dwdm薄膜濾光片本科畢設(shè)論文

DWDM薄膜濾光片畢業(yè)論文DWDM薄膜濾光片畢業(yè)論文目錄摘要 XAbstract XI引言 XII第一章緒論 11.1DWDM中薄膜濾光片的歷史背景和研究現(xiàn)狀 11.1.1歷史回顧 11.1.2研究現(xiàn)狀 21.2DWDM中薄膜濾光片研究的意義及前景 4第二章光學(xué)薄膜特性的理論計(jì)算 62.1偏振光和部分偏振光 62.2p偏振和s偏振 72.3單層薄膜的干涉原理 72.4單層薄膜的反射率 82.5多層薄膜的反射率 13第三章F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì) 163.1干涉濾光片 163.2F-P腔以及它為何具有頻率選擇性 173.3密集波分復(fù)用（DWDM）干涉濾光片的設(shè)計(jì)要求 173.4基板和薄膜材料的選擇 193.5DWDM窄帶F-P薄膜濾光片的設(shè)計(jì) 203.6DWDM窄帶F-P薄膜濾光片的尋優(yōu)設(shè)計(jì) 233.6.1對稱周期膜法 233.6.2主體參數(shù)尋優(yōu)法 253.6.3結(jié)論 26第四章總結(jié) 27致謝 29參考文獻(xiàn) 30摘要摘要隨著密集波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，濾光片做為其中很重要的一種光學(xué)器件其技術(shù)也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。本文將會介紹密集波分復(fù)用系統(tǒng)中窄帶F-P薄膜濾光片的設(shè)計(jì)。首先介紹了DWDM系統(tǒng)中窄帶F-P薄膜濾光片的歷史背景和研究現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。作為背景知識，介紹了光的傳輸矩陣，光的偏振狀態(tài)，干涉濾光片，F(xiàn)-P腔的工作原理，DWDM系統(tǒng)對薄膜干涉濾光片的基本要求，為了滿足設(shè)計(jì)要求一方需要精心選擇基板和薄膜材料，另外一方面要尋找性能優(yōu)良的膜系。接下來，先給出了幾種常見的膜系結(jié)構(gòu)，然后通過MATLAB仿真得出其透射曲線。通過其透射曲線分析得出設(shè)計(jì)濾光片的的幾條結(jié)論。最后給出了兩種設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求的濾光片的尋優(yōu)方法：對稱周期膜法和主體參數(shù)尋優(yōu)法。關(guān)鍵詞：密集波分復(fù)用、F-P濾波器、薄膜干涉濾波器、膜系設(shè)計(jì)AbstractAbstractWiththedevelopmentofDWDMtechnology,filterasanimportantelementofDWDMsystemalsogetarapiddevelopment.InthispagethedesignofnarrowbandF-PfilmopticfilterusedinDWDMsystemwillbedescribed.First,thehistory,researchactualityandresearchforegroundofnarrowbandF-PfilminterferencefilterusedinDWDMsystemaredescribed.Secondthematrixofoptictransmit,thepolarizationstate,interferenceopticfilter,theF-Pfilterarepresent.ThebasicperformanceoffilminterferencefiltersusedinDWDMsystemarepresented.Inresponsetotherequirementitisimportantthatcoatingmaterialsandsubstratesmustbeselectedcarefully.Inthispassagewegivedifferentfilm,adoptingthemethodofsimulatedontheMATLAB.Atlast,therearetwobetterdesignmethods:symmetrycyclefilmmethodandprincipalpartexcellentmethod.Keywords:DWDM,F-Pfilter,filminterferencefilter,filmdesign引言引言隨著通信技術(shù)的發(fā)展，高效大容量的通信系統(tǒng)的引入，波分復(fù)用（WDM）做為通信網(wǎng)絡(luò)中的一種很重要的技術(shù)也得到了發(fā)展，通信需求量逐步增大，網(wǎng)絡(luò)的容量也必須有相應(yīng)的提升。從波分復(fù)用發(fā)展到密集波分復(fù)用就是為了滿足這一需求。密集波分復(fù)用技術(shù)解決了通信網(wǎng)大容量的要求，而隨之而來的問題就是復(fù)用和解復(fù)用的技術(shù)，復(fù)用度的提高，復(fù)用和解復(fù)用難度也加大。本文將說明在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中一種很重要的復(fù)用和解復(fù)用器件——窄帶F-P薄膜濾光片。能用于密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的濾光片種類很多，薄膜濾光片因其溫度影響小、信道數(shù)和非規(guī)則波長配置靈活、隔離度好、插入損耗低等優(yōu)點(diǎn)，較之其他類型的濾光元件更有發(fā)展前途。本文將會介紹薄膜濾光片的歷史，能用于DWDM系統(tǒng)的薄膜濾光片應(yīng)滿足的條件，最后給出了幾種典型的結(jié)構(gòu)，通過MATLAB仿真得出起對應(yīng)的透射曲線，最后通過修改方案得到了一種比較理想的膜系結(jié)構(gòu)。為了方便以后設(shè)計(jì)，文中引入了兩種薄膜濾光片的尋優(yōu)設(shè)計(jì)：對稱周期膜法和主體參數(shù)尋優(yōu)法。文中涉及知識：多層光學(xué)薄膜的傳輸矩陣，這是研究膜系透射曲線的基礎(chǔ)；MATLAB：通過MATLAB仿真，得到不同膜系結(jié)構(gòu)的透射曲線。要解決的關(guān)鍵問題是膜系設(shè)計(jì)，通過防真了解到不同的膜系結(jié)構(gòu)其透射曲線不一樣。就是相同層數(shù)的膜系其膜層排列不一樣其透射曲線也不一樣。第一章緒論P(yáng)AGE2第一章緒論P(yáng)AGE26第一章緒論1.1DWDM中薄膜濾光片的歷史背景和研究現(xiàn)狀1.1.1歷史回顧進(jìn)入90年代，光通信技術(shù)的發(fā)展越來越快。SDH（同步數(shù)字傳輸體制）以其世界統(tǒng)一的光接口、完全同步傳輸、強(qiáng)大的網(wǎng)管功能和環(huán)狀自愈能力等優(yōu)點(diǎn)，全面取代了PDH。提高每根光纖所傳SDH信號的速率的方法有時分復(fù)用TDM和波分復(fù)用WDM兩種。目前時分復(fù)用的SDH體制，其線路傳輸速率從STM-16，（2.448Gbps）發(fā)展到STM-64，STM-256的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入測試階段，如郎訊公司的Wavestar40GExpress和阿爾卡特公司采用Q-DST技術(shù)的40G設(shè)備。但最成熟的還是STM-16。波分復(fù)用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）即在一根光纖上采用頻分復(fù)用技術(shù)，承載若干不同頻率點(diǎn)的光信號。當(dāng)光波的間隔不大于100GHz時，稱密集波分復(fù)用DWDM（DenseWavelengthDivisionMultiplexing）。現(xiàn)在，在為遠(yuǎn)程通信設(shè)計(jì)的WDM系統(tǒng)中，每種光信號（通常是指一個信道或一種波長）最多可以達(dá)到2.5Gbps或10Gbps的傳輸速率。當(dāng)前的系統(tǒng)能夠支持32到64個信道，將在不久的將來提供支持96個信道或128信道的系統(tǒng)。這將使得一根光纖就能夠傳送幾百吉比特每秒的信息。以往WDM僅指1310nm的簡單復(fù)用，DWDM指1550nm波長區(qū)段內(nèi)的密集復(fù)用，目前由于傳輸距離的要求和光放大器（EDFA）的使用，由于EDFA增益譜寬的原因，使得1310-1550nm的簡單復(fù)用逐步被淘汰。當(dāng)前，所謂的WDM已不再是以往意義上的簡單復(fù)用，除非特別說明，WDM僅指1550nm波長區(qū)段內(nèi)的密集復(fù)用。當(dāng)一束具有很多個波長的光射入該器件后能濾出所需波長的光的光學(xué)器件稱為濾光片。在WDM系統(tǒng)中，濾光片是用來分波和合波的一種重要的無源器件。濾光片可以分為吸收濾光片和干涉濾光片。通過吸收作用而具濾光功能的濾光片稱為吸收型濾光片。有通過光的干涉效應(yīng)而具有濾光功能的濾光片稱為干涉濾光片。由于吸收濾光片有較大的損耗（大于10dB）,因此常用干涉型濾光片。在光波分復(fù)用通信中，把濾光片設(shè)計(jì)成能夠傳輸某一指定波長信道中的光線并對其他的波長的信道的光進(jìn)行吸收或反射的器件。從而實(shí)現(xiàn)對波長的選擇。干涉濾光片是第二次世界大戰(zhàn)初期出現(xiàn)的一種新的濾光方法。最簡單的形式有F-P（法布爾-珀羅）干涉儀，F(xiàn)-P（法布爾-珀羅）干涉儀是以其發(fā)明者FabryPerotDWDM中窄帶F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)而得名。其結(jié)構(gòu)是在兩反射面之間夾入很薄的電介質(zhì)透明層。當(dāng)復(fù)色光通過時，由于干涉作用，對不同波長的光，有的通過干涉而加強(qiáng)，有的波長的光因干涉而相消，所以多色光在通過干涉后就只有特定波長的光了，從而起到了濾光作用。1.1.2研究現(xiàn)狀表1-1.DWDM系統(tǒng)中濾波技術(shù)比較DWDM濾波優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)干涉薄膜濾光片光纖Bragg光柵平面波導(dǎo)型被動式，溫度影響小信道數(shù)和非規(guī)則波長配置靈活隔離度好，插入損耗低隔離度好，插入損耗低開發(fā)時間短，費(fèi)用低與光纖通信系統(tǒng)兼容性好費(fèi)用不隨波長復(fù)用數(shù)成正增長體積小,適合作集成器件高復(fù)用數(shù),插入損耗小高復(fù)用數(shù)濾波器的研發(fā)周期長費(fèi)用與波長復(fù)用數(shù)成正比溫度系數(shù)大，需溫控費(fèi)用與波長復(fù)用數(shù)成正比需循環(huán)器和M-Z干涉儀不適合寬光譜應(yīng)用濾光片矩形度差信道噪聲大需要溫度穩(wěn)定設(shè)備開發(fā)和生產(chǎn)投資大密集波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)的不斷演進(jìn)帶動節(jié)點(diǎn)器件技術(shù)的飛速發(fā)展，光濾波技術(shù)作為其中的關(guān)鍵之一已不僅僅是原來狹義的復(fù)用解復(fù)用器件的概念，其涵蓋的范疇越來越多，包括光分插復(fù)用（OADM）、光交叉連接（OXC）、增益平坦濾波（PBC）、動態(tài)增益均衡器（DGE）、波長鎖定器（WaveLocker）等。濾波手段層出不窮、多腔介質(zhì)膜濾波器（MDTFF）、陣列波導(dǎo)光柵（AWG）、光纖布拉格光柵（FBG）、熔融拉錐器件（FBD）、奇偶交錯濾波器（Interleaver），此外還有聲光可調(diào)諧濾波器（AOTF）、閃耀光柵、全息光柵、全光纖March-Zehnder干涉儀濾波器和全光纖F-P腔濾波器等。這些濾波技術(shù)隨著人們追求的目標(biāo)而不斷變化，從窄信道間隔、大自由譜域（FSR）、高邊模抑制比大現(xiàn)在的平坦（Fat-top）頻響、動態(tài)可調(diào)諧、低色度色散和偏振模色散。DWDM濾波器件可以有多種實(shí)現(xiàn)方式，其中以薄膜濾光片技術(shù)為基礎(chǔ)的器件憑借其優(yōu)良的特性而成為最具競爭力的選擇之一。薄膜濾光片本身具有非常低的溫度系數(shù)（<0.002nm/℃），能夠保證長期的穩(wěn)定性，而且與偏振特性相關(guān)的各第一章緒論類損耗都很小，其中包括偏振相關(guān)損耗（PDL）、色散（CD）、偏振模色散（PMD）等等。圖1-1.8信道波分復(fù)用器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖圖1-1是一個8信道介質(zhì)薄膜干涉型WDM器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，入射光經(jīng)梯度折射率透鏡（Grainlens）將光束發(fā)散入射到第一個干涉濾光片，只有第一路的信號可以透射，其余的信號被反射。穿透的光信號再由梯度折射率透鏡聚焦到單模光纖，以便將信號取出。而反射光的信號再入射到第二個干涉濾光片，使第二頻道的信號可以穿透，其余的信號在反射。以此方式繼續(xù)下去，便可將每一頻道信號的光分離出來。隨著密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)的發(fā)展，對密集型波分復(fù)用系統(tǒng)的薄膜干涉濾光片提出了越來越高的要求。這種濾光片不僅要求通帶窄、矩形度高、通帶波紋小、損耗低，而且要求溫度穩(wěn)定性極好，甚至對群延遲的平坦性也提出了要求。在波分復(fù)用技術(shù)中，用超窄帶的薄膜干涉濾光片來實(shí)現(xiàn)分波和合波，這些稱之為密集型波分復(fù)用的干涉濾光片，無論在設(shè)計(jì)、制備還是測試等方面都具有極高的難度。采用鍍膜工藝的介質(zhì)薄膜濾波器是性能良好的帶通濾波器，基于薄膜濾光片的器件可以廣泛用于多信道復(fù)用與解復(fù)用器以及光分插復(fù)用器（OADM），同時還被廣泛應(yīng)用于光纖放大器的增益平坦、頻帶分割、C和L通道的分離、泵浦光的合成、波長監(jiān)控和鎖定等等。在新近出現(xiàn)的CWDM和BWDM網(wǎng)絡(luò)中，薄膜濾光片技術(shù)是迄今為止很有實(shí)用價值的選擇之一。2002年Agere公司宣布推出DWDM中窄帶F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)基于薄膜濾波片技術(shù)的50GHzmux/demux產(chǎn)品，OFC2002文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)了信道間隔25GHz的介質(zhì)薄膜濾波器。目前，這種密集型波分復(fù)用濾光片的設(shè)計(jì)還是基于傳統(tǒng)的法布里-珀羅型干涉濾光片，所不同的只是要求其通帶窄、巨型度高、通帶波紋小、損耗低、特性穩(wěn)定。此外，隨著傳輸速率的提高，對群速度延遲的波紋也提出了要求。對用于傳輸速率為10Gbps和40Gbps的濾光片，群速度延遲應(yīng)分別小于10ps和2.5ps。為了達(dá)到這些要求，膜系常采用多腔干涉濾光片，其層數(shù)多達(dá)150層左右，甚至接近200層。這就要求膜層損耗低、應(yīng)力小、穩(wěn)定性高、并對折射率溫度系數(shù)和熱膨脹系數(shù)等方面的性能提出了要求，為此，對薄膜和基扳材料增加了非?？量痰南拗?。1.2DWDM中薄膜濾光片研究的意義及前景2000年以來，我國干線容量要求超過10Gbps的段落越占15%，到2010年可望超過43%，容量要求超過20Gbps的段落約占13%。這將導(dǎo)致WDM技術(shù)的發(fā)展，光濾波器的作用也將更為重要，其技術(shù)也將取得更大的進(jìn)展。DWDM中薄膜濾光片廣泛地應(yīng)用于較少通道數(shù)的系統(tǒng)中，信道間隔在200~400GHz左右。DWDM中薄膜濾光片的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，器件性能很好，溫度性能穩(wěn)定，與偏振無關(guān)，通道隔離度高，其在32路復(fù)用數(shù)以下應(yīng)用得非常廣泛。目前DWDM的信道數(shù)已擴(kuò)展至40個通道以上，而通道間隔也已達(dá)到50GHz以下。通道間隔的減小需要濾光片的透過率曲線非常陡峭以獲得可接受的通道帶寬。一個典型的50GHz濾光片通常需要鍍制數(shù)百層的膜層來分隔單個波長。鍍制如此多的膜層，容易造成局部薄膜厚度與密度波動產(chǎn)生的缺陷增加，從而降低第一章緒論了濾光片的合格率。針對這個問題的解決方式是將薄膜濾波片與一個交叉波分復(fù)用器（Interleaver）組合。Interleaver可將一束輸入的多通道信號分離成互補(bǔ)的兩束，一束包括奇數(shù)通道信號，另一束是偶數(shù)通道信號，使得通道之間的間隔變?yōu)樵瓉淼膬杀丁＠眉壜?lián)的Interleaver可實(shí)現(xiàn)更寬的通道分離。因?yàn)楝F(xiàn)有的鍍膜技術(shù)制備出的濾光片，其通道分離能力還無法達(dá)到Interlever的水平，而且還存在穩(wěn)定性差，產(chǎn)量低的問題。濾光片與Interleaver的組合不僅解決了通道間隔小于50GHz濾光片產(chǎn)量低的問題，而且減輕了由于級聯(lián)架構(gòu)的采用所導(dǎo)致的插損增加。這種插損的增加一方面來源于多個三端口器件的串聯(lián)；此外還包括為了平衡各個通道的插損而對濾光片透過率所做的調(diào)整。

例如，一路160通道的輸入信號，首先被分解成C波段和L波段的兩路信號。其中每路包括80個通道，通道間隔為50GHz。然后這兩路信號分別通過兩個50GHz的Interleaver，每路信號被分離成兩路分別包含40個通道的信號列，信道間隔為100GHz。這四路信號又通過四個100GHz的Interleaver，分為8路20個通道的信號，每路信道間隔為200GHz。第一個10通道信號被一個10通道200GHz濾光片模塊解復(fù)用；余下的10個通道信號則通過該200GHz濾光片模塊的一個升級端口，最終被第二個10通道的200GHz濾光片模塊解復(fù)用。除此之外，薄膜干涉濾光片也可以和很多光學(xué)器件結(jié)合起來應(yīng)用，薄膜濾光片還在其他的很多方面得到了運(yùn)用，能用于密集波分復(fù)用的濾光片還可以用于精準(zhǔn)工藝，以及一些測量儀器等很多方面。第二章光學(xué)薄膜特性的理論計(jì)算第二章光學(xué)薄膜特性的理論計(jì)算2.1偏振光和部分偏振光我們知道，光波其實(shí)也是一種電磁波，按照麥克斯韋方程的對電磁波的處理，電磁波可以分成電矢量和磁矢量的疊加效果。對于光這種特殊的電磁波來說如果電矢量只在一個固定的平面內(nèi)垂直于傳播方向做振動，我們把這樣的光線稱線偏振光，或減稱偏振光。如下圖示：圖2-1.線偏振光示意圖（右圖中的圖示方向都是電場的振動方向）一個原子或者一個分子在某一瞬間發(fā)出的光是偏振光。然后通常見到的光是有大量的原子或者分子發(fā)出的光，我們稱為自然光。圖2-2.自然光示意圖（圖中的未標(biāo)示的方向都是指的是電矢量方向）當(dāng)一束自然光垂直入射到薄膜上時，所有的方向的偏振光相對于薄膜來說都是一樣的，因而具有相同的折射率和反射率，也就是說反射光和透射光依然是自然光，但當(dāng)傾斜入射時，在一般情況下，反射光和透射光都是部分偏振光（不同方向上的電矢量的振動不同）。圖2-3.部分偏振光示意圖（圖中的未標(biāo)示的方向都是指的是電矢量方向）DWDM中窄帶F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)2.2p偏振和s偏振當(dāng)光束傾斜入射到濾波器上的時候，依賴于E和H相對于入射平面的方位?？梢宰C明，任何特定方位都可以歸納為兩個標(biāo)準(zhǔn)方位的組合：（1）E在入射平面內(nèi)，這個波稱為TM波（橫磁波）或p-偏振波；（2）E垂直于入射平面，這個波稱為TE波（橫電波）或s-偏振波。如下圖表示：圖2-4.傾斜入射時所取的電矢量的正方向2.3單層薄膜的干涉原理光源上一點(diǎn)射出的單色光（單位輻射）入射到薄膜上，一部分在界面1上反射（振幅為r1的反射光），另一部分透過界面1，在界面2上反射，然后透過1面而射出（振幅為r2的反射光）。很容易看出，當(dāng)界面1和2互相平行時，r1和r2這兩條反射光線亦互相平行。因此，他們匯合而產(chǎn)生干涉的地方在無窮遠(yuǎn)處。實(shí)際上，r1和r2是由透鏡會聚在其焦面上來考察的。當(dāng)然，也可由眼睛直接接DCBDCBA12光線和的干涉強(qiáng)度決定于他們的光程差。做CD垂直于光線，于是和的光程差從圖上很容易找到下列幾何關(guān)系：第二章光學(xué)薄膜特性的理論計(jì)算此外，根據(jù)折射定律有把上面三式代入，得到光程差：相應(yīng)的相位差：如果不考慮光在界面1，2上反射時的相位躍變，則當(dāng)光程差為：時：將產(chǎn)生相長干涉；而當(dāng)時：將產(chǎn)生相消干涉。2.4單層薄膜的反射率平面電磁波在單一界面上發(fā)生反射和折射。在界面上應(yīng)用邊界條件可以寫出：（2-1）（2-2）定義為有效導(dǎo)納：因?yàn)閼?yīng)用邊界條件寫出的p-分量和s-分量的等式形式是相同的，所以不在分別p-分量和s-分量的情形。同時，E和H都是指電場或磁場的切向分量的大小，不在指明下標(biāo)tg。由式（2-1）和式（2-2）得到則振幅反射系數(shù)為；同樣地振幅的透射系數(shù)為顯然，這是垂直入射的情況的推廣，因?yàn)橹灰獙?dǎo)納N用代替，垂直入射的結(jié)果也適用于傾斜入射的情形。只是要注意，在計(jì)算p-分量的反射率時用，而在計(jì)算s-分量時用代入，然后由得到自然光的合成的反射率。在光學(xué)上，處于兩個均勻媒質(zhì)之間的均勻介質(zhì)膜的性質(zhì)特別重要，因此我們將比較詳細(xì)地來研究這一情況。我們假定，所有的媒質(zhì)都是非磁性的（）。如圖5所示，單層薄膜的兩個界面在數(shù)學(xué)上可以用一個等效的界面來表示。DWDM中窄帶F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)膜層和基片的組合導(dǎo)納是Y，由式（2-1）和式（2-2）可以知道：式中，，單層膜的反射系數(shù)為因此只要確定了組合導(dǎo)納Y，就可以計(jì)算出單層膜的反射和透射特性。下面我們推導(dǎo)組合導(dǎo)納Y的表達(dá)式。d1d1圖2-5.單層膜的等效界面在界面1，應(yīng)用E和H的切向分量在界面兩側(cè)連續(xù)的邊界條件寫出：對于另一界面2上具有相同坐標(biāo)的點(diǎn)，只要改變波的相位因子，就可以確定他們在同一瞬時的狀況。正向進(jìn)行的波的位相因子應(yīng)乘以，而負(fù)向進(jìn)行的波的相位因子應(yīng)乘以，其中即所以這可用矩陣的形式寫成：（2-3）在基片中沒有負(fù)向進(jìn)行的波，于是在界面2應(yīng)用邊界條件可以寫為：第二章光學(xué)薄膜特性的理論計(jì)算因此：寫成矩陣形式為：將此式代入式（2-3）得：（2-4）因?yàn)镋和H的切向分量在界面兩側(cè)是連續(xù)的，而且由于在基片中僅有一正向進(jìn)行的波，所以式子（2-4）就把入射界面的E和H的切向分量與透過最后界面的E和H的切向分量聯(lián)系起來，又因?yàn)椋河谑鞘剑?-4）可以寫成：令DWDM中窄帶F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)矩陣稱為薄膜的特征矩陣。它包含了薄膜的全部有用的參數(shù)。其中：；對p-分量，，而對s-分量，。后面我們將會看到，在分析薄膜特性時，這一矩陣是非常有用的。矩陣定義為基片和薄膜組合的特征矩陣。顯然，由得故振幅反射系數(shù)為能量反射率為（2-5）首先應(yīng)注意，在上式中的換成，即當(dāng)換成，其中時，表達(dá)式保持不變。因此，厚度差為的整數(shù)倍的那些介質(zhì)膜，在波長處的反射率（或投射率）與膜厚時是一樣的。其次，我們來確定反射率為極值時膜的光學(xué)厚度。如果令則當(dāng)時，。我們必須區(qū)分兩種情況：m是奇數(shù)，即H值是下列數(shù)值中的任何一個：第二章光學(xué)薄膜特性的理論計(jì)算這時，式（2-5）化為：特別是正入射的時，m為偶數(shù)，即H值是下列數(shù)值中的任何一個：這時，式（2-5）化為：特別是正入射的時，和薄膜的折射率無關(guān)。因此光學(xué)厚度為的整數(shù)倍的薄膜對波長的反射（或透射）輻射的強(qiáng)度沒有影響。通常，入射媒質(zhì)是空氣，因而可以看出，在正入射時，當(dāng)膜的光學(xué)厚度取的奇數(shù)倍時，反射率是一極大還是一極小，視薄膜的折射率是大于還是小于基片的折射率而定；當(dāng)膜的光學(xué)厚度取的整數(shù)倍時，情況恰好相反。從上述分析可見，一層光學(xué)厚度為1/4波長，而折射率足夠低的薄膜，可用來作減反射膜，使表面反射率降低。如果在一個玻璃表面敷上一層折射率足夠高的材料，它將大大增加玻璃表面的反射率，因此這種薄膜可作為一個很好的分束鏡，單層二氧化鈦或硫化鋅薄膜常作這種用途，反射率可達(dá)30%左右。從上面的討論可以看到，利用合適的介質(zhì)膜，可減少或增加表面的反射，顯然，如以若干這樣的薄膜適當(dāng)組合，則所需性能仍可以進(jìn)一步增強(qiáng)，而且將顯示多種多樣更為有趣的特性，下面我們討論多層介質(zhì)薄膜的光學(xué)特性。DWDM中窄帶F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)2.5多層薄膜的反射率利用遞推法和矩陣法可把對單層膜組合導(dǎo)納的推倒推廣到任意層膜的場合。由于論文需要，這里只對矩陣法做以說明。正如以前所討論的，在界面1和2應(yīng)用邊界條件可以得到：在界面2和3，（見圖2-6）同樣可以得到：重復(fù)這個過程，直到在界面K和K+1應(yīng)用邊界條件得到：圖2-6.求解多層膜的矩陣法因?yàn)楦鹘缑娴那邢蚍至窟B續(xù)，故有：第二章光學(xué)薄膜特性的理論計(jì)算所以經(jīng)過連續(xù)的線性變換，最后可得到矩陣方程式：這樣，膜系的特征矩陣為：對p-偏振和s-偏振，膜層的相位厚度都是：折射角由折射定律所確定，導(dǎo)納由下式給出：p-偏振波s-偏振波矩陣稱為第j層膜的特征矩陣。無吸收的介質(zhì)薄膜的特征矩陣的一般形式可寫成：式中和是實(shí)數(shù)，而且，而和為虛數(shù)，此外其行列式值也等于1。稱為單位模矩陣，即而且任意多個這樣的矩陣列的行列式值也等于1。對于一個四分之一波長層，即有效光學(xué)厚度為某一參考波長的四分之一的膜層，在該參考波長處特征矩陣有：而半波長層有：DWDM中窄帶F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)可見半波長層在該參考波長處對于薄膜系統(tǒng)的特性沒有任何影響，故稱為“虛設(shè)層”。顯然，多層膜和基片的組合導(dǎo)納為。反射相位變化 式中，是入射介質(zhì)的導(dǎo)納。第三章F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)第三章F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)光波分復(fù)用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）技術(shù)是在一根光纖中同時傳輸多波長信號的一項(xiàng)技術(shù)。人們把一個窗口中信道間隔較小的波分復(fù)用稱為密集波分復(fù)用DWDM（DenseWavelengthDivisionMultiplexing）。WDM技術(shù)在發(fā)展超大容量的光傳輸，為實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的信號傳遞不受距離、時間、傳輸帶寬、業(yè)務(wù)種類的限制的目標(biāo)方面，將發(fā)揮作用。目前，數(shù)百吉比特每秒的WDM系統(tǒng)已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際運(yùn)行，太比特每秒級的WDM系統(tǒng)技術(shù)也成熟，將要入網(wǎng)使用。在WDM系統(tǒng)中，濾光片是用來分波和合波的一種重要的無源器件。濾光片可以分為吸收濾光片和干涉濾光片。由于吸收濾光片有較大的損耗（大于10dB）,因此常用干涉型濾光片。窄帶F-P型薄膜干涉濾光片就是一種常見的干涉型濾光片。目前，這種濾光片的設(shè)計(jì)還基于傳統(tǒng)的F-P（法布里-珀羅）型干涉濾波儀。傳統(tǒng)的F-P型干涉濾波儀是在兩反射面之間夾入很薄的電介質(zhì)透明層，當(dāng)復(fù)色光通過時，由于干涉作用，對不同波長的光，有的通過干涉而加強(qiáng)，有的波長的光因?yàn)楦缮娑嘞远嗌馔ㄟ^干涉后，就只有特定波長的光了，從而起到濾光作用。所不同的是窄帶F-P型薄膜干涉濾光片要求其通帶窄、矩形度高、通帶波紋小、損耗低，特性穩(wěn)定。此外，隨著傳輸速率的提高，對群速度延遲的波紋也提出了要求。對用于傳輸速率為10Gps和40Gps的濾光片，群速度延遲應(yīng)分別小于10ps和2.5ps。為了達(dá)到這些要求，膜系常用多腔干涉濾光片。同時要求膜層損耗低、應(yīng)力小、穩(wěn)定性高、并地折射率溫度系數(shù)和熱膨脹系數(shù)等方面提出了要求。隨著密集波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，濾波器作為其中一種很重要的復(fù)用和解復(fù)器件其技術(shù)也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。這一章中將介紹基于F-P腔的薄膜濾光片的設(shè)計(jì)，由于F-P型的薄膜濾光片利用光的干涉原理，首先來說明一下干涉濾光片。3.1干涉濾光片當(dāng)一束具有多個波長的光射入該器件后能濾出所需波波的光的光器件稱為濾光片，通過光的干涉效應(yīng)而具有濾光功能的濾光片我們稱為干涉濾光片。由于吸收型的濾光片有較大的損耗（大于1dB）因而通常采用的是反射型的濾光片，即干涉型濾光片。在第二章（2.4）中詳細(xì)的說明了單層薄膜的干涉原理，干涉濾光片的干涉加DWDM中窄帶F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)強(qiáng)和干涉相消的條件也給了理論說明。這里就不在說明。干涉濾光片是第二次世界大戰(zhàn)初期出現(xiàn)的一種新的濾光方法。最簡單的形式有F-P（法布里-珀羅）干涉儀，其結(jié)構(gòu)是在兩反射面之間夾入很薄的電介質(zhì)透明層。當(dāng)復(fù)色光通過時，由于干涉作用，對不同波長的光，有的通過干涉而加強(qiáng)，有的波長的光因干涉而相消，所以多色光在通過干涉后，就只有特定波長的光了，從而起到了濾光作用。下一節(jié)中來詳細(xì)說一下F-P腔的結(jié)構(gòu)以及它為何具有頻率選擇性。3.2F-P腔以及它為何具有頻率選擇性F-P腔型光濾波片是以其發(fā)明者FabryPerort而得名。是一種結(jié)構(gòu)最簡單，應(yīng)用最廣泛的濾波器。作為FDM/WDM光纖通信系統(tǒng)的解復(fù)用器是它的主要用途之一。這種器件的原型是體塊狀的。光纖出現(xiàn)后，它也可以用光纖構(gòu)成，這極大的提高了它的性能。擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。作為解復(fù)用器的F-P光濾波器，要求有較高的精細(xì)度。體塊型的和光纖型的F-P腔光濾波器的基本工作原理相同，這里以無損耗的體塊型F-P腔為例加以說明，它的基本結(jié)構(gòu)如左圖示。t2r1t1r1M2AiM1LAt6At2At3At兩平行放置的介質(zhì)板，內(nèi)表面鍍高反射膜，形成鏡面M1，M2。兩端的反射系數(shù)各為r1，r2；透射系數(shù)各為t1，t2；中間是折射指數(shù)為t2r1t1r1M2AiM1LAt6At2At3At雖然是基于傳統(tǒng)的F-P腔，但是密集波分復(fù)用（DWDM）中的濾波器要求通帶窄、矩形度好、通帶波紋小、損耗低、特性穩(wěn)定。簡單的F-P腔光濾波器并不能滿足密集波分復(fù)用（DWDM）的要求，下面我們來看密集波分復(fù)用（DWDM）對濾光片的設(shè)計(jì)要求。3.3密集波分復(fù)用（DWDM）干涉濾光片的設(shè)計(jì)要求為了滿足DWDM系統(tǒng)中的各項(xiàng)性能指標(biāo)，超窄帶濾光片必須具有如下的設(shè)第三章F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)計(jì)指標(biāo)：如圖3-1所示超窄帶濾光片的典型透射比曲線。在光通信中，各個波長的透射比用損耗（dB）給出，它和透射比的關(guān)系是：1）中心波長和峰值插入損耗光通信中的各通路的中心波長是由國際電信聯(lián)盟（ITU）規(guī)定的。根據(jù)ITU-T的G692建議，DWDM系統(tǒng)的頻率間隔為100GHz的整數(shù)倍，參考頻率為193.1THz，標(biāo)稱中心頻率范圍從192.1THz（相當(dāng)于中心波長為1560.61nm）起至196.1THz（相當(dāng)于中心波長為1528.77nm）。目前，對200GHz的濾光片，其峰值插入損耗要求T0.3dB；對于對100GHz的濾光片，其峰值插入損耗要求T0.5dB；他們對應(yīng)的濾光片的中心波長的透射比分別為93%和89%。2）通帶帶寬在薄膜光學(xué)中，通帶帶寬有半寬度和十進(jìn)制寬度等，其中半寬度表示透射比為中心波長透射比50%處的波長帶寬。而十進(jìn)制寬度表示投射比為中心波長投射比10%處的波長寬度。在光纖通信中，要求窄帶濾光片波形為矩形。為了說明這個矩形濾光片的光學(xué)性質(zhì)，采用了矩形濾光片的頂寬和底寬說明濾光片的性質(zhì)的好壞。3）通帶波紋系數(shù)通帶內(nèi)的波紋系數(shù)，其中，是通帶內(nèi)的最大插入損耗，是通帶內(nèi)的最小插入損耗。當(dāng)時，表示通帶為平頂，這是最理想的情況，一般我們要求；4）極化相關(guān)損耗PDL（偏振相關(guān)損耗）是指對于所有的極化狀態(tài)，在整個輸入波長范圍內(nèi)，由于極化狀態(tài)的改變而造成的插入損耗的最大變化量值。理論上，薄膜所制造的濾光片的PDL值為0，測試得到的值主要是由于薄膜的不均勻性造成的，應(yīng)該從工藝上改進(jìn)。表3-1給出了400GHz、200GHz、100GHz和50GHz四種最重要的濾光片的特性要求。這些要求已能滿足解復(fù)用合波器的使用要求。在設(shè)計(jì)時，主要考慮以下因素：DWDM中窄帶F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)1）設(shè)計(jì)中心波長時要考慮濾光片的使用角度。Table3-1TheperformanceofDWDMinterferencefilterschannelspacing400GHz200GHz100GHz50GHzcenterwavelengthseeITUlistseeITUlistseeITUlistseeITUlistpassbandbandwidthstopbandbandwidth>1.6<4.8

<3>0.8<2.4<3>0.4<1.2<3>0.2<0.6<3passbandlosspassbandripple<0.6<0.3<0.5<0.3<0.5<0.3<0.5<0.3Thermalwavelengthdrift<0.002<0.002<0.001<0.00052）矩形度的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，實(shí)際制備的結(jié)果與理論設(shè)計(jì)結(jié)果相比較，通常會減小，會增加，所以矩形度的實(shí)際結(jié)果總是大于設(shè)計(jì)結(jié)果，具體數(shù)值視膜厚控制水平和其他工藝水平而定，況且有些應(yīng)用場合的通帶寬度是定義在0.3dB取值的。3）通帶波紋和損耗應(yīng)該考慮到濾光片是膠合的還是以空氣為入射媒質(zhì)。4）溫度穩(wěn)定性必須根據(jù)濾光片帶寬來決定基板和薄膜材料，以減小它們的應(yīng)力形變所引起的波長漂移?？傊?，設(shè)計(jì)必須考慮到使用要求，并在設(shè)計(jì)時留有充分余地，以確保制備得到的濾光片能滿足表3-1列的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。3.4基板和薄膜材料的選擇在通常的情況下，濾光片中心波長的漂移主要是由薄膜的聚集密度決定的，而且吸附水汽的折射率溫度系數(shù)對波長漂移也起著重要的作用。如果薄膜的聚集密度達(dá)到1，則潮氣吸附引起的波長漂移可以忽略不計(jì)，而溫度引起的薄膜材料的線膨脹和折射率溫度變化所致的波長漂移便占據(jù)主導(dǎo)地位。據(jù)此，Takahashi建立了一個溫度誘導(dǎo)濾光片中心波長漂移的數(shù)學(xué)物理模型。他指出，濾光片膜系一旦確定，濾光片中心波長的熱漂移可以通過選擇適當(dāng)?shù)幕鍋砑右哉{(diào)節(jié)。因?yàn)閷σ粋€薄膜-基板系統(tǒng)，當(dāng)存在溫度引起的形變時，膜層幾何厚度和折射率都產(chǎn)生了變化，因此通過調(diào)節(jié)基板的線膨脹系數(shù)，有可能使膜層的光學(xué)厚度在溫度變化時保持不變，或者小于。作者認(rèn)為，因?yàn)榭晒┻x擇的基板非常有限，所以更好的辦法是先選定基板，然后根據(jù)基板的熱膨脹系數(shù)來設(shè)計(jì)膜系，因?yàn)椴煌哪は到Y(jié)構(gòu)要求的基板線膨脹系數(shù)有所不同。表3-2給出了幾種基板材料的參數(shù)：就薄膜材料而言，目前主要采用和薄膜。這兩種材料組合在離子輔助沉積（IAD）下都可生成無定形薄膜，，，薄第三章F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)膜的折射率分別為2.200，2.050和1.467，由于膜的折射率高，與相Table3-2ThepropertiesofcommonsubstrateglasssCoeffiecientoflinearexpansion()Refractiveindexatl550nm(1550nm)PoissonsratioS7003(Schott)F7(Schott)S7006(Schott)93981011.551.601.5570.2470.254WMS-02(Ohara)WMS-13(Ohara)FPL51(Ohara)1011101271.6581.5191.497比，可用較少的層數(shù)獲得特定的帶寬，但從吸收來說，會比薄膜稍微高些。雖然膜的歸一化折射率溫度系數(shù)稍高，但實(shí)際上三種材料均在左右。它們的應(yīng)力雖然取決于制備工藝，但一般情況下都呈現(xiàn)壓應(yīng)力，顯然，積累應(yīng)力對濾光片是一個很大的問題，其中，單層膜的應(yīng)力值約為，而單層膜的應(yīng)力比高折射率材料約高一個數(shù)量級，所以膜是密集型波分復(fù)用濾光片應(yīng)力的主要來源。在設(shè)計(jì)中必須考慮到這些因素，采取適當(dāng)措施，以降低不利因素的影響，如間隔層選用高折射率材料等。3.5DWDM窄帶F-P薄膜濾光片的設(shè)計(jì)F-P薄膜濾光片是根據(jù)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具原理制作的的干涉膜系，是由兩個反射膜系夾一個介質(zhì)間隔層組成。單半波干涉濾光片主要存在3個缺點(diǎn)：1）三角行的通帶；2）截止帶截止深度不夠，或者說在截止帶內(nèi)反射比低；3）中心波長處透射比對膜層的損耗敏感，因此一般情況下，會使中心波長的插入損耗急劇加大。為了克服上述缺點(diǎn)，在DWDM中使用的的濾光片必須采用多腔結(jié)構(gòu)，但是隨著腔數(shù)目的增加，通帶內(nèi)的插入損耗和波紋也將隨之增大，這是一對矛盾。下面就通過列舉出不同的膜系結(jié)構(gòu)并通過MATLAB仿真和修改，最后得到比較理想透射曲線時的膜系結(jié)構(gòu)。以下的仿真結(jié)果的膜系材料選取為：高折射率材料低折射率材料為，；基板為BK7，。由于用于仿真的MATLAB程序比較簡單，本文將不予給出。DWDM中窄帶F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)1）簡單的串置3個或4個相同的單腔濾光片例如，將一個31層的單腔濾波片重復(fù)串置三次，得到一個95層的3腔濾光片，膜系結(jié)構(gòu)為：通過MATLAB仿真，其對應(yīng)的透射比曲線為圖3-2從這條膜系的透射比曲線可見，其通帶波紋較大，不是設(shè)計(jì)DWDM濾光片的最好方案。結(jié)論1.重復(fù)串置相同結(jié)果的的單腔濾光片使通帶波紋較大，不適合做DWDM濾光片。將分別由高折射率和低折射率材料為作為腔層的濾光片串接起來，雖然他們的矩形好，通帶波紋也好，但傾斜入射時圖變形很大，并且增加實(shí)際鍍膜時的監(jiān)控難度。結(jié)論2：串置濾光片腔的材料必須相同，串置濾光片的反射板的反射比相差太大時，仍然得不到矩形通帶。串置濾光片的反射板的反射比不能相差太大，例如：單腔濾光片：和單腔濾光片組成一個四腔濾光片，膜系結(jié)構(gòu)如下：由它得到的透射比曲線是三角波，其透射比曲線如圖3-3示第三章F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)圖3-3結(jié)論1實(shí)際上是串接的濾光片的反射板的反射比都相等的情況，能得到矩形波，但通帶波紋大，而結(jié)論2則是串接濾光片的反射板的反射比相差很大的情況，而造成三角形的通帶。結(jié)論3：不同反射板的反射比的濾光片的排列次序會影響通帶波紋的大小。在四腔濾光片的設(shè)計(jì)中，只有將兩個反射板比較低的單腔濾光片排列在外側(cè)，將兩個反射比較高的單腔濾光片排列在內(nèi)側(cè)，才可以得到最理想的DWDM濾光片的設(shè)計(jì)。其它排列雖然能得到矩形通帶，但帶內(nèi)波紋嚴(yán)重。如圖3-4示：通過以上的分析，得出了如下的膜系結(jié)構(gòu)：其對應(yīng)的透射比曲線為：圖3-4如圖3-5參照以上結(jié)論，最后提出這樣的膜系結(jié)構(gòu)：通過MATLAB仿真透得到其射比曲線如圖3-5所示：各項(xiàng)通信指標(biāo)：中心波長為1560.5nm；波紋系數(shù)常數(shù)近似為1；具有很好的矩形通帶，由圖3-5中可讀出該設(shè)計(jì)的中心波長的插入損耗；-0.5dB帶寬；-25.dB帶寬可以滿足DWDM濾光片的設(shè)計(jì)要求。同時，此膜系設(shè)計(jì)中的每層膜的厚度均為的整數(shù)倍，著就使得鍍制膜層中可以采用極值法監(jiān)控，降低了生產(chǎn)的難度，提高了產(chǎn)品的成品率。以上只是寫出了常見的膜系結(jié)構(gòu)，下面說明兩種更有利于實(shí)際設(shè)計(jì)膜系設(shè)計(jì)方法。DWDM中窄帶F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)3.6DWDM窄帶F-P薄膜濾光片的尋優(yōu)設(shè)計(jì)隨著濾光片腔數(shù)的增加，通帶內(nèi)的插入損耗和波紋也隨之增大，這是一對矛盾。解決這個矛盾的方法很多，下面的兩種方法通常被認(rèn)為非常有效。為了便于分析，先寫出濾光片的典型設(shè)計(jì)：或（3-1）或（3-2）然后來討論對稱周期膜設(shè)計(jì)方法和濾光片主體參數(shù)尋優(yōu)方法。3.6.1對稱周期膜法若把（3-1）式和（3-2）式最靠近空氣入射媒質(zhì)A的低折射率膜L去掉，上述膜系便成了對稱周期結(jié)構(gòu)，因此可以方便地計(jì)算出不同p，q和m下的等效折射率E。例如：設(shè)（3-1）式和（3-2）式中的m=3，則計(jì)算得到中心波長上的兩種設(shè)計(jì)的E值列表于表3-3。Table3-3Equivalentindexofsymmetricalperiods6-8-66-6-66-4-66-2-31.902.072.282.564-8-44-6-44-4-44-2-41.721.872.072.342-8-22-6-22-4-22-2-21.521.651.822.07由表3-3可見：（1）當(dāng)三個腔的間隔層處于同一級次時，E值均為2.07；而且，在相同的q下，E值與反射鏡的周期數(shù)p無關(guān)，即p值增加，不影響極值，但使中心波長兩側(cè)E曲線變陡。（2）當(dāng)?shù)诙€腔q具有較高的級次時，E值相對較低，它與基板比較匹配，但在空氣入射側(cè)需要加一個匹配模。于是，可以根據(jù)基板的折射率方便地選取膜系。例如，當(dāng)基板為WMS-02時，取表3-3中E=1.90，1.72，1.87，1.65，1.82等的對應(yīng)的膜系，均可在基板側(cè)得到良好的匹配，而在空氣側(cè)需要增加適當(dāng)?shù)钠ヅ淠?，由于L層的折射率1.467太高，故常用雙層增透膜。第三章F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)對于膜系，即膜系的等小折射率隨波長的變化曲線示于圖3-7，而膜系的等效折射率隨波長的變化曲線示于圖3-8.圖3-7圖3-8從這兩個圖可以看出他們的等效折射率隨波長變化的相差很大，這就是通帶內(nèi)產(chǎn)生波紋的原因。這種失配的現(xiàn)象隨著腔數(shù)目的增大而急劇的增大，但是，從上面的討論可以知道，在三腔的情況下，當(dāng)中間的腔級次高于邊緣兩個腔時，濾光片具有較好的匹配。依次，如用圖3-8所示的E隨波長變化比較接近的對稱周期來構(gòu)成多腔濾光片，有望通帶內(nèi)損耗的波紋都比較小。例如：此膜系由于空氣側(cè)匹配不夠好，所以還需一個雙層增透膜。設(shè)計(jì)結(jié)果示于圖3-9。DWDM中窄帶F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)圖3-8圖3-93.6.2主體參數(shù)尋優(yōu)法上面方法針對減小波紋和損耗是有效的，但它不能對帶寬提供約束，因而需要依賴經(jīng)驗(yàn)。而主體參數(shù)尋優(yōu)法可對各種設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。如果我們把（3-1）式或（3-2）式中反射鏡或者表示成為，間隔層或表示成為，以此類推，則（3-1）式，（3-2）式可表示成：（雙腔）（三腔）（四腔）通過不短增加單元，即不斷增加腔的數(shù)目，則可自動優(yōu)化獲得最佳評價函數(shù)的多腔結(jié)構(gòu)。步驟為：（1）據(jù)帶寬要求給定初始結(jié)構(gòu)；（2）增加優(yōu)化、和，優(yōu)化減反射膜；（3）若不能滿足設(shè)計(jì)要求，繼續(xù)增加，優(yōu)化、、、和，優(yōu)化減反射膜；（4）直至全部設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。濾光片的設(shè)計(jì)目標(biāo)為，，、為表3-1所列數(shù)據(jù)，根據(jù)帶寬要求確定；矩形度，波紋系數(shù)定義為通帶內(nèi)最大分貝與最小分貝之差，其值盡可能的要小。用此方法同樣可設(shè)計(jì)得到性能優(yōu)良的濾光片。第三章F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)3.6.3結(jié)論要設(shè)計(jì)一個性能優(yōu)良的密集型波分復(fù)用薄膜濾光片并非易事，特別是考慮到制備工藝和成品率等因素時難度就更大。濾光片的帶寬取決于，間隔層的級數(shù)q、反射鏡的反射率（高低折射率之比和周期數(shù)p）以及反射鏡的相位色散。濾光片的矩形度取決于腔的數(shù)目m,或者說是正比于腔的數(shù)，而與薄膜材料的高低折射率之比無多大關(guān)系。腔的數(shù)目增加，濾光片半寬度（即-3dB處的帶寬）是不變的，但-0.5dB處的帶寬會增加，而-25dB處的帶寬會明顯縮小。一般來說，帶寬越窄的濾光片，其矩形度會越好。插入損耗和波紋主要取決于濾光片和周圍媒質(zhì)的匹配，用對稱周期膜方法可較好地獲得匹配膜系。設(shè)計(jì)濾光片的目的，就是要尋找滿足濾光片帶寬、矩形度、損耗和波紋等要求的解，通常這種解是非常多的，這就為我們選擇熱穩(wěn)定性好、角度效應(yīng)小、又易于制備的解提供了便利。第四章總結(jié)PAGEPAGE28第四章總結(jié)隨著通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，密集波分復(fù)用系統(tǒng)發(fā)展迅猛，濾光片是密集波分復(fù)用系統(tǒng)中很重要的一類無源器件，其技術(shù)的發(fā)展也是很重要的。F-P薄膜濾光片由于其制作工藝相對簡單以及其穩(wěn)定性比較好等特點(diǎn)，是DWDM系統(tǒng)中濾光器器件中很有發(fā)展空間的一類器件。本文從薄膜濾光片的歷史開始，介紹了光線在薄膜層中的傳輸矩陣，并可以由光的傳輸矩陣得出不同波長的光穿過膜系時的投射率和反射率以及膜系的等效折射率的表達(dá)式。接下來給出了光按不同偏振態(tài)的分類，垂直入射和傾斜入射時候的差異。又引入干涉濾光片，即利用光的干涉原理來實(shí)現(xiàn)分波和合波的光器件。F-P型濾光器的腔式結(jié)構(gòu)以及F-P濾波器利用光的干涉原理來實(shí)現(xiàn)波長的選擇性。接下來是基于F-P型濾光器設(shè)計(jì)出來的F-P薄膜濾光片。提到了用于密集波長分復(fù)用系統(tǒng)中的濾光片的要求，利用前面的提到的傳輸矩陣以及可以得出的結(jié)論如果在一個玻璃表面敷上一層折射率足夠高的材料，它將大大地增加玻璃表面的反射率來選擇鍍膜的材料。單層腔的F-P薄膜濾光由于其透射曲線是三角形，并不能滿足密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)對濾光器的要求。通過增加膜層，濾光片的透射曲線可以改善，但是隨之而來的問題也出現(xiàn)：隨著膜層的增加，濾光片的插入損耗和波紋也隨之增大。即是說膜系結(jié)構(gòu)很大程度上決定了濾光片的透射曲線。通常為了透射曲線的理想，鍍膜的層數(shù)會達(dá)到上百層，不同的膜系結(jié)構(gòu)對應(yīng)的濾光片將會出現(xiàn)不同的透射曲線。可見想設(shè)計(jì)一種滿足要求的濾光片并不是很容易的事情。文中先給出了幾種容易想到的膜系結(jié)構(gòu)，利用傳輸矩陣和MATLAB仿真，得出不同膜系結(jié)構(gòu)的不同透射曲線，并得出了一般設(shè)計(jì)時候的三條結(jié)論：結(jié)論1.重復(fù)串置相同結(jié)果的的單腔濾光片使通帶波紋較大，不適合做DWDM系統(tǒng)中的濾光片，因?yàn)闀霈F(xiàn)很大的波紋；結(jié)論2：串置濾光片腔的材料必須相同，串置濾光片的反射板的反射比相差太大時，仍然得不到矩形通帶。其透射曲線還是單腔時候的三角形；結(jié)論3：不同反射板的反射比的濾光片的排列次序會影響通帶波紋的大小。不同反射扳的反射比的材料的不同排列其透射曲線還是相差很大。膜系設(shè)計(jì)時候最大的矛盾就是隨著腔數(shù)的增加，濾光片的插入損耗和波紋也隨之增大。文中還引入了被認(rèn)為可以很有效地解決這個矛盾的兩種濾光片設(shè)計(jì)方法：1）對稱周期膜法：其膜系結(jié)構(gòu)排列對稱，具體的膜系結(jié)構(gòu)見第三章。這個DWDM中窄帶F-P型薄膜濾光片的設(shè)計(jì)方法告訴給我們：三腔結(jié)構(gòu)中，當(dāng)中間的腔級