窄帶濾光片的分析與設(shè)計(jì)

本溪市機(jī)電工程學(xué)校 杜 梅

窄帶濾光片的分析與設(shè)計(jì)

本溪市機(jī)電工程學(xué)校 杜 梅

本文從薄膜光學(xué)的研究理論出發(fā)，分析了窄帶濾光片的特性，同時(shí)設(shè)計(jì)了新的方法，根據(jù)法布里-珀羅干涉的基本原理，設(shè)計(jì)出了一款可用于光通信密集波分復(fù)用系統(tǒng)的窄帶濾光片，并且在離子束濺射鍍膜機(jī)進(jìn)行了制備試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際的測(cè)量結(jié)果，證實(shí)了膜系設(shè)計(jì)、制備過(guò)程是可行的，制備出來(lái)的濾光片符合實(shí)際指標(biāo)的要求。

窄帶濾光片；離子束濺射；法布里-珀羅窄帶濾光片是用于密集波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)，是其關(guān)鍵器件之一，它通常是全介質(zhì)濾光片，也就是間隔層與反射層都是由鍍制介質(zhì)薄膜形成，其特點(diǎn)是鍍制難度高，成品率低，成本高等。所以首先由電磁場(chǎng)傳播的麥克斯韋方程出發(fā)，理論分析了薄膜的光學(xué)特性系統(tǒng)。然后考慮了間隔層厚度、反射層的反射率對(duì)濾光片光譜特性的影響。結(jié)合給定的技術(shù)指標(biāo)，按照法布里-珀羅多層介質(zhì)薄膜濾波器的原理，設(shè)計(jì)出一種可用于光通信密集波分復(fù)用系統(tǒng)的窄帶濾光片，并利用離子束濺射鍍膜機(jī)在玻璃基片上完成濾光片的鍍制，并且所鍍制出的濾光片符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

一、窄帶濾光片的研究現(xiàn)狀

為了適應(yīng)我國(guó)光通信業(yè)高速發(fā)展的實(shí)際需求，通過(guò)對(duì)窄帶干涉濾光片的優(yōu)化結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、分析和修正技術(shù)進(jìn)行深入研究，在濾光片的主膜系鍍制工藝技術(shù)方面有所突破；實(shí)現(xiàn)了改造進(jìn)口設(shè)備性能，完成了鍍膜材料的部分國(guó)產(chǎn)化；了解了高致密性、低損耗膜層的制備技術(shù)，還有高精度實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)；生成提高了鍍制后的減薄、拋光和劃片工藝；建立完善了檢測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)還形成了一套較為完整的光通信，用于窄帶干涉濾光片產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)。并實(shí)現(xiàn)了100GHz和200GHz產(chǎn)品批量化生產(chǎn)，經(jīng)檢測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定， 通過(guò)國(guó)內(nèi)外用戶試用，窄帶干涉濾光片產(chǎn)品的總體性能及生產(chǎn)技術(shù)均已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

二、窄帶濾光片在WDM 系統(tǒng)中的應(yīng)用

作為波分復(fù)用系統(tǒng)的核心器件，復(fù)用/解復(fù)用器是將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)匯集到一根光纖輸出的器件，稱為復(fù)用器，而將一根光纖中的多路波長(zhǎng)信號(hào)分離到各輸出口的器件，稱為解復(fù)用器。介質(zhì)薄膜窄帶干涉濾光片主要應(yīng)用就是復(fù)用/解復(fù)用器。而插入損耗、隔離度、溫度穩(wěn)定性、工作波長(zhǎng)范圍、偏振相關(guān)損耗、各通路插入損耗的最大差異等是其主要性能指標(biāo)。

目前，在 DWDM 光纖通信系統(tǒng)中應(yīng)用的窄帶濾光片，一般多采用全介質(zhì)窄帶濾光片，這種濾光片的鍍膜層數(shù)很多，通常有一兩百層，所以對(duì)于鍍膜時(shí)的監(jiān)控精度要求極高，尤其是對(duì)于鍍制間隔層的精度就要求更高，要達(dá)到要求的光譜特性，其誤差必須低于0.01%，甚至更低，因此選用控制精度極高的鍍膜設(shè)備是必要的。

三、窄帶濾光片的理論依據(jù)

1.光波中的電磁波理論

從理論上講，窄帶濾光片的光學(xué)特性研究，就是電磁波通過(guò)多層介質(zhì)薄膜間傳播的研究。因此，麥克斯韋方程組是處理光學(xué)薄膜系統(tǒng)問(wèn)題的最基本的方法。

2.在介質(zhì)界面上光波的反射與折射

有若干介質(zhì)界面存在于光學(xué)膜系中，各介質(zhì)界面上的反射和折射規(guī)律關(guān)系到膜系的光學(xué)性質(zhì)與光波。須考慮光波從復(fù)折射率的介質(zhì)入射到該介質(zhì)時(shí)，與另一介質(zhì)的復(fù)折射率界面的反射和折射過(guò)程。

3. 光學(xué)薄膜的特征矩陣

對(duì)于無(wú)吸收的介質(zhì)光學(xué)薄膜，其特征矩陣的顯著特點(diǎn)從三方面考慮：行列式值為1，即單位模矩陣；對(duì)角元素或者是實(shí)數(shù)，或者是純虛數(shù)；最重要的是主對(duì)角線上的元素相等。在有效的光學(xué)厚度為四分之一波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，特征矩陣變得非常簡(jiǎn)單。

四、窄帶濾光片的設(shè)計(jì)

1. 法布里-珀羅濾光片

法布里-珀羅濾光片分有單腔與多腔之分，在法布里-珀羅干涉儀的基礎(chǔ)上改進(jìn)了單腔法布里-珀羅窄帶濾光片。從單腔濾光片的分析可以看出，三角形的帶通不能滿足DWDM系統(tǒng)中對(duì)通帶陡降特性和相鄰信道隔離度的指標(biāo)要求。多腔濾光片是將多個(gè)單腔濾光片串置起來(lái)，中間用耦合層連接得到的，和單腔濾光片相比，多腔窄帶濾光片的通帶形狀更接近于矩形，透射帶不再是一個(gè)尖峰，這樣可以使稍稍偏離中心波長(zhǎng)的光也能透過(guò)濾光片而不引起大的損耗；同時(shí)加快了透射率在透射帶邊緣下降的速度。

2.設(shè)計(jì)方法

通過(guò)對(duì)多腔窄帶濾光片結(jié)構(gòu)研究可以得出，在鍍膜材料確定后，串接的單腔窄帶濾光片的個(gè)數(shù) p，各單腔反射層HL的對(duì)數(shù)n，各單腔的干涉級(jí)次m，間隔層的特征t，共同決定了多腔窄帶濾光片的基本光譜特性。也可以說(shuō)是，通過(guò)利用最優(yōu)化原理，把p,n,m,t作為自變量，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)尋優(yōu)來(lái)找到適合通信系統(tǒng)要求，同時(shí)還求到滿足工藝條件的解。

這樣，窄帶濾光片由多個(gè)單腔串接而成，其中每個(gè)單腔窄帶濾光片的特征參數(shù)都是正整數(shù)。可以將尋優(yōu)問(wèn)題歸結(jié)為整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，其函數(shù)就是組成多腔窄帶濾光片所串接單腔的個(gè)數(shù)p，各單腔窄帶濾光片的膜結(jié)構(gòu)參數(shù)、看作是可尋優(yōu)的整形變量以及評(píng)價(jià)函數(shù)。

窄帶濾光片若是WMS-15 玻璃上的兩種鍍膜材料的和，一般用多個(gè)單腔串接，配以適當(dāng)?shù)膮?shù)就能滿足光譜要求。間隔層多數(shù)選擇低折射率材料，其原因有三個(gè)：①在滿足工藝要求的前提下，同樣一個(gè)四分之一光學(xué)厚度的材料，鍍制蒸發(fā)速率低；②價(jià)格較高材料比；③若材料鍍得太厚，鍍膜層易龜裂。

綜上所述，制備的濾光片雖然滿足技術(shù)指標(biāo)要求，但中心波長(zhǎng)與理論設(shè)計(jì)曲線相比仍然有少量漂移，實(shí)現(xiàn)中心波長(zhǎng)的零漂移以及提高峰值透過(guò)率將是日后研究和改進(jìn)的方向。

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