波分复用系统中干涉滤光片的设计.pdf

第!卷#第$期!%&年 月!贵!州!科!学#$%&#()$*+)*!,-./01，+-/2(34/0556收稿日期：0556 752 728作者简介：黄岚，女，电子科技大学中山学院电子工程系助教，从事电子信息类专业教学与研究。黄光周，男，华南理工大学电子与信息学院教授，从事真空与等离子体加工技术等研究。波分复用系统中干涉滤光片的设计黄!岚8，黄光周0，阎!林8，周文辉8（8/电子科技大学中山学院，广东!广州!985555；!0/华南理工大学，广东!广州!985555）摘!要!目前，光纤通信已成为现代通信网的基本组成部分，承载着通信骨干网络的主要传输任务。随着急剧增长的传输容量，人们提出了各种扩大光纤通信容量的技术方案，其中，波分复用技术是目前切实可行并被广泛应用的技术方案。本文就稀疏波分复用滤光片提出了 0 种膜系设计方案，并进行了比较。关键词：波分复用；膜系设计；干涉滤光片；优化算法中图分类号!:+;8!文献标识码!8 751#$%$&()*+)$,+$,$)-$+.$,&)#$&/&$0*+1%0!#$%&()，!#$%*(+,-./*0，1#$&2()，3!4 56(,.*2)（8/#?A3BCDE-F*.3GDB-?G(G3?G3 H?I:3GJ?-.-KE-F)J?H%J-?KCJH?$?CDDLD3，LH?KMJ-L 985555；!0/(-LDJ)J=?H#?A3BCDE-F:3GJ?-.-KE，LH?KMJ-L 985555）23&,2-!)LBB3?D.E，DJ3-4DGH.FN3B G-OOL?GHD-?JHC N3G-O3 DJ3 NHCG 4HBD-F DJ3 O-I3B?G-OOL?GHD-?3D=P-BQ H?I L?I3BDHQ3?DJ3 OH?DBH?COCC-?DHCQ/RDJ DJ3 BH4I 3?JH?G3O3?D-F DBH?COCC-?GH4HGDE，43-4.3 4LD F-B=PHBI AHB-LC D3GJ?-.-KE I3CK?C LC3I D-3S4H?I DJ3 GH4HGDE-F DJ3-4DGH.FN3B G-OOL?GHD-?/:J3 D3GJ?-.-KE-FRTU C-?3-F DJ3C3 I3CK?C H?I JHC N33?PI3.E H44.3I D-DJ3.-GH.HB3H?3DP-BQ H?I*DJ3B?3D?3DP-BQ/:P-G-HD?KI3CK?C HN-LD F.D3BC?DJ3 CECD3O-F)RTU HB3?DB-ILG3I H?I G-O4HB3I?DJC 4H43B/4$/1*,%&!RTU；G-HD?K I3CK?；?D3BF3B3?G3 F.D3B；-4DOMHD-?H.K-BDJO!信息技术的飞速发展带来了信息传输技术的新的革命，光纤通信作为一项全新的通信技术，其发展的速度和潜力在通信史上很少有其他技术与之相比拟。随着人类社会信息化的发展，对通信容量提出了更高的要求，出现的波分用技术大大提高了信号的传输速度和容量。波分复用系统一般被分成2 大类8：密集波分复用（TRTU），波长间隔小于 V?O；稀疏波分复用（)RTU），波长间隔小于 95?O；宽波分复用（RRTU），波 长 间 隔 在 95?O 以 上。与TRTU 系统相比，)RTU 的波长间隔要大得多，典型的波长间隔为 05?O。5!干涉滤光片的设计背景目前，波分复用系统已经在世界各地得到广泛的部署和应用，并且形成了一个迅速成长的全球市场，巨大的市场吸引了世界主要的电信供应商竞相投入大量的资金和技术力量进行研究开发，不断取得重大进展，稀疏波分复用（)RTU）技术已在城域网及以太网中获得了广泛的应用。随着光通信的蓬勃发展，薄膜被广泛应用于光通信器件的制作过程，而且是某些关键器件的主流技术。!#$作为一种经济实用的短距离#$传输系统，在城域网应用越来越受到大家的认可并已经实用化。目前，国际上一些公司已推出!#$相关产品。光纤通信中，以%&!(为中心波长的一段光谱具有低的损耗和色散，所以在信号的传输过程中可以作为非常好的截波信号，得到了广泛的应用。本文讨论的干涉型窄带滤光片正是利用了%&!(波段的光谱特性。图!西伦分析算法程序流程图#$%&!(%)*$+,-.$/%*/-0 干涉型窄带滤光片的膜系设计膜系设计是薄膜技术发展的基础环节之一。对一个多层膜进行设计，涉及到很多膜层结构参数，膜系的光谱特性与这些膜层结构参数之间并没有一个简单的数学关系。实际上，由膜层厚度、折射率、波长所构成的光谱特性是一个高度非线性多峰函数。所以，根据已知的光谱特性，利用此多峰函数求解光学薄膜结构参数则比较困难。膜系设计最早使用的是试凑法，图解法，以后又逐步发展了各种解析设计方法。)*年代后，随着计算机和最优化理论的发展，光学薄膜设计逐渐走向自动设计，各种膜系优化设计方法纷纷涌现，如统计实验法，禁忌探索算法，模拟退火法、遗传算法、进化算法、针法等。本文的讨论内容是设计一个%&!(窄带滤光片的膜系结构，它是以光学玻璃为基板，并选用在%&!(附近透明的介质膜料。我们常见的膜系基本上可以分为+!(大类，一类称为规整膜系，另一类则称为非规整膜系，这种方法是从膜系的结构入手的。规整膜系的设计分析法有多种，我们利用西伦分析法的结论进行%&!(图 0!&11 微米窄带滤光片规则膜系理论光谱特性图#$%&0 2,3)*3+$4/(5634+*7-)8 9%7(/*4)/+$9%)8 9/*):/;3 滤光片非规则膜系光谱特性图#$%&?634+*7-)8$*3%7(/*4)/+$9%8$(+3*+)贵,州,科,学,+-卷,窄带滤光片的规整膜系设计。应用西伦分析法，我们把多半波滤光片分为一连串的对称周期，整个膜系结构分为主膜系及其两侧的匹配膜系，求出各自的等效光纳就可以预知周期的特性。主膜系的等效光纳往往为实数时，对应光谱特性的透射区，它将决定最后的滤光片通带。两侧的匹配膜系是为了使主膜系同基片以及周围空气相匹配，目的是为了减少通带内的次峰，使它们靠得更紧。可选择高折射率材料为!#$%，折射率为#&#%。低折射率材料就选择($#，折射率为)&*+。)&%微米窄带滤光片规整膜系的西伦分析算法程序设计流程图如图)所示，)&%微米窄带滤光片膜系设计结果如图#所示。设计的滤光片膜系层数较多，其通带半宽度小于#,-.，峰值投射率大于/,0，满足稀疏波分复用滤光片的要求。图!中心波长放大图#$%&!()*+%,-$*%+*./0 1,(2+*)3*4,),(%25)&%!.窄带滤光片的非规整膜系可采用自动优化法进行设计。利用自动优化法设计的滤光片具有优良的光谱性能，因此本文还讨论了采用遗传算法来进行膜系的优化设计。遗传算法（12-23(4 56789(3:.，15）#是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法。遗传算法本身与研究的问题无关，只需要一个适应函数，不需要对变量之间其他数学关系的描述，尤其适用于处理传统搜索方法难以解决的非线性问题。遗传算法的初始方案是随机产生的，计算过程与初始方案无关。故遗传算法专门应用于膜系设计时，膜系设计的结果不依赖于膜系初始结构的提出。在折射率材料的选择过程中，我们综合考虑了材料的透明度，折射率，机械牢固度和化学稳定性等，最终选择了!#$%作为高折射率材料，($#作为低折射率材料。图;给出了遗传算法设计出的)&%!.窄带滤光片的透射率光谱特性曲线。图*是图;的中心波长放大图。滤光片的半峰宽约为),-.，中心波长)%,-.处的峰值透射率接近),0，截止区的最高透射率不超过)%0。由图;可以看出由遗传算法设计的)&%!.滤光片具有优良的光谱性能，虽然膜系层数较少，但膜图 6 最终设计的滤光片的光谱特性图#$%&6 78,12+9./0 0$(*)-,:$%(,-0$)2,+图;中心波长放大图#$%&;()*+%,-$*%+*./0 1,(2+*)3*4,),(%25;/;期 黄 岚，等：波分复用系统中干涉滤光片的设计系结构相对复杂。另一方面，经过遗传算法优化的膜系是非规整膜系，各膜层的光学厚度并不是中心波长的整数倍，故可对由遗传算法设计的!#!$滤光片的膜系结构进行规整化的处理和匹配膜系的添加。最终的结果如图#所示，图%是图#的中心波长放大图。由这两幅图可看出，中心波长完全没有偏移，并且在中心波长!#&$处的峰值透射率约为&(，接近!。半峰宽约为!&$，透射率&)处的带宽约为!*$，透射率&!处的带宽约为)*$，截止区的最高透射率不超过!#+，设计结果较为理想，完全可用作稀疏波分复用系统中的窄带滤光片。参考文献!,卢桦，管健 稀疏波分复用与密集波分复用的比较-通讯世界，)&)，.：/)0/#),周明，孙树栋 遗传算法原理及应用 1 北京：国防工业出版社，!(2,查新来 光纤通信与未来发展方向-西安邮电学院学报，!(#，!：2(0/)/,纪越峰 光波分复用系统 1 北京：北京邮电大学出版社，!(#,庄松林 第十一届全国光学薄膜学术交流会论文集3 上海：光学仪器杂志社，)&!%,刘梦夏，强西林 光学薄膜系设计方法及其发展趋势-西安工学院学报，)&，)&（2）：!(/0!(.,张麟，朱玲心，范滨 微型低温红外带滤光片的研制-光学仪器，!(*，)&（#）：22 02%*,张道中，李兆霖，程丙英 杂乱层厚的多层介质膜干涉滤光片-量子学报，!(%，#：/!2(,钟迪生，石玉珠 四分之一膜堆非等厚干涉滤光片的设计-辽宁大学学报，!(*，)#（2）：)#(0)%/!&,严义陨，朱玲心，张麟，等/)%微米窄带滤光片，45专利号：(#)/*%)(!,周健，林永昌，顾永琳 一种新的膜系设计方法及其发展趋势-西安工业学院学报，)&，6666666666666666666666666666666666666666666666)&（上接第%#页）水土流失面积的扩大，才能使土地资源利用得到良性发展。参考文献!,江兴龙，马兰 贵州坡地水土保持配套技术与策略探析-邵阳学院学报（自然科学版），)&/!（!）：!&0!),袁春，周常萍，等 贵州土地石漠化的形成原因及其治理对策-现代地质，)&2!.（)）：!*!0!*#2,聂朝俊，罗扬 浅谈贵州省石漠化治理的基本思路和对策-贵州林业科技)&2*/,朱安国，林昌虎 山区水土流失因素综合研究 1 贵阳：贵州科技出版社，!(#,周政贤，毛志忠，等 贵州石漠化退化土地及植被恢复模式-贵州科学，)&)2%,姜德文 以生态修复为指导思想的水土保持技术路线探讨-水土保持通报，)&/)/（%）：*%0*(.,苏维词，朱文孝，等 贵州喀斯特山区的石漠化及其生态经济治理模式-中国岩溶，)&)!（!）*,张殿发，王世杰，等 贵州省喀斯特地区土地石漠化的内动力作用机制-水土保持通报，)&!)!（/）(,涂成龙，林昌虎 等 黔中石漠化地区生态恢复过程中土壤养分变异特征-水土保持通报)&/)/（%）：)0)#!&,赖兴会 云南的石漠化土地及其治理策略-林业调查规划，)&).（/）：/(0#!,李秋梅，张显双 吉林省水土保持生态修复存在的问题及对策-)&/（!）：!&0!/.贵,州,科,学,)/卷,波分复用系统中干涉滤光片的设计波分复用系统中干涉滤光片的设计作者：黄岚，黄光周，阎林，周文辉，HUANG Lan，HUANG Guang-zhou，YAN Lin，ZHOUWen-hui作者单位：黄岚,阎林,周文辉,HUANG Lan,YAN Lin,ZHOU Wen-hui(电子科技大学中山学院,广东,广州,510000)，黄光周,HUANG Guang-zhou(华南理工大学,广东,广州,510000)刊名：贵州科学英文刊名：GUIZHOU SCIENCE年，卷(期)：2006，24(3)被引用次数：0次 参考文献(11条)参考文献(11条)1.卢桦.管健 稀疏波分复用与密集波分复用的比较期刊论文-通讯世界 2002(07)2.周明.孙树栋 遗传算法原理及应用 19993.查新来 光纤通信与未来发展方向 1995(01)4.纪越峰 光波分复用系统 19995.庄松林 查看详情 20016.刘梦夏.强西林 光学薄膜系设计方法及其发展趋势期刊论文-西安工业学院学报 2000(03)7.张麟.朱玲心.范滨 微型低温红外带滤光片的研制 1998(05)8.张道中.李兆霖.程丙英 杂乱层厚的多层介质膜干涉滤光片期刊论文-量子学报 1996(05)9.钟迪生.石玉珠 四分之一膜堆非等厚干涉滤光片的设计 1998(03)10.严义陨.朱玲心.张麟 4.26微米窄带滤光片11.周健.林永昌.顾永琳 一种新的膜系设计方法及其发展趋势 2000 相似文献(9条)相似文献(9条)1.学位论文 林军 基于遗传算法的1.55微米窄带滤光片的设计与工艺研究 2002 1.55m窄带滤光片是DWDM系统的关键技术之一,但国内的研究甚少,目前其技术与产品均为国外少数公司垄断.研究1.55m窄带滤光片,对推动中国的DWDM技术的发展有重要意义.该文在系统地学习和掌握光学薄膜理论的基础上,提出了两套1.55m窄带滤光片的设计方案.一种方案是基于解析法的规整膜系设计方法,另一种方案为基于膜系自动设计的非规整膜系设计方法.该文采用的是基于遗传算法的膜系自动设计,它包含两方面的内容,一是评价函数的构建,二是函数的最优化方法.2.学位论文 黄岚 CWDM中1.55微米窄带滤光片的设计和制备 2004 该文简要的介绍了光学薄膜的理论基础,讨论了膜系的特征矩阵.通过它可以知道膜系的光谱特征,包括透射率,反射率,反射系数等光学参数.对单层膜系和多层膜系的分析和计算通常都是通过计算膜系的特征矩阵进行的.在系统的学习和掌握光学薄膜的理论基础上,该文提出了1.55微米窄带滤光片的设计方案.第一种方案是基于规整膜系的.规整膜系的分析设计方法有多种,史密斯分析法和西伦分析法是两种计算和分析多半波滤光片的有效方法,在这次规整膜系的设计过程中得到了很好的应用.但是采用规整膜系方法设计的1.55微米窄带滤光片,膜系结构复杂,层数较多,对于具有较高需求的膜系设计有困难.第二种方案是基于非规整膜系的,并采用遗传算法进行了膜系的自动优化设计.由遗传算法设计的1.55微米窄带滤光片具有优良的光谱性能,并且膜系层数较少.但是由于各膜层的光学厚度并不是1/4中心波长的整数倍,所以在薄膜的镀制方面存在困难.考虑到工艺的限制,该文对设计的1.55微米窄带滤光片的非规整膜系进行了规整化的处理和匹配层的添加,使之既具备自动优化设计的膜系层数较少,光谱性能较好的特点,又具备规整膜系的制备操作简单,易于实现的特点.在薄膜的镀制工艺方面,该文分析了几种主要的工艺因素在镀制过程中对薄膜性质的影响,并且拟定了各种工艺的参数.1.55微米窄带滤光片是在ZZX-500真空镀膜机上镀制的,并应用了光学薄膜度实时监控系统.实验测试结果表明,成品的光谱特性和理论计算基本吻合,误差在允许范围之内,镀制实验比较成功.对于引起实测成品的光谱性能变化的因素,文中作了比较详细的分析和研究,并且提出了匹配膜系在1.55微米窄带滤光片光谱性能改变中的作用.最后,该文对薄膜镀制实验中应该注意的问题和待改进的地方作了一些说明.3.期刊论文 顾培夫.白胜元.李海峰.章岳光.刘旭.唐晋发 密集型波分复用薄膜干涉滤光片的设计-光学学报2002,22(7)介绍了波分复用系统对薄膜干涉滤光片的基本要求,为了满足这些要求,一方面需要精心选择基板和薄膜材料,另一方面要寻找性能优良、制造容易的膜系.文中提出了二种适宜于设计这种滤光片的方法.4.学位论文 周保青 DWDM用介质膜系的膜厚监控方法和监控系统研究 2002 随着通信量的激增,特别是1P的巨大业务量,使得光纤通信的数据传输量正在迅速地增长,对传输信道的带宽要求也越来越高,WDM技术也就应运而生了.对于应用于中心波长为1550nm的密集波分复用DWDM滤光片的高性能、高精度光学薄膜,可能由数十层、上百层光学薄膜构成.要求镀膜技术人员在成膜设备、薄膜材料、成膜手段、膜系设计上作深入地研究开发,才有可能实现,而其中关键技术是膜厚监控系统.华南理工大学电子通信工程系实验室从北京仪器厂购回的镀膜机zzsx-500带有一套膜厚控制系统,但其存在着许多缺陷,基本上不能用于DwDM用滤光片的膜厚监控.该文从薄膜及膜厚控制理论出发,指出了将控制波长范围为400-700nm的膜厚监控系统用于监测中心波长为1550nm的DWDM滤光片的光学薄膜的方法-高级次控制法.5.学位论文 赵兴梅 长波通滤光片的研究 2003 当前1310/1550nm双波段窗口的波分复用器(WDM)器件在光纤通信中应用非常广泛.因此其具有广阔的市场和应用前景.长波通滤光片是WDM的重要组成部分,它的性能直接影响WDM的质量.该文通过简单地介绍长波通滤光片在波分复用器(WDM)中的作用及工作原理,引出了长波通滤光膜的研究目的和意义.结合具体的膜系详细地阐述了薄膜的基本原理和薄膜形成的微观过程.并且重点介绍了长波通滤光膜的膜层材料的选取、膜系设计和制作工艺.最后对结果进行分析.6.期刊论文 俞侃.刘文.黄德修.YU Kan.LIU Wen.HUANG De-xiu 角度调谐滤光片特性分析及膜系设计-光子学报2008,37(6)对窄带滤光片的倾斜入射特性作了分析.斜入射时其透射通带和峰值会向短波方向移动,透射曲线的稳定性跟滤光片的间隔层结构相关,多腔间使用相同的间隔层可以保证斜入射时有稳定的峰值透射率和带宽,利用该特点可以制备角度调谐窄带滤光片.透射光S和P偏振分量的中心波长随入射角度的增大出现分离现象,产生较大的偏振相关损耗.通过搭配不同厚度的高低折射率材料作为间隔层,改变其有效折射率,使其两个偏振分量的中心波长实现重合.设计了符合密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)系统要求的低偏振相关损耗四腔窄带角度调谐滤光片膜系,其可调谐范围达20nm以上,并评估了所设计角度调谐滤光片的调谐性能.7.学位论文 汤玮 光纤通信用几种薄膜的光学特性及工艺研究 2001 光学薄膜技术在DWDM光传输系统的迅速发展中起到了重要的推动作用.该文对在DWDM光传输系统中用做复用和解复用器的全介质窄带干涉滤光片以及涂覆于光放大器腔面和BK7玻璃表面的增透膜的膜系设计和镀制进行了理论上和实验上的研究.8.期刊论文 陈兵.付秀华.CHEN Bing.FU Xiuhua 1571nm超窄带干涉滤光片的研制-长春理工大学学报（自然科学版）2009,32(2)针对现代光通信中的核心元件之一-密集型波分复用系统中极窄带光学薄膜干涉滤光片的指标要求,在WMS02基片上研制中心波长为1571nm,-0.5dB(透过率为89.12%)带宽大于0.25nm,-25dB(透过率为0.32%)带宽小于1nm的超窄带干涉滤光片.根据薄膜设计理论采用四分之一波长的规整膜系进行膜系设计.应用离子辅助真空镀膜技术,选用Nb2O5/Ta2O5和SiO2氧化物硬质薄膜材料进行实验,重点解决了膜厚均匀性的问题,制备出符合使用要求的滤光片.9.学位论文 彭维清 1.55微米窄带滤光片的研究与制备 2003 该文首先介绍了波分复用系统原理以及波分复用技术的特点,并且比较了几种重要的波分复用无源器件的特点.采用光学薄膜理论和自动优化方法设计介质窄带干涉滤光片以及实验镀制是该论文研究的重点.该文在系统地学习和掌握光学薄膜理论基础上,对多层介质薄膜的规整膜系和非规整膜系设计方法进行了阐述.在实践方面,先是采用了遗传算法设计了一套基本符合要求的层数较少的膜系,然后通过将其规整化,使之适于在现有的实验条件和设备中镀制,再根据法布里-珀珞双半波滤光片的原理,通过在膜系上面加镀匹配膜系,使设计出的窄带滤光片具有较好的光谱特性.该设计结果结合了规整膜系和自动优化设计两者的优点,既具有自动优化设计的膜层数较少的优点,又具备规整膜系的制备操作简单的特点.该文通过计算机模拟,对基于上述方法设计的结构相同,层数相近的几种方案进行了了制备、实验结果分析和比较.实验是在ZZSX-500真空镀镆机上进行的.试验测试结果表明,镀制试验是成功的.最后,该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.本文链接：http:/