CN1525197B - 多腔光学滤光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多腔滤光器，并且特别是，一种具有预定中心波长的多腔带通滤光器。滤光器包括多个腔，每个腔包括两个部分反射膜，通过一层介质材料彼此分开。两个部分反射层由具有交替的高和低折射率的材料层形成。每个介质材料层具有中心波长半波长的整数倍的厚度。滤光器具有不对称的结构，以导制从滤光器一侧的反射色散像相对于另一侧的反射色散减小。

Description

多腔光学滤光器

技术领域

本发明一般涉及多腔光学滤光器领域，特别涉及具有低反射色散的多腔光学滤光器。

背景技术

光的干涉是由于两束或者更多束光的叠加而产生的，它会改变透射和反射的光强度。叠加原理规定合成振幅是单光束振幅的总和。灿烂的颜色，比如当光从肥皂泡反射或从水面上漂浮的一薄层油反射时，就可以观看到，这是由两列光波之间的相干效应而产生的。光波是在肥皂液或油的薄膜相对的表面反射的。

更重要地是，薄膜相干效应的一个实际应用涉及镀膜光学表面的生产。当将一种透明物质的薄膜蒸镀在透明基件比如玻璃上，该薄膜具有相对于玻璃的折射率适当确定的折射率，并具有厚度为薄膜中的光特定波长的四分之一，能够将该波长的光从玻璃表面的反射几乎完全消除掉。非反射膜不会将以别的方式反射的光吸收；当然，入射光的能量会重新分配，所以反射的减少是伴随着透射光强度的随之增长一起出现的。

通过使用具有两个或更多叠加层的组合膜，这种薄膜的抗反射性能已经完成了相当可观的改进。两种不同的材料可以用来制造这样一个组合膜，其中一种具有相对高的折射率，而另一种具有相对低的折射率。这两种材料交替地蒸镀至预定的厚度以获得渴望得到的膜的光学性质。理论上，以这种方法为许多种不同的透射和衍射光谱设计多层干涉镀膜是可能的。这就带来了许多利用复合光谱滤光器结构的新型光学装置的发展。抗反射镀膜、激光介质反射镜、电视摄像机边缘滤器、光学带通滤光器以及带阻滤光器是一些利用薄膜干涉镀膜的有效装置的实例。

干涉镀膜的一个特别的类型就是光学带通滤光器，将其设计为可以把在预定范围(即理想的通带)内的波长透射，而把在通带两边的波长范围高度反射。理想地是带通滤光器应具有方形的光谱响应。换句话说，从截止区域(rejectionregion)到通带的转变应尽可能的快，或不同地快速传递，斜度或转变区域应尽可能的陡峭，当这个时候，获得的通带区域是均匀的并具有很小或没有波纹。

最简单的带通滤光器，如在现有技术图1示出，包括两个部分发射器或半反射镜，由一透明介质材料(如玻璃或空气)的半波层将它们分开。

现在转到图2，对于纯介质滤光器，所示的部分反射器由交替的高和低折射率材料层组成。将每层蒸镀为所需的滤光器波长的1/4波长(QW)厚度。每个部分反射器，可以仅包括单独一层，称作1/4波片堆(QWS)。在结构中，滤光器的带宽是关于1/4波片堆的发射系数的函数。通带的中心波长是由间隔介质材料的厚度决定的。

现在参照图3，示出了一滤光器腔，其为纯介质干涉滤光器的基础构造块。该腔包括两个由1/4波片堆制成的反射器，由一个半波长(或多个半波长)的介质层将它们分开。值得注意地，该腔本质上起到一个标准具或一个法布里-珀罗滤光器的作用。

腔淀积在其他腔的顶部，之间具有一低折射率材料的1/4波长层，用来锐化透射响应的斜度.这就产生了一个如图4所示的多腔滤光器.

典型的，将腔淀积在一个基底上，该基底对于感兴趣的波长是透明的，可以由多种不同材料制成包括(但不限于)玻璃、石英、透明塑料、硅和锗。通常，用作1/4和半波长层的介质材料具有在范围1.3至高于4.0的折射率。举例来说，一些适合的材料为：氟化镁(1.38)、氟化钍(1.47)、冰晶石(1.35)、二氧化硅(1.46)、氧化铝(1.63)、氧化铪(1.85)、五氧化钽(2.05)、氧化铌(2.19)、硫化锌(2.27)、氧化钛(2.37)、硅(3.5)、锗(4.0)以及碲化铅(5.0)。当然，也可以用其他介质材料。

借助于市场上买得到的具有最优化方案的计算机程序(即TM TFCalc.bySoftware Spectra Inc.)，能容易地完成滤光器的设计。特别的，将设计输入到程序中，并且计算光谱响应。当选择出具有适当的腔尺寸的设计以匹配所需要的标称带宽时，对匹配层的滤光器透射率进行优化。设计者从选出的材料中选择一种用于1/4波长匹配或者选择使用相同低折射率的具有厚度调整的材料来完成匹配。

已经有不同的尝试来提高图4所示的多腔滤光器的光谱性能。特别的，已对改进透射率进行强调，产生方形谱带形，并且减少波纹。举例来说，Cushing的美国专利No.5719989、5926317、5999322、6011652和6018421，在此一并作为参考，披露了改变腔的数量、在外部腔推中改变层的数量、向内部腔堆添加半波长和/或向外部腔堆添加多个半波长。这些参考的每一个中，将腔和/或改进的腔关于滤光器中心对称地安置。

在多腔滤光器领域中还未解决的是色散。美国专利No.6081379、6256434、6081379和6154318，在此一并作为参考，论述了与色散有关的问题以及讲解了能减少色散的光学装置。然而，这些讲解中没有一个可以用在多腔滤光器中。Dong的美国专利No.6278817讲解了一种布拉格(Bragg)光栅滤光器，该滤光器设计成使得光栅元件一端的反射色散的降低以损失光栅的另一端增长色散为代价。这是通过提供具有调制的空间非对称指数折射率的周期性变化完成的。然而，由于多腔滤光器操作上的不同以及具有和纤维布拉格光栅不同的结构，这些讲解不能为多腔滤光器色散的降低提供一种解决方案。

当前发明的一个目的就是提供一种低反射色散多腔滤光器。

发明内容

当前发明提供一种多腔滤光器，比如一种带通滤光器或者一种交错器(interleaver)，在结构上不对称。值得注意的，结构不对称性是预先设定的，以使从滤光器的任一侧的反射色散实质上与另一侧不同，并且使可利用该差异。比如，通过设计一个在反射光色散中足够大的差异，滤光器的一侧将表现为反射色散，其显著的低于具有对称结构的滤光器中所观察到的色散。

依照本发明，提供一种多腔光学滤光器，包括：一个第一端；一个相对于第一端的第二端；以及设置在第一和第二端之间的多个滤光器腔，每个滤光器腔包括两个间隔开的部分反射膜，其中该多个腔关于滤光器物理中心非对称地安置，使得从第一端反射的光的色散和从第二端反射的光的色散不同。

比如，在一个具体实施方式中，不对称地安置多个腔，以使滤光器中最强的反射器(即，部分反射最强的反射膜)远离滤光器的物理中心.在另一个具体实施方式中，通过使用多个半波长间隔装置引入不对称性，其中多个间隔装置关于滤光器物理中心不对称地安置.

依照当前发明，提供一种多腔光学滤光器，包括：多个滤光器腔，每个腔包含两个间隔开的部分反射膜，并且具有一个特定的Q因数，其中该多个腔设置在滤光器中心的周围，以及其中至少一个腔具有和相对的腔不同的Q因数，该至少一个腔和该相对的腔各自到滤光器中心的距离实质上相等。

依照当前发明，提供一种多腔光学滤光器，以使具有一预定中心波长的光学波长谱带通过，包括：两个外部滤光器腔；以及设置在两个外部腔之间的多个内部滤光器腔，每个内部和外部腔包含一介质反射器堆，其具有交替的高和低折射率层，所述反射器堆通过一介质材料层分开，该介质材料层厚度是中心波长的半波长的整数倍，所述多个内部腔关于滤光器的物理中心成对地设置，使在其两侧的腔的数量相等，其中至少一对包括不同的腔。

依照当前发明，提供一种多腔光学滤光器，包括：一个第一外部部分透射反射器；一个第二外部部分透射反射器，与第一反射器间隔分开设置；以及多个内部部分透射反射器，设置于第一和第二外部反射器之间，每一个反射器与另一个彼此分开一预定距离，其中部分透射反射器包含多层干涉膜，以及将其中多个内部反射器设置为，使从第一外部反射器反射的光的色散与从第二外部反射器反射的光的色散不同。

附图说明

本发明示例性的具体实施方式将通过联系附图进行描述，其中：

图1是现有技术固体标准具滤光器(solid etalon filter)的示意图；

图2是现有技术1/4波片堆的示意图；

图3是现有技术具有介质半波长隔离器的滤光器腔的示意图；

图4是现有技术多腔滤光器的示意图；

图5是现有技术3腔滤光器的示意图，其中内部反射器更强并且关于滤光器中心对称地设置；

图6是依照当前发明的一个具体实施方式中多腔滤光器的示意图；

图7是依照当前发明的另一个具体实施方式中多腔滤光器的示意图；

图8为示意图，示出了依照本发明的一个具体实施方式中6-腔滤光器的反射率；

图9a图解了图8中示出的滤光器的透射光谱；

图9b图解了图8中示出的滤光器显现出的反射色散；以及

图10是依照当前发明的一个具体实施方式中交错器的示意图。

具体实施方式

当前发明提供一种具有低反射色散的多腔滤光器。特别的，将多腔滤光器设计成在结构上非对称，以使从滤光器一侧的反射光的色散小于从滤光器另一侧反射光的色散。

参照图5，其中示出了一种现有技术的3腔带通滤光器，使具有中心波长λ_m的一个窄波长谱带通过并且反射所有其他波长.滤光器10包括一个第一外部腔20，一个内部中心腔30，以及一个第二外部腔40.参考第一外部腔20，每个腔20、30、40，包括一个介质间隔器24，其具有关于中心波长一个半波长或多个半波长的厚度.在间隔器24的两侧是由交替的高和低折射率材料层的1/4波片堆制成的反射层22、26.将腔20、30、40在大约与滤光器的物理或几何中心相对应的平面90周围一前一后地设置.换句话说，平面90将滤光器分为两半，以使在其中两侧的滤光器腔数量相等.1/4波片堆和介质间隔器更适宜使用对于熟知本领域技术的人公知的材料制成，如那些在此之前已经论述过的例子.

所示的每个腔20、30、40通过一个低折射率材料的1/4波长层50、60彼此分开，以使反射层26和32合起来形成一个单独的1/4波片堆52，并且反射层36和42形成一个单独的1/4波片堆62。相应地，将第一外部腔随意地定义在20a、内部腔在30a、以及第二外部腔在40a。一般地，在1/4波片堆52和62中，相对于22和46层数增长的数量是和一个更高的反射率联系在一起的。另外，一个更高的反射率能够通过改变高和低层之间的折射率比来达到。以预定的半波长数目，加强反射器或者增加间隔器厚度(即，提高腔级[order])使通带宽度变窄。增加更多腔会使滤光器具有一个从透射到反射的急剧转变。总体上，传统的带通滤光器设计为与图5中示出的相类似，其带通滤光器是一个多腔滤光器，其具有大约在滤光器物理中心设置的最强的反射器，并具有在接近两侧渐渐变弱的其他反射器。值得注意地，这种反射器的设置是关于滤光器的中心对称的。即使因为容纳了不同的周围和基底材料使外部反射器(如22、46)有一些小的不对称，这也提供了一种从滤光器两侧的反射色散实质上相同的滤光器。

参照图6，其示出了依照当前发明的一个具体实施方式中的一种光学带通滤光器。滤光器100使具有中心波长λ_n的一个窄波长带通过并且反射所有其他波长。滤光器100包括一个具有部分反射层110和125的第一外部腔120，一个具有部分反射层135和145的第一内部中心腔140，一个具有部分反射层155和165的第二内部腔160，以及一个具有部分反射层175和190的第二外部腔180。更好地，每个部分反射层110、125、135、145、155、165和175，以及190具有一个预定的反射率，并且由交替的高和低折射率材料层的1/4波片堆制成，如前所述。所示的每个腔通过一个低折射率材料的1/4波长层彼此分开，这样反射层125和135合起来形成一个单独的1/4波片堆130，反射层145和155形成一个单独的1/4波片堆150，反射层165和175形成一个单独的1/4波片堆170。每个腔120、140、160和180具有一个由介质间隔器提供的腔间隔，介质间隔器具有关于中心波长λ_n的一个半波长或多个半波长的厚度。腔120、140、160和180在大约与滤光器的物理或几何中心相符合的平面198周围一前一后地设置。换句话说，平面198将滤光器分为两半，以使在其中两侧的滤光器腔和/或间隔器的数量相等。反射层175的反射率大于任何其它反射层110、125、135、145、155、165和190的反射率，并且特别的是与反射层125的反射率不相等。换句话说，反射器130、150和170的反射率是关于滤光器中心(即，关于平面198)不对称地分布。相应地，滤光器的结构也是不对称的。

参照图7，示出了依照当前发明的另一个具体实施方式中的一种光学带通滤光器。滤光器200使具有中心波长λ_p的一个窄波长谱带通过并且反射所有其他波长.滤光器200包括一个第一外部腔220，一个第一内部中心腔230，一个第二内部中心腔240，一个第三内部中心腔250，以及一个第二外部腔260.更好地，每个部分反射层216、226、236、246、256和266具有一个预定的反射率，并且由交替的高和低折射率材料层的1/4波片堆制成，如前所述.在一个优选的具体实施方式中，反射层226、236、246和256具有一个相同的反射率.在另一个具体实施方式中，彼此之间的反射率都不同.每个腔220、230、240、250和260分别具有一个由介质间隔器225、235、245、255、265提供的腔间隔.更好地，每个介质间隔器具有关于中心波长λ_p的一个半波长或多个半波长的厚度。腔220、230、240、250和260在大约与滤光器的物理或几何中心相符合的平面290周围一前一后地设置。换句话说，平面290将滤光器分为两半，以使其中在平面290两侧，沿着滤光器的透射轴设置的滤光器腔的数量相等。在这个具体实施方式中，所示的间隔器225、235、245和265具有一个半波长厚度，而所示的间隔器255具有一个完整波长的厚度。由于具有完整波长间隔器255的腔250不是设置在滤光器290的中心，就将不对称性引入到滤光器结构中。

如图6和7中分别示出的，滤光器100和200的不对称性，已经分别关于反射层的反射率和腔间隔进行了论述。另外，将关于腔的品质因数或Q因数论述不对称度。一个光学腔的Q因数，是标准具的反射表面之间储存电磁能能力的量度标准(即，在这种情况下在一个腔中储存能量能力的量度标准)。比如，当在一个腔中的两个反射层都具有高反射率，能量就很容易在腔中储存，并且Q因数就具有很高的值。当至少一个反射层具有低反射率，能量就会从反射层间逃逸，Q因数也将具有很低的值。当然，其他参数，比如腔间隔，也能影响腔的Q因数。

再次参照图5，内部腔30a具有比外部腔20a和40a更高的Q因数，并且Q因数是关于滤光器10的中心90对称地分布的。相反，在图6中示出的滤光器100中，外部腔180具有比腔120、140和160更高的Q因数。另一方面看，内部腔160a具有最高的Q因数。在任何一种情况下，具有最高Q因数的腔是关于滤光器的中心不对称地安置的。关于图7，对称安置的外部腔220和260具有相同的Q因数，而内部腔的Q因数是关于滤光器200的中心不对称分布的。

以上滤光器中的每一个也可以利用设计中公知的不对称性而设计，并且用手动或计算机优化残留的变量以产生一个目标光谱响应和/或性能，同时将滤光器的一侧反射光色散减到最小。比如，可以期望产生一种模拟对称多腔滤光器的光谱响应的光谱响应。

参照图8，示出了依照本发明的一个具体实施方式中的一种6腔通带的示意图。使具有中心波长约为1500nm的一个波长带通过并且反射所有其他波长的滤光器，如图示具有从左侧入射到其上的光。滤光器包括具有反射率分别为R1、R2、R3、R4、R5、R6和R7的七个反射器或反射层。更好地，每个反射器是由交替的高和低折射率材料层的1/4波片堆制成，如前述。每个腔具有一个对应于五个半波长的腔间隔(即，每个腔是关于中心波长的第五级)。为简化起见，没有示出提供腔间隔的介质间隔器。

图9a图解了图8中描述的对称和不对称滤光器的透射光谱。当如图8中左侧图表所示的，将反射率关于滤光器的中心对称地成对安置时，光谱响应由图中虚线示出。当如图8中右侧图表所示的，反射率关于滤光器的中心不对称地分布时，光谱响应由图中实线示出。值得注意的是，这些光谱响应非常的相似。

图9b图解了图8中示出的，从对称和不对称滤光器的左侧反射光的色散，并且特别的，示出了未能获准通过带通滤光器的较短波长的光的测量色散.对于对称滤光器，反射色散(RCD)和背面反射色散(RbCD)，如重叠的中间曲线所示是相同的，其中后者是从滤光器相对一侧反射的反射色散.对于不对称滤光器，用较低处的实线示出的RCD，显著的低于由较高处的虚线示出的RbCD.比如，在1549.5处，反射色散的差额大约是3ps/nm，然而在1549.65nm，差额大于10ps/nm.这粗略的转化为反射色散比对称滤光器产生的分别低1.5和5ps/nm.值得注意地，这种显著的改进是伴随极微的损失获得的(即，参照图9a).

有利的是，有意地为一个多腔滤光器结构提供一分知的不对称，如在以上每个具体实施方式中作为例子论述的那样，生产一种滤光器，其从一侧显现与对称滤光器结构相比明显较小的反射色散，如前述。更适宜地，通过将滤光器置于对低色散信号做进一步处理的地方，就可以利用由不对称滤光器结构产生的低反射色散。

参照图10，示出了依照当前发明的又一个具体实施方式中的一种具有低色散的交错器。交错器300是一个具有不对称分布的反射表面的多腔标准具。为了简化，所示的标准具是一个多腔空气间隔的标准具，然而，一个多腔固体标准具也在本发明的范围之内。校准器包括第一310、第二320、第三330、第四340、第五350、第六360和第七370反射薄膜，每个与其它的彼此间隔开一个相同的预定的距离，该距离与交错器的自由光谱区域(FSR)有关。为了示例目的，所示的反射膜310、320、330、340、350、360和370具有对应于13％、14％、39％、52％、43％、14％、13％的反射率，以使反射率关于滤光器的中心不对称地分布，同时空气间隔为1.5mm。相应的，滤光器结构是不对称的，并且能够从一侧显现出比另一侧更高的反射散。

当然，许多其它的具体实施方式也能在不背离本发明精神和范围内考虑到。比如，基于任何不同设计/类型之一的低色散多腔滤光器。

Claims (12)

1.一种多腔光学带通滤光器，用于仅通过单个波段，所述滤光器包括：至少四个滤光器腔，每个腔包括两个间隔开的部分反射膜，其中每个部分反射膜的厚度是所述单个波段的中心波长的四分之一波长或者四分之一波长的整数倍，每个腔还包括在间隔开的反射膜之间的间隔器层，该间隔器层的厚度是所述单个波段的中心波长的半波长或者半波长的整数倍，其中每个腔具有特定的Q因数，其中至少四个滤光器腔放置在滤光器的中心周围，使得至少两个腔放置在滤光器的中心的各侧，并且其中在滤光器的中心的一侧的至少一个腔的Q因数不同于在滤光器的中心的另一侧的相对的腔，其中所述至少一个腔和所述相对的腔各自与滤光器的中心的距离相同，使得多腔带通滤光器在结构上是不对称的，并且使得从滤光器的第一端反射的光的色散不同于从滤光器的第二端反射的光的色散。

2.如权利要求1所述的多腔光学带通滤光器，其中选择所述至少一个腔的Q因数，以减少入射到滤光器的一侧的光的反射色散。

3.如权利要求2所述的多腔光学带通滤光器，其中每一个部分反射膜包括由交替的高和低折射率材料层形成的四分之一波片堆。

4.如权利要求3所述的多腔光学带通滤光器，其中通过改变每一个四分之一波片堆的反射率和间隔器的厚度中的一个来预先确定所述特定的Q因数。

5.如权利要求4所述的多腔光学带通滤光器，其中通过改变所述交替的高和低折射率材料之间的折射率比以及高和低折射率材料的交替对的数目中的一个来预先确定所述反射率。

6.如权利要求3所述的多腔光学滤光器，其中下列的至少一个被离开滤光器的中心而放置：具有最高Q因数的腔、具有最高反射率的部分反射膜和具有最大厚度的介质间隔器。

7.如权利要求1所述的多腔光学带通滤光器，其中具有最高Q因数的腔被离开滤光器的中心而放置。

8.如权利要求1所述的多腔光学带通滤光器，其中具有最高反射率的部分反射膜被离开滤光器的中心而放置。

9.如权利要求1所述的多腔光学带通滤光器，其中具有最大间隔器厚度的腔被离开滤光器的中心而放置。

10.如权利要求1所述的多腔光学带通滤光器，其中所述滤光器被设计为使得所述至少四个滤光器腔的特定Q因数关于滤光器的中心非对称分布。

11.一种多腔带通光学滤光器，用于仅通过单个波段，所述滤光器包括：至少四个滤光器腔，每个腔包括两个间隔开的部分反射膜并具有特定Q因数，其中所述多个滤光器腔放置在滤光器的中心周围，使得多腔带通滤光器在结构上是不对称的，并且其中至少一个腔的Q因数不同于相对的腔，所述至少一个腔和所述相对的腔各自与滤光器的中心的距离相同，其中选择所述至少一个腔的Q因数以减少入射到滤光器的一侧的反射色散。

12.一种多腔光学带通滤光器，用于通过具有预定中心波长的单个光学波段，所述滤光器包括：至少四个滤光器腔，每个腔包括两个间隔开的部分反射膜并具有特定Q因数，其中每个腔包括在所述两个间隔开的反射膜之间的间隔器，该间隔器是半波长的间隔器层或者半波长的整数倍的间隔器层，其中所述至少四个滤光器腔中的两个被放置在光学带通滤光器的中心的相对侧，并且其中所述两个滤光器腔具有不同的Q因数并与滤光器的中心间隔开相同数目的腔，所述两个腔各具有在反射膜之间的间隔器，所述间隔器的光学厚度是光学带通滤光器的中心波长的半波长的整数倍，并且其中所述两个间隔开的反射膜的光学厚度是中心波长的四分之一波长，使得多腔带通滤光器在结构上是不对称的，并且使得从滤光器的第一端反射的光的色散不同于从滤光器的第二端反射的光的色散.

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