薄膜光学技术-2-5要点课件.ppt

1、2课堂论题九课堂论题九o 全介质规则膜系及其应用：全介质规则膜系及其应用：o o 1）反射镜、激光谐振腔 ( LH )S o o 2）中性分束镜 G/ (HL) 8 /G、 G/2LHLHL/Ao o 3）截止滤光片o o 4）带通滤光片 o G/(HL)m2H(LH)m/Ao G /（HL）m2H(LH)2mL2H（LH ）m /Go A/LHLH760LHLHLHLH760LHLHLHLH760LHLHL/A LLH2222SSHHL、mL32H32L32 3带通滤光片的特性参数带通滤光片的特性参数 2 0 1 2 2maxTmax21TT 0（峰值波长）中心波长（峰值波长）中心波长T m

2、ax（峰值透射率）（峰值透射率）中心波长的透射率中心波长的透射率2（通带宽度）通带宽度）透射率为峰值透射率一半的波长宽度透射率为峰值透射率一半的波长宽度2/ 0相对宽度相对宽度4o 长波通长波通+短波通短波通 这种结构得到的光谱特性是：可以获得这种结构得到的光谱特性是：可以获得较宽较宽的的截止带和较深的截止度，但不容易获得很窄的通带，截止带和较深的截止度，但不容易获得很窄的通带，所以常用于获得所以常用于获得宽带通宽带通滤光片。滤光片。 o F-P干涉滤光片干涉滤光片 光谱特性是：可以获得很光谱特性是：可以获得很窄的通带窄的通带，但截止带，但截止带宽度通常也比较窄宽度通常也比较窄, 截止度也不深

3、，截止度也不深，所以大多数情所以大多数情况下都需要配合使用截止滤光片来拓宽截止带和增况下都需要配合使用截止滤光片来拓宽截止带和增加截止深度。加截止深度。带通滤光片的两种结构形式：带通滤光片的两种结构形式：52.5.1 F-P2.5.1 F-P干涉仪和窄带滤光片干涉仪和窄带滤光片 o 1. F-P1. F-P干涉干涉仪仪020sin1IFTI由两个反射率为由两个反射率为R1，R2，间隔为，间隔为d的的反射板组成，反射板组成，透射光强的空间分布为：透射光强的空间分布为：122()/2nd 22121RR1RR4F 的的反反射射相相移移，是是对对应应于于212, 1RR 221210)1(RRTTT

4、 其中其中：为间隔层厚度nd262. 全薄膜全薄膜F-PF-P干涉干涉仪仪o 包括间隔层在内的所有功能元件全部由薄膜组成。包括间隔层在内的所有功能元件全部由薄膜组成。例例:G(HL):G(HL)8 8 2H (LH) 2H (LH)8 8 G. G.o 全薄膜全薄膜F-PF-P干涉仪与空气间隔的干涉仪与空气间隔的F-PF-P干涉仪的唯一区干涉仪的唯一区别别: :两反射板之间的两反射板之间的间隔层厚度间隔层厚度与波长同量级与波长同量级, , 即：即： NdNd 。72.5.2 2.5.2 基本原理和特性参数基本原理和特性参数 o 窄带通干涉滤光片就是窄带通干涉滤光片就是F-P干涉仪。干涉仪。o

5、窄带通干涉滤光片的透射特性：窄带通干涉滤光片的透射特性：o 其中：其中： -通带中心透过率通带中心透过率 / 最大透过率最大透过率200sin1FTIIT21max221221210,)1 ()1 (RRRTRTTRRTTT1. 1. 最大透射率最大透射率 8影响影响 的因素：的因素：o a. 如果：如果： 吸收和散射均为零，而且吸收和散射均为零，而且 R1 = R2 ， 那么那么 T0 = 1 ;o b. 如果：吸收和散射均为零，但是，如果：吸收和散射均为零，但是，R1R2 ， 那么那么 T0 1 , ;0T 120TTfT 0T5.0121312TT9两个反射膜的不对称性对峰值透射率的影响

6、两个反射膜的不对称性对峰值透射率的影响 如果：吸收和散射均为零，但是，如果：吸收和散射均为零，但是，R1R212max212(1)T TTR R1111max2211111121()()(1()(11/)()111(/)2T TT TTR RRRT TRR如果/R1足够小，则可以只取展开式的前两项，稍加整理即得：211max22111/1(1)(1/)2TTTRT反射膜不对称对法布里珀珞滤光片峰值透射率的影响 21RRR 10影响影响 的因素：的因素：o C.如果反射膜有吸收、散射损失，假定反射膜仍是如果反射膜有吸收、散射损失，假定反射膜仍是完全对称的，用完全对称的，用R12、T12和和A12

7、分别表示两反射膜分别表示两反射膜的反射率、透射率以及吸收和散射损失。由于的反射率、透射率以及吸收和散射损失。由于R12+T12+A121，峰值透射率可以写成：，峰值透射率可以写成：o 这说明这说明 ：反射膜的反射膜的透射率愈低透射率愈低或或吸收、散射吸收、散射愈大，愈大，则峰值透射率愈低则峰值透射率愈低 A+S 0.5% , R 98.8% , T max 50% ;A+S 1% , R 98.8% , T max 30% .0T221212max22212121212121(1)()(1/)TTTRTAAT这也足以说明FP滤光片对膜层的吸收、散射损失是极其敏感的。对于金属介质法布里珀珞滤光片

8、，由于金属反射膜的固有吸收，这种滤光片的峰值头射率不可能做得太高，一般以3540为宜 112.通带中心波长通带中心波长 - 透射率极大值的位置透射率极大值的位置o 由由 当当 时，时， 由间隔层厚度确定。由间隔层厚度确定。o 注意：注意： a. m 是以是以 为单位的间隔层厚度；为单位的间隔层厚度； b. m 也是该滤光片可产生的窄通带的个数。也是该滤光片可产生的窄通带的个数。knd22210 2knd2210 ,.)3 , 2 , 1m( ,m2k21 2mnd0 0 020 200sin1FTIIT123. 通带宽度通带宽度由定义：由定义：可推得：可推得：显然：显然： a. R1 、 R2

9、 越高，通带越窄；越高，通带越窄； b. 提高提高 m 数（增加间隔层的厚度），通带将变窄。数（增加间隔层的厚度），通带将变窄。 2122 021T21TT RRmRRRRm21sin221sin221021211021RRR 但是，一般情况下m不大于4。132.5.3 不同膜系结构的带通滤光片不同膜系结构的带通滤光片o 1. “金属金属-介质介质”型型 G / Metal 4L Metal /G G /Metal 4L Metal /A特点特点: a. 在通带以外的长波区无透射次峰在通带以外的长波区无透射次峰; b. 通带较宽通带较宽 ; c. 中心透过率较低中心透过率较低 ; d. 制造制

10、造工艺简单。工艺简单。 50120 %400T14K9/Ag(2.3nm)MgF2(560nm)Ag(2.3nm)/A152. 全全“介质单半波介质单半波”型型o G/ ( HL )m k ( 2H ) ( LH )m /Go G/ ( HL )m H k ( 2L ) H ( LH )m /Go 特点特点: a. A, S 很小很小, R1 , R2 很高很高, b. 通带波形近似为三角形通带波形近似为三角形; c. 通带两侧截止区很窄通带两侧截止区很窄; d. 制造制造工艺工艺难度难度较较大大.%90T0 500120 反射膜反射膜/半波间隔层半波间隔层/反射膜反射膜16全介质滤光片的带宽

11、 122212124R4F(1R )T如果两个反射膜对称，而且反射率足够高，则如果两个反射膜对称，而且反射率足够高，则10122T2sinm2xxHL2H LHxxH LH2L HLH当层数给定时，用高折射率层作为最外层将得到最大反射率，当层数给定时，用高折射率层作为最外层将得到最大反射率，所以，实际上只有两种情况需要考虑即所以，实际上只有两种情况需要考虑即 212110RR2RR1sinm22171）. 对于高折射率间隔层的情况对于高折射率间隔层的情况 xxHL2H LH当层数足够多时 112212xHGxLHnnnnY1221212124121244411xHGxLHHHnnnnYTnYn

12、YR高折射率间隔层时的带宽： 1220122042arcsin22xHGxLGxHxLnmnnnnnmGxHxLnnnY221221212212121211HHHHnYnYYnYnR10122T2sinm2182).对于低折射率间隔层的情况对于低折射率间隔层的情况 当层数足够多时 112212GxLxHLnnnnYxHGxLLLLnnnYnTYnYnR2121212124121244411高折射率间隔层时的带宽： xxH LH2L HLHGxLXHGHxLxHnnnnnnnY122212121221212212121211LLLLnYnYYnYnRxHGxLGxHxLnmnnnnnm21202

13、12042arcsin2210122T2sinm219应当注意：应当注意：在上述公式中，我们完全略去了多层反射膜反射相移的色散影响，认为在通带内它们是常数，并且其值为0或，实际上反射相移并不是常数，考虑到相移色散的影响 HLHLL(NN )(NN )N /m对于高折射率间隔层对于低折射率间隔层2x0LgHL2x 1LHHL4NN(NN )2NmN(NN)m2x-10LgHL2xLHHL4NN(NN )2Nm N(NN)m20全介质带通滤光片-单半波G/HLHLHLHLH2HLHLHLHLH/AG/(HL)x2H(LH)x/A21G/HLHLHLHL2LHLHLHLHLH/AG/H(LH)x2L

14、(HL)xH/A223. 全全“介质多半波介质多半波”型型o “多半波多半波”是指膜系中有多个是指膜系中有多个0/2 间隔层。间隔层。o 双半波型双半波型: G HL2H(LH)2L2HLH G G LH2L(HL)3H2LHLH Ao 三半波型三半波型: G LHL(LHLHLHLHL)2LHL Ao 五半波型五半波型: G LHL(LHLHLHL)4LHLHL Ao 特点特点: 半波长间隔层数越多，波形越接近矩形，半波长间隔层数越多，波形越接近矩形，但通带半但通带半宽度不变。宽度不变。反射膜反射膜/半波间隔层半波间隔层/反射膜反射膜/半波间隔层半波间隔层/反射膜反射膜23G/HLH2LHL

15、HLH2LHLH/A24G/0.5H2LHLHLH2LHL0.5H/A25020406080100500520540560580600单半波与双半波滤光片光谱曲线% TransmittanceWavelength (nm)26 由于全介质由于全介质多层反射膜只在有限的区域是有效的，因此多层反射膜只在有限的区域是有效的，因此滤光片透射率峰值的两边会出现旁通带滤光片透射率峰值的两边会出现旁通带。在大多数应用中，。在大多数应用中，必须将它们抑制掉。必须将它们抑制掉。 短波旁通带短波旁通带只要在滤光片上叠加一块长波通吸收玻璃滤只要在滤光片上叠加一块长波通吸收玻璃滤光片便很容易去掉，但是很不容易得到短波

16、通吸收滤光片。光片便很容易去掉，但是很不容易得到短波通吸收滤光片。有些可供利用的吸收滤光片虽然能有效地抑制长波旁通带，有些可供利用的吸收滤光片虽然能有效地抑制长波旁通带，但因其短波方面的透射率太低，大大降低了整个滤光片的峰但因其短波方面的透射率太低，大大降低了整个滤光片的峰值透射率。值透射率。 解决这个问题的最满意的办法是，干脆不用吸收滤光片，解决这个问题的最满意的办法是，干脆不用吸收滤光片，而是将诱导透射滤光片作为截止滤光片使用。由于诱导透射而是将诱导透射滤光片作为截止滤光片使用。由于诱导透射滤光片没有长波旁通带，而且其峰值透射率可做得很高滤光片没有长波旁通带，而且其峰值透射率可做得很高(8

17、0%(80%左右左右) )，所以它们用在这种场合是非常成功。，所以它们用在这种场合是非常成功。 通常将构成最后的滤光片的三个组件胶合成一个整体通常将构成最后的滤光片的三个组件胶合成一个整体 。274. “诱导诱导”型型o “诱导诱导”-依靠金属层两侧的介质膜系依靠金属层两侧的介质膜系, 使金属层使金属层的潜在最大可能透射率被诱发出来。的潜在最大可能透射率被诱发出来。o G HLHLH 1.75L Ag 1.75L HLHLH Go 也可以视作也可以视作: Ag层代替两个间隔层之间的反射膜的层代替两个间隔层之间的反射膜的双半波窄带通滤光片。双半波窄带通滤光片。o 特点特点: a. 金属层的吸收比

18、其只处在单一介质中时低的多；金属层的吸收比其只处在单一介质中时低的多；b. 没有长波透射次峰没有长波透射次峰。%80T0反射膜反射膜/半波间隔层半波间隔层/反射膜（金属层）反射膜（金属层）/半波间隔层半波间隔层/反射膜反射膜28G/HLHLH1.75LAg1.75LHLHLH/A292.5.4 NBPF的应用的应用DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing密集波分复用密集波分复用）;CWDM（Coarse Wavelength Division Multiplexing稀疏波分复用稀疏波分复用）30 DWDM超窄带滤光片的设计要求超窄带滤光片的设计要

19、求 在光通信中，各个波长的透射率用损耗（在光通信中，各个波长的透射率用损耗（dB）给出，）给出，它和透射比它和透射比T 的关系是的关系是= -10lgTo 中心波长和峰值插入损耗中心波长和峰值插入损耗 根据国际通信联盟（根据国际通信联盟（ITU）的规定）的规定，DWDM系统系统对对200GHz的滤光片，其峰值插入损耗要求的滤光片，其峰值插入损耗要求| | 0.3dB；对；对100GHz的滤光片，其峰值插入损耗要求的滤光片，其峰值插入损耗要求| | 0.5dB。它。它们对应的滤光片的中心波长的透射率分别为们对应的滤光片的中心波长的透射率分别为98%和和93% 。 o 通带宽度通带宽度 要求窄带滤

20、光片的通带波形为矩形。要求窄带滤光片的通带波形为矩形。p 通带波纹系数通带波纹系数1.应用于光纤通信应用于光纤通信DWDM 系统的系统的超窄带滤光片超窄带滤光片maxmin31用于用于DWDM系统的系统的F-P干涉滤光片大多数采用干涉滤光片大多数采用:66777766G/()2() ()2() ()2() ()2() /H L H LHLH LH L H LHLH LH L H LHLH LH L H LHLHA2.06Hn1.45Ln Gn1.52 DWDM超窄带滤光片超窄带滤光片119层四半波滤光片四腔型滤光片双半波滤光片的一种基本结构32 性能指标：中心波长的峰值插入损耗为性能指标：中心

21、波长的峰值插入损耗为-0.11dB, 通带带宽为通带带宽为0.87nm, 截止带带宽为截止带带宽为1.99nm, 通带波纹系数近似为通带波纹系数近似为0。332.应用于光纤通信应用于光纤通信 DWDM 系统的光学系统的光学梳状滤波器梳状滤波器o Interleaver是一种可把一列频率间隔为是一种可把一列频率间隔为f 的光信号的光信号分成两列频率间隔为分成两列频率间隔为2f 、并分别从两个信道输出的、并分别从两个信道输出的光信号光学梳状滤波器光信号光学梳状滤波器.按照Fabry-Poret干涉原理，如果石英玻璃的光学厚度为nd，K是其两侧膜层反射率决定的系数，那么： 通带是一系列对应整数序列m

22、=1、2、3、4、5、， 中心频率为 mc 2ndm通带宽度为 12/2nd=2cRkcndR通带间隔为 1/ 2ndmmc. 反射带是：一系列中心频率、通带带宽、通带间隔与高透射率带簇互补的高反射率带簇。即：F-P干涉型梳状滤波器的通带和反射带就像梳状镜子一样将整个频段一分为二。342.应用于光纤通信应用于光纤通信 DWDM 系统的光学系统的光学梳状滤波器梳状滤波器 中国专利中国专利 ZL01240367.9 采用间隔层为熔融石英的薄膜采用间隔层为熔融石英的薄膜F-P腔作为基本单元进行三腔叠加设计了梳状滤波器。腔作为基本单元进行三腔叠加设计了梳状滤波器。 A/LHLH760LHLHLHLH760LHLHLHLH760LHLHL/A o H-Ta2O5-2.1 L-SiO2-1.4435 性能指标是：在性能指标是：在1525nm-1565nm波段有波段有10个反射个反射通道和通道和10个透射通道，相邻通道的间隔是个透射通道，相邻通道的间隔是4nm，相邻通道隔，相邻通道隔离度是离度是29dB，峰值插入损耗，峰值插入损耗0.5dB。 36放大的单通道波形放大的单通道波形:373 . .应用于隔离红外和紫外辐射的应用于隔离红外和紫外辐射的护目镜护目镜o G/HAg2HAg2HAgH/AG/HAg2HAg2HAgH/A