CN104155712A - 光通信用近红外滤光片 - Google Patents

光通信用近红外滤光片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光通信用近红外滤光片，滤光片采用光学玻璃、宝石等透明或有色玻璃为衬底，在两面分别镀制带通滤光膜和增透膜，使其可以对760-900nm高效透过，400-760nm、900-1100nm波段进行截止，确保近红外波段信号光高效透过外、其他波段(尤其是可见光)杂散光截止以获得高信噪比，该滤光片膜系光谱曲线的通带透过率高、通带形状逼近矩形、通带波纹小，带外截止深、截止范围宽，同时减少了膜系的定位要求，提高了成品率。通过本发明的膜系结构和制备方法所制备的光通信用近红外滤光片可以在获取尽可能多信号光的同时有效抑制其他波段杂散光的影响，显著提高了信噪比。

Description

光通信用近红外滤光片
技术领域
本发明涉及光学滤光薄膜，具体指应用于光通信中，能使通信用近红外信号高效透过、同时抑制带外背景光的近红外滤光片。
背景技术
在可见光通信(visible light communication,VLC)中，一般需要同时具备下行与上传两个功能；因此除了照明通信一体化的白光LED的下行信号外，还需要一个区别于下行LED所产生白光波段的近红外信号用作上传信号。常用产生近红外信号的红外LED波长范围为760nm～900nm。值得注意的是，通常硅探测器的响应信号范围很宽(如图1)，响应波长范围大约从400～1100nm，如果400～760nm和900～1100nm波段的非通信干扰光(尤其是可见光)进入硅探测器后，将形成非常强烈的噪声，所以对用于通信之外的干扰光进行过滤和抑制，是实现对近红外信号的有效探测与通信的保障，也是高信噪比的关键。因此在光进入到硅探测器前，需要利用近红外带通滤光片对信号进行过滤。
目前制备近红外带通滤光片通常采用在光学玻璃或有色玻璃的两表面分别镀制高通滤光膜和低通滤光膜叠加实现的。为了保证通信信号强，同时最大限度降低噪声，通常要求带通滤光膜具有高透射率、高截止度的光谱特性，并且需要有较高的矩形度和准确的通带位置。一般情况下，为了保证以上特点，高通滤光膜和低通滤光膜均需要大于50层的复杂膜系实现，大大增加了实验次数和制备难度。
另外，为了保证尽可能多信号光透过的同时尽可能多地抑制带外杂散光，因此双面膜系均需要准确定位，否则就可能导致信号牺牲过多或噪声引入过大；并且高通滤光膜和低通滤光膜之间透过区域相互影响，很容易出现非常大的通带波纹。
发明内容
针对上述传统设计的缺点，本发明的目的是提供一种用于可见光通信系统中的近红外滤光片，该滤光片是通过在衬底2一面镀制带通滤光膜1，满足760-900nm高透过，400-760nm、900-1100nm高截止的要求，另一面镀制增透膜3，减少基片背面的反射损失。本发明具有透过高、截止深、通带接近矩形，使探测器获得尽可能多的通信用近红外信号，同时抑制掉大量的背景噪声。
为了实现上述目的，本发明采用以下设计方案：
通过真空镀膜在衬底2的两个表面分别镀制带通滤光膜(1)和减反射膜3，结构图如图2，其中衬底2为光学玻璃(包括融石英玻璃、K9玻璃、ZK6玻璃、BaK玻璃)、宝石或者有色玻璃(HB670、HB680、HB700)。可选用的高折射率材料有Ta2O5、钛的氧化物、H4(La2O3+TiO2)、ZrO2，HfO2，可选用的低折射率材料有SiO2、YbF3。
带通滤光膜系(1)是一个四腔结构膜系，以带通膜系为基础膜系，在带通膜系两侧加入反射膜系对光谱进行截止，膜系结构为SUB|a1(HL)n1a2(HL)n2...H2LH L H2LH L H2LH L H2LH...ajL aj(HL)nj|AIR，其中SUB表示衬底2，AIR表示入射介质为空气，H表示一个光学厚度的Ta2O5膜层，L表示一个光学厚度的SiO2膜层，ai表示反射膜系的中心波长位置为膜系中心波长λ的ai倍，其中ai取值在0～2之间，ni表示反射膜系中(HL)的重复次数，其中ni取值在5～10之间。膜系对400-760nm、900-1100nm波长进行截止，并保证760-900nm波长的高透过，膜系以Ta2O5膜层和SiO2膜层交替叠加而成，至少25层膜层构成，其中Ta2O5膜层的光学厚度与1/4通带中心波长的比值介于2.9与0.4之间，SiO2介于2.3与0.9之间。
增透膜系3以Ta2O5膜层和SiO2膜层交替叠加而成，至少由4层膜层组成，其中Ta2O5膜层的光学厚度与1/4通带中心波长的比值介于1.5与1.3之间，SiO2介于2.8与1.6之间。
采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：
1、膜系光谱曲线的通带透射率高，通带形状逼近矩形，通带波纹小；
2、截止带截止深，截止范围宽；
3、膜层厚度均匀，单层膜厚度较薄，减小了膜层内应力；
4、相比传统双面叠加的方法，减少了膜系的定位要求，提高了成品率。
薄膜材料光学性能稳定，机械性能牢靠，可以广泛地应用于探测器的光学滤波和杂散光抑制。在实际使用中，本发明置于硅探测器前，有效地对760-900nm以外的探测波段进行抑制，可提高探测信噪比。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1所示为常用硅探测器响应图。
图2所示为本发明的膜系结构，其中(1)为带通滤光膜，2为衬底，3为增透膜。
图3所示为有色玻璃的透射光谱曲线。
图4所示为光通信用白光LED光源光谱(虚线)，以及近红外LED光谱(实线)。
图5所示为以有色玻璃为衬底的膜系设计理论透射率曲线。
图6所示为可见光通信用红外LED光谱(虚线)和本专利所制备的近红外滤片透射谱(实线)。
图7所示为以K9玻璃为衬底的膜系设计理论透射率曲线。
表1所示为本发明膜系制备时采用的离子源参数。
具体实施方式
如图1、4所示，近红外LED光谱的范围在760-900nm，而硅探测器响应范围在400-1100nm，为了提高探测信噪比，需要对400-760nm、900-1100nm的光谱进行截止。
实施例1：
本实施例以有色玻璃为衬底2，在其两个面镀制带通滤光膜(1)和增透膜3。以截止型有色玻璃HB700为例，其他满足透明区要求的有色玻璃，通过对膜系的调整也可以满足滤光片要求。如图3所示，HB700可以对400-670nm的光谱进行截止，所以本滤光膜的设计要求为：670-760nm、900-1100nm截止，其透射率小于1.0％，760-900nm透过，其透射率大于99.0％(不考虑背面反射)。
正面的带通滤光膜1以带通膜系为基础膜系，其表达式为SUB|H2LH LH2LH L H2LH L H2LH|AIR，中心波长830nm，其中SUB表示衬底2，AIR表示入射介质为空气，H表示一个光学厚度的Ta2O5膜层，L表示一个光学厚度的SiO2膜层，在带通膜系的基础上，通过随机优化和针式优化，在基础膜系中插入Ta2O5或者SiO2膜层，达到压缩通带波纹、加深截止深度，提高通带矩形度的目的，经过的优化后的膜系各膜层为：SUB|0.6H 1.1L 0.3H 0.4L 1.1H L H1.1L 0.3H 0.1L 1.2H L H 0.9L 0.9H 0.6L 0.4H 0.7L 0.9H 0.8L 0.9H 0.9L 0.9H L1.9H L H L H L 1.6H 1.7L H L H L H 1.1L 1.6H 1.1L H L H L 1.1H 1.5L 1.2H1.1L 1.1H 1.1L 1.2H 1.3L 1.3H 1.1L 1.1H 1.1L 1.1H 1.3L 1.4H 1.1L H L1.8H|AIR，通过上述膜系结构，通带平均透射率为99.9％(不考虑背面反射)，截止带透射率小于1％，其透射光谱如图5所示。
在基片背面还需要镀制增透膜3来减少反射损失，以SUB|(HL)^6|AIR为基础膜系，中心波长830nm，其中SUB表示衬底2，AIR表示入射介质为空气，H表示一个光学厚度的Ta2O5膜层，L表示一个光学厚度的SiO2膜层,采用随机优化的方式进行优化，膜系结构为SUB|1.3L 0.3H 0.4L 0.9H 0.8L 0.6H 0.5L0.8H 0.8L 0.8H 0.6L 0.5H 0.8L 0.9H 0.8L 0.1H|AIR,760-900nm波段的平均透射率为99.9％(不考虑背面反射)。
本实施例提供一种近红外滤光片的制备方法，其步骤如下：
1).在HB700衬底2上镀制带通滤光膜1
a，清洁HB700衬底2，用酒精和乙醚混合溶液浸湿的纱布擦洗，去除表面的油污、抛光时的遗留物等，镀制前用离子源进行清洁，离子源参数如表1。
b，烘烤HB700衬底2，将衬底2放置在夹具内，放入真空镀膜机，真空度抽至3×10-3pa，烘烤温度加至150～200℃，持续1小时。
c，镀制第一层膜层，Ta2O5放置在八孔位坩埚中，采用电子枪蒸镀，并采用离子源辅助沉积，离子源参数如表1，蒸镀时真空度为1～3×10-2pa，蒸发速率为其几何厚度为64nm。
d，镀制第二层膜层，SiO2放置在环形坩埚中，采用电子枪蒸镀，并采用离子源辅助沉积，离子源参数如表1，蒸镀时真空度为1～3×10-2pa，蒸发速率为其几何厚度为161nm。
e，依次重复c，d，对3-59层进行镀制。
f，镀制完成后，待真空室温度冷却至室温，取出测试片，利用分光光度计对测试片的光谱曲线进行测试。
2).在HB700衬底2上镀制增透膜3
a，清洁HB700衬底2，用酒精和乙醚混合溶液浸湿的纱布对1)中镀制好的基片背面进行清洁，并在镀制前才用离子源清洁。
b，烘烤HB700衬底2，将衬底2放置在夹具内，放置在真空镀膜机内，真空度抽至3×10-3pa，烘烤温度加至150～250℃，持续1小时。
c，采用1)中c，d的步骤，对1-16层进行镀制，均采用离子辅助沉积。
d，镀制完成后，待真空室温度冷却至室温，取出测试片，利用分光光度计对测试片的光谱曲线进行测试，得到双面镀制后的光谱曲线，如图6所示，从测试曲线可以看出，滤光片对760-900nm以外的波段进行了有效的截止，并且最大限度的保证了通信信号的强度。
表1
实施例2：
本实施例以光学玻璃、宝石等透明玻璃为衬底2，在其两个面镀制带通滤光膜(1)和增透膜3。以K9玻璃为例，在400-2500nm范围内，K9玻璃均透光，折射率为1.52左右。其他透光区满足的透明玻璃，需要对膜系进行调整，同样可以满足滤光片要求。本滤光膜的设计要求为：400-760nm、900-1100nm截止，其透射率小于1.0％，760-900nm透过，其透射率大于99.0％(不考虑背面反射)。
正面的带通滤光膜1以带通膜系为基础膜系，在两侧加入反射膜系对光谱进行截止，对其表达式为SUB|0.5(HL)80.6(HL)80.75(HL)8 HL2HLH LHL2HLH L HL2HLH 1.2L 1.2(HL)8|AIR，中心波长830nm，其中SUB表示衬底2，AIR表示入射介质为空气，H表示一个光学厚度的Ta2O5膜层，L表示一个光学厚度的SiO2膜层，通过随机优化的方式对膜系进行优化，达到减少通带波纹的目的，经过的优化后的膜系各膜层为：SUB|0.5H 0.3L 0.5H 1.7L0.5H 0.5L 0.5H 0.5L 0.6H 0.6L 0.4H 1.1L 0.6H 0.5L 0.6H 1.1L 0.4H 0.5L 0.6H0.6L 0.5H 0.3L 0.5H 0.6L 0.6H 0.6L 0.5H 0.6L 1.2H 2.5L 0.5H 0.6L 0.6H 0.7L0.7H 0.6L 0.5H 0.7L H 0.6L 0.7H 1.1L 0.6H 0.3L 3H 0.5L 1.1H 0.8L 4H 0.7L0.9H 1.6L 0.3H 0.7L 2.3H 0.7L 0.8H L 1.5H 0.5L 2H 0.7L 1.1H 0.8L 1.3H 0.5L1.2H 0.8L 1.4H L 1.5H L 1.9H 1.3L|AIR通过上述膜系结构，通带平均透射率为99.7％(不考虑背面反射)，截止带透射率小于1.0％，其透射光谱如图7所示。
在基片背面还需要镀制增透膜3来减少反射损失，以SUB|(HL)^3|AIR为基础膜系，中心波长830nm，其中SUB表示衬底2，AIR表示入射介质为空气，H表示一个光学厚度的Ta2O5膜层，L表示一个光学厚度的SiO2膜层,采用随机优化的方式进行优化，膜系结构为SUB|0.6H 0.3L 1.5H 3L 0.9H1.5L|AIR,760-900nm波段的平均透射率为99.9％(不考虑背面反射)。
本实施例提供一种近红外滤光片的制备方法，其步骤如下：
1).在K9衬底2上镀制带通滤光膜
a，清洁K9衬底2，用酒精和乙醚混合溶液浸湿的纱布擦洗，去除表面的油污、抛光时的遗留物等，镀制前用离子源进行清洁，离子源参数如表1。
b，烘烤K9衬底2，将衬底2放置在夹具内，放入真空镀膜机，真空度抽至7×10-4pa，烘烤温度加至150～250℃，持续1小时。
c，镀制第一层Ta2O5膜层，采用磁控溅射方法镀制，充入氧气作为反应气体，蒸镀时真空度为1～3×10-2pa，溅射功率为50～100W，其几何厚度为57nm。
d，镀制第二层SiO2膜层，采用磁控溅射方法镀制，充入氧气作为反应气体，蒸镀时真空度为1～3×10-2pa，溅射功率为200～300W，其几何厚度为51nm。
e，依次重复c，d，对3-74层进行镀制。
f，镀制完成后，待真空室温度冷却至室温，取出测试片，利用分光光度计对测试片的光谱曲线进行测试。
2).在K9衬底2上镀制增透膜
a，清洁K9衬底2，用酒精和乙醚混合溶液浸湿的纱布对1)中镀制好的基片背面进行清洁，并在镀制前才用离子源清洁。
b，烘烤K9衬底2，将衬底2放置在夹具内，放置在真空镀膜机内，真空度抽至7×10-4pa，烘烤温度加至150～200℃，持续1小时。
c，采用1)中c，d的步骤，对1-6层进行镀制。
d，镀制完成后，待真空室温度冷却至室温，取出测试片，利用分光光度计对测试片的光谱曲线进行测试。

Claims (8)

1.一种光通信用近红外滤光片，它由衬底(2)、位于衬底(2)一面的增透膜(3)和位于衬底另一面的带通滤光膜(1)组成，其特征在于：
所述的衬底(2)的材料为融石英玻璃、K9玻璃、ZK6玻璃、BaK玻璃光学玻璃、宝石或者HB670、HB680、HB700有色玻璃；
所述的带通滤光膜系(1)是一个四腔结构膜系，以带通膜系为基础膜系，在带通膜系两侧加入反射膜系对光谱进行截止，膜系结构为：
SUB|a1(HL)n1 a2(HL)n2...H2LH L H2LH L H2LH L H2LH...ajL aj(HL)nj|AIR，
其中SUB表示衬底，AIR表示入射介质为空气，H表示一个光学厚度的高折射率材料膜层，L表示一个光学厚度的低折射率材料膜层，a1～ai表示反射膜系的中心波长位置为膜系中心波长λ的ai倍，其中a1～ai的取值在0～2之间，n1～ni表示反射膜系中(HL)的重复次数，其中n1～ni的取值在5～15之间；
所述的增透膜系(3)以高折射率材料膜层和低折射率材料膜层交替叠加而成，至少由4层膜层组成，其中高折射率材料膜层的光学厚度与1/4通带中心波长的比值介于1.5与1.3之间，低折射率材料膜层介于2.8与1.6之间。
2.根据权利要求1所述的一种光通信用近红外滤光片，其特征在于：所述的高折射率材料采用Ta2O5、钛的氧化物、H4(La2O3+TiO2)、ZrO2或HfO2。
3.根据权利要求1所述的一种光通信用近红外滤光片，其特征在于：所述的低折射率材料采用SiO2或YbF3。
4.一种如权利要求1所述的光通信用近红外滤光片，其特征在于：
所述的衬底(2)为有色玻璃；
所述的带通滤光膜(1)的结构为：
SUB|0.6H 1.1L 0.3H 0.4L 1.1H L H 1.1L 0.3H 0.1L 1.2H L H 0.9L 0.9H 0.6L0.4H 0.7L 0.9H 0.8L 0.9H 0.9L 0.9H L 1.9H L H L H L 1.6H 1.7L H L H L H 1.1L1.6H 1.1L H L H L 1.1H 1.5L 1.2H 1.1L 1.1H 1.1L 1.2H 1.3L 1.3H 1.1L 1.1H 1.1L1.1H 1.3L 1.4H 1.1L H L 1.8H|AIR；
所述的增透膜(3)的结构为：
SUB|1.3L 0.3H 0.4L 0.9H 0.8L 0.6H 0.5L 0.8H 0.8L 0.8H 0.6L 0.5H 0.8L0.9H 0.8L 0.1H|AIR，
带通滤光膜(1)和增透膜(3)结构中：中心波长为830nm，SUB表示衬底(2)，AIR表示入射介质为空气，H表示一个光学厚度的Ta2O5膜层，L表示一个光学厚度的SiO2膜层。
5.一种如权利要求1所述的光通信用近红外滤光片，其特征在于：
所述的衬底(2)为光学玻璃；
所述的带通滤光膜(1)的表达式为：
SUB|0.5(HL)80.6(HL)80.75(HL)8 HL2HLH L HL2HLH L HL2HLH 1.2L1.2(HL)8|AIR，
膜系结构为：
SUB|0.5H 0.3L 0.5H 1.7L 0.5H 0.5L 0.5H 0.5L 0.6H 0.6L 0.4H 1.1L 0.6H0.5L 0.6H 1.1L 0.4H 0.5L 0.6H 0.6L 0.5H 0.3L 0.5H 0.6L 0.6H 0.6L 0.5H 0.6L1.2H 2.5L 0.5H 0.6L 0.6H 0.7L 0.7H 0.6L 0.5H 0.7L H 0.6L 0.7H 1.1L 0.6H 0.3L3H 0.5L 1.1H 0.8L 4H 0.7L 0.9H 1.6L 0.3H 0.7L 2.3H 0.7L 0.8H L 1.5H 0.5L 2H0.7L 1.1H 0.8L 1.3H 0.5L 1.2H 0.8L 1.4H L 1.5H L 1.9H 1.3L|AIR；
所述的增透膜(3)的结构为：
SUB|0.6H 0.3L 1.5H 3L 0.9H 1.5L|AIR；
带通滤光膜(1)和增透膜(3)结构中：中心波长为830nm，H为一个光学厚度的Ta2O5膜层，L为一个光学厚度的SiO2膜层。
6.根据权利要求4所述的一种如权利要求1所述的光通信用近红外滤光片，其特征在于：所述的Ta2O5膜层采用电子枪蒸发进行蒸镀，蒸镀时真空度为1～3×10-2pa，蒸发速率为SiO2采用电子枪蒸发进行蒸镀，蒸镀时真空度为1～3×10-2pa，蒸发速率为
7.根据权利要求5所述的一种如权利要求1所述的光通信用近红外滤光片，其特征在于：所述的Ta2O5膜层采用磁控溅射法进行蒸镀，蒸镀时真空度为1～1.5×10-2pa，蒸发功率为50～100W；SiO2膜层采用磁控溅射法进行蒸镀，蒸镀时真空度为1～1.5×10-2pa，蒸发功率为200～300W。
8.根据权利要求1所述的一种光通信用近红外滤光片，其特征在于：所述的带通滤光膜(1)和增透膜(3)膜系在制备时均采用离子辅助沉积，烘烤温度设置为150～250℃之间，离子源的参数为屏极电压260～280V，加速极电压210～230VB，阳极电压45～55V，中和电流10～20mA，离子束流为25～35mA。
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