性与被镀基片放置位置之间的定量关系，并提出了如何 利用这种结论来镀制光通信用窄带滤光片。 9 华中科技大学硕士学位论文 第二章膜系设计原理分析 2 1 膜系设计背景及综述 光学薄膜在不同的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，这些无疑都促使了薄膜设计理论的发展。 膜系设计最早使用的是试凑法、图解法，以后又逐步发展了各种解析设计方法 “”。6 0 年代，杨和西利把光学多层膜看成电路网络，在膜系设计理论中引入网 络设计理论，到了8 0 年代中期，出现了计算速度很快的导纳矩阵法，多层膜的 计算问题由此变得相当简单。至此，薄膜光学中光学特性计算问题得以解决“。 同时，关于各种膜系优化设计方法纷纷涌现，薄膜光学中的膜系设计问题也有 望得以解决。 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的也是必然的。关于光学薄膜的优化设计问 题，最早是由p b a u m e i s t e r 在1 9 5 8 年作为一个优化问题提出的。当设计问题 成为优化问题时，就能利用现代计算数学这一有力工具。然而，由于膜系设计 的优化函数是一个极其复杂的多峰函数，它在优化函数中会存在大量的局部极 小值。因此在许多情况中，优化问题中的数值解决是十分困难的。事实上。几 乎所有的优化方法都会遇到收敛于局部极值这情形，因此寻找全局极小值或 是最优解或是次优解是一急待解决的问题。国内外许多研究者都在这方面进行 了有益的探索，如n e e d l e 法、t u n n e l i n g 法、n e e d l e t u n n e l i n g 法伽“m 3 、 基于整体退火遗传算法的膜系设计方法嘲1 、膜系自动设计中的隧行方法o ”等等， 将多种优化方法应用于实际膜系设计。 2 2 膜系设计理论分析 我们常见的膜系基本上可分为两大类，一类称为规整膜系，另一类则为非 规整膜系。这种分法是从膜系的结构入手的。当一个膜系中的膜层的光学厚度 为i 4 设计波长的整数倍时，我们称之为规整膜系。常见的规整膜系有窄带滤 光片，宽带滤光片，截止滤光片等。例如单腔的全介质法布里一珀珞干涉滤光片 的膜系结构为：g f ( h l ) 3 ( 2 h ) ( h l ) 5 i a 或g f ( h l ) 8 h ( 2 l ) 。h ( l h ) 5 】a 。 l o 华中科技大学硕士学位论文 其中，h 和l 分别表示光学厚度为1 4 中心波长的高折射率膜层和低折射率膜层， s 表示( h l ) 膜系结构重复的周期数，w 表示间隔层( 2 l ) 或( 2 h ) 结构重复的 周期数，g 、a 分别为基底和出射介质空气。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。全透膜是最为常见的非规整膜 系，另外还有一些具有特殊设计要求的膜系( 如：增益平坦膜系可用非规整膜 系实现) 等。例如，两层全透膜膜系结构可以为：g lx h y l i a 。其中，系数x 、y 中至少有一个是不等于整数的小数。这两种膜系结构的区别在于膜系中是否存 在有光学厚度为1 4 设计波长的非整数倍的膜层，所以，从某种意义上而言， 规整膜系是非规整膜系在当各层膜均为1 4 中心波长的整数倍时的一种特例。 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 可能性为有限种的选择。而非规整膜系的设计和优化就相应的复杂些，这是因 为小数的组合无限，故其膜系结构也就有无限种的选择性，所以一般就要如上 节所述采用相应的优化方法。 一、规整膜系的设计 由于生产中镀制工艺的限制，传统的膜系设计方法大多采用规整膜系设 计。 规整膜系设计可以采用较非规整膜系设计简单的设计方法。比如窄带干涉 滤光片的设计主要是多层1 4 设计波长之间的匹配和膜层与外界的入射介质及 基底之间的匹配，可以在满足基本条件的单腔结构的基础上，将多个相同或不 同的单腔结构相匹配，并考虑膜系和入射介质及基底之间的匹配以提高其光学 特性，以满足设计的要求。 在设计规整膜系时，很可能有多种满足设计要求的膜系结构，要根据一定 的设计要求来构造准确合适的评价函数“”，这里的评价函数起到一个筛选的作 用，从中得到一个最满意的膜系结构。 二、非规整膜系设计 由于非规整膜系的复杂性，所以，常见的非规整膜系的设计一般要求助于 一些优化方法以得到最终需要的膜系结构。 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。一般的优化技术，如最小二乘 法、变尺度法、单纯型法、统计试验法等，它们可以优化膜层的折射率或厚度， 华中科技大学硕士学位论文 但不能优化膜系的层数。因此它只能达到局部极值，无法达到最优值。”。最近 几年提出了一些更好的膜系设计方法，如针法自动设计方法成功地解决了同时 优化膜层折射率、厚度和层数的问题。 膜系优化设计的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。我们知道，一个多层膜系光学性能的结构参数有：各层 膜的几何厚度d 。，d ：，d 。：入射介质，各层膜和基底的折射率n 。，n 。n ：， m ，n k + l ；多层膜系中包含的总的膜层数n ；光波入射角0 。和波长 。等。膜系的 光学性能，如反射率r ，则取决于这些膜层结构参数。通常，n 0 ，1 1 。是给 定的，0 。和波长九。亦是由光学系统事先给定的，因此膜系的反射率可通过调整 n ，也( i = l ，2 ，k ) 来达到预先要求的理想值。 令x 。= n ，d ，( i = l ，2 ，k ) ( 2 - 1 ) 于是r = r ( x l ，x 2 ，以) ( 2 - 2 ) 记r = ( x l ，x 2 ，x ) 7 ( 2 3 ) 则x 就表示膜系的一种设计方案。光学多层膜的设计，就是根据在工作波 段内所要求的理想分光特性n r ( a ) ，j = l ，2 ，l ( l 为考虑的波长点数，通 常取值8 0 ) ，按照预先给定的精度e ，设计出结构参数 x 。= ( x p ，工? ，# ) 7 ( 2 - 4 ) 使之满足陋( z d ，旯，) 一“r ( 五j ) l s ， ( 2 5 ) 九s 旯，s 以( 2 - 6 ) 式中， 。、九。分别为起始波长和终止波长。我们称x 。为最优设计方案。 对于给定的理想分光特性“r ，) 和初始结构参数x = o 。，x ：，黾) 7 ，根据膜系 设计理论和数学上的最优化设计方法，采用一定的设计手段让计算机自动修改 结构参数，第一次求得z 。= ( 一，x 2 ，以。) 7 ，再计算月( j ，五，) ，看它是否已达 到所要求的分光特性，若不满足，再重复上述步骤，直到满足要求为止。适当 的评价函数，可以表示期望的响应特性和特定多层膜结构的响应特性之间的拟 华中科技大学硕士学位论文 合程度。评价函数必须是多层膜系的结构参数的连续函数，下面介绍几种形式。 f = l ，l p 一“f l ，l 2 7 ) 式中，l 为考虑的波长点数，。为权重因子，p 。为在波长九。处膜系的计算 性质，而p 。则是所要求的性质。取k = l 且u ，= 1 时，f 便是计算曲线与要求曲 线之间所包围的面积，简称面积型。取k = 2 时，就是平方型，此时f 用最小平 方偏差准则来评价膜系的质量，其表达式为 f 协掣 r 浯s ， 式中，。为容限。当构成评价函数的各种性质p 。均在其各自预定的容限内 时，评价数值为1 ，k 为整数，可以取k = 1 ，2 ，4 ，16 。对于不同的问题规定 不同的k 值是十分有用的。高的k 值使得各种特性有同等的修正程度，低的k 值允许很少几种特性出现修正不良。显然，还可以将评价函数写成如下形式 f ：土争陋二：墨! 二斗( 2 - 9 ) 上智l，j 当某个性质进入容限。时，对评价函数的贡献为零，于是将只对没有进入 容限那一部分进行新的校正。这一形式的另一特点是可以使不同量纲的各种性 质化为同一数量级，共同参加评价。在利用优化设计方法设计光学薄膜时，确 定哪些指标参与评价，以何种方式构成评价函数，是导致设计成败的关键步骤 之一，尤其是在某些特殊膜系的设计中更显重要“”。 由于需要设计的膜系日趋复杂，其初始结构很难提出，因此今后膜系优化 设计方法的发展主流是可以从任意膜层开始设计，膜层厚度、折射率和总的膜 层数共同参与优化。为了得到最好的设计，必将采用多种方法混合使用的技术， 例如先采用一种方法来优化总的膜层数，再采用另一种方法优化每一层的膜层 厚度。 由于规整膜系是非规整膜系的特殊情况，所以两者在膜系设计中是不能完 全分离的，比如在窄带滤光片的设计中，为了消除多腔窄带滤光片光学特性曲 线的通带内的纹波，可以在设计好的多腔窄带滤光片规整膜系结构和空气接触 华中科技大学硕士学位论文 的一面上增加几层非规整膜。”。“。 膜系设计是薄膜技术发展的基础环节之一，随着科学技术的发展，特别是 一些先进的膜厚控制方法的出现，例如石英晶振膜厚控制方法、椭偏在线膜厚 控制技术等，使得镀制任意膜厚的膜层成为可能，这也为膜系优化设计的发展 创造了必要条件( 优化设计得出的膜层厚度是非常不规整的) 。传统的膜系设计， 针对不同的光学薄膜需要不同的方法，而优化设计不仅简单易行，而且可应用 于各种膜系设计。现在无论国内还是国外都提出这样一个思想，理想的膜系设 计软件应该是：毫无经验的新手也能用它设计出令人满意的光学膜系，这一软 件在设计完用户所要求的膜系后，能够自动控制镀膜机完成整个镀膜工艺过程， 最后将实际镀制成的薄膜的各项光学特性进行测试并打印输出测试结果。 2 3 逐步寻优方法的提出和设计 真正的镀膜过程是理论设计和实际镀制的结合，所以在膜系的理论设计中 一定要考虑到实际镀制中可能产生的各种影响，并把主要的影响因素加入到膜 系的设计当中，以得到更加适于实际镀制和生产的膜系结构。 在实际的镀膜实验中，每层的镀制都有可能与一开始的理论设计有一定的 误差。这是因为实际的镀膜过程，包含许多重要的因素，初始的理论设计只是 其中的因素之一。这些因素主要是与镀制工艺和操作人员相关的，包括镀制膜 料的选择、镀制时的真空度、烘烤的温度、选用的蒸镀方式、蒸镀的速率，等 等。所以，在膜系设计的时候要多考虑理论设计与实际实验的具体结合问题。 为此，我们提出了逐步寻优的思想。目的在于