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光学薄膜设计及其在光波分复用系统中的应用

白胜元  
【摘要】: 为了适应投影显示、光通信等行业对光学薄膜设计的要求,本文研究了光学薄膜的优化 设计方法,设计了光通信系统中难度较大的几种薄膜,探讨了光学薄膜的光学稳定性,主要 涉及以下几个方面内容: 1.光学薄膜全局优化方法的探讨。本文应用了填充式修正函数进行了光学薄膜全局优 化设计的研究,在减反射薄膜、分光膜的实践中得到了良好的结果,并且发现在给定层数的 情况下总光学厚度最小的极值点对应的评价函数最小。在Needle优化方法的实现中,探讨 了局部优化方法、局部优化方法参数设定、Needle方法初始解、P函数搜索精度和膜厚增加 的方法对Needle方法计算效果的影响。通过实验以及理论分析我们发现:局部优化方法的 有效性和收敛速度快慢直接影响整体的优化速度和效率,在光学薄膜的优化中变尺度法的 BFGS比例因子法效果最好。P函数搜索精度对最终优化结果的影响不大。总的来说初始厚 度越大,最后得到的结果的总厚度也越大,一般而言性能也越好。但是不同形式的初始结构 的效果也不同。对于减反射薄膜来说,iH形式的初始结构的效果最好。在Needle方法陷入 局部极小值点时,可以运用增加总厚度的方法来使优化过程不断地进行下去。一般采用增加 薄膜中某一层的厚度。我们实验的三种增加膜厚的方法都能够使优化不断地进行下去,差别 只是在于计算效率的高低。总的来说,评价函数最小的增厚方法效果最好,计算速度最快。 2.在光通信系统中,对光学薄膜的设计问题进行了深入的讨论。本文总结了波分复用 滤光片的各种设计方法,运用带宽调整、通带波纹的减小和通带群延迟波纹减小的方法设计 出了50GHz的波分复用滤光片膜系。并且设计了一个反射式的相位补偿器,显著地减小了 通带内的群延迟波纹。在EDFA增益平滑滤光片的设计中,运用了Needle方法设计得到了 满足要求,平整度误差在±0.3dB的滤光片。在红外高透过率透明电极的设计过程中,运用 Drude模型对ITO的复折射率进行拟合,理论计算和实测曲线的误差在1%以下,然后借鉴 金属诱导滤光片的设计思想,设计、制备出了在C波段透射率>92%的透明电极以及损耗 <0.4dB的液晶光开关器件。 3.在薄膜光学稳定性的研究中,我们发现用现有的薄膜柱状结构吸潮和薄膜与基板的 应力作用这两个理论无法完美地解释实验测得的带通滤光片的中心波长漂移,于是本文提出 了薄膜柱状结构中的水的折射率温度效应对滤光片中心波长漂移的影响,与实验的结果相吻 合。 本文的创新点在于: 1.应用了填充式修正函数进行了光学薄膜全局优化设计的研究,在减反射薄膜、分光 膜的实践中得到了良好的结果,并且发现在给定层数的情况下总光学厚度最小的极值点对应 的评价函数最小。 2.对Needle方法进行了技术处理,用两层初始结构找到了较好的EDFA增益平滑滤光 片的结果,偏差<±0.1dB。 3.提出以S(间隔层),R(反射镜)作为增加单元,然后对间隔层级次和反射镜周期 进行综合优化的设计方法。 4.对波分复用窄带滤光片的通带群延迟做了分析计算,包括透射和反射群延迟,两者 相差很大。设计了反射式的相位补偿器滤光片,显著减小了通带内的群延迟波纹。 5.提出用Drude模型拟合强吸收时的透射率曲线来获得ITO的n,K,d,理论与实验值 非常接近,并制造出了衰减<O.4dB的液晶光开关器件。 6.提出了薄膜柱状结构中的水的折射率温度效应对滤光片中心波长漂移的影响,并与 实验的结果相吻合。


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