窄帶濾光片的分析與設計

本溪市機電工程學校 杜 梅

窄帶濾光片的分析與設計

本溪市機電工程學校 杜 梅

本文從薄膜光學的研究理論出發，分析了窄帶濾光片的特性，同時設計了新的方法，根據法布里-珀羅干涉的基本原理，設計出了一款可用于光通信密集波分復用系統的窄帶濾光片，并且在離子束濺射鍍膜機進行了制備試驗，根據實際的測量結果，證實了膜系設計、制備過程是可行的，制備出來的濾光片符合實際指標的要求。

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用光纖通信系統，是其關鍵器件之一，它通常是全介質濾光片，也就是間隔層與反射層都是由鍍制介質薄膜形成，其特點是鍍制難度高，成品率低，成本高等。所以首先由電磁場傳播的麥克斯韋方程出發，理論分析了薄膜的光學特性系統。然后考慮了間隔層厚度、反射層的反射率對濾光片光譜特性的影響。結合給定的技術指標，按照法布里-珀羅多層介質薄膜濾波器的原理，設計出一種可用于光通信密集波分復用系統的窄帶濾光片，并利用離子束濺射鍍膜機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計指標的要求。

一、窄帶濾光片的研究現狀

為了適應我國光通信業高速發展的實際需求，通過對窄帶干涉濾光片的優化結構、設計、分析和修正技術進行深入研究，在濾光片的主膜系鍍制工藝技術方面有所突破；實現了改造進口設備性能，完成了鍍膜材料的部分國產化；了解了高致密性、低損耗膜層的制備技術，還有高精度實時監控技術；生成提高了鍍制后的減薄、拋光和劃片工藝；建立完善了檢測系統。同時還形成了一套較為完整的光通信，用于窄帶干涉濾光片產業化生產技術。并實現了100GHz和200GHz產品批量化生產，經檢測產品質量穩定， 通過國內外用戶試用，窄帶干涉濾光片產品的總體性能及生產技術均已達到國際先進水平。

二、窄帶濾光片在WDM 系統中的應用

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

目前，在 DWDM 光纖通信系統中應用的窄帶濾光片，一般多采用全介質窄帶濾光片，這種濾光片的鍍膜層數很多，通常有一兩百層，所以對于鍍膜時的監控精度要求極高，尤其是對于鍍制間隔層的精度就要求更高，要達到要求的光譜特性，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備是必要的。

三、窄帶濾光片的理論依據

1.光波中的電磁波理論

從理論上講，窄帶濾光片的光學特性研究，就是電磁波通過多層介質薄膜間傳播的研究。因此，麥克斯韋方程組是處理光學薄膜系統問題的最基本的方法。

2.在介質界面上光波的反射與折射

有若干介質界面存在于光學膜系中，各介質界面上的反射和折射規律關系到膜系的光學性質與光波。須考慮光波從復折射率的介質入射到該介質時，與另一介質的復折射率界面的反射和折射過程。

3. 光學薄膜的特征矩陣

對于無吸收的介質光學薄膜，其特征矩陣的顯著特點從三方面考慮：行列式值為1，即單位模矩陣；對角元素或者是實數，或者是純虛數；最重要的是主對角線上的元素相等。在有效的光學厚度為四分之一波長的整數倍時，特征矩陣變得非常簡單。

四、窄帶濾光片的設計

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-珀羅干涉儀的基礎上改進了單腔法布里-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系統中對通帶陡降特性和相鄰信道隔離度的指標要求。多腔濾光片是將多個單腔濾光片串置起來，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，透射帶不再是一個尖峰，這樣可以使稍稍偏離中心波長的光也能透過濾光片而不引起大的損耗；同時加快了透射率在透射帶邊緣下降的速度。

2.設計方法

通過對多腔窄帶濾光片結構研究可以得出，在鍍膜材料確定后，串接的單腔窄帶濾光片的個數 p，各單腔反射層HL的對數n，各單腔的干涉級次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。也可以說是，通過利用最優化原理，把p,n,m,t作為自變量，由計算機自動尋優來找到適合通信系統要求，同時還求到滿足工藝條件的解。

這樣，窄帶濾光片由多個單腔串接而成，其中每個單腔窄帶濾光片的特征參數都是正整數。可以將尋優問題歸結為整數規劃問題，其函數就是組成多腔窄帶濾光片所串接單腔的個數p，各單腔窄帶濾光片的膜結構參數、看作是可尋優的整形變量以及評價函數。

窄帶濾光片若是WMS-15 玻璃上的兩種鍍膜材料的和，一般用多個單腔串接，配以適當的參數就能滿足光譜要求。間隔層多數選擇低折射率材料，其原因有三個：①在滿足工藝要求的前提下，同樣一個四分之一光學厚度的材料，鍍制蒸發速率低；②價格較高材料比；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指標要求，但中心波長與理論設計曲線相比仍然有少量漂移，實現中心波長的零漂移以及提高峰值透過率將是日后研究和改進的方向。

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