1 520～1 580 nm紅外減反射膜系設計

朱春燕

（西安工業(yè)大學北方信息工程學院，陜西 西安 710200）

減反射薄膜是光學薄膜中應用最多的膜系之一，它的發(fā)展也得到了更廣泛的關注。本文對光纖端面根據(jù)光纖通信1 520～1 580 nm設計研究減反射膜的使用有著重要的實用價值[1]。本課題依據(jù)矢量作圖法與矩陣法（也稱為解析法）對鍍膜情況進行分析計算，設計出膜系，然后通過計算機軟件得出模擬曲線。

1 方案與分析

當激光從空氣射入光纖中時，其反射率R=4.2%，這樣的光纖端面反射會使光波在光纖傳輸時帶來一定的光能損耗，因此在光纖端面鍍光學薄膜是很有必要的。鍍單層膜時，根據(jù)矢量分析要得到零反射必須滿足兩個條件：（1）膜層的厚度為波長的1/4。（2）其折射率為基底和入射媒介折射率相乘的平方根。但是在實際情況中我們很難找到滿足此種要求的材料。一般情況選用氟化鎂（MgF2）作為減反射膜材料。利用矩陣法可得知其反射率R=0.94%，但依然達不到此次設計要求，因此需要設計雙層膜系。

目前，可以用作膜料的元素或者化合物有很多，它們適用于不同波段，不同的鍍制要求[2]。但就其穩(wěn)定性、力學性質(zhì)、光學性質(zhì)等全方位考慮，適用的材料并不是很多[3]，根據(jù)薄膜材料的要求，這里列出幾種滿足要求的材料：氟化鎂（MgF2）、硫化鋅（ZnS）、二氧化鋯（ZrO2）、二氧化鈦（TiO2）和二氧化硅（SiO2）。

2 設計方案

2.1 方案A：ZrO2與SiO2

我們分別用矢量法與矩陣法得出的膜系，然后通過膜系設計軟件得出模擬反射率曲線，如圖1—2所示，可以看出矩陣法得出的膜系比較精確，曲線較矢量作圖法得出的膜系曲線符合設計要求。

2.1.1 矢量法得出的膜系

基底：1.52；二氧化鋯：0.394 444 H；二氧化硅：1.266 666 L；空氣：1.0。

2.1.2 矩陣法得出的膜系

基底：1.52；二氧化鋯：0.389 933 H；二氧化硅：1.262 314 L；空氣：1.0。

圖1 矢量作圖法得出的反射率曲線

圖2 矩陣法得出的反射率曲線

2.2 方案B：TiO2與SiO2

其矩陣法得出的膜系，此膜系通過計算機模擬反射率曲線如圖3所示。

圖3 TiO2-SiO2模擬反射率曲線

基底：1.52；二氧化鈦：0.217 840 589 H；二氧化硅：1.336 166 2 L；空氣：1.0。

2.3 方案C：MgF2與ZnS

膜系如下，此膜系通過計算機模擬反射率曲線如圖4所示。

圖4 ZnS-MgF2膜系模擬反射率曲線

基底：1.52；硫化鋅：0.207 84 H；氟化鎂：1.276 99 L；空氣：1.0。

2.4 結果分析

對3種方案進行對比，首先，從上述列出的圖表數(shù)據(jù)可以看出3種方案均可以滿足要求。膜系反射率和透射率曲線方案C相匹配的膜系為最佳。方案A相匹配的膜系次之，方案B相匹配的膜系不如方案A與方案C。但由計算機模擬計算數(shù)據(jù)得出方案B與方案C的第一層低折射率層光學厚度在100 nm以下，在鍍制薄膜時用光學控制方法不容易控制。而方案A的第一層低折射率層光學厚度約為150 nm，600 nm的極值法光控鍍制比較容易實現(xiàn)。其次，對于方案C而言，由于膜有很高的張應力所以在室溫下鍍制時非常容易破裂。因此鍍制過程中需要加溫。當基底溫度達到250～300 ℃以上時，膜層較硬，否則它會形成軟膜，擦拭容易掉膜。而另一方面，在蒸發(fā)時會分解S，但是在凝結的過程中，又重新化合，所以仍能得到化學成分與初始材料近似一致的膜層。在常規(guī)的蒸發(fā)速率下，當基底溫度提高時就停止凝結。由此可見，在鍍制此膜系過程中溫度不容易控制。若鍍制過程中加溫會影響與光纖連接的電子器件的性能，所以鍍制過程只能在室溫下進行。因此，方案C不適合本課題研制。在方案B中，由于材料在真空中加熱蒸發(fā)時會分解失氧，形成高吸收的鈦的亞氧化物薄膜由此可得，選擇方案A。

3 結語

通過本次設計，選擇方案A，以及討論了如何對一個膜系結構參數(shù)進行評價。另外在膜系制備過程中，尤其要較為精確地控制膜系的敏感因子，以減少它的偏差對膜系透過率帶來的不利影響。在所有結構偏差因子中，折射率偏差對膜系透過率的影響，并且膜系中最外層薄膜的折射率對透過率的影響最大。因而在制備膜系過程中就要注意折射率的變化，嚴密控制試驗裝置、工藝參數(shù)等來完成。