1 520～1 580 nm红外减反射膜系设计

朱春燕

（西安工业大学北方信息工程学院，陕西 西安 710200）

减反射薄膜是光学薄膜中应用最多的膜系之一，它的发展也得到了更广泛的关注。本文对光纤端面根据光纤通信1 520～1 580 nm设计研究减反射膜的使用有着重要的实用价值[1]。本课题依据矢量作图法与矩阵法（也称为解析法）对镀膜情况进行分析计算，设计出膜系，然后通过计算机软件得出模拟曲线。

1 方案与分析

当激光从空气射入光纤中时，其反射率R=4.2%，这样的光纤端面反射会使光波在光纤传输时带来一定的光能损耗，因此在光纤端面镀光学薄膜是很有必要的。镀单层膜时，根据矢量分析要得到零反射必须满足两个条件：（1）膜层的厚度为波长的1/4。（2）其折射率为基底和入射媒介折射率相乘的平方根。但是在实际情况中我们很难找到满足此种要求的材料。一般情况选用氟化镁（MgF2）作为减反射膜材料。利用矩阵法可得知其反射率R=0.94%，但依然达不到此次设计要求，因此需要设计双层膜系。

目前，可以用作膜料的元素或者化合物有很多，它们适用于不同波段，不同的镀制要求[2]。但就其稳定性、力学性质、光学性质等全方位考虑，适用的材料并不是很多[3]，根据薄膜材料的要求，这里列出几种满足要求的材料：氟化镁（MgF2）、硫化锌（ZnS）、二氧化锆（ZrO2）、二氧化钛（TiO2）和二氧化硅（SiO2）。

2 设计方案

2.1 方案A：ZrO2与SiO2

我们分别用矢量法与矩阵法得出的膜系，然后通过膜系设计软件得出模拟反射率曲线，如图1—2所示，可以看出矩阵法得出的膜系比较精确，曲线较矢量作图法得出的膜系曲线符合设计要求。

2.1.1 矢量法得出的膜系

基底：1.52；二氧化锆：0.394 444 H；二氧化硅：1.266 666 L；空气：1.0。

2.1.2 矩阵法得出的膜系

基底：1.52；二氧化锆：0.389 933 H；二氧化硅：1.262 314 L；空气：1.0。

图1 矢量作图法得出的反射率曲线

图2 矩阵法得出的反射率曲线

2.2 方案B：TiO2与SiO2

其矩阵法得出的膜系，此膜系通过计算机模拟反射率曲线如图3所示。

图3 TiO2-SiO2模拟反射率曲线

基底：1.52；二氧化钛：0.217 840 589 H；二氧化硅：1.336 166 2 L；空气：1.0。

2.3 方案C：MgF2与ZnS

膜系如下，此膜系通过计算机模拟反射率曲线如图4所示。

图4 ZnS-MgF2膜系模拟反射率曲线

基底：1.52；硫化锌：0.207 84 H；氟化镁：1.276 99 L；空气：1.0。

2.4 结果分析

对3种方案进行对比，首先，从上述列出的图表数据可以看出3种方案均可以满足要求。膜系反射率和透射率曲线方案C相匹配的膜系为最佳。方案A相匹配的膜系次之，方案B相匹配的膜系不如方案A与方案C。但由计算机模拟计算数据得出方案B与方案C的第一层低折射率层光学厚度在100 nm以下，在镀制薄膜时用光学控制方法不容易控制。而方案A的第一层低折射率层光学厚度约为150 nm，600 nm的极值法光控镀制比较容易实现。其次，对于方案C而言，由于膜有很高的张应力所以在室温下镀制时非常容易破裂。因此镀制过程中需要加温。当基底温度达到250～300 ℃以上时，膜层较硬，否则它会形成软膜，擦拭容易掉膜。而另一方面，在蒸发时会分解S，但是在凝结的过程中，又重新化合，所以仍能得到化学成分与初始材料近似一致的膜层。在常规的蒸发速率下，当基底温度提高时就停止凝结。由此可见，在镀制此膜系过程中温度不容易控制。若镀制过程中加温会影响与光纤连接的电子器件的性能，所以镀制过程只能在室温下进行。因此，方案C不适合本课题研制。在方案B中，由于材料在真空中加热蒸发时会分解失氧，形成高吸收的钛的亚氧化物薄膜由此可得，选择方案A。

3 结语

通过本次设计，选择方案A，以及讨论了如何对一个膜系结构参数进行评价。另外在膜系制备过程中，尤其要较为精确地控制膜系的敏感因子，以减少它的偏差对膜系透过率带来的不利影响。在所有结构偏差因子中，折射率偏差对膜系透过率的影响，并且膜系中最外层薄膜的折射率对透过率的影响最大。因而在制备膜系过程中就要注意折射率的变化，严密控制试验装置、工艺参数等来完成。