CN1228657C - 用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于光学复用器/解复用器的高度可靠的薄膜滤波器，其中在光学薄膜中几乎不出现诸如缺口或裂缝的缺陷。该薄膜滤波器包括一玻璃基板和形成于该玻璃基板表面上的光学薄膜。在垂直于玻璃基板表面的平面上，在光学薄膜侧面与玻璃基板表面间的交点处，该光学薄膜的侧面与玻璃基板成一锐角，最好为6至60°的角。在玻璃基板表面上形成光学薄膜，并且通过干蚀刻形成光学薄膜侧面后，用切块机之类切割该玻璃基板，制造出单个薄膜滤波器元件。由于在切割玻璃基板期间并不切割光学薄膜，故在光学薄膜侧面上不会出现诸如缺口或裂缝的缺陷。由于它形成一斜面，所以该光学薄膜侧面基本上没有缺口或裂缝。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于DWDM(密集波分复用)的光学复用器/解复用器的薄膜滤波器，及其制造方法。
背景技术
用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器被设计成允许具有特定波长的光透过，而在通带带宽两侧一定波长范围的光被反射。特别是在密集波分复用情况下，例如1545.00+/-0.20nm的通带带宽，其彼此紧相邻的下一个通带带宽波长为1544.20nm或1544.80nm。以致于从非透射区到透射区的过渡变化需要尽可能地急剧。该薄膜滤波器具有一玻璃基板和一形成在该玻璃基板表面上的光学薄膜。该光学薄膜包含一些腔(cavity)，每个腔包括，一镜面层，由1/4波长光学薄膜厚度的高折射率材料膜和1/4波长光学薄膜厚度的低折射率材料膜交替层叠获得的多层组成；一孔(hole，一间隔物层)，形成于该镜面层上，具有半波长整数倍的光学薄膜厚度；以及另一镜面层，与上述镜面层对称地设置在该孔上。通过将腔重复层叠四到五层，该光学薄膜实现了上述光学特性。通常，二氧化硅(SiO2)用作低折射率材料，五氧化钽(Ta2O5)等用作高折射率材料。光学薄膜厚度指实际测得的厚度乘以材料折射率。
在用于密集波分复用的光学复用器/解复用器的薄膜滤波器中，对200GHz，具有0.8(nm)的通带带宽，镜面层和间隔物层由大约90层光学薄膜的多层组成；但对于100GHz，具有更窄的通带带宽，它们由总共一百几十层光学薄膜的多层组成，层叠膜总厚度为30μm或更大，导致膜中的剩余应力增大。该玻璃基板的热膨胀系数大约为110×10-7/℃，而该光学薄膜的热膨胀系数大约为30×10-7/℃，这显示出，在使用的材料中热膨胀系数有较大差距。为了在其上形成光学薄膜，将该玻璃基板加热到数百摄氏度的温度。玻璃基板和光学薄膜的热膨胀系数之间的差别，使该光学薄膜的光学透射特征的温度依赖性更小，导致该光学薄膜处于较大的应力下。为了切割在其上形成有光学薄膜的玻璃基板，以制成滤波器元件，必须同时切割玻璃基板和在玻璃基板表面形成的多层光学元件。当同时切割玻璃基板和光学薄膜时，在光学薄膜周边的边和角会出现缺口和裂缝。在玻璃基板和光学薄膜的界面也会出现细微的裂缝。这些裂缝和缺口损害了用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器的光学性质。通过释放光学薄膜的应力，光学薄膜中裂缝的出现改变了薄膜的光学性质。例如，通带带宽的中心波长发生改变，或通带带宽加宽。另外，由于用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器的使用环境处于从低于冰点到高温的范围内，它经历一温度周期，产生裂缝，在最坏的情况下导致玻璃基板与光学薄膜之间的剥离。
图7显示用于光学复用器/解复用器的传统的薄膜滤波器200的透视图。用磨石同时切割玻璃基板220和光学薄膜210，从而产生缺口204和204’以及裂缝205和205’。由缺口204和204’所导致的在光学薄膜中的缺陷范围从几μm到几百μm，同样由裂缝205和205’所导致的缺陷范围从几十μm到几百μm或更大。另外，在光学薄膜中由裂缝所导致的应力释放的范围内，光学性质改变。对于具有缺口和裂缝的光学薄膜，只有不包括缺口和裂缝，以及其周围部分的部分可用作光学复用器/解复用器的薄膜滤波器。从而，必须使用尺寸为w的滤波器，与用作滤波器的直径为d的部分相比，它具有足够大的余量。这导致能从基板制造更少数量的薄膜滤波器的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于光学复用器/解复用器的高可靠性的薄膜滤波器，其中诸如缺口或裂缝的缺陷几乎不会出现在光学薄膜中。
本发明的另一目的在于提供一种用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器，其中能够增加从基板制造出的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器的数量。
根据本发明的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器，具有一玻璃基板和一形成于该玻璃基板表面上的光学薄膜。在垂直于该玻璃基板表面的平面上，在光学薄膜侧面与玻璃基板表面间的交点处，光学薄膜侧面与玻璃基板表面成锐角。该光学薄膜具有多个层叠在一起的腔，每个腔具有一间隔物层和两组镜面层，每组镜面层与另一组镜面层对称地层叠在间隔物层的每一侧，且每组镜面层具有彼此交替层叠的多个低折射率膜和多个高折射率膜。
根据本发明的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器，优选光学薄膜侧面的从玻璃基板表面到光学薄膜十分之一厚度的部分，在垂直于玻璃基板表面的平面上，在光学薄膜侧面与玻璃基板表面间的交点处，与玻璃基板表面成6至60°的角度。
根据本发明的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器，优选在垂直于玻璃基板表面的平面上，具有一光学薄膜侧面的边缘，该边缘与垂直于玻璃基板表面的平面上的玻璃基板表面的边缘相距一定距离。
此外，根据本发明的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器可具有多边形截头锥体的光学薄膜。该多边形截头锥体包括从截头锥体到n边形截头锥体(n为整数)，也包括截头圆锥，还包括诸如角形成为弧形，也就是圆角的n边形截面锥体的形状，多边形截头锥体的形状是一种具有一多边形上表面，一具有与上表面同样角数量的下表面，和斜面的形状，下表面面积比上表面的面积大。在本发明中，与玻璃基板接触的光学薄膜表面称为下表面；相对的一面称为上表面。上表面对角线的尺寸必须大于入射光直径。
根据本发明的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器中基板的形状不限于与下表面相似的形状。矩形玻璃基板可以具有截头圆锥、截头锥体或n边形截头锥体的光学薄膜。通过磨石等切割大块的玻璃板或基片来制成基板，从而基板的形状最好为三角形或矩形。重要的是，基板不吸收通带区域波长附近的光，可以采用诸如钠玻璃的材料用作基板。
多边形截头锥体的侧面包括一个或多个平面或曲面，并且可能包括平面与曲面的组合。曲面可以包括凹面或凸面形状。光学薄膜侧面靠近基板与光学薄膜交点的部分最好为平面或凹面，以阻止基板与光学薄膜之间的剥离。
根据本发明的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器的光学薄膜的侧面最好由干蚀刻来制造。
根据本发明的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器的制造方法包括，在整个基板上形成光学薄膜；在该光学薄膜上提供一用于干蚀刻的掩模；干蚀刻用于干蚀刻的暴露部分，以形成多边形截头锥体形状的光学薄膜，并且为了用磨石等进行切割，露出基板的切割余量；去除用于干蚀刻的掩模；以及用磨石等切割所露出的基板的切割余量，以形成该元件的步骤。
将玻璃基板放置在真空蒸镀装置中，通过交替地沉积和层叠一层高折射率二氧化硅和一层低折射率五氧化钽等，每层的光学薄膜厚度为四分之一波长，在玻璃基板的一个表面上形成一镜面层。通过在镜面层上形成具有整数倍半波长的光学薄膜厚度的二氧化硅或五氧化钽等的孔(间隔物层)，来形成腔，在该孔上方再形成另一镜面层，使得这两层镜面层关于间隔物层对称分布，形成腔。重复层叠四到五层腔以便在玻璃基板上形成光学薄膜。
然后提供用于干蚀刻的掩模。该掩模最好通过光刻技术来制造。在光学薄膜的整个表面涂敷光刻胶，曝光、显影以形成光刻胶掩模。虽然同样地可将金属形成予薄膜中来制造掩模，但为了易于在干蚀刻后去除掩模，最好用光刻胶。
光刻胶的暴露部分被干蚀刻，将光学薄膜处理成预定的形状。当使用活性离子蚀刻时，仅有光学薄膜被蚀刻，而玻璃基板不会被蚀刻。当使用离子蚀刻时(iron milling)，不仅光学薄膜被蚀刻，而且基板也会被蚀刻，因而需要控制离子蚀刻的操作时间。对基板轻微的刮削不会有什么问题。在离子蚀刻期间，基板可以相对于原子入射方向倾斜一预定的角度，此外，可以旋转基板，以控制光学薄膜多边形截头锥体斜面的角度。重要的是，为阻止用磨石等切割时出现缺口或裂缝，切割基板以便制造光学薄膜基板的切割余量部分处于所有光学薄膜被去除的状态。
基板上的光学薄膜处理成多边形截头锥体的形状后，去除掩模，以获得处于基板上、具有多边形截头锥体形状的大量的光学薄膜。通过用磨石沿光学薄膜已被去除的切割余量部分切割，就可以获得大量的、在切割的玻璃基板上具有多边形截头锥体形状光学薄膜的、用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器。通常，由于必须同时切割光学薄膜和基板，不能使用对每种材料都适当的切割条件，但容易理解的是，必须使用能形成更少缺口或裂缝的磨石或条件。根据本发明，由于磨石仅切割玻璃基板，可以选择对基板最佳的磨石磨料、颗粒尺寸和切割速度。结果，当用磨石切割基板时，缺口和裂缝的宽度小于几μm，这些缺口和裂缝对光学薄膜没有光学影响。
附图说明
图1为根据本发明的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器一
实施例的透视图；
图2为平面图，用于说明使用本发明用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器的光学复用器/解复用器；
图3为说明图1沿III-III线截面部分的放大截面图；
图4A到图4D为本发明的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器的其他实施例的透视图；
图5A到图5G为本发明用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器的制造步骤；
图6为说明本发明用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器中，侧面角度θ与缺口和裂缝的出现率之间的关系的曲线图；
图7用透视图表示一种传统的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器。
具体实施方式
现在，将参照附图详细说明本发明的实施例。如图1透视图所示，根据本发明的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器100，具有一形成在玻璃基板120上的光学薄膜110。该光学薄膜110仅允许特定波长的光，更确切地说，一特定波段内的光通过，而其他波长的光被反射。
如图2所示的光学复用器/解复用器使用了八片图1中的薄膜滤波器100。通过光纤50发送的具有波长λ1到λ8的光信号在光学复用器/解复用器处被解复用。在光学复用器/解复用器的第一薄膜滤波器101处，仅有波长为λ1的光信号透射，被解复用，而其他光信号被第一薄膜滤波器101反射到第二薄膜滤波器102。在第二薄膜滤波器102处，仅有波长为λ2的光信号透射，被解复用，而其他光信号被第二薄膜滤波器102反射，发送到第三薄膜滤波器103。此后，各个薄膜滤波器依次对每个波长进行解复用，最后，八个薄膜滤波器将八种光信号解复用。
该光学薄膜具有一些腔，该腔由：一镜面层，该镜面层通过交替层叠一具有四分之一波长光学薄膜厚度的高折射率材料膜(例如，五氧化钽膜)和一具有四分之一波长光学薄膜厚度的低折射率材料膜(例如，二氧化硅膜)获得的多层组成；一孔(间隔物层)，该孔形成在镜面层上，具有整数倍半波长的光学薄膜厚度；和另一与上述镜面层对称地形成在该孔上的镜面层组成。通过重复层叠四到五层腔来获得光学薄膜。在Cushing的US专利6,018,421(公布于2000年1月25日)中描述了光学薄膜的详细结构，本发明的目的不在于此，因而对此不做进一步详细描述。该光学薄膜为如上所述的多层膜，但在以下描述和附图中，只要没有必要，将它描述为一完整的膜。
参见图1和图3，根据本发明第一实施例的用于光学复用器/解复用器100的薄膜滤波器，由一玻璃基板120和一形成于该玻璃基板上具有矩形截头锥体形状的光学薄膜110组成，该光学薄膜周围的侧面111为斜面。在垂直于玻璃基板表面的平面上(图3表示出垂直于玻璃基板表面的平面的截面)，在该侧面与玻璃基板表面间的交点处，侧面111与玻璃基板表面成锐角θ。最好是，光学薄膜侧面从玻璃基板表面到光学薄膜厚度十分之一T的部分，与玻璃基板表面成6至60°的角度θ。在图3中，光学薄膜110的斜面角度θ是，在垂直于玻璃基板表面的平面上，在该侧面与玻璃基板间的交点处，光学薄膜侧面从玻璃基板表面到光学薄膜厚度十分之一T的部分与玻璃基板表面所成的角度。此外，在光学薄膜侧面的上部，该斜面与玻璃基板表面成一角度θ’。角度θ’从45°到90°。
光学薄膜侧面111具有一低折射率材料层和一高折射率材料层交替层叠的结构，每种材料是不同的，以便当使由干蚀刻进行蚀刻时，由于基于材料的蚀刻速度不同，微观上侧面蚀刻成多层。侧面角是玻璃基板表面与侧面之间的角度，通过连接各层上部来定义。由于光学薄膜在较小厚度的部分应力更大，在光学薄膜低于总厚度十分之一的部分，角度越小，越不易产生缺口等。
当侧面角度θ为60°或更大时，该光学薄膜易于从玻璃基板剥离。在下面所示的实验中，当斜面角度θ增加到大于60°时，缺口和裂缝的出现率大大增加。这就是斜面角度θ的上限定为60°的原因。当斜面角度为6°或更小时，光学薄膜的下表面更大，这导致由基板可获得元件数量的减少。
在玻璃基板上光学薄膜侧面的边缘，即光学薄膜的侧面与玻璃基板表面相交的点或线，最好距玻璃基板的边缘有一定距离。由于如下所述，玻璃基板用切块机(dicer)等切割开，光学薄膜最好距玻璃基板的切割部分有一定距离，以便在切割玻璃基板时不会切到光学薄膜。光学薄膜边缘与玻璃基板边缘之间的距离最好尽量小，因为它对光学薄膜来说是无用的空间。
根据本发明的用于光学复用器/解复用器的具有多边形截头圆锥体形状的光学薄膜表面，最好由干蚀刻来制造。通过将蚀刻气体或原子施加于被处理的表面上，实现干蚀刻处理。例如，可以使用活性离子蚀刻，离子蚀刻等。在活性离子蚀刻中，组成光学薄膜的材料与特定气体发生化学反应，形成易于汽化的化合物，化合物汽化以蚀刻薄膜。由于通过原子或分子进行这种处理，因而与磨石切割不同，不会因为物理碰撞而产生缺口或裂缝。在离子蚀刻的情况下，可以用加速氩原子等碰撞光学薄膜。碰撞通过将光学薄膜破裂和分散成分子来蚀刻光学薄膜。
图4是根据本发明的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器其他实施例的透视图。图4A表示一截头圆锥形光学薄膜110和一矩形基板120；图4B表示一六边形截头锥体形光学薄膜110和一矩形基板120；图4C表示一角呈弧状的矩形截头锥体形光学薄膜110和一矩形基板120；以及图4D表示一六边形截头锥体形光学薄膜110和一三角形基板120，组成用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器。由于基板通过磨石切割玻璃板而形成，它可以是包括平行四边形在内的矩形和三角形，与多边形截头锥体形光学薄膜110相结合。
现在参照图5描述本发明中所使用的制造方法。首先提供一玻璃板2’(图5A)。将玻璃板2’放置在真空蒸发装置中，并加热到大约300℃的温度，然后在1.2×10-2Pa的真空度下，在其上形成一二氧化硅膜和一五氧化钽膜。光学薄膜厚度为λ/4(λ：波长)的低折射率膜(物理膜层厚度为265nm的二氧化硅膜)和光学薄膜厚度为λ/4高折射率膜(物理膜层厚度为180nm的五氧化钽膜)反复交替层叠形成总共包括15层膜的镜面层。在该镜面层上形成一物理厚度为1,590nm的二氧化硅薄膜，以使其具有三倍λ/2的光学薄膜厚度。该膜称为孔(间隔物层)。在该孔上再形成另一镜面层，使得该镜面层与上述的镜面层关于孔对称。将由一镜面层、一孔和在该孔上进一步形成的另一镜面层的组合称为腔。通过重复层叠四层腔来制造层叠总数为124层的光学薄膜1’(图5B)。该光学薄膜的厚度约为33μm。在其上形成光学薄膜的玻璃基板的厚度约10mm，用CMP(化学机械抛光)将其背面刮至约1mm的厚度。在图5中没有示出CMP处理。在光学薄膜1’的表面涂敷一层厚度为12μm的光刻胶，在90℃固化，然后使用接触式光刻机曝光、显影，形成用于干蚀刻的光刻胶掩模6(图5C)。通过活性离子蚀刻，将暴露部分的光学薄膜有选择地蚀刻掉(图5D)。该活性离子蚀刻装置为一种电感耦合等离子体系统。使用包含四氟甲烷(CF4)、三氟甲烷(CHF3)和氧气(O2)的混合气体作为活性气体，进行大约240分钟活性离子蚀刻。通过改变活性气体的压力，该蚀刻可以是各向同性的，或者是各向异性的。从活性离子蚀刻操作的开始到中间，在5.3Pa大气压下进行各向异性蚀刻，在活性例子蚀刻操作结束时，将气压升至13到20Pa，进行各向同性蚀刻，直至露出基板2’的表面。通过用这种方式改变气压，可以控制图3中所示的斜面角度，获得85°的θ’和35°的θ。
将光学薄膜处理成矩形截头锥体的形状后，用丙酮清除用做干蚀刻掩模的光刻胶(图5E)。用切割磨石7切割和分离其上设置有方格图案的矩形截头锥体形光学薄膜110的玻璃板2’，(图5F)，就获得了用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器，该薄膜滤波器在基板120上具有一矩形截头锥体形光学薄膜110(图5G)。以250mm/分钟的速度用金刚石磨石进行切割。
图6的曲线表示根据本发明的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器中，斜面角度θ与缺口和裂缝的出现率之间的关系。该基板和光学薄膜均为矩形截头锥体形状，且斜面角度θ由5.2°变化到84.2°。使斜面角度θ’从85°变到88°。使光学薄膜边缘与基板边缘之间的距离为从3μm到5μm。其光学薄膜具有一个或多个大小为5μm或更大的缺口或裂缝的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器数量，除以所检验的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器总数量，用百分比表示出结果，便得到缺口和裂缝的出现率。所检验的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器的总数为2,965片。发现θ为60°或更小的光学薄膜没有缺口和裂缝。在θ为70°和85°时，缺口和裂缝的出现率显著地增加到5.1％和14.5％。当θ达到85°时，斜面的斜率均匀，且θ和θ’实际上难以区分。即使斜面均匀，通过使θ处于本发明限定的范围内，能够减小缺口和裂缝的出现率。
θ从5°到85°的不含有缺口和裂缝的总共500片用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器，经受热循环实验，其中薄膜滤波器在-30℃下保持30分钟，以5℃/分钟的速度加热到80℃，在80℃下保持30分钟，然后以相同的温度梯度冷却到-30℃。在检查缺口和裂缝之前，进行30次热循环。对于倾角θ为70°或更小的情形，用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器，在热循环实验过程中未产生新的缺口和裂缝。对于倾角θ为85°的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器，在45片中有三片产生了看似基板与光学薄膜之间剥离的裂缝。根据这个结果，具有本发明所限定的θ的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器，即使在恶劣的温度条件下也表现出高度可靠性。
如上所述，有可能消除传统上从光学薄膜的边缘出现的几百μm的缺口和裂缝。有可能将根据本发明用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器的基板2的外部尺寸w近似地减小到光学薄膜斜面长度、基板上几μm的基板缺口宽度与光学直径d相加所得到的尺寸。因而，有可能将从一块玻璃板所获得的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器的数量增加约5％。
如上所述，通过干蚀刻，将光学薄膜处理成多边形截头锥体之后，用磨石仅切割基板，有可能防止在光学薄膜中缺口和裂缝的出现，有可能获得不会因温度改变而出现新缺口和裂缝的高度可靠的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器。此外，有可能增加可从一块基板生产的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器的数量，有可能提供更廉价的用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器。
Claims (6)
1.一种用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器，包括一玻璃基板和一形成于该玻璃基板的表面上的光学薄膜，
该光学薄膜具有多个层叠的腔，
每个腔具有一间隔物层和两组镜面层，每组镜面层彼此对称地层叠在间隔物层的每一侧，
每组镜面层具有彼此交替层叠的多个低折射率膜和多个高折射率膜，
其中，在垂直于玻璃基板表面的平面上，在光学薄膜侧面与玻璃基板表面间的交点处，该光学薄膜的侧面与玻璃基板表面成一锐角；
在所述平面上的所述交点处，从玻璃基板表面到光学薄膜厚度十分之一的光学薄膜侧面部分与玻璃基板表面成6至60°的角度；以及
所述平面上的光学薄膜侧面的边缘，距所述平面上的玻璃基板表面的边缘有一距离。
2.如权利要求1所述的薄膜滤波器，其中所述光学薄膜的形状与所述玻璃基板的表面不同。
3.如权利要求1或2所述的薄膜滤波器，其中，该光学薄膜为一多边形截头锥体。
4.如权利要求1或2所述的薄膜滤波器，其中，该光学薄膜侧面由干蚀刻制成。
5.如权利要求3所述的薄膜滤波器，其中，该光学薄膜侧面由干蚀刻制成。
6.一种用于光学复用器/解复用器的薄膜滤波器的制造方法，包括步骤：
在整个基板上形成一光学薄膜，在该光学薄膜上提供一用于干蚀刻的掩模；
干蚀刻用于干蚀刻的暴露部分，以形成多边形截头锥体形状的光学薄膜，在垂直于基板表面的平面上，在光学薄膜侧面与基板表面间的交点处，提供其侧面与基板表面成一锐角的光学薄膜，其中在所述平面上的所述交点处，从基板表面到光学薄膜厚度十分之一的光学薄膜侧面部分与基板表面成6至60°的角度，并暴露出用于利用磨石进行切割的基板切割余量；
去除用于干蚀刻的掩模，以及
用磨石切割露出基板的切割余量，以形成具有该光学薄膜的薄膜滤波器元件，在所述表面上的所述光学薄膜的侧面边缘距所述表面上的基板表面的边缘有一个距离。
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