一維膜腔型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種任意占空比一維膜腔型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法。該結(jié)構(gòu)是由左右兩側(cè)蒸鍍多層薄膜的介質(zhì)腔級(jí)聯(lián)構(gòu)成。將介質(zhì)腔之間的多層膜結(jié)構(gòu)等效為反射鏡，得到多腔反射鏡級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。引入數(shù)字信號(hào)處理理論中的z變換得到該簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上結(jié)合巴特沃斯數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，利用遺傳算法得到各反射鏡的最優(yōu)反射系數(shù)。最后根據(jù)最優(yōu)反射系數(shù)構(gòu)造介質(zhì)腔之間的多層膜結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)一維膜腔型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)。本發(fā)明方法借助成熟的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法，方法簡(jiǎn)單；設(shè)計(jì)的一維膜腔型光交錯(cuò)復(fù)用器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)際中容易制作；且可以設(shè)計(jì)任意占空比的光交錯(cuò)復(fù)用器，可得到高平坦特性的輸出光譜。
【專利說(shuō)明】
一維膜腔型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明涉及一種一維膜腔型光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法，特別是提供一種產(chǎn)生任意 占空比光譜透射率方波的一維膜腔型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)作為提高通信容量普遍采用 的一種技術(shù)方案，向著高密度、高速和高靈活性方向發(fā)展。隨著信號(hào)頻率間隔不斷減小，信 道數(shù)目不斷增加，對(duì)DWDM器件的光譜分辨率提出了更高要求。而原有的技術(shù)很成熟的復(fù)用/ 解復(fù)用器，如介質(zhì)薄膜濾波器對(duì)50GHz及更小頻率間隔的信道信號(hào)很難繼續(xù)使用。光交錯(cuò)復(fù) 用器(Optical interleaver)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，它能將一路波長(zhǎng)間隔密集的光信 號(hào)分成兩路信道間隔倍增的光信號(hào)，從而減輕現(xiàn)有DWDM器件的負(fù)擔(dān)，并提高系統(tǒng)的傳輸容 量。目前研究的interleaver大多屬于等帶寬器件，其兩路輸出譜帶寬相等。為了拓寬現(xiàn)有 網(wǎng)絡(luò)容量，提高帶寬利用率，降低系統(tǒng)升級(jí)成本以及有助于光分插復(fù)用(0ADM)等，通帶和阻 帶帶寬不相等的不等帶寬型interleaver成為了研究熱點(diǎn)。
[0003] 目前實(shí)現(xiàn)不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的方案現(xiàn)主要包括邁克爾遜Gires-Tournois干 涉型(MGTI)、雙折射G-T干涉儀型(BMGTI)、馬赫-曾德爾(MZ)級(jí)聯(lián)型，一維膜腔型等方案。其 中的一維膜腔型光交錯(cuò)復(fù)用器由左右兩側(cè)蒸鍍多層薄膜(或一維光子晶體）的介質(zhì)腔級(jí)聯(lián) 構(gòu)成。由于多層薄膜(或一維光子晶體)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、便于集成、插入損耗小等 優(yōu)點(diǎn)，一維膜腔型光交錯(cuò)復(fù)用器逐漸成為研究熱點(diǎn)。
[0004] 在膜腔型光交錯(cuò)復(fù)用器的方案中：在先技術(shù)[1](參見Optoelectronics Letters, Zhang J，2010,6:85-88.)基于一維光子晶體理論，采用3腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了占空比為1:5的 光交錯(cuò)復(fù)用器，通帶和阻帶均有平坦的濾波特性，但該在先技術(shù)未給出任意占空比的光交 錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法和結(jié)果;在先技術(shù)[2](參見光學(xué)學(xué)報(bào)，陳海星等，2004,24(1):62-64) 基于級(jí)聯(lián)Fabry-Perot干涉儀理論，提出了采用四個(gè)固體間隔層的薄膜F-P腔單元級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu) 的光交錯(cuò)濾波器，其每個(gè)薄膜F-P腔單元通過(guò)在熔融石英的兩個(gè)表面交替蒸鍍二十多層兩 高低折射率的介質(zhì)反射膜而實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際制作時(shí)較為復(fù)雜，成品率也不高;在先技術(shù)[3](參 見物理學(xué)報(bào)，顧培夫等，2005,54(2):773-776)基于光子晶體超晶格理論設(shè)計(jì)了平頂偏振透 射峰的帶通濾波器，對(duì)P偏振光透射而對(duì)s偏振光反射。但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，至少也需要120 層薄膜;在先技術(shù)[4](參見光子學(xué)報(bào)，韓鵬等，2009,38(2)，272-275)基于一維光子晶體超 晶格理論及耦合腔理論，通過(guò)把傳統(tǒng)單一材料的耦合腔換成有限周期的光子晶體結(jié)構(gòu)，形 成一種超晶格結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了多個(gè)平頂透射峰。該在先技術(shù)由于采用了超晶格結(jié)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。
[0005] 從上述在先技術(shù)看，目前對(duì)一維膜腔型光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)主要是基于一維光子 晶體理論，借助于傳輸矩陣方法在大量仿真模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行，或基于復(fù)雜的光學(xué)理論、即 級(jí)聯(lián)Fabry-Perot干涉儀理論及光子晶體超晶格理論而進(jìn)行，因而設(shè)計(jì)方法及結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 此外，設(shè)計(jì)的光交錯(cuò)復(fù)用器占空比固定，未涉及任意占空比的光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法和 結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0006] 本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種一維膜腔型不等帶寬光交 錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法。借助成熟的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，方法簡(jiǎn)單;設(shè)計(jì)的一維膜 腔型光交錯(cuò)復(fù)用器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)際中容易制作;且可以設(shè)計(jì)任意占空比的光交錯(cuò)復(fù)用器，可 得到高平坦特性的輸出光譜。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思如下:對(duì)于圖1所示的一維膜腔結(jié)構(gòu)，由于介質(zhì)腔 的光學(xué)厚度為mm量級(jí)，而介質(zhì)薄膜的光學(xué)厚度為nm量級(jí)，因此我們可以將介質(zhì)腔左右兩端 的多層膜結(jié)構(gòu)等效為反射鏡，反射鏡的反射系數(shù)表示為n，r 2，…，rN，rN+1，此時(shí)原結(jié)構(gòu)就簡(jiǎn) 化為多腔反射鏡級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由于簡(jiǎn)化后的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，8卩^=^ +1，^ = ^，一，的結(jié) 構(gòu)情況，其頻域的透射率表達(dá)式形式上近似于巴特沃斯濾波器的透射率的表達(dá)式，因此可 考慮借助于數(shù)字濾波器里的巴特沃斯濾波器的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0008] 一方面按光學(xué)濾波器的性能要求得到相應(yīng)性能的巴特沃斯低通數(shù)字濾波器的傳 輸函數(shù)表達(dá)式;另一方面，由巴特沃斯低通數(shù)字濾波器的傳輸函數(shù)表達(dá)式，確定對(duì)稱膜腔結(jié) 構(gòu)中腔的個(gè)數(shù)，繼而確定對(duì)稱膜腔結(jié)構(gòu)中各反射鏡的反射系數(shù)特征。在此基礎(chǔ)上，引入數(shù)字 信號(hào)處理理論中的Z變換，計(jì)算得到該對(duì)稱一維膜腔結(jié)構(gòu)的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式。利用遺傳 算法，通過(guò)使上面前者和后者得到的傳輸函數(shù)的表達(dá)式近似相等得到所需的各反射鏡的最 優(yōu)反射系數(shù)。最后，確定介質(zhì)腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)和多層膜的結(jié)構(gòu)。
[0009] 根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明的具體技術(shù)解決方法如下：
[0010] -種任意占空比一維膜腔型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，
[0011] 首先，令各介質(zhì)腔的光學(xué)厚度nd = c/2 A f，C為光速，A f?為光譜周期，多層膜結(jié)構(gòu) 中每層膜的光學(xué)厚度ndd = A〇/4，A()為中心波長(zhǎng)；
[0012]具體設(shè)計(jì)步驟如下：
[0013] (1)利用數(shù)字信號(hào)處理中的巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃斯低通濾波 器，使其滿足所要設(shè)計(jì)的光交錯(cuò)復(fù)用器的光譜特性要求，得到數(shù)字域的反射傳輸函數(shù)的表 達(dá)式；
[0014] (2)確定濾波器的階數(shù)N，N等于第一步得到的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式中z的最高負(fù)次 舉；
[0015] (3)由第二步得到的濾波器階數(shù)N，確定膜腔結(jié)構(gòu)中的腔的個(gè)數(shù)為N，則共有N+1面 等效反射鏡。若N為奇數(shù)，則反射鏡的反射系數(shù)分別為ri，r2，〃_，r(N+i)/2，r(N+i)/2,…，r2，ri;若 N為偶數(shù)，則反射鏡的反射系數(shù)分別為ri，r2，…，rN/2，r(_+i，rN/2，…，r2，ri;
[0016] (4)引入z變換得到簡(jiǎn)化后的多腔反射鏡級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的光域的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式；
[0017] (5)利用遺傳算法使步驟4得到的光域的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式盡可能等于步驟1的 數(shù)字域的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式，確定各反射鏡的最優(yōu)反射系數(shù)；
[0018] (6)選擇高折射率材料H、低折射率材料L及介質(zhì)腔材料C，分別構(gòu)造多層膜結(jié)構(gòu) (HL)n D，使光通過(guò)該多層膜結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)與上述最優(yōu)的各反射系數(shù)盡可能相等（其中n 為自然數(shù)，D為使反射系數(shù)滿足要求添加的輔助材料），從而得到膜腔結(jié)構(gòu)的所有設(shè)計(jì)參數(shù)。 [0019]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：
[0020]本發(fā)明方法借助成熟的數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，因而方法簡(jiǎn)單;設(shè)計(jì)的一維膜腔 型光交錯(cuò)復(fù)用器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)際中容易制作;且可以設(shè)計(jì)任意占空比的光交錯(cuò)復(fù)用器，可得 到高平坦特性的輸出光譜。
【附圖說(shuō)明】：
[0021 ]圖1為一維膜腔型光交錯(cuò)復(fù)用器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為簡(jiǎn)化圖1中多層膜結(jié)構(gòu)后得到的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3為反射鏡i和i+1之間的電場(chǎng)分布不意圖。
[0024]圖4為實(shí)施例1中占空比1:5和1:6的光譜透射率曲線。其中實(shí)線為占空比1:5情況； 虛線為占空比1:6情況.
[0025]圖5為以dB為單位的實(shí)施例1中占空比1:5和1:6的光譜透射率曲線。其中實(shí)線為占 空比1:5情況;虛線為占空比1:6情況.
【具體實(shí)施方式】：
[0026]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖詳述如下：
[0027] 實(shí)施例一：
[0028]參見圖1~圖5,本一維膜腔型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于:將 介質(zhì)腔之間的多層膜結(jié)構(gòu)等效為反射鏡，得到多腔反射鏡級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；引入數(shù)字 信號(hào)處理理論中的z變換得到該簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上結(jié)合巴特沃 斯數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法，利用遺傳算法得到各反射鏡的最優(yōu)反射系數(shù);最后根據(jù)最優(yōu)反 射系數(shù)構(gòu)造介質(zhì)腔之間的多層膜結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)一維膜腔型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)； 令各介質(zhì)腔的光學(xué)厚度nd = c/2 A f，c為光速，A f?為光譜周期，多層膜結(jié)構(gòu)中每層膜的光學(xué) 厚度ndd = A〇/4，為中心波長(zhǎng)；
[0029]具體設(shè)計(jì)步驟如下：
[0030] (1)利用數(shù)字信號(hào)處理中的巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃斯低通濾波 器，使其滿足所要設(shè)計(jì)的光交錯(cuò)復(fù)用器的光譜特性要求，得到數(shù)字域的反射傳輸函數(shù)的表 達(dá)式；
[0031] (2)確定濾波器的階數(shù)N，N等于第一步得到的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式中z的最高負(fù)次 舉；
[0032] (3)由第二步得到的濾波器階數(shù)N，確定膜腔結(jié)構(gòu)中的腔的個(gè)數(shù)為N，則共有N+1面 等效反射鏡，若N為奇數(shù)，則反射鏡的反射系數(shù)分別為ri，r2，〃_，r(N+i)/2，r(N+i)/2,…，r2，ri;若 N為偶數(shù)，則反射鏡的反射系數(shù)分別為ri，r2，…，rN/2，r(_+i，rN/2，…，r2，ri;
[0033] (4)引入z變換得到簡(jiǎn)化后的多腔反射鏡級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的光域的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式；
[0034] (5)利用遺傳算法使步驟4得到的光域的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式盡可能等于步驟1的 數(shù)字域的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式，確定各反射鏡的最優(yōu)反射系數(shù)；
[0035] (6)選擇高折射率材料H、低折射率材料L及介質(zhì)腔材料C，分別構(gòu)造多層膜結(jié)構(gòu) (HL) n D，使光通過(guò)該多層膜結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)與上述最優(yōu)的各反射系數(shù)盡可能相等，其中n 為自然數(shù)，D為使反射系數(shù)滿足要求添加的輔助材料，從而得到膜腔結(jié)構(gòu)的所有設(shè)計(jì)參數(shù)。 [0036] 實(shí)施例2:
[0037] 本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處如下：
[0038] 1.經(jīng)簡(jiǎn)化后的對(duì)稱膜腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，其反射傳輸函數(shù)表達(dá)式
[0039] 反射鏡i和i+1之間的電場(chǎng)分布如圖3所示，其中每'和盡++1分別表示反射鏡i和i+1 的左手邊向右傳播的電場(chǎng)矢量振幅，盡;1和屬「分別表示反射鏡i和i + 1的左手邊向左傳播 的電場(chǎng)矢量振幅，別表示反射鏡i的振幅反射系數(shù)和透射系數(shù)，mcU為反射鏡i和i+ 1之間的介質(zhì)腔的光學(xué)厚度，則位相為的=27^/,//^其中f?是入射光的頻率，c為光速，
[0040] 由圖3可得：
[0042]以此類推，對(duì)于N個(gè)介質(zhì)腔和N+1面反射鏡級(jí)聯(lián)的情況，此時(shí)的轉(zhuǎn)移矩陣表示為：
[0044]對(duì)于對(duì)稱膜腔級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，各介質(zhì)腔的光學(xué)厚度相等，令z = exp(i4Jifnd/c)，nd = c/ 2 A f，A f?是光譜周期，代入(2)式可得：
[0046]設(shè)置邊界條件= 0，可得光域的反射傳輸函數(shù)如下：
[0048] 其中&1和1^分別是傳輸函數(shù)的分母和分子多項(xiàng)式的系數(shù)，它們都是反射系數(shù)ri(i =1，2，'"，N+1)的非線性表達(dá)式。
[0049] 2.通過(guò)遺傳算法使設(shè)計(jì)步驟4得到的光域的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式盡可能等于步驟 1的數(shù)字域的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式，得到各反射鏡的最優(yōu)反射系數(shù)
[0050]令數(shù)字域反射傳輸函數(shù)的分母和分子多項(xiàng)式系數(shù)分別為aideai和bideai，光域反射 傳輸函數(shù)的分母和分子多項(xiàng)式系數(shù)分別為araal和bre5al。定義評(píng)價(jià)函數(shù)為：
[0052]利用遺傳算法進(jìn)行全局優(yōu)化按上述評(píng)價(jià)函數(shù)確定最優(yōu)的反射系數(shù)。不同的反射系 數(shù)對(duì)應(yīng)的F的值也不同，F(xiàn)越小則反射系數(shù)的值越接近最優(yōu)解，當(dāng)F趨于穩(wěn)定時(shí)，可以認(rèn)為此 時(shí)得到反射系數(shù)的值是最優(yōu)解。
[0053] 實(shí)施例三：
[0054]本一維膜腔型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法如下：這里以100GHz，占空比1: 5、隔離度<_30dB的不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的具體設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)明。按設(shè)計(jì)方法：
[0055]第一步:利用數(shù)字信號(hào)處理中的巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)原理，可得滿足該光譜特性 要求的巴特沃斯數(shù)字濾波器的反射傳輸函數(shù)為：
[0057]第二步：由（6)式可得，濾波器的階數(shù)為3階；
[0058]第三步：由于濾波器階數(shù)為3階，則共有4面等效反射鏡，由于是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，則反射 鏡的反射系數(shù)可表不為ri，r2，r2，ri;
[0059]第四步:按照(3)、（4)式計(jì)算簡(jiǎn)化后結(jié)構(gòu)的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式為：
[0061]第五步：利用遺傳算法優(yōu)化反射系數(shù)使式（7)和(6)盡可能相等，當(dāng)評(píng)價(jià)函數(shù)F = 4.285 X 10-6時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)的反射系數(shù)為:n = 0.5293，r2 = 0.9003;
[0062]第六步:選擇高折射率材料H為ZnS，折射率為2.35，低折射率材料L為MgF2，折射率 為1.38,介質(zhì)腔材料C為玻璃，折射率為1.5。對(duì)于最外側(cè)多層膜，入射介質(zhì)為空氣，出射介質(zhì) 為C，當(dāng)多層膜結(jié)構(gòu)為HLD^Di的折射率為1.297時(shí)，光通過(guò)該多層膜結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)等于 ri。 故口:材料可選擇與1.297最接近的常用材料NaF(折射率1.3)。對(duì)于內(nèi)側(cè)的多層膜，入射介質(zhì) 和出射介質(zhì)均為C，當(dāng)多層膜結(jié)構(gòu)為HLD 2，D2的折射率為3.85時(shí)，光通過(guò)該多層膜結(jié)構(gòu)的反射 系數(shù)等于^。故02材料可選擇與3.85最接近的常用材料PbS(折射率3.921)。選取中心波長(zhǎng)為 1550nm，各介質(zhì)層的光學(xué)厚度ndd = A〇/4 = 387.53nm。介質(zhì)腔的光學(xué)厚度為:nd = c/2 A f = 1.499mm〇
[0063] 綜上，可得所設(shè)計(jì)的一維膜腔結(jié)構(gòu)為HLDiCHLDADAHCDiLH。按照上述設(shè)計(jì)參數(shù)，利 用傳輸矩陣得到的該結(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)如圖4中實(shí)線所示。
[0064]為了說(shuō)明該方法適用于任意占空比不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)，按照同樣設(shè)計(jì) 步驟，這里給出了一個(gè)100GHz、隔離度<-30dB、占空比為1:6的不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的具 體設(shè)計(jì)結(jié)果。
[0065]與占空比為1:5的光交錯(cuò)復(fù)用器設(shè)計(jì)方法類似，當(dāng)數(shù)字濾波器的階數(shù)為5階時(shí)，1:6 占空比結(jié)構(gòu)的反射鏡的反射系數(shù)為n = 0.4236，r2 = 0.8711，r2 = 0.9546,對(duì)應(yīng)的一維膜腔 結(jié)構(gòu)為:D1CHLD2CHLHLHLD3CD3LHLHLHCD2LHCD1，其中Di 是 Bi2〇3，折射率為 1 ? 91，D2 是 GaP，折射 率為3.3，D3是Zr02，折射率為2.0。當(dāng)然，還有很多其他的結(jié)構(gòu)滿足要求，這取決于實(shí)際需求。 [0066]按照上述設(shè)計(jì)參數(shù)，利用傳輸矩陣得到的該結(jié)構(gòu)的光譜響應(yīng)如圖4中虛線所示。 [0067]圖5同時(shí)給出了這兩種結(jié)構(gòu)的以dB為單位的光譜透射率曲線圖。由圖4、5可見，所 得光譜透射率滿足原設(shè)計(jì)要求。
[0068]本發(fā)明借助成熟的巴特沃斯數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，可設(shè)計(jì)得到任意占空 比的一維膜腔型光交錯(cuò)復(fù)用器，實(shí)際制作時(shí)只需在介質(zhì)腔兩側(cè)蒸鍍少量層數(shù)的介質(zhì)薄膜即 可，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且得到的輸出光譜通帶平坦，阻帶隔離度達(dá)到要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種一維膜腔型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：將介質(zhì)腔之間的 多層膜結(jié)構(gòu)等效為反射鏡，得到多腔反射鏡級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；引入數(shù)字信號(hào)處理理論 中的Z變換得到該簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上結(jié)合巴特沃斯數(shù)字濾波器 的設(shè)計(jì)方法，利用遺傳算法得到各反射鏡的最優(yōu)反射系數(shù);最后根據(jù)最優(yōu)反射系數(shù)構(gòu)造介 質(zhì)腔之間的多層膜結(jié)構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)一維膜腔型不等帶寬光交錯(cuò)復(fù)用器的設(shè)計(jì);令各介質(zhì)腔的 光學(xué)厚度#二為光速，:翁為光譜周期，多層膜結(jié)構(gòu)中每層膜的光學(xué)厚度 = 4/4?，為中心波長(zhǎng)； 具體設(shè)計(jì)步驟如下： (1) 利用數(shù)字信號(hào)處理中的巴特沃斯濾波器設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)一個(gè)巴特沃斯低通濾波器， 使其滿足所要設(shè)計(jì)的光交錯(cuò)復(fù)用器的光譜特性要求，得到數(shù)字域的反射傳輸函數(shù)的表達(dá) 式； (2) 確定濾波器的階數(shù)等于第一步得到的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式中z的最高負(fù)次 舉； (3) 由第二步得到的濾波器階數(shù)#，確定膜腔結(jié)構(gòu)中的腔的個(gè)數(shù)為#，則共有#+1面 等效反射鏡，若#為奇數(shù)，則反射鏡的反射系數(shù)分別為r 1，r 2,…，r (Jv+i)/2，r (〃+1)/2,…， r 2，r 1;若TV為偶數(shù)，則反射鏡的反射系數(shù)分別為r 1，r 2,…，r w (A/2)+i，r狀2,…，r 2， ri； (4) 引入z變換得到簡(jiǎn)化后的多腔反射鏡級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的光域的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式； (5)利用遺傳算法使步驟4得到的光域的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式盡可能等于步驟1的數(shù) 字域的反射傳輸函數(shù)表達(dá)式，確定各反射鏡的最優(yōu)反射系數(shù)； (6)選擇高折射率材料H、低折射率材料L及介質(zhì)腔材料C，分別構(gòu)造多層膜結(jié)構(gòu)(HL)n D，使光通過(guò)該多層膜結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)與上述最優(yōu)的各反射系數(shù)盡可能相等，其中n為自然 數(shù)，D為使反射系數(shù)滿足要求添加的輔助材料，從而得到膜腔結(jié)構(gòu)的所有設(shè)計(jì)參數(shù)。
【文檔編號(hào)】G02B27/00GK106054318SQ201610484987
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月28日
【發(fā)明人】張娟, 華東
【申請(qǐng)人】上海大學(xué)