CN112230324B

CN112230324B - 一种高性能的带通滤光片

Info

Publication number: CN112230324B
Application number: CN202011114436.5A
Authority: CN
Inventors: 苏炎; 李昱; 陈居凯
Original assignee: Suzhou Zhongwei Photoelectric Co ltd
Current assignee: Suzhou Zhongwei Photoelectric Co ltd
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2040-10-15
Also published as: CN112230324A

Abstract

本发明提供一种高性能的带通滤光片，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；法布里‑帕罗腔包含多个四分之一波长光学厚度的高折射率层和低折射率层、以及多个非四分之一波长光学厚度的高折射率层和低折射率层堆叠；法布里‑帕罗腔之间采用四分之一波长光学厚度的低折射率层进行级联。本发明在一定范围内波长的插损大于‑0.3db,过渡带的陡度即‑0.3db到‑30db的波长与中心波长的比值小于0.2％，入射角度在0度至20度的任意角度内，能够满足高性能需求，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、工业激光等领域。

Description

一种高性能的带通滤光片

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种高性能的带通滤光片。

背景技术

带通滤光片是使得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。通常应用于分光等使用方向，带通滤光片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。

在光学系统中插损，表示的一种光能量在透射插入器件后的出射光强与入射光强的比值。插损可以用来表征带通滤光片的性能。常规情况下，带通滤光片的通带内都是要求纹波平坦，由1/4光学厚度的高低折射率介质膜层交替堆叠，构成多级的法布里-帕罗腔级联形成。但是，现有技术中还没有带通滤光片能够实现在一定范围内波长的插损大于-0.3db。因此，本发明需要对传统的带通滤光片进行改进，以提高其性能。

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高性能的带通滤光片。

本发明的技术方案概述如下：

本发明提供一种高性能的带通滤光片，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；所述法布里-帕罗腔包含多个四分之一波长光学厚度的高折射率层和低折射率层、以及多个非四分之一波长光学厚度的高折射率层和低折射率层堆叠；所述法布里-帕罗腔之间采用四分之一波长光学厚度的低折射率层的连接层进行级联。

进一步地，所述膜系的膜系结构为：

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其中，H为四分之一中心波长光学厚度的高折射率层，L为四分之一波长光学厚度的低折射率层；2H为两个四分之一波长光学厚度，A为非四分之一波长光学厚度的高折射率层；a、b、c、d、e、f、m、n、i、j为折射率层的系数,a、b、c、d、e、f、m、n、i、j为非整数；

所述法布里-帕罗腔之间通过所述连接层级联，所述连接层为四分之一波长光学厚度的低折射率层。

进一步地，所述膜系的膜系结构为：

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其中，H为四分之一中心波长光学厚度的高折射率层，L为四分之一波长光学厚度的低折射率层；2H为两个四分之一波长光学厚度，A为高折射率层，B为高折射率层；a、b、c、d、e、f、m、n、i、j为折射率层的系数,a、b、c、d、e、f、m、n、i、j为非整数；

进一步地，所述高折射率层为Ta2O5，高折射率层在1310nm附近的折射率为2.1；

所述低折射率层为SiO2，在1310nm附近的折射率为1.47。

进一步地，a、c、e、m、i、j为大于1的非整数，范围为1.067-1.389，b、d、f、n为小于1的非整数，范围为0.207-0.859。

进一步地，a为1.360，b为0.264，c为1.389，d为0.207，e为1.311，f为0.357，m为1.204，n为0.569，i为1.129，j为1.298。

进一步地，a为1.273，b为0.433，c为1.248，d为0.481，e为1.089，f为0.810，m为1.067，n为0.859，i为1.330，j为1.330。

进一步地，所述高性能的带通滤光片在第一波段范围内的插损大于-0.3dB；在第二波段范围内的插损小于-30dB。

进一步地，所述膜系的膜系结构中的高折射率层和低折射率层有136层至154层。

进一步地，所述基层为二氧化硅材料，基层的折射率在1310.5-1317nm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：

本发明提供的一种高性能的带通滤光片，在一定范围内，波长的插损大于-0.3db,透过率大于93.3％，过渡带的陡度即-0.3db到-30db的波长与中心波长的比值小于0.2％，入射角度在0度至20度的任意角度内，能够满足高性能需求，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为带通滤光片的光谱性能示意图；

图2本发明的一种高性能的带通滤光片的示意图；

图3是具体实施例1的高性能带通滤光片的性能曲线；

图4是具体实施例1的高性能带通滤光片的性能曲线；

图5是具体实施例2的高性能带通滤光片的性能曲线；

图6是具体实施例2的高性能带通滤光片的性能曲线。

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，在光学系统中插损，表示的一种光能量在透射插入器件后的出射光强与入射光强的比值。插损可以用来表征带通滤光片的性能。常规情况下，带通滤光片的通带内都是要求纹波平坦，由1/4光学厚度的高低折射率介质膜层交替堆叠，构成多级的法布里-帕罗腔级联形成。但是，现有技术中还没有带通滤光片能够实现在一定范围内波长的插损大于-0.3db。因此，本发明需要对传统的带通滤光片进行改进，以提高其性能。

参考图1，高性能带通滤光片在应用系统中的主要作用是截止不需要的光波从而避免系统接受到过大的噪声。高性能滤光片有针对性的选择光谱波长透过，并截止其他波长的光谱。图1描述滤光片在截止波长小于λLblocking和波长大于λRblocking光谱的同时，透过波长为λCWL的光谱。在实际的带通滤光片有着精确的中心波长λCWL，通带带宽PB，插损IL以及截止波长λLblocking和λRblocking。光谱带宽范围为(λCWL-PB/2)～(λCWL+PB/2)为所需要透过的光谱波长；在这个范围内的插损以及纹波需要满足要求；光谱波长λ<λLblocking以及光谱波长λ>λRblocking为不需要的光谱。

如图2所示，本发明提供一种高性能的带通滤光片，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；法布里-帕罗腔5包含多个四分之一波长光学厚度的高折射率层2和低折射率层3、以及多个非四分之一波长光学厚度的高折射率层2和低折射率层堆叠3。

法布里-帕罗腔5之间采用四分之一波长光学厚度的低折射率材料层的连接层4进行级联。

本发明提供的高性能的带通滤光片在0度入射角度下，在第一波段范围内的插损大于-0.3dB；在第二波段范围内的插损小于-30dB。见表1。

Wavelength(nm)	IL(db)
		1303-1317	>-0.3
1200-1297	<-30
		1323-1400	<-30

表1

优选地，高折射率层的材料为Ta2O5、Nb2O5、TiO2中的至少之一，高折射率层的折射率在1310-1317nm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，低折射率层的折射率在1310-1317nm的范围为1.38至1.6。

基层为二氧化硅材料，基层的折射率在1310.5-1317nm的范围为1.45至3.5。

具体地实施例1：

法布里-帕罗腔的数量为8个，膜系的膜系结构包含136层高折射率层和低折射率层。

其膜系的膜系结构为：

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其中，H为四分之一中心波长光学厚度的高折射率层，L为四分之一波长光学厚度的低折射率层；2H为两个四分之一波长光学厚度，A为底层的高折射率层,B为底层的低折射率层；a、b、c、d、e、f、m、n、i、j为折射率层的系数,a、b、c、d、e、f、m、n、i、j为非整数；

法布里-帕罗腔之间通过连接层级联，连接层为四分之一波长光学厚度的低折射率层。

高折射率层为Ta2O5，高折射率层在1310nm附近的折射率为2.1；

低折射率层为SiO2，在1310nm附近的折射率为1.47。

a、c、e、m、i、j为大于1的非整数，范围为1.067-1.389，b、d、f、n为小于1的非整数，范围为0.207-0.859。

a为1.360，b为0.264，c为1.389，d为0.207，e为1.311，f为0.357，m为1.204，n为0.569，i为1.129，j为1.298。

经软件优化后的膜系厚度，如下表2所示：

表2实施例1的膜层厚度与控制方式

其中，每三层非四分之一波长的光学厚度的最后一层采用近似于四分之一波长的光学厚度，用来补偿使带通滤光片的中心波长在此层结束时的透过率达到极值，在镀膜监控中每三层非四分之一波长的光学厚度的最后一层采用传统的极值法进行监控，以便于接下来的每一层四分之一波长光学厚度的膜层都可以采用极值法监控。

其他非四分之一波长的光学厚度的膜层采用晶控/时间方法控制。

晶控/时间的控制方法采用晶振控制器进行，原理是：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是无法实现光学厚度补充，会导致通带的峰值透过率无法提高。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。

在镀膜过程中，由于测试误差以及工艺与理论之间的误差会导致实际测试值与理论测试值有所出入，那么就需要通过光学监控算法来减少或弥补误差带来的影响。常规的算法有比值法，极值法等。比值法通常用于非规整(非整数)的1/4波长的监控，但缺点在于单一监控片情况下，会累积误差，从而导致最终产品的失效。往往用于光谱精度要求较低的光学产品。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。

本发明在在考虑膜层厚度以及监控方式上进行了改进，在镀膜监控中每三层非四分之一波长的光学厚度的最后一层采用传统的极值法进行监控，以便于接下来的每一层四分之一波长光学厚度的膜层都可以采用极值法监控。其他非四分之一波长的光学厚度的膜层采用晶控/时间方法控制。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，用于控制镀膜过程的沉积速率。利用晶控/时间控制方法可以镀制任意厚度的复杂膜层，结合极值法监控，弥补单一监控造成误差累计，从而避免产品的失效；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。

该实施例中的提供的高性能带通滤光片，实现CWDM通信的光谱指标要求；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。其性能参见图3与图4的性能示意图。图3的实线以横坐标以及左侧纵坐标轴为坐标轴的插损与波长的对比图，其插损范围为-30dB至0dB，波长范围为1200-1450nm；图4的实线以横坐标以及左侧纵坐标轴为坐标轴的插损与波长的对比图，其插损范围为-5dB至0dB，波长范围为1280-1340nm；实施例一种的第一波段范围为1302-1318nm，第二波段范围为1200-1297nm与1323-1400nm，从图中可以看到，通带范围1302-1318nm的范围内的插损都大于-0.3dB，截止范围1200-1297nm与1323-1400nm的范围内的插损都小于-30dB。

实施例2：

本实施例为的其中一种在20度入射下高性能滤光片实施例，如表3所示，在20度入射条件下，在1503-1317nm范围内的插损按照表1目标插损>-0.3db，在1400-1497nm范围以及1523-1600nm范围内的插损按照表3目标插损<-30db。

Wavelength(nm)	IL(db)
		1503-1517	>-0.3
1400-1497	<-30
		1523-1600	<-30

表3

一种高性能的带通滤光片，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；法布里-帕罗腔5包含多个四分之一波长光学厚度的高折射率层2和低折射率层3、以及多个非四分之一波长光学厚度的高折射率层2和低折射率层堆叠3。

高折射率层的材料为Ta2O5、Nb2O5、TiO2中的至少之一，高折射率层的折射率在1310-1317nm的范围为1.85至2.5。

其膜系结构包含154层由两种材料堆叠而成的膜系。

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H表示为1/4波长厚度的高折射率膜层，其材料为Ta2O5，在1310nm附近的折射率为2.1；L表示为1/4波长厚度的低折射率膜层，其材料为SiO2，在1310nm附近的折射率为1.47。

其中a,b,c,d,e,f,m,n,i,j为非整数值；2H为两个四分之一波长光学厚度，A为底层的高折射率层,B为底层的低折射率层；a、b、c、d、e、f、m、n、i、j为折射率层的系数,a、b、c、d、e、f、m、n、i、j为非整数；

a为1.273，b为0.433，c为1.248，d为0.481，e为1.089，f为0.810，m为1.067，n为0.859，i为1.330，j为1.330。

经软件优化后的膜系厚度，如下表4所示：

表4实施例2的膜层厚度与控制方式

该实施例中的提供的高性能带通滤光片，性能参见图5与图6的性能示意图。图5的实线以横坐标以及左侧纵坐标轴为坐标轴的插损与波长的对比图，其插损范围为-30dB至0dB，波长范围为1400-11650nm；图6的实线以横坐标以及左侧纵坐标轴为坐标轴的插损与波长的对比图，其插损范围为-5dB至0dB，波长范围为1480-1540nm；实施例一种的第一波段范围为1503-1517nm，第二波段范围为1400-1497nm与1523-1600nm，从图中可以看到，通带范围1503-1517nm的范围内的插损都大于-0.3dB，截止范围1400-1497nm与1523-1600nm的范围内的插损都小于-30dB。

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

1.一种高性能的带通滤光片，包括基层和堆叠在基层上的膜系，其特征在于，所述膜系的膜系结构包括若干个法布里-帕罗腔及连接层；所述法布里-帕罗腔包含多个四分之一波长光学厚度的高折射率层和低折射率层、以及多个非四分之一波长光学厚度的高折射率层和低折射率层堆叠；

所述法布里-帕罗腔之间采用四分之一波长光学厚度的低折射率层的连接层进行级联，所述膜系的膜系结构为：

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其中，H为四分之一中心波长光学厚度的高折射率层，L为四分之一波长光学厚度的低折射率层；2H为两个四分之一波长光学厚度，A为非四分之一波长光学厚度的高折射率层；a、b、c、d、e、f、m、n、i、j为折射率层的系数,a、b、c、d、e、f、m、n、i、j为非整数；B为非四分之一波长光学厚度的低折射率层；

2.如权利要求1的高性能的带通滤光片，其特征在于，

所述高折射率层为Ta2O5，高折射率层在1310nm附近的折射率为2.1；

所述低折射率层为SiO2，在1310nm附近的折射率为1.47。

3.如权利要求1的高性能的带通滤光片，其特征在于，a、c、e、m、i、j为大于1的非整数，范围为1.067-1.389， b、d、f、n为小于1的非整数，范围为0.207-0.859。

4.如权利要求1的高性能的带通滤光片，其特征在于，a为1.360，b为0.264，c为1.389，d为0.207，e为1.311，f为0.357，m为1.204，n为0.569，i为1.129，j为1.298。

5.如权利要求1的高性能的带通滤光片，其特征在于，a为1.273，b为0.433，c为1.248，d为0.481，e为1.089，f为0.810，m为1.067，n为0.859，i为1.330，j为1.330。

6.如权利要求1的高性能的带通滤光片，其特征在于，所述高性能的带通滤光片在第一波段范围内的插损大于-0.3dB；在第二波段范围内的插损小于-30dB。

7.如权利要求1的高性能的带通滤光片，其特征在于，所述膜系的膜系结构中的高折射率层和低折射率层有136层至154层。

8.如权利要求1的高性能的带通滤光片，其特征在于，所述基层为二氧化硅材料，基层的折射率在1310.5-1317nm的范围为1.45至3.5。