DWDM干涉滤光片设计资料下载.pdf

1、*+!文献标识码：,）引言随着密集型波分复用（-.-/）技术的发展，对密集型波分复用系统的薄膜干涉滤光片提出了越来越高的要求。这种滤光片不仅要求通带窄、矩形度高、通带波纹小、损耗低，而且要求温度稳定性极好，甚至对群延迟的平坦性也提出了要求。在波分复用技术中，用超窄带的薄膜干涉滤光片来实现分波和合波），这些称之为密集型波分复用的干涉滤光片，无论在设计、制备还是测试等方面都具有极高的难度。目前，这种密集型波分复用滤光片的设计还是基于传统的法布里 珀罗型干涉滤光片，所不同的只是要求其通带窄、矩形度高$、通带波纹小、损耗低、特性稳定（。此外，随着传输速率的提高，对群速度延迟的波纹也提出了要求#。对用于

2、传输速率为）!0 1!2和（!2的滤光片，群速度延迟应分别小于）!3 2和 4#3 2。为了达到这些要求，膜系常采用多腔干涉滤光片，其层数多达）#!层左右，甚至接近!层。这就要求膜层损耗低、应力小、稳定性高，并对折射率温度系数和热膨胀系数等方面的性能提出了要求，为此，对薄膜和基板材料增加了非常苛刻的限制。本文讨论对称周期设计和主体参数寻优两种方法，这两种方法对于密集型波分复用滤光片的设计是比较行之有效的。密集型波分复用干涉滤光片的设计要求表）给出了（!0 5 6、!0 5 6、）!0 5 6和#!0 5 6四种最重要的滤光片的特性要求。这些要求已能满足解复用合波器的使用要求。高等学校重点实验室

3、访问学者基金资助课题。7%8 9:;：:?=A B 8 9:C D A 8收稿日期：）%!E%!$；收到修改稿日期：）%）!（*9 1;）C*3 F?A F 8 9 G D A?-.-/:G B F?F G D?B F 2D 9 G G ;2 3 9 D:G G B FH 9 I ;G J*K;2 B2 J*K;2 B2 J*=;2 B3 9 2 2 1 9 G L1 9 G L H:L B!C#L M!G 8）C N!C E!C（!C 2 B A 3 1 9 G L1 9 G L H:#L M!G 8#（C E#C（#）C#!C NO!C#L M#$#$#$#$3 9 2 2 1 9 G L

4、;A 2 2!L M#!C N#!C#!C#3 9 2 2 1 9 G L F:3 3;#!C$#!C$B F 8 9;H 9 I ;G B L F:B!（G 8!P）#!C!）#!#在设计时，主要考虑以下因素：）设计中心波长时要考虑滤光片的使用角度。）矩形度的设计比较复杂，实际制备的结果与理论设计结果相比较，通常!C#L M会减小，!#L M会增加，所以矩形度的实际结果总是大于设计结果，具体数值视膜厚控制水平和其他工艺水平而定，况且有些应用场合的通带宽度是定义在!4$L M取值的。$）通带波纹和损耗应该考虑到滤光片是胶合的还是以空气为入射媒质。第 卷第期!年月光学学报,Q*,R S*J Q,

5、T J+J Q,U A;C ，+A C V=;W，!）温度稳定性必须根据滤光片带宽来决定基板和薄膜材料，以减小它们的应力形变所引起的波长漂移。总之，设计必须考虑到使用要求，并在设计时留有充分余地，以确保制备得到的滤光片能满足表所列的各项技术指标。#基板和薄膜材料在通常情况下，滤光片中心波长的漂移主要是由薄膜的聚集密度决定的，而且吸附水汽的折射率温度系数对波长热漂移也起着重要的作用$。如果薄膜的聚集密度达到，则潮气吸附引起的波长漂移可忽略不计，而温度引起的薄膜材料的线膨胀和折射率温度变化所致的波长漂移便占据主导地位。据此，%&（&）（*!建立了一个温度诱导滤光片中心波长漂移的数学物理模型。他指出

6、，滤光片膜系一旦确定，滤光片中心波长的热漂移可以通过选择适当的基板来加以调节。因为对一个薄膜 基板系统，当存在温度引起的形变时，膜层几何厚度和折射率都产生了变化，因此通过调节基板的线膨胀系数，有可能使膜层的光学厚度在温度变化时保持不变，或者小于+,!-。作者认为，因为可供选择的基板非常有限，所以更好的办法是先选定基板，然后根据基板的热膨胀系数来设计膜系，因为不同的膜系结构要求的基板线膨胀系数有所不同。表.列出了几种基板材料的参数。%&/0 1.2%（1+3 4+1 3 5*1）4 6 7 4,4 8）9/）5 3&5 1:0&）7 4 1 6 6*7*1 8 5 4 6 0*8 1&31;+&

7、8）*4 8!（-=）3 1 6 3&7 5*?1*8 1;5 A A 8,!5 A A#（C 7（4 5 5）D#2 A AE（C 7（4 5 5）D F 2$（C 7（4 5 5）2.A!GH C I .（J（&3&）2$A F=K =$!-GH C I#（J（&）2 A D=2 K 2!D 就薄膜材料而言，目前主要采用%*J.I C*J.和%&.JAI C*J.薄膜。这两种材料组合在离子束辅助沉积（M N O）下都可生成无定形薄膜，%*J.、%&.JA、C*J.薄 膜 的 折 射 率 分 别 为.P.、.P A，F，由于%*J.膜折射率高，与%&.JA相比，可用较少的层数获得特定的带宽，

8、但从吸收来说，%*J.会比%&.JA薄膜稍高些。虽然%*J.膜的归一化折射率温度系数（!稍高，但实际上三种材料均为 K =A-=左右。它们的应力虽然取决于制备工艺，但一般情况下都呈现压应力，显然，积累应力对滤光片是一个很大的问题，其中%*J.、%&.JA单层膜的应力值约为 Q!,.，而单层C*J.膜的应力比高折射率材料约高一个数量级，所以C*J.膜是密集型波分复用滤光片应力的主要来源。在设计中必须考虑这些因素，采取适当措施，以降低不利因素的影响，如间隔层选用高折射率材料等。设计方法单腔和双腔薄膜干涉滤光片是不可能满足表的技术指标的。为了改善矩形度，腔的数目通常要求#以上，但是随着腔的数目增加，

9、通带内的插入损耗和波纹也随之增大，这是一对矛盾。解决这个矛盾的方法很多，而下面介绍的两种方法我们认为是比较有效的。为了便于分析，先写出滤光片的典型设计：R!（S L）#（.S）$（L S）#L%!N或R!（S L）#（.S）$（L S）#L（.S）$.（L S）#.L!N，（）R!（S L）#S（.L）$S（L S）#L%!（S L）#S（.L）$S（L S）#S（.L）$.S（L S）#.L!N，（.）然后来讨论对称周期膜设计方法和滤光片主体参数寻优方法。）对称周期膜法若把（）式和（.）式最靠近空气入射媒质N的低折射率膜L去掉，上述膜系便成为对称周期结构，因此可以方便地算出不同#、$和%下的

10、等效折射率&。作为例子，设（）式和（.）式中的%T#，!ST.2 A，!T A A 8,，则计算得到中心波长上两种设计的&值列于表#。/0 1#2U V 9*?0 1 8 5*8 1;4 6）W,1 5 3*7&0+1 3*4 ）$I$.I$#&$I$.I$#&$I F I$2 D .I F I.2 A.$I$I$.2!I$I!2 F.I$I.2$A$I!I$.2.F!I!.2.I!I.2 F.$I.I$.2 A$!I.I!.2#!.I.I.2 由表#可见：AD期顾培夫等：密集型波分复用薄膜干涉滤光片的设计（!）当三个腔的间隔层处于同一级次时，!值均为!#$；而且，在相同的下，!值（!#）与反

11、射镜的周期数#无关，即#值增加，不影响极值，但使中心波长两则!曲线变陡。（）当第二个腔具有较高的级次时，!值相对较低，它与基板比较匹配，但在空气入射侧需要加一个匹配膜。于是，可以根据基板的折射率方便地选取模系。例如，当基板为%&（#!时，取表）中!*+,-#，+,$!，+,.$，+,/0，+,.!等对应的膜系，均可在基板侧得到良好的匹配，而在空气侧需要增加适当的匹配膜，由于1层的折射率+2/$太高，故常用双层增透膜。对于3!（4 1）.!4（1 4）+/1!4（1 4）.!5膜系，可以分为三组对称膜系，即3!（4 1）.4!4（1 4）+$!5，膜系 4（1 4）+$!的等效折射率随波长的变化

12、曲线示于图+，而膜系（4 1）.4的等效折射率随波长的变化曲线示于图!6 7 8,+9:7?A 7 B?CD E F G H H?A I 7 J=K?I 7 D B4（1 4）+$!6 7 8,!9:I 7 D B4（1 4）.从这两个图中可以看出它们的等效折射率随波长的变化相差很大，这就是通带内产生波纹的原因。这种失配的现象随着腔的数目增大急剧增加，但是，从上面的讨论可知道，在三腔的情况下，当中间的腔级次高于边缘两个腔时，滤光片具有较好的匹配。因此，若用图）所示的!随波长变化比较接近的对称周期来构成多腔滤光片，可望通带内损耗和波纹都比较小。例如：3!（4 1）.4匹配膜4（1 4）+$低级次

13、膜0 4（1 4）+$2 4!高级次膜4（1 4）+$低级次膜4（1 4）.匹配膜!5，（）此膜系由于空气侧匹配不够好，所以还需一个双层增透膜。设计结果示于图2。6 7 8,）L D H K=I 7 F D M?A N?A N D F G H H?I 7 D B F6 7 8,2 O P?J=J;=A?B A I=F H 7 A A=J?J;I?D E B?F 7 8（）!）主体参数寻优法上面方法对减小损耗和波纹是有效的，但它不能对带宽提供约束，因而需要依赖经验。而主体参数寻优法可对各种设计参数进行自动调节。如果我们把（+）式或（!）式中反射镜（4 1）#或（4 1）#4表示成Q#，间隔层（!

14、4）+或（!1）+表示成+，依次类推，则（+）式、（!）式可表示成：Q#+Q+!Q!5（双腔）3!）Q）!5（三腔）3!）Q）2Q2!5（四腔）通过不断增加$Q$单元，即不断增加腔的数目，则可自动优化获得最佳评价函数的多腔结构。步骤简述如下：）根据带宽要求给定初始结构Q#；（）增加+Q+优化#、#+和+，优化减反射膜；（#）若不满足设计指标，继续增加!，优化#、#+、#!、+、!，及减反射膜；（$）直至全部设计指标满足为止。滤光片的设计目标为%#,0B R，%!0B R#，、/-$光学学报!卷!为表!所列数据，根据带宽要求确定；矩形度!，波纹系数!定义为通带内最大分贝与最小分贝之差，其值尽可能

15、小。用此方法同样可设计得到性能优良的滤光片。结论要设计一个性能优良的密集型波分复用薄膜滤光片并非易事，特别是考虑到制备工艺和成品率等因素时难度就更大。滤光片的带宽取决于#!$、间隔层的级次#、反射镜的反射率（高低折射率之比和周期数$）以及反射镜的相位色散。滤光片的矩形度取决于腔的数目%，或者说正比于腔的数目，而与薄膜材料的高低折射率之比无多大关系。腔的数目增加，滤光片的半宽度（即%&处的带宽）是不变的，但%（）*&处的带宽会增加，而%+*&处的带宽会明显缩小。一般说来，带宽越窄的滤光片，其矩形度会越好。插入损耗和波纹主要取决于滤光片和周围媒质的匹配，用对称周期膜方法可较好地获得匹配膜系。设计滤

16、光片的目的，就是要寻找满足滤光片带宽、矩形度、损耗和波纹等要求的解，通常这种解是非常多的，这就为我们选择热稳定性好、角度效应小、又易于制备的解提供了便利。参考文献!,-.-/0 1-2 3 0,，4/5 6 0#，7-8 8 9 6:（）#0/3;6 1-.2 9-.&3 0/3?8 A-B?9（）.1=5?C 0&A 3-A3-?=1-D 0 1 5 10.A 9 6=9 6 9.2 9 B 9 8J K，$9 L L 0M:，N 9 8 9 6O M）P 0?A 9 6 2 6 9-A 9A 3 9 6 1-?9，-0 Q 9 1 5?A 0 C-:，P 5 R 0 0,）#0/3 6 1

17、-.2 9B-.&6MS JA 6-.1 0 0 .）*$）+$），!E T F，!（+）：E!E FFO-L-3-3 0#）O 9 1 =A 3 0.;=0?1.-6 6 C;B-.&-=0?A 9 6&5 2 9&B 8 0 .;-0 A 9&9 0 A 0 .）*$）+$），!E E*，!#（F）：G G H G H*U 3-./V，M-./:，I 2 3 C .&9 1-.W&（）N 6 5 1-A 0 2&0 .=.-6 6 CB-.&A 9 6 5 9&0.SMS J 8 A 9 1 ）+$0（）4&5&6/（7 8-，9&0:7 0（）;7 8&-，+（!，:5?8，MS G：）

18、9.=，X-.-&-G-0 I 9./8 5-.，N 5Y 9 0=5，$0 5Z 5&（）4 =A 3 0.=0?1=0?A 9 6 ）*0 （?9 6K，N A 9?1-.）J-A?V&（）O 9 1 9 6-A 5 6 9;A-B?9B-.&9 0 A 9&C 0 A 3.;E E G，!%（+T）：*G（E *G!+TN 5Y 9 0=5，$0#-0=9./，U 3-./,5 9/5-./&（）9=6-2 A 0 Q 90.&9 D 9 =D 0&0 9&A 3 0.=0?1&B 80 .B 9-1&,（/!（/!/5A/3&+$7 0（）4 -!1%&（7/，B:C 7（8D 7 E

19、&-7?，F（8 G:/1!（+H）（9 2 9 0 Q 9&K 5/5 A+（!；6 9 Q 0 9&F4 2 A B 9 6+（!）9:（6 7;8 6：O 3 9 B-0 2 6 1-.2 9 =A 3 0.;10.A 9 6=9 6 9.2 9=0?0.J 5 D!S 9 1 5 D 8 A 9 1 0 6 9 9.A 9&）.6 9 .9A A 3 96 9 5 0 6 9 1 9.A0 A0 0 1 6 A-.AA 3-A2 -A 0./1-A 9 6 0-?-.&A 9 6 5 B A 6-A 9 1 5 AB 9 9?9 2 A 9&2-6 9=5?8，-.&A 3 9=0?9 0/.1 5 A3-Q 99 D 2 9?9.A 6 1-.2 9-.&6 9 .A?9 6-.2 9）O C&9 0/.1 9 A 3&5 0 A-B?9=6SMSJ=0?A 9 6 -6 9&0 2 5 9&）,7?（：9.9C-Q 9?9./A 3&0 Q 0 0 .1 5?A 0 -A 0./&9 0/.HEHH期顾培夫等：密集型波分复用薄膜干涉滤光片的设计