文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
WDM薄膜滤光片和分束器的设计与制造研究
姓名:李晓平
申请学位级别:博士
专业:物理电子学
指导教师:易新建
20050429
摘要
薄膜技术是光电领域的关键技术之一。本文对波分复用(WDM)系统中四种主要
类型滤光片的光谱特性、膜系的优化设计、误差分析、膜厚监控方式和镀制工艺等方面
进行了深入的理论分析和实验研究。各类滤波片的设计和制造技术是光信息科学利用最
广和难度最高的领域之一。
本文的创新点如下:
(1) 建立了一套完善的薄膜误差分析与镀膜过程模拟方法。Monte Carlo 模拟能够得
到膜系所要求的膜层厚度控制精度范围,膜系的相对灵敏度分析可以指明每层膜对误差
要求的苛刻程度;膜厚光学监控过程模拟能够显示镀膜过程能否完成,膜系的导纳图绘
制与分析能够得到极值法监控时膜层之间可能的补偿关系。整套较完善的误差分析方
法,对其他光学薄膜的分析有普适意义。实验表明:理论分析与实际相符。
(2) 研究、制定了几种薄膜分束器膜层制备过程中膜厚的控制策略。窄带滤光片的
膜厚控制采用的是一种混合的监控方法:用极值法监控反射层和间隔层,用石英晶振法
监控耦合层,石英晶振法与光度法结合控制外层的增透层;若仅采用极值法监控,无法
达到 WDM 滤光片的技术指标。干涉截止滤光片(Edge Filter)和薄膜偏振分束器(PBS)采
用极值法监控,在不改变实际膜系结构条件下,通过转换监控波长,将含有规正膜层的
膜系结构全部转换为相应的非规正膜层。变换后的膜层的相对灵敏度只有变换前的十分
之一,大大提高了薄膜制备的成品率。
(3) 研究并改进了 Leybold APS1104 镀膜机的光学监控单元,使监控光源的带宽小
于 nm,通过优化计算和多次实验,选择了合适监控光带宽和强度。
(4) 深入研究了窄带滤光片的测试方法,并建立了测试系统。将原来只具备手动功
能的仪器 Agilent8164A 光波测试仪,通过集成变为窄带滤光片的自动测量系统。和其他
测量系统相比,测量精度达到±1 pm,测试速度可提高数倍,而且操作简单。测试系统
不仅可以测试窄带滤光片,而且可对光通信领域 1550 nm 波段的光信号进行测量。
(5) 深入研究了一种小尺寸、高消光比、高截止度的薄膜 PBS 分束器的设计与制造
I
工艺。良好的薄膜设计与制备,使器件有高消光比、高截止度;合理的冷加工工艺,使
棱镜有合格的机械尺寸;独特的监控光路,优化的在线胶合工作台,保证了入射光与出
射的 S 光和 P 光三条光线平行度小于 30 秒。
本文设计、制造了密集波分复用(DWDM) 4 腔 100GHz 窄带滤光片,9 腔稀疏波分
复用(CWDM)窄带滤光片,几种 1315 nm/1550 nm 波段的干涉截止滤光片和薄膜 PBS 分
束器。得到的几种 WDM 薄膜元器件,技术指标均在先进行列,其中 PBS 分束器,以
往文献中未见报道。对 Ta2O5、Nb2O5、SiO2、VO2 和 ITO 薄膜的各种制备手段进行了讨
论,探讨了材料掺杂和薄膜后退火技术在制备 WDM 窄带滤光片的作用。
关键词:光电薄膜波分复用滤光片分束器误差分析
II
Abstract
Film technology is very important in the Optoelectronic field. From the points of the
spectrum characteristics of the optic film, optimum design of the multi-layer film, error
analyses of the film, monitoring method and the actual coating technology, detailed
theoretical analyses and experimental research have been done for the four key types of filter
used in WDM system. The design and manufacture of the various filters are the most useful
and difficult technology in the field of optical information science.
The main contributions of this thesis are listed as f