DWDM窄带滤光片膜层的误差分析与监控策略

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!"!#窄带滤光片膜层的误差分析与监控策略

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李晓平:，，易新建:!，史铁林$

（:5华中科技大学光电子工程系，武汉=!"">=；$5华中科技大学微系统研究中心，武汉=!"">=）

薄膜窄带滤光片制备的成品率，讨论了用于?@?A薄膜窄带滤光片在镀制摘要：为了提高密集波分复用（?@?A）过程中的监控方法及误差，采用A38B9,CD43允差分析原理分析用于?@?A窄带滤光片膜层的容差，以便选择更易制备的膜系；计算膜层的ACE493F极值灵敏度，得到所选膜系各个膜层的误差要求；模拟光学监控过程和计算膜层导纳，能够得到膜层制备过程中膜层之间膜厚的补偿关系。实验表明，据此制定的膜厚监控策略，对于?@?A窄带滤光片膜层的制备和保证成品率是非常关键的。

关键词：光学；窄带滤光片；误差与膜厚监控；密集波分复用中图分类号：/=<=5=G:###文献标识码：’

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引#言

密集波分复用（F98L9TCR9498MBOFKRKLK38I74BKH49;VK8M，?@?A）滤光片是薄膜型复用解复用模块的核心元件，它能通过极窄光谱范围波长的光，反射另外一些波长的光。多个滤光片串置起来，可将不同波长的光耦合进光纤或者从光纤中分解出不同波长的光，形成复用器与解复用器。与阵列波导光栅和光纤布喇格光栅等复用解复用方式比较，它以其使用的稳定性成为市场的主流。?@?A滤光片虽有可靠性很高的专用镀膜机制备其薄膜，先进离子源保证膜层的致密性，高速旋转工件盘可使滤光片获得较好的均匀性，但高精度监控系统的合理使用仍是保证成品率的一个很重要

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的工作。合理地监控膜层的光学厚度，要求对所

选膜系进行误差分析，以制定合理的镀膜工艺。

:;误差分析

:<:;膜系的容差分析

了解所设计膜系的工艺可实施性，需要知道每层膜厚容许的误差范围，采取哪种工艺能够满足设计指标；了解膜层误差的灵敏度，即在有误差的前提下，哪几层膜要求苛刻，计算它的监控曲线，以便制定膜层镀制的监控策略。下面以:""0-]滤光片为例说明滤光

［[］片技术指标。由于滤光片膜层有:""层\$""层，

计算时考虑了两方面的误差：（:）第,层的光学监控误差；（$）第,层前面若干层传递或累积的误差。

［%］

根据光学膜层A38B9,CD43允差分析原理，对!

种设计的膜系结构（见表:）分别作了容差分析。!种

##基金项目：国家“八六三”计划资助项目（$""=’’="="=!）

作者简介：李晓平（:W%$;），男，博士研究生，现从事薄膜技术方面的研究工作。

QKXYC8XU98BZQCO335E3I!通讯联系人。);ICK4：

收稿日期：$""[;"!;"W；收到修改稿日期：$""[;::;:"

设计均采用(EO3BB公司的(>""%玻璃做基板，因为外层的增透层只和玻璃的折射率有关，误差分析时没有考虑该层。采用光学极值法监控，它监控的是探测器上接收的光强，容差定义为最大容许的光学透过率的

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差。计算容差值时，将光学透过率的误差折合极值数计算，取随机分布，标准偏差为*@AE*#F=，均值为#，膜系做*##次模拟，对膜系每次的模拟结果，在需要分析的波段上计算透过率，各个波长处比较每次模拟的透过率，记下透过率的最大值和最小值，输出到文件中；用数学工具软件调用得到的文件，绘出图形得到直观的包络线（见图*G图7），实际产品的透过率曲线应落在两条包络线的曲线*和曲线"之间。图中统计了全部模拟中数据结果比较好的HAI的模拟结果，它们落在曲线7和曲线=的包络线中，选取中间结果（中等性能）的曲线A，它基本与原始设计曲线$

重合。

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膜系的灵敏度分析包括考虑误差和不考虑误差两种计算方法。若不考虑误差，可通过计算膜系的总反

射率或透过率对每层膜的一阶偏导数得到［$］，对某层

膜求导时，假设其它层没有误差。若考虑误差，采用动

态4&9()16灵敏度算法计算［H］，获得膜系对各个膜层

监控要求的苛刻程度，在误差随机分布条件下，图=所示为各层膜层的光学厚度，图中横坐标表示膜层的层数，纵坐标数值大小表示各膜层对膜厚监控要求苛刻的不同程度，数值大，对膜厚监控要求苛刻；数值小，对膜

厚监控要求的苛刻程度较低。从图中看出：第*<，A=，P#，*"=层灵敏度高，数值大，它们都在腔层附近；而腔与腔连接的耦合层附近灵敏度最低，如第7$，H"，*#<层附

近。监控时需特别考虑。

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选用了容差比较大的膜系设计%、合理的监控方法、设备监控系统的改进使膜厚监控精度提高等，获得最大插入损耗（’()’*+,了如图&所示指标的滤光片，

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理论分析和实验表明：三元结构平行分束偏光镜不仅大大节省了冰洲石晶体材料，还实现了平行偏振光的大剪切差输出；由于光学玻璃和自身结构影响，出射光的消光比不够理想，一般在4#

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考文献

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DWDM窄带滤光片膜层的误差分析与监控策略

作者：作者单位：

李晓平， 易新建， 史铁林， LI Xiao-ping， YI Xin-jian， SHI Tie-lin

李晓平,LI Xiao-ping(华中科技大学,光电子工程系,武汉,430074;华中科技大学,微系统研究中心,武汉,430074)， 易新建,YI Xin-jian(华中科技大学,光电子工程系,武汉,430074)， 史铁林,SHI Tie-lin(华中科技大学,微系统研究中心,武汉,430074)激光技术

LASER TECHNOLOGY2006，30(3)0次

刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

1.MINOWA J.FUJII Y High performance bandpass filter for WDMtransmission 1984(02)

2.BAUMEISTER P Application of microwave technology to design anoptical multilayer bandpass filter2003(13)

3.PAN J J.ZHOU F Q.ZHOU M Thin films improve 50GHz DWDM devices 2002(05)

4.BAUMEISTER P Bandpass filters for wavelength division multiplexing-modification of the spectralbandwidth 1998(07)

5.GU P F.BAI Sh Y.LI H F Design of dwdm thin 2 film interference filters[期刊论文]-Acta Optica Sinica2002(07)

6.LIN Y Ch.LU W Q Optical Thin-film 19907.TANG J F.ZHENG Q Applied optics thin-film 19848.GU P F Thin-film technology 1990

9.YANG G.ZHANG X H.CHEN Q M influence of the monitor light's bandwidth on the coating of narrow-bandwithfilter[期刊论文]-Journal of Huazhong University of Science & Technology 2001(06)

10.WANG Y Zh Effect of error auto-compensation and error of the extremely narrow-band interference filterin DWDM system[期刊论文]-Journal of Applied Optics 2004(01)

1.期刊论文 杨聚庆.弥谦.YANG Ju-qing.MI Qian 窄带滤光片光学极值法直接监控的光学设计 -西安工业大学学报2008,28(4)

窄带滤光片是应用于光谱学、激光、天文物理学、通信等各个领域的光学组件,精确控制每一层膜厚是制备滤光片的困难所在.采用光学极值法直接监控工件,可以同时制备多件滤光片.设计了监控光路和信号获得电路,通过探测到的测试信号,监控薄膜膜厚,实现了直接监控.

2.学位论文 岳荣荣 窄带滤光片的制备及光学稳定性分析 2006

窄带滤光片是一种应用非常广泛的薄膜元件。就目前为止，其主要应用在：天文，等离子体检测，空间探测，激光探测，化学分析，间接温度测量，有害气体分析，颜色测量，光纤通信系统等领域。国内外的很多学者和企业对窄带滤光片都做了深入研究。

用光学薄膜理论设计介质窄带干涉滤光片，并模拟分析其在温度和湿度改变下的光学稳定性以及实验镀制是本论文研究的重点。

实验部分在FJL560CI1真空镀膜设备上进行。基片采用K9玻璃，靶材为金属Ta靶和单晶Si靶。采用射频反应磁控溅射方法制备单层SiO2、Ta2O5薄膜，在单层膜工艺的基础上，镀制7层和9层膜系的多层膜。用乙醇和超声波清洗基片，溅射镀膜时工作气体为氩气，反应气体O2，质量流量计控制气体流量。用椭圆偏振仪测量其折射率和膜厚。并用等速率法监控膜厚。分析了工作气压，氧、氩比，基片加热温度对薄膜的透过率及折射率的影响，发现最合适的工作气压为0.4Pa，基片加热温度在300℃沉积得到的薄膜透过率最好；对于Ta2O5，氧气、氩气比要大于80％才能得到高折射率的透明膜层，而对于SiO2薄膜，O/Ar在30％左右就能得到折射率为1.46的膜层。最后对所制备的样品，模拟分析了其在受潮、温度改变等环境影响下，不同膜系滤光片的中心波长的漂移。发现薄膜的致密性对滤光片的波漂有很大影响，应该采用成膜质量比较好的镀膜方法，如反应磁控溅射、离子束辅助沉积等方法制备光学薄膜；另外基板材料的线性膨胀系数对滤光片的温度稳定性也有很大影响，对设计的膜系应选用相匹配的基板材料，使其中心波长在温度改变下的波漂最小。 最后，本文对镀制结果及工艺条件进行了分析和研究，对实验过程中应注意的问题以及待改进的地方进行了总结。

3.会议论文 马孜.肖琦.姚得武 上反射法三腔窄带滤光片的研制 2006

本文通过对国产上反射法监控光学自动镀膜机的监控精度分析,用TFCalc软件计算了三腔滤光片可能的光谱性能,采用半波控制法进行监控,制作了半带宽30nm的1.06μm三腔窄带滤光片,验证了理论分析的正确性,证明采用非垂直入射监控也能得到性能较好的窄带滤光片.

4.学位论文 张晓晖 WDM光纤通信用光学薄膜的研究 2001

光学薄膜在WDM光纤通信系统中得到了日益广泛的应用.该文对在WDM光纤通信系统中用做分波/复波器的多腔矩形窄带滤光片、涂敷于光放大器腔面和BK7玻璃表面的增透膜等膜系的设计和镀制进行了深入的理论分析和仿真、实验研究.在对各种窄带滤光片膜系的光学特性进行大量计算的基础上,该文分析并归纳了多腔窄带滤光片的耦合规律,将具有不同结构的单腔F-P型窄带滤光片整个膜系作为变量,利用整数规划原理实现了具有矩形通带的窄带滤光片的最优化膜系结构的自动设计;提出了在膜层层数较多的规整膜系上叠加少量非规整膜层的膜系设计方法;利用所编写的计算机程序设计几种具有非规整补偿膜层的多腔窄带滤光片.该文研究了光学薄膜的监控方法,提出了一种通过改变被淀积膜系各层膜的过正控制量来提高极值法监控精度的新方法.该文完成了大量薄膜淀积实验,确定了在EBS-26B新型镀膜机上淀积规整或非规整膜系的工艺和控制参数,得出了一些对镀制WDM光纤通信用光学薄膜具有指导意义的结果.

5.期刊论文 项建胜.孟卫华.潘国庆.XIANG Jian-sheng.MENG Wei-hua.PAN Guo-qing 一种红外多光谱成像光学系统设计

-红外技术2009,31(12)

介绍了一种中波段的多光谱成像光学系统,由于窄带滤光片对光线入射角度有严格要求,故在光学系统中窄带滤光片的放置位置尤为重要.光学系统由三部分构成,分别为光束压缩单元、分光单元和成像单元,光线经过光束压缩单元口径压缩,但各个视场仍然保持平行光状态,入射到窄带滤光片上的角度均小于7°,满足窄带滤光片的最小入射角要求,最后经过成像单元成像在制冷型中波探测器上.通过细分光谱可以很好的提高目标识别能力.

6.会议论文 袁宏韬.张责彦 等离子体辅助制备窄带滤光片 2008

研究了采用等离子辅助技术制备窄带滤光片的工艺.介绍了等离子辅助蒸镀系统的基本工作原理,描述了优化膜厚均匀性的过程。在有色玻璃上制备了由多层TiO2和SiO2薄膜组成的窄带滤光片,测试并分析了窄带滤光片的性能.试验结果表明,采用等离子体辅助蒸镀技术能够批量制备具有优良光学性能的窄带滤光片.

7.学位论文 黎明 DWDM固体腔窄带滤光片的研究 2006

窄带滤光片是DWDM光纤通信系统中的关键器件之一，它一般是全介质滤光片，即间隔层与反射层都通过镀制介质薄膜形成，镀制难度高，成品率低，成本高。本文提出的固体腔窄带滤光片的间隔层干涉级次相对较高，可以极大降低镀制难度和成本，而且温度稳定性好。

本文分析了目前各种形式的窄带滤光片，提出采用固体材料作为窄带滤光片的间隔层，从而得到了固体腔窄带滤光片。然后在特性分析、设计优化、膜系灵敏度分析、监控方式和实际镀制工艺等方面对它进行了深入的理论分析和实验研究。

在理论研究方面，首先从电磁场传播的麦克斯韦方程出发，对薄膜的光学特性进行了系统的理论分析。然后讨论了间隔层厚度、反射层的反射率对滤光片光谱特性的影响。给出单固体腔窄带滤光片的设计方法。针对多固体腔窄带滤光片，根据其通带的矩形度与纹波特性提出了膜系设计的评价函数。以多个单腔滤光片的组合规律为基础，编制程序对多腔窄带滤光片进行了自动优化设计，并发现若多腔窄带滤光片各单腔干涉级次不同，可以有效的提高自由光谱范围。最后设计出DWDM系统100GHz多固体腔窄带滤光片。

在实验研究方面，介绍了固体腔窄带滤光片总体制备过程。就光电极值法的监控精度进行了分析，提出了一些提高监控精度的改进方法。分析了工艺因素对薄膜性能的影响，并确定了在南光ZZS700-6/G镀膜机上镀制滤光片反射膜的了工艺参数和工艺流程。最后对研制的单固体腔和双固体腔窄带滤光片进行了光谱特性测试，结果与设计一致。

8.会议论文 袁宏韬.张贵彦 等离子体辅助制备窄带滤光片 2007

研究了采用等离子辅助技术制备窄带滤光片的工艺。介绍了等离子辅助蒸镀系统的基本工作原理，描述了优化膜厚均匀性的过程。在有色玻璃上制备了由多层TiO<,2>和SiO<,2>薄膜组成的窄带滤光片,测试并分析了窄带滤光片的性能。试验结果表明,采用等离子体辅助蒸镀技术能够批量制备具有优良光学性能的窄带滤光片。

9.期刊论文 用于窄带滤光片的离子辅助沉积硅膜层的性能 -西安工业学院学报2006,26(3)

为了简化窄带光学滤波器的结构,需要寻求更高折射率的膜层材料.采用宽束冷阴极离子源的离子束辅助沉积工艺实验,分析了工艺参数与硅膜层折射率之间的关系,获得了对波长1550 nm折射率在3.45～3.46之间、消光系数小于10-6的硅膜层.使用实验得到的硅膜层和二氧化硅组合,设计了有71层膜层、信道间隔为200GHz的光学滤波器,峰值插入损耗0.18 dB,0.5 dB处的波长带宽为0.86 nm,0.25 dB处的波长带宽为1.91 nm,通带波纹系数ξ=0.12 dB,满足国际通信联盟(ITU)对密集波分复用系统(DWDM)用窄带滤波器的要求.

10.学位论文 刘洋 窄带滤光片与相干长度可调准单色光干涉研究 2008

随着半导体材料与器件、光盘技术和微光学、微机械、计算机和信息等产业的发展，表面质量的检测越来越引起人们重视，其中面形误差的检测是表面质量检测的重要内容。激光移相干涉技术是测量光学及半导体零件表面面形最常用的方法，但是在利用这种方法检测双抛光透明平行平板的面形时，将会出现三表面干涉现象，导致测量误差较大。针对这个问题本文提出了一种不对被测表面进行任何预处理且可实现低成本、高精度的测量方法，即使用白光光源和不同带宽的带通滤光片代替激光光源，通过更换滤光片来调节所得准单色光光源的谱线宽度，从而调节其相干长度，实现对不同厚度的双抛平行平板表面面形的测量。

本文介绍了常见的带通滤光片薄膜的设计方方法，其中重点介绍了多半波法布里—珀珞滤光片的台伦设计法，并建立了相应的数学模型。利用所建立的数学模型求解了5nm和10nm带宽窄带滤光片的初始膜系，进而利用薄膜设计软件进行了模拟和优化。在制备薄膜之前，首先选择了TiO2、SiO2作为最佳镀膜材料，然后对其最佳的镀膜工艺参数进行了研究。在此基础上分别镀制了带宽50nm，10nm，和5nm滤光片，并对其透过率光谱和相干长度进行了测量。最后，利用所镀滤光片消除了三表面干涉现象，得到了所需的干涉条纹。

本文链接：/Periodical_jgjs200603005.aspx

授权使用：广东商学院图书馆(gdsxy)，授权号：5e58b2ff-81db-47f0-a281-9e52000332e8

下载时间：2010年12月20日

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/zch1.html