【SOA仿真6】多层膜仿真计算

摘要

为降低 SOA（半导体光放大器）的增益纹波（详见上篇文章《【SOA 仿真 5】增益纹波计算》[1]），需在 SOA 的波导腔面上镀制 AR 增透膜（抗反射膜）。本文主要介绍多层膜的反射率计算核心方法 —— 传输矩阵法（TMM），并提供对应的 Python 代码仿真实现及两款实用的多层膜计算工具，为 AR 增透膜的设计与优化提供技术支撑。

关键词

抗反射膜(AR)，传输矩阵法(TMM)，半导体光放大器(SOA)，纹波，多层膜

1.核心公式

光学薄膜的核心是多层膜结构，通过将高折射率与低折射率薄膜交替层叠（类似三明治结构），控制膜层厚度、折射率及层数，可实现抗反射、增透、增反、滤光等特定光学功能。本文采用传输矩阵法（TMM, transfer matrix method）[2][3][4] 对多层膜特性进行分析，核心公式如下：

1.1特征矩阵公式

每个膜层都有一个自己的特征矩阵Mj，对于厚度为dj、折射率为nj，波矢量kj=2πnj/λ的层，传输矩阵为： 

其中，rj为膜层界面处的菲涅尔反射系数。

1.2光的传播公式

在每一层中，电场可以表示为前向和后向传播波的叠加：  其中k是波矢量，n是复折射率，λ是波长。相邻层中场之间的关系可以用传输矩阵描述： 

其中，Mj是第j层的传输矩阵，Aj、Bj分别为第j层中前向、后向电场的振幅。

1.3总传输矩阵公式

多层结构的总传输矩阵是各层矩阵的乘积：

其中，N是总层数

1.4菲涅尔系数公式

其中rj是界面处的菲涅尔反射系数。根据菲涅尔公式：

式中，n1，n2分别为相邻两介质的折射率，θ1、θ2分别为入射角与折射角。

1.5总反射和透射率公式

多层膜的总反射和透射率可以从总传输矩阵中提取： 

其中A0和B0是第一层中的入射和反射场幅度，AN是最后一层中的透射场幅度。

2.python代码仿真

根据上面公式，我们编制如下代码。

2.1定义初始参数

参数选择参考[2]，已验证程序的正确性。

2.2反射率计算

2.3绘制反射率谱

扫描整个波段，并绘制反射率谱。

2.4 计算结果

3.使用tmm库计算

python有专用的tmm库，编程更简洁。设定参数后，调用tmm的coh_mm()函数，可直接获得反射率。

4多层膜计算器

4.1见合的多层膜计算器

使用第3节方法，我们编制了一个小工具，以方便后期的镀膜的频繁计算仿真。 

链接：https://drive.weixin.qq.com/s?k=AO8AoQfDABoutL2v5B

注意：编辑膜系时，里面的厚度填写应为光学厚度，通常为λ/4，λ/2，3λ/4，程序内部会自行计算物理厚度。

4.2 在线多层膜计算器

链接：https://huanghub.com/zh/tools_tmm/

这个网址是一个在线多层膜模拟工具，简洁易用且可视化。

但该工具可能有计算错误，例如配置ALG膜层组合（na=1.0, nl=1.22, ng=1.5）时，未在550nm处得到理论计算的完全增透，大家可自行验证。

参考文献

[1] 天津见合八方，《【SOA仿真5】增益纹波计算》，天津见合八方公众号 2025.12

[2] 【微实验】光学薄膜膜系计算与仿真：从原理到MATLAB实现，CSDN

[3] Songyou Lian,” The Design and Calculation of Optical Anti-Reflected and Reflected Multilayer Film”, Material Sciences 材料科学, 2017, 7(1), 78-87

[4] 多层光学薄膜模拟 | Luocheng Huang 

天津见合八方光电科技有限公司（http://tj.jhbf.cc），是一家专注国产半导体光放大器SOA研发和生产的高科技企业，目前已推出多款半导体光放大器SOA产品(850nm,1060nm,1270nm,1310nm, 1550nm,1625nm)以及增益芯片RSOA产品(850nm,1310nm,1550nm)，公司已建立了万级超净间实验室，拥有较为全面的光芯片的生产加工、测试和封装设备，并具有光芯片的混合集成微封装能力。目前公司正在进行NLL/ECL+SOA的混合集成器件、大功率SOA器件的研发工作，并可对外承接各种光电器件测试、封装和加工服务。