CN1360681A - 干涉光窄带滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波长λ0干涉光窄带滤波器,它由多个交替具有高折射率nH和低折射率nL的电介质层组成,其中一部分电介质层具有λ/4或λ/2或其整数倍数的光学层厚。本发明的改进在于还包含有另一部分光学层厚偏离λ/4和λ/2的电介质层,从而使层系的总层厚达到最小。
Description
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的带有多层电介质层的波长λ0干涉光窄带滤波器，以及这种滤波器的应用和制造这种窄带干涉光滤波器的等离子-脉冲-CVD(化学气相淀积)制造方法。
法布里-珀罗(Fabry-Perot)型窄带电介质滤波器由于在现有技术中已大量公开而为人们所公知。有关内容可参阅下述专利说明书或专利申请公开说明书：
US-4756602，
CA2220291，
WO 97/017777，
EP 092305。
上述专利说明书或专利申请公开说明书中的对象已被本申请所接纳。
干涉光窄带滤波器是通过交替获得有确定层厚的高、低折射层而制成。在法布里-珀罗型滤波器中有一个围绕所谓隔离层(λ/2或n*λ/2层)的λ/4层对称结构，即所谓的腔，也就是说，在腔的一半内各层的分布与在腔的另一半中成镜像重复。窄带滤波器由多个腔(如三个)组成。在制造中优先使用光学方法监测和控制λ/2或λ/4层厚的增加，例如一种有效的控制方法为极限值断路法，当层系的透射或反射达到极限值时，即当层厚达到一个λ/4或其整数倍数时，则停止涂覆过程。为了利用传统的方式，即从预定的材料(也即预定的折射率)的多层λ/4层来获得预定的滤波器特性，通常要求系统有超大尺寸。这就是说，必须使用许多层或很厚的层。这也意味着滤波器生产时间的延长和经济效益的降低。
对于US-4756602所公开的光学窄带滤波器，将其中的隔离层分成许多等量的薄层，而总层厚保持不变。
US-4756602中的干涉光滤波器借助连续汽化淀积法、并使用激光椭圆偏光控制层厚来制成，分层后确定其准确的层厚，然后对随后形成的层再行优化。这种层厚控制法价格昂贵，实际生产中很少使用。
本发明要解决的技术问题是提供一种具有预定透射特性的法布里-珀罗型窄带电介质滤波器，且克服现有技术中所存在的缺点。特别是尽可能减小窄带干涉滤波器的总厚度，以便生产制造时有高的经济效益。
本发明采用下述手段来解决上述技术问题：波长λ0干涉光窄带滤波器中多层系统内的一部分层具有偏离λ/2或λ/4的光学层厚。
本发明这种干涉光窄带滤波器具有交替排列的电介质层，例如其由二氧化钛和二氧化硅，尤其是由氧化铌和二氧化硅组成，其中某些单层的光学层厚可以是λ/4的任意部分或倍数。这样一种设计的优点是：总厚度虽比单纯由λ/4层组成的设计要小，但仍可达到预定的透射特性。
作为高折射层材料，Nb2O5、TiO2、Ta2O5、ZrO2和HfO2可优先使用。
对于现有技术中包含由HL叠层(H：高折射材料层，L：低折射材料层)构成的镜像层和由n*λ/2层形成的隔离层的滤波器，在指定涂层材料时，其在透射特性上与预定的技术条件不能任意匹配，因为折射率、镜像层的最小反射和波长刻度盘上带道的位置处于窄的范围。
本发明的滤波器则克服了这一缺点。此外通过利用光学层厚偏离λ/4或其倍数的层(即所谓的非λ/4层)，可能改变窄带滤波器透射特性的下凹，即改变其所谓的“波动”(Ripples)，尤其可使其达到最小。
在本发明的一个优选实施方式中，通过选择偏离λ/4或λ/2层的光学层厚，使干涉光窄带滤波器的总层厚在保证其透射特性的基础上达到最小。
当干涉光窄带滤波器包含多个由交替的高、低折射层构成的叠层时，更为有利。从其一个实施方式中可以看出：在一叠层里排列了多层λ/4反射层，且至少有一个光学层厚偏离λ/4或λ/2的层。
此外还可能存在一个几乎所有层的光学层厚均偏离λ/4的叠层。
在一个特定的实施方式中，在叠层之间还有一个隔离层，该隔离层包含一个或多个λ/2层，或者还包括一些光学层厚偏离λ/2的层。
由于制造工艺中采用传统测量方法(如光学检测或极限值断路法)制成的本发明滤波器不能达到所要求的准确度，因此出现了另一种制造这种窄带滤波器的方法。为此本发明采用等离子-脉冲-CVD(简称PICVD)方法，在该方法中这样选择制造工艺参数，以使介质中的每一微波脉冲分解成明显小于电介质层中的单层。因而就可能用脉冲次数来准确控制预定的层厚。
在这样一种典型的等离子-脉冲-CVD方法中，首先确定为获得λ/4或λ/2层所需的脉冲次数N，为获得偏离λ/4或λ/2的层，再将该已定脉冲次数N提高或减少n，从而形成比λ/4更厚或更薄的层。
作为一种选择方式，在等离子-脉冲-CVD方法中，一种为获得λ/4层而使用的层材料，借助一种易于改变其光学常数的层材料，可用来制取光学层厚偏离λ/4的层，而不会对滤波器的边缘陡度产生不利影响，因为在脉冲间隙里即可完成到另一材料的转换。
该方法的突出优点在于：每个等离子脉冲平均来说被分解成明显小于电介质层的单层。通过脉冲次数即可准确控制预定层厚。
还可以通过改变制造工艺参数，如基片温度或过程气体压力或涂覆率来改变光学层厚。随着基片温度或过程气体压力或涂覆率的改变，折射率差值可达0.05或更大。
以下描述包含一个或多个光学层厚偏离λ/4层的法布里-珀罗型窄带滤波器的具体实施方式。
图1 层系的第一种理论设计的透射曲线。
图2 满足第一种理论设计透射曲线的层系的折射率曲线，该层系共有112层，包含多个光学层厚偏离λ/4的层。
图3 窄带干涉光滤波器的第二种理论设计透射曲线。
图4 差不多能达到图3理论设计值的层系的透射曲线，该层系总共为66层，其中有多个层厚偏离λ/4的层，总层厚约为16μm。
图5 图4层系的折射率曲线。
图6 以λ/4和λ/2层为基础、并几乎能达到图3理论设计值的层系的透射曲线，该层系由78层组成，总层厚约为27μm。
图7 图6层系的折射率曲线。
图1给出本发明滤波器第一种可能的理论设计透射曲线。
图2给出按本发明滤波器层系的折射率曲线，该层系差不多能实现图1的第一种理论设计透射曲线，并包括多个光学层厚偏离λ/4或λ/2的层。该层系共有112层，具体结构如下：
0.6505H 0.34L 0.4243H 0.9405L 1.0015H 1.0113L
1.0043H 0.9935L 0.9838H 0.9778L 0.9776H 0.9831L
0.9904H 0.9954L 0.9971H 0.9979L 1.0004H 4.0062L
1.0023H 1.0L 0.9982H 0.9966L 0.995H 0.9933L
0.9913H 0.9891L 0.9869H 0.985L 0.9839H 0.9846L
0.9883H 0.9975L 1.0122H 0.9155L 0.0706H 0.1537L
0.3915H 0.2603L 0.7195H 1.0316L 1.0139H 0.9991L
0.989H 0.9837L 0.9824H 0.9835L 0.9857H 0.9878L
0.9894H 0.9915L 0.9947H 0.9988L 1.0034H 4.0106L
1.0013H 0.9948L 0.9911H 0.9893L 0.9883H 0.9877L
0.9874H 0.9875L 0.9879H 0.9886L 0.9897H 0.9913L
0.9939H 0.9981L 0.8754H 0.0574L 0.1429H 0.8937L
0.0675H 0.1481L 0.3561H 0.2993L 0.6967H 1.0004L
0.9846H 0.9745L 0.9697H 0.9695L 0.9731H 0.979L
0.9851H 0.99L 0.9932H 0.9959L 0.9992H 1.0015L
1.0012H 4.0026L 0.9999H 1.0014L 1.0053H 1.009L
1.0065H 0.9933L 0.9723H 0.9523L 0.9413H 0.9428L
0.9545H 0.9657L 0.9541H 0.8887L 0.6238H 0.2241L
0.1628H 0.6552L 0.0941H 0.0149L
这里H表示具有高折射率nH的层，L表示具有低折射率nL的层。高折射层材料，可优先使用Nb2O5、TiO2、Ta2O5、ZrO2及HfO2，氧化铌(Nioboxid)是高折射层的首选，而二氧化硅则是低折射层的首选材料。光学层厚按以下方式表示：
1.000＝nd＝λ/4。也就是说，值1.000表示光学层厚等于λ/4；值为0.9956，则表示光学层厚稍小于λ/4，值为1.0043，则光学层厚稍大于λ/4。
图3给出窄带干涉光滤波器的第二种理论设计透射特性。
图4和图5是表示本发明滤波器性能的曲线，该滤波器能给出与图3所示第二种理论设计特性相应的、满足要求的透射曲线。图4为本发明干涉光滤波器的实际透射曲线，从图3和图4的比较可看出，实际的透射曲线与预定的第二种理论设计特性的透射曲线相当一致。图4和图5的层系的总层厚比仅包含λ/4和λ/2层的层系的总层厚要薄50％。图5给出能达到第二种理论设计特性的层系的折射率曲线。图5的层系由66层组成，具体结构如下：
0.5486H 0.007L 0.5289H 1.1718L 1.2095H 1.1575L
1.0469H 0.9728L 0.971H 1.0217L 1.0764H 1.0379L
0.9368H 0.9652L 1.0171H 0.9912L 0.945H 4.0895L
0.9593H 1.0102L 0.895H 0.9771L 1.0412H 1.005L
0.9303H 0.8977L 0.9442H 1.0036L 1.032H 1.0729L
1.1511H 1.175L 1.0713H 0.8283L 1.1149H 1.5524L
0.7855H 1.0895L 1.0185H 1.008L 1.0233H 1.0482L
1.0739H 1.1208L 1.2156H 0.9359L 1.0174H 0.8977L
1.2226H 3.974L 0.8322H 0.986L 1.0412H 1.1036L
0.9771H 0.8995L 0.872H 0.8306L 0.8384H 0.928L
1.0438H 1.115L 1.132H 1.1647L 1.2208H 1.3793L
该层系符号与图1完全一致，L为低折射率层，H为高折射率层。在该例中，低折射层折射率nL＝1.43，高折射层折射率nH＝2.3。高折射层材料优先选择Nb2O5，低折射层材料则优先选择SiO2。图5再次给出折射率与层厚的关系曲线，明显可以看出高低折射层之间的转换以及总共有两个隔离层。
图6是现有技术中所谓三腔滤波器的透射曲线，其仅仅具有λ/4和λ/2层及其倍数层。这里1、2、5、6叠层具有同样的结构，3、4叠层含有由3/4λ层构成的镜像层。一个叠层显示出具有多个交替出现的高、低折射材料的λ/4层(或其倍数层)。一个腔包括两个叠层，被一个隔离层，例如由高或低折射材料的λ/2层隔开。各个腔之间的耦合层可以是低折射的λ/4层。
从图3与图6作比较可以看出，该现有技术中的滤波器同样表现出与第二种理论设计滤波特性非常近似。
如图7所示三腔滤波器的折射率曲线，每一单层及两个隔离层的厚度明显较厚，从而导致其总层厚比本发明厚近50％。
本发明另一优点是曲线边缘陡度高以及在透射范围内具有更高的透射性。
为制造上述光学层厚变化的层系，优先借助等离子-脉冲-CVD法来完成，例如涂覆一个原子单层或更薄，每个等离子脉冲以及脉冲次数如前面所描述那样。
作为一种选择方式，可以通过在可变化控制的脉冲间隙期间改变工艺参数来改变光学层厚。等离子-脉冲-CVD法的优点在于，能达到一个明显的跃迁(Uebergang)，利用简便方法就可能在层系内部获取偏离λ/4的层。在目前连续的CVD法中，没有跃迁，这是不可能的。
本发明所制成的窄带滤波器，其边缘陡度可被控制地调节，因此可用作具有极端陡度的截止滤波器或很平缓的增益平坦滤波器(Gain-FlatteningFilter)。这种窄带滤波器由于具有可精确控制的透射曲线，可被应用于信息技术中的WDM(波分复用)系统或DWDM(密集波分复用)系统的多路复用器或多路分用器。本发明的显著优点是，与传统设计相比，大大降低了总层厚。
Claims (19)
1.波长λ0干涉光窄带滤波器，
1.1其包含多个电介质层，
1.2这些电介质层交替具有高折射率nH及低折射率nL，
1.3这些电介质层的一部分具有λ/4或λ/2或其整倍数的光学层厚，其特征在于：
1.4这些电解层中另一部分的光学层厚偏离λ/4或λ/2。
2.按照权利要求1所述的干涉光窄带滤波器，其特征在于：偏离λ/4或λ/2的电介质层的光学层厚是这样确定的，以使其总层厚在满足预定的透射特性时达到最小。
3.按照权利要求1或2所述的干涉光窄带滤波器，其特征在于：该窄带滤波器包含有多个由交替具有高折射率nH和低折射率nL的高、低折射层组成的叠层。
4.按照权利要求3所述的干涉光窄带滤波器，其特征在于：至少在一个包含多个λ/4反射层的叠层中要具有至少一个偏离λ/4或λ/2光学层厚的层。
5.按照权利要求4所述的干涉光窄带滤波器，其特征在于：一个叠层的总层厚为偏离λ/4的层厚。
6.按照权利要求1至5中任何一项所述的干涉光窄带滤波器，其特征在于：高折射层可包含材料Nb2O5，TiO2，Ta2O5，ZrO2和HfO2中的一种或多种。
7.按照权利要求3至6中任何一项所述的干涉光窄带滤波器，其特征在于：该干涉光窄带滤波器在其叠层之间有隔离层。
8.按照权利要求7所述的干涉光窄带滤波器，其特征在于：该隔离层具有一个或多个λ/2层。
9.按照权利要求7所述的干涉光窄带滤波器，其特征在于：该隔离层至少有一层偏离λ/2的光学层厚。
10.按照权利要求3至9中任何一项所述的干涉光窄带滤波器，其特征在于：该滤波器有多个包含多个反射叠层的腔。
11.按照权利要求10所述的干涉光窄带滤波器，其特征在于：该干涉光窄带滤波器在腔之间有耦合层。
12.按照权利要求1至11中任何一项所述的干涉光窄带滤波器，其特征在于：低折射层含有二氧化硅。
13.权利要求1至12中任何一项所述的干涉光窄带滤波器应用于WDM及DWDM系统中的多路复用器或多路分用器。
14.权利要求1至12中任何一项所述的干涉光窄带滤波器用作颜色分配器。
15.权利要求1至12中任何一项所述的干涉光窄带滤波器用作极易控制其边缘陡度的截止滤波器。
16.权利要求1至12中任何一项所述的干涉光窄带滤波器用作增益平坦滤波器。
17.制造干涉光窄带滤波器的等离子-脉冲-CVD方法，其特征在于：
17.1在获得λ/2或λ/4层时，预先调定工艺参数和/或过程气体。
17.2为获得偏离λ/2或λ/4光学层厚的层，在两个连续的等离子脉冲之间改变该预先调定的工艺参数和/或过程气体。
18.制造干涉光窄带滤波器的等离子-脉冲-CVD方法，其特征在于：
在获得λ/4或λ/2层时确定等离子脉冲次数N；
在获得偏离λ/4或λ/2的层时，再将等离子脉冲次数相对于N次提高n或降低n次，这里始终N＞n。
19.按照权利要求17所述的等离子-脉冲-CVD方法，其特征在于：
其工艺参数这样来选择，使得每个等离子脉冲平均来说分解成明显小于一个电介质层的单层。
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