窄带滤光片的分析与设计

本溪市机电工程学校 杜 梅

窄带滤光片的分析与设计

本溪市机电工程学校 杜 梅

本文从薄膜光学的研究理论出发，分析了窄带滤光片的特性，同时设计了新的方法，根据法布里-珀罗干涉的基本原理，设计出了一款可用于光通信密集波分复用系统的窄带滤光片，并且在离子束溅射镀膜机进行了制备试验，根据实际的测量结果，证实了膜系设计、制备过程是可行的，制备出来的滤光片符合实际指标的要求。

窄带滤光片；离子束溅射；法布里-珀罗窄带滤光片是用于密集波分复用光纤通信系统，是其关键器件之一，它通常是全介质滤光片，也就是间隔层与反射层都是由镀制介质薄膜形成，其特点是镀制难度高，成品率低，成本高等。所以首先由电磁场传播的麦克斯韦方程出发，理论分析了薄膜的光学特性系统。然后考虑了间隔层厚度、反射层的反射率对滤光片光谱特性的影响。结合给定的技术指标，按照法布里-珀罗多层介质薄膜滤波器的原理，设计出一种可用于光通信密集波分复用系统的窄带滤光片，并利用离子束溅射镀膜机在玻璃基片上完成滤光片的镀制，并且所镀制出的滤光片符合设计指标的要求。

一、窄带滤光片的研究现状

为了适应我国光通信业高速发展的实际需求，通过对窄带干涉滤光片的优化结构、设计、分析和修正技术进行深入研究，在滤光片的主膜系镀制工艺技术方面有所突破；实现了改造进口设备性能，完成了镀膜材料的部分国产化；了解了高致密性、低损耗膜层的制备技术，还有高精度实时监控技术；生成提高了镀制后的减薄、抛光和划片工艺；建立完善了检测系统。同时还形成了一套较为完整的光通信，用于窄带干涉滤光片产业化生产技术。并实现了100GHz和200GHz产品批量化生产，经检测产品质量稳定， 通过国内外用户试用，窄带干涉滤光片产品的总体性能及生产技术均已达到国际先进水平。

二、窄带滤光片在WDM 系统中的应用

作为波分复用系统的核心器件，复用/解复用器是将不同波长的光信号汇集到一根光纤输出的器件，称为复用器，而将一根光纤中的多路波长信号分离到各输出口的器件，称为解复用器。介质薄膜窄带干涉滤光片主要应用就是复用/解复用器。而插入损耗、隔离度、温度稳定性、工作波长范围、偏振相关损耗、各通路插入损耗的最大差异等是其主要性能指标。

目前，在 DWDM 光纤通信系统中应用的窄带滤光片，一般多采用全介质窄带滤光片，这种滤光片的镀膜层数很多，通常有一两百层，所以对于镀膜时的监控精度要求极高，尤其是对于镀制间隔层的精度就要求更高，要达到要求的光谱特性，其误差必须低于0.01%，甚至更低，因此选用控制精度极高的镀膜设备是必要的。

三、窄带滤光片的理论依据

1.光波中的电磁波理论

从理论上讲，窄带滤光片的光学特性研究，就是电磁波通过多层介质薄膜间传播的研究。因此，麦克斯韦方程组是处理光学薄膜系统问题的最基本的方法。

2.在介质界面上光波的反射与折射

有若干介质界面存在于光学膜系中，各介质界面上的反射和折射规律关系到膜系的光学性质与光波。须考虑光波从复折射率的介质入射到该介质时，与另一介质的复折射率界面的反射和折射过程。

3. 光学薄膜的特征矩阵

对于无吸收的介质光学薄膜，其特征矩阵的显著特点从三方面考虑：行列式值为1，即单位模矩阵；对角元素或者是实数，或者是纯虚数；最重要的是主对角线上的元素相等。在有效的光学厚度为四分之一波长的整数倍时，特征矩阵变得非常简单。

四、窄带滤光片的设计

1. 法布里-珀罗滤光片

法布里-珀罗滤光片分有单腔与多腔之分，在法布里-珀罗干涉仪的基础上改进了单腔法布里-珀罗窄带滤光片。从单腔滤光片的分析可以看出，三角形的带通不能满足DWDM系统中对通带陡降特性和相邻信道隔离度的指标要求。多腔滤光片是将多个单腔滤光片串置起来，中间用耦合层连接得到的，和单腔滤光片相比，多腔窄带滤光片的通带形状更接近于矩形，透射带不再是一个尖峰，这样可以使稍稍偏离中心波长的光也能透过滤光片而不引起大的损耗；同时加快了透射率在透射带边缘下降的速度。

2.设计方法

通过对多腔窄带滤光片结构研究可以得出，在镀膜材料确定后，串接的单腔窄带滤光片的个数 p，各单腔反射层HL的对数n，各单腔的干涉级次m，间隔层的特征t，共同决定了多腔窄带滤光片的基本光谱特性。也可以说是，通过利用最优化原理，把p,n,m,t作为自变量，由计算机自动寻优来找到适合通信系统要求，同时还求到满足工艺条件的解。

这样，窄带滤光片由多个单腔串接而成，其中每个单腔窄带滤光片的特征参数都是正整数。可以将寻优问题归结为整数规划问题，其函数就是组成多腔窄带滤光片所串接单腔的个数p，各单腔窄带滤光片的膜结构参数、看作是可寻优的整形变量以及评价函数。

窄带滤光片若是WMS-15 玻璃上的两种镀膜材料的和，一般用多个单腔串接，配以适当的参数就能满足光谱要求。间隔层多数选择低折射率材料，其原因有三个：①在满足工艺要求的前提下，同样一个四分之一光学厚度的材料，镀制蒸发速率低；②价格较高材料比；③若材料镀得太厚，镀膜层易龟裂。

综上所述，制备的滤光片虽然满足技术指标要求，但中心波长与理论设计曲线相比仍然有少量漂移，实现中心波长的零漂移以及提高峰值透过率将是日后研究和改进的方向。

[1]林永昌,点维强.光学薄膜原理[M].北京:国防工业出版社,1990: 352-353.

[2]王少伟,王利,吴永刚.闪电探测用超窄带通滤光片的研制[J].光学仪器,2004,26(2):118-122.

[3]顾培夫,陈卫斌,刘旭.薄膜截止滤光片的消偏振设计[J].光学学报,2005,25(2):274-277.

[4]谭天亚,黄建兵,占美琼等.LBO晶体上1064nm,532nm二倍频增透膜的设计及误差分析[J].中国激光,2006,33(2):242-247.