CN112130242B - 一种插损线性变化的带通滤光片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种插损线性变化的带通滤光片，包括基层和堆叠在基层上的膜系，膜系的膜系结构包括若干个法布里‑帕罗腔及连接层，每个法布里‑帕罗腔通过连接层级联下一个法布里‑帕罗腔，连接层为非四分之一波长的光学厚度的低折射率层。本发明的通带插损或透过率具有线性变化，在通带内实现了在特定的波长范围内插损随波长是线性变化的，在特定的波长范围内实现波长识别的功能。

Description

一种插损线性变化的带通滤光片

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种插损线性变化的带通滤光片。

背景技术

带通滤光片(Bandpass Filters)只可以使某个特定波长或窄波段的光透过，通带之外的光不能够透过。带通滤光片光学指标主要是：中心波长(CWL)、半带宽(FWHM)。根据带宽大小分为：带宽＜30nm为窄带滤光片；带宽＞60nm以上的为宽带滤光片。

带通滤光片通常应用于干涉仪，成像仪器，检测仪器，数据中心，光通讯、工业激光及波长识别等领域。

目前用于波长识别的器件有光栅器件以及带通滤光片组合器件等。而带通滤光片通常应用于分光等使用方向，通常要求带通滤光片的通带插损或透过率要尽可能的平坦，纹波要小，由于带通滤波片的特点导致带通滤波片很难实现插损随波长线性变化，现有技术中还没有带通滤光片在通带内可实现插损随波长是线性变化的。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种插损线性变化的带通滤光片。

本发明的技术方案概述如下：

本发明提供一种插损线性变化的带通滤光片，包括基层和堆叠在基层上的膜系，所述膜系的膜系结构包括若干个法布里-帕罗腔及连接层，每个所述法布里-帕罗腔通过连接层级联下一个所述法布里-帕罗腔，所述连接层为非四分之一波长的光学厚度的低折射率层；

所述法布里-帕罗腔的结构为：aHLHL4HLHLH、bHLHLHLHL4HLHL3HLHLH、cHLHLHL4HLHLHLH、dHLHL4HLHLA，其中，dHLHL4HLHLA为最后一层法布里-帕罗腔；

H为四分之一中心波长光学厚度的高折射率层，L为四分之一中心波长光学厚度的低折射率层；4H为四个四分之一中心波长光学厚度，A为非四分之一光学厚度的高折射率层；a、b、c、d为每个所述法布里-帕罗腔的第一个高折射率层的四分之一中心波长光学厚度的系数。

进一步地，所述法布里-帕罗腔的第一个高折射率层的四分之一中心波长光学厚度的系数通过上一个所述法布里-帕罗腔的最后一层的光学厚度优化得出。

进一步地，所述a、b、c、d为0.974-1.015，所述法布里-帕罗腔的第一个高折射率层的四分之一中心波长光学厚度为0.974-1.015个四分之一波长的光学厚度，以使此层结束时的透过率达到极值，在镀膜监控中采用极值法监控，以便接下来的每一层四分之一波长的光学厚度的膜层都可以采用极值法监控。

进一步地，所述连接层的光学厚度为0.675-2.451中的非整数个四分之一波长的光学厚度。

进一步地，所述滤光片在入射角度为0-13.5度下，波长的插损随波长线性地递增或递减。

进一步地，所述滤光片在1304.5-1317nm波段范围内的插损以斜率0.3846dB/nm从-5dB递增至-0.2dB。

进一步地，所述法布里-帕罗腔的数量为9个。

进一步地，所述高折射率层的材料为Ta2O5、Nb2O5、TiO2中的至少之一，所述高折射率层的折射率在1304.5-1317nm的范围为1.85至2.5。

进一步地，所述低折射率层的材料为SiO2、Al2O3、MgF2中的至少之一，所述低折射率层的折射率在1304.5-1317nm的范围为1.38至1.6。

进一步地，所述基层为二氧化硅材料或硅材料基片，基层的折射率在1304.5-1317nm的范围为1.45至3.5。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种插损线性变化的带通滤光片，该通带滤光片的通带插损或透过率具有线性变化，在通带内实现了在特定的波长范围内插损随波长是线性变化的，在特定的波长范围内实现波长识别的功能，相对于光栅以及带通滤光片组合器件的技术方案，在成本上具有明显的优势。使得该方案还可以应用于干涉仪，成像仪器，检测仪器，数据中心，光通讯、工业激光及波长识别等领域。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的一种插损线性变化的带通滤光片的示意图；

图2为本发明中的目标斜率的示意图；

图3为本发明提供的一种插损线性变化的带通滤光片的实施例在0-30dB范围下8度入射的波长与插损，以及目标斜率的关系图；

图4为本发明提供的一种插损线性变化的带通滤光片的实施例在0-6dB范围下8度入射的波长与插损，以及目标斜率的关系图；

图5为本发明提供的一种插损线性变化的带通滤光片在0-30dB范围下0度入射的波长与插损，以及目标斜率的关系图；

图6为本发明提供的一种插损线性变化的带通滤光片在0-30dB范围下13.5度入射的波长与插损，以及目标斜率的关系图。

附图标记：1、基层；2、高折射率层；3、低折射率层；4、连接层；5、法布里-帕罗腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。

接下来，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

带通滤光片(Bandpass Filters)只可以使某个特定波长或窄波段的光透过，通带之外的光不能够透过。带通滤光片光学指标主要是：中心波长(CWL)、半带宽(FWHM)。根据带宽大小分为：带宽＜30nm为窄带滤光片；带宽＞60nm以上的为宽带滤光片。

滤光片是用来选取所需辐射波段的光学器件。滤光片是由基片以及基片上的若干膜层堆叠而成，膜层的厚度可以分为物理厚度，光学厚度两种描述方式。物理厚度指的是物理尺度上的厚度，如100nm等；光学厚度指的是光经过的路程，这涉及到材料的折射率以及光的波长QW＝(n*d)/λ,其中，n为光经过的材料的折射率，d为物理厚度，λ为光的波长。

目前用于波长识别的器件有光栅器件以及带通滤光片组合器件等。而带通滤光片通常应用于分光等使用方向，通常要求带通滤光片的通带插损或透过率要尽可能的平坦，纹波要小，由于带通滤波片的特点导致带通滤波片很难实现插损随波长线性变化，现有技术中还没有带通滤光片在通带内可实现插损随波长是线性变化的。因此，本发明的目的就是提供一种插损线性变化的带通滤光片，即实现在通带内实现了在特定的波长范围内插损或透射率随波长是线性变化的，在特定的波长范围内实现波长识别的功能，通过测量插损值的大小，即可获得测量光的波长。同时其带通滤光片的特性，可以对带通外的波长进行高隔离度的截止，减少杂散光对测试结果的影响。

如图1所示，本发明的一种插损线性变化的带通滤光片，包括基层1和堆叠在基层上的膜系，膜系的膜系结构包括若干个法布里-帕罗腔5及连接层4，每个法布里-帕罗腔5通过连接层4级联下一个法布里-帕罗腔5，连接层4为非四分之一波长的光学厚度的低折射率层；

法布里-帕罗腔的结构为：aHLHL4HLHLH、bHLHLHLHL4HLHL3HLHLH、cHLHLHL4HLHLHLH、dHLHL4HLHLA，其中，dHLHL4HLHLA为最后一层法布里-帕罗腔；

H为四分之一中心波长光学厚度的高折射率层，L为四分之一中心波长光学厚度的低折射率层；4H为四个四分之一中心波长光学厚度，A为非四分之一光学厚度的高折射率层；a、b、c、d为每个所述法布里-帕罗腔的第一个高折射率层的四分之一中心波长光学厚度的系数。

滤光片在入射角度为0-13.5度下，波长的插损随波长线性地递增或递减。

滤光片在1304.5-1317nm波段范围内的插损以斜率0.3846dB/nm从-5dB递增至-0.2dB。

法布里-帕罗腔的数量为9个。

法布里-帕罗腔的第一个高折射率层的四分之一中心波长光学厚度的系数通过上一个所述法布里-帕罗腔的最后一层的光学厚度优化得出。a、b、c、d为整数1或近似于1。此设计的目的是为了更好地与连接层4(即非四分之一光学厚度的折射率层)级联。且用近似四分之一波长的光学厚度来补偿中心波长在此层结束时的透过率达到极值，在镀膜监控中采用极值法监控，以便接下来的每一层四分之一波长的光学厚度的膜层都可以采用极值法监控，可以精确地控制光学厚度，得到精确的透过率线性变化的滤光片。

具体地，a、b、c、d为0.974-1.015，即法布里-帕罗腔的第一个高折射率层的四分之一中心波长光学厚度为0.974-1.015个四分之一波长的光学厚度，以使此层结束时的透过率达到极值，在镀膜监控中采用极值法监控，极值法是用于监控光强的变化趋势，判断光强信号达到极值点后切换到下一层；这种算法具有补偿前面膜层误差的功能。

连接层的光学厚度为0.675-2.451中的非整数个四分之一波长的光学厚度。连接层4则用晶控/时间的控制方法进行镀膜监控，多种监控方法监控过程曲线从而达到所需要的滤光作用，且不会累计误差，提高带通滤光片中膜层厚度中精确度。

其中，晶控/时间的控制方法原理：在镀膜过程中，膜层会沉积到晶控控制器的晶振片表面；而随着晶振片上表面膜层厚度的增加，晶振片的振荡频率会发生变化；晶振控制器上通过获取晶振片震荡频率的变化从而获得晶振片上膜层的厚度变化。而该控制方式的缺点在于控制精度常常无法满足高精度光学薄膜的要求，所以常常只是用于控制镀膜过程的沉积速率。对于高精度的光学滤光片，往往考虑采用直接光控的方式进行控制膜层厚度。理由在于在镀膜过程中，由于镀膜固有的特性以及生产工艺、设备的差异，往往会造成膜层的特性与理论上的特性有所出入，例如膜层的折射率同块状材料的折射率对比会偏低，并且不同的工艺造成膜层的折射率会有所差别。而滤光片最终应用是光，所以考虑在沉积过程中就通过监控光信号来控制光学厚度。

优选地，高折射率层的材料为Ta2O5、Nb2O5、TiO2中的至少之一，所述高折射率层的折射率在1304.5-1317nm的范围为1.85至2.5。

低折射率层的材料为SiO2、Al2O3、MgF2中的至少之一，所述低折射率层的折射率在1304.5-1317nm的范围为1.38至1.6。

基层为二氧化硅材料或硅材料基片，基层的折射率在1304.5-1317nm的范围为1.45至3.5。基层为D263T、WMS-15、BK7、FS、Si中的至少之一。优选地，基底材料为普通的K9光学玻璃。

具体的实施例如下：

本实施例为的其中一种通带插损具有线性变化的带通滤波片的。图2为本实施例在通带范围内的插损目标斜率下波长和插损的关系图,其斜率为0.3846dB/nm，在1304.5-1317nm范围内的插损按照表1目标斜率曲线以斜率0.3846dB/nm从-5dB递增至-0.2dB。

表1目标斜率曲线

图3，图4为在8度入射角的条件下，本实施例在1304.5-1317nm范围内的实测插损值与插损目标值的对比图。实线为产品实测的产品插损曲线，黑点为不同波长插损目标值，图3为本实施例在0-30dB范围下的波长与插损，以及目标斜率的关系图；图4为本实施例在0-6dB范围下的波长与插损，以及目标斜率的关系图。

其膜系结构包含138层由两种材料堆叠而成的膜系。其以1319nm为特征波长的初始化结构为：

HLHL4HLHLHB

HLHLHL4HLHLHLHB

HLHLHLHL4HLHL3HLHLHB

HLHLHLHL4HLHL3HLHLHB

HLHLHLHL4HLHL3HLHLHB

HLHLHLHL4HLHL3HLHLHB

HLHLHLHL4HLHL3HLHLHB

HLHLHL4HLHLHLHB

HLHL4HLHLAB

其中，以1319nm为特征波长的所述法布里-帕罗腔的结构为：aHLHL4HLHLH、bHLHLHLHL4HLHL3HLHLH、cHLHLHL4HLHLHLH、dHLHL4HLHLA，其中，dHLHL4HLHLA为最后一层法布里-帕罗腔。

本实施例以9个法布里-帕罗腔通过非1/4光学厚度的低折射率材料B级联而成；A为非1/4光学厚度的高折射率材料，，A为非1/4光学厚度的高折射率材料，通过优化A，B的厚度以及下一个法布里-帕罗腔的第一个H的厚度得到对应的膜系。其中堆叠的层次顺序和每一层膜厚的控制方式如下表2所示：

表2膜系结构和控制方式

本实施例采用高折射率层的材料为Ta2O5，在1310nm附近的折射率为2.094；低折射率层的材料为SiO2，在1310nm附近的折射率为1.473；基底材料为普通的K9光学玻璃，折射率为1.52。从图3、图4、图5、图6可以看出，波长与插损呈线性变化。

因此，本实施例通带插损具有线性变化的CWDM可以满足常用的8角度下P偏振光的插损呈一定斜率的线性变化；采用溅射或离子束辅助沉积的硬介质镀膜，并且可以满足通讯类、汽车类产品的耐摩擦、耐高温高湿的可靠性需求。

本发明提供的一种插损线性变化的带通滤光片，该通带滤光片的通带插损或透过率具有线性变化，在通带内实现了在特定的波长范围内插损随波长是线性变化的，在特定的波长范围内实现波长识别的功能，相对于光栅以及带通滤光片组合器件的技术方案，在成本上具有明显的优势。使得该方案还可以应用于干涉仪，成像仪器，检测仪器，数据中心，光通讯、工业激光及波长识别等领域。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (9)

1.一种插损线性变化的带通滤光片，其特征在于，包括基层和堆叠在基层上的膜系，所述膜系的膜系结构包括若干个法布里-帕罗腔及连接层，每个所述法布里-帕罗腔通过连接层级联下一个所述法布里-帕罗腔，所述连接层为非四分之一波长的光学厚度的低折射率层；

所述法布里-帕罗腔的结构为：aHLHL4HLHLH、bHLHLHLHL4HLHL3HLHLH、cHLHLHL4HLHLHLH、dHLHL4HLHLA，其中，dHLHL4HLHLA为最后一层法布里-帕罗腔；最后一层法布里-帕罗腔包括连接层；

H为四分之一中心波长光学厚度的高折射率层，L为四分之一中心波长光学厚度的低折射率层；4H为四个四分之一中心波长光学厚度，A为非四分之一光学厚度的高折射率层；a、b、c、d为每个所述法布里-帕罗腔的第一个高折射率层的四分之一中心波长光学厚度的系数；

所述a、b、c、d为0.974-1.015，所述法布里-帕罗腔的第一个高折射率层的四分之一中心波长光学厚度为0.974-1.015个四分之一波长的光学厚度，以使此层结束时的透过率达到极值；

所述连接层的光学厚度为0.675-2.451中的非整数个四分之一波长的光学厚度。

2.如权利要求1的插损线性变化的带通滤光片，其特征在于，所述法布里-帕罗腔的第一个高折射率层的四分之一中心波长光学厚度的系数通过上一个所述法布里-帕罗腔的最后一层的光学厚度优化得出。

3.如权利要求1的插损线性变化的带通滤光片，其特征在于，在镀膜监控中采用极值法监控，以便接下来的每一层四分之一波长的光学厚度的膜层都可以采用极值法监控。

4.如权利要求1的插损线性变化的带通滤光片，其特征在于，所述滤光片在入射角度为0-13.5度下，波长的插损随波长线性地递增或递减。

5.如权利要求1的插损线性变化的带通滤光片，其特征在于，所述滤光片在1304.5-1317nm波段范围内的插损以斜率0.3846dB/nm从-5dB递增至-0.2dB。

6.如权利要求1的插损线性变化的带通滤光片，其特征在于，所述法布里-帕罗腔的数量为9个。

7.如权利要求1的插损线性变化的带通滤光片，其特征在于，所述高折射率层的材料为Ta2O5、Nb2O5、TiO2中的至少之一，所述高折射率层的折射率在1304.5-1317nm的范围为1.85至2.5。

8.如权利要求1的插损线性变化的带通滤光片，其特征在于，所述低折射率层的材料为SiO2、Al2O3、MgF2中的至少之一，所述低折射率层的折射率在1304.5-1317nm的范围为1.38至1.6。

9.如权利要求1的插损线性变化的带通滤光片，其特征在于，所述基层为二氧化硅材料或硅材料基片，基层的折射率在1304.5-1317nm的范围为1.45至3.5。

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