DE19932082A1

DE19932082A1 - Interferenzoptisches Schmalbandfilter

Info

Publication number: DE19932082A1
Application number: DE1999132082
Authority: DE
Inventors: Burkhard Danielzik; Markus Kuhr; Bernd Metz
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2001-01-18
Also published as: WO2001004668A1; CA2379077A1; TW452666B; AU6690600A; EP1194799A1; CN1360681A; AU5826800A; WO2001004669A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein interferenzoptisches Schmalbandfilter für eine Wellenlänge <mit DOLLAR A einer Vielzahl von dielektrischen Schichten, wobei DOLLAR A die dielektrischen Schichten abwechselnd einen hohen und einen niedrigen Brechungsindex aufweisen und DOLLAR A die optische Schichtdicke der dielektrischen Schichten K4 oder K2 beträgt. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß DOLLAR A wenigstens eine Schicht des Vielschichtsystems eine von K2 oder K4 abweichende optische Schichtdicke im Inneren des Systems aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen interferenzoptischen Schmalbandfilter für eine Wellenlänge λ mit einer Vielzahl von dielektrischen Schichten gemäß dem Oberbegriff des, Anspruches 1, sowie die Verwendung eines derartigen Filters und ein Plasma-Impuls-CVD-Verfahren zur Herstellung derartiger schmalbandiger interferenzoptischer Filter.

Schmalbandige dielektrische Fabry-Perot-Filter sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen im Stand der Technik bekannt geworden.

Diesbezüglich wird verwiesen auf die nachfolgenden Schriften:
US-4756602
CA 2220291
WO 97/017777
EP 092305

Der Gegenstand dieser Patentschriften wird vollumfänglich in denjenigen der vorliegenden Anmeldung mit aufgenommen.

Interferenzoptische Schmalbandfitter werden durch abwechselndes Aufbringen von hoch- und niedrigbrechenden Schichten in einer vorgeschriebenen Reihenfolge hergestellt. Beim Fabry-Perot-Design liegt ein symmetrischer Aufbau aus λ/2- und λ/4-Schichten vor, das heißt die Anordnung der Schichten in der ersten Filterhälfte wiederholt sich spiegelbildlich in der zweiten Filterhälfte. Das Dickenwachstum der λ/2- beziehungsweise λ/4-Schichten wird während der Herstellung mit Hilfe optischer Methoden überwacht und gesteuert. Eine Möglichkeit der Steuerung des Dickenwachstums ist beispielsweise eine Extremwertabschaltung, die das Wachstum genau dann unterbricht, wenn die Schichtdicke der einer λ/2- beziehungsweise λ/4-Schicht entspricht.

Problematisch bei derartigen Schichtsystemen ist das Auftreten von sogenannten "Ripples". "Ripples" sind im Durchlaßbereich stark ausgeprägte Einbrüche im Transmissionsverlauf. Um derartige Einbrüche zu vermeiden beziehungsweise abzuschwächen, schlägt beispielsweise die WO 97/01777 vor, am Systemabschluß, das heißt im Bereich der Deckschichten weniger Schichten als im Inneren vorzusehen.

Dieses Verfahren ist sehr aufwendig. Zur Anpassung der Transmission an das benachbarte Medium schlägt diese Erfindung des weiteren vor, die Dicke der Deckschicht beziehungsweise der abschließenden Schichten zu variieren.

Problematisch bei der Herstellung derartiger Schichten ist des weiteren, daß die Schichtdicken bei der Herstellung nicht mehr mit Hilfe einfacher Extremwertabschaltungen durch ein optisches Meßverfahren zu steuern sind.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, die Einbrüche, das heißt die "Ripples" in sehr schmalbandigen Fabry-Perot-Filtern zu minimieren, ohne die Nachteile gemäß dem Stand der Technik in Kauf nehmen zu müssen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem interferenzoptischen Schmalbandfilter für eine Wellenlänge λ wenigstens eine Schicht im Inneren des Vielschichtsystems eine von λ/2 oder λ/4 abweichende optische Schichtdicke aufweist.

Die Veränderung der optischen Schichtdicke mindestens einer Schicht kann durch geeignete Wahl der Verfahrensparameter während der Herstellung erfolgen, beispielsweise dadurch, daß bei Plasma-Impuls CVD-Verfahren die Anzahl N der Plasmaimpulse zum Erreichen einer λ/4-Schicht bestimmt wird und zur Herstellung einer von λ/4 oder λ/2 abweichenden Schicht die Anzahl der Plasmaimpulse gegenüber der vorbestimmten Anzahl N um n erhöht wird, so daß eine etwas dickere Schicht als eine λ/4-Schicht entsteht oder aber dadurch, daß bei einem Plasma-Impuls-CVD-Verfahren eines der benutzten Schichtmaterialien durch ein anderes Schichtmaterial mit leicht abweichenden optischen Konstanten zur Herstellung einer Schicht beziehungsweise eines Schichtsystems verwendet wird. Die Umstellung auf das andere Material kann während einer Impulspause erfolgen. Dies ist für einen scharfen Materialübergang vorteilhaft, da im Gegensatz z. B. zu kontinuierlichen CVD- Verfahren keinerlei Übergänge auftreten.

Eine Veränderung der optischen Konstanten abgeschiedener Schichten ist beispielsweise dadurch möglich, daß die Substrattemperatur oder der Restgasdruck oder die Beschichtungsrate geändert wird. Mit Änderung der Substrattemperatur beziehungsweise des Restgasdruckes oder der Beschichtungsrate lassen sich Brechwertdifferenzen von 0,01 erreichen. Solch geringe Brechwertdifferenzen in einer im Inneren des Schichtsystems angeordneten Schicht sind ausreichend um die Ausprägung von Einbrüchen zu beeinflußen, ohne daß dadurch die Transmissionseigenschaften verändert werden. Alternativ zu einer Veränderung der Substrattemperatur können auch unterschiedliche Materialien verwendet werden, beispielsweise bei hochbrechenden Schichten TiO₂ durch Nb₂O₅ ersetzt werden und umgekehrt.

Nachfolgend sollen Ausführungsbeispiele von Fabry-Perot-Schmalbandfiltern beschrieben werden, mit denen die "Ripplebildung" unterdrückt werden kann.

Es zeigen

Fig. 1 die Transmissionskurve über der Wellenlänge für ein Drei-Cavity- Filtersystem mit konventionellem Design,

Fig. 2 die Transmissionskurve eines Drei-Cavity-Filtersystems gemäß Fig. 1, wobei der Brechwert der hochbrechenden Schicht im Stack 6 um 0,01 sich verändernd betrachtet wurde und

Fig. 3 ein Drei-Cavity-Filter gemäß Fig. 1, bei dem sowohl der Wert der hochbrechenden wie auch der niedrigbrechenden Schicht im Stack 6 um jeweils 0.02 verändert wurde, das heißt der hochbrechenden Schicht n_H von 2,299 auf 2,279 und der der niedrigbrechenden Schicht von n_L 1,432 nach 1,452.

Fig. 1 zeigt die Transmissionskurve eines sogenannten Drei-Cavity-Filters der wie folgt aufgebaut ist:
Substrat/Stack 1/Spacer 1/Stack 2/Koppelschicht/Stack 3/Spacer 2/Stack 4/Koppelschicht/Stack 5/Spacer 3/Stack 6.

Hierbei sind die geradzahligen Stacks, das heißt Stack 2, Stack 4 und Stack 6 identisch aufgebaut ebenso wie die ungeradzahligen Stacks, das sind Stack 1, Stack 3 und Stack 5. Die ungeradzahligen Stacks sind spiegelbildlich zu den geradzahligen aufgebaut und sämtliche Spacerschichten identisch. Ein Stack bezeichnet eine Vielzahl von λ/4-Schichten mit abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden Materialien. Eine Cavity umfaßt eine Vielzahl von λ/4- reflektierenden Stacks, wobei die λ/4-reflektierenden Stacks durch Spacerschichten, beispielsweise eine λ/2-Schicht aus dielektrischem Material getrennt ist. Die Koppelschichten zwischen den einzelnen Cavities können beispielsweise niedrigbrechende λ/4-Schichten sein.

In Fig. 1 deutlich zu erkennen sind die beiden Einbrüche der Transmissionskurve um die Mitte des Transmissionsfilters bei λ = 1550 nm.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform gemäß Fig. 1, das heißt ein Drei-Cavity- Filter mit dem Schichtaufbau wie in Fig. 1 dargestellt, wobei der Brechwert der hochbrechenden Schicht im λ/4-reflektierenden Stack 6, der eine Vielzahl von alternierenden hoch- und niedrigbrechenden λ/4-Schichten umfaßt mit einem Brechungsindex n_H gezeigt, der jeweils um 0,01 abnimmt, das heißt es sind die Fälle n_H = 2,299, 2,289, 2,279, 2,269 dargestellt. Wie aus Fig. 2 deutlich zu ersehen, wird bei einer Änderung des Brechungsindexes um 0,04 für die hochbrechenden Schichten in Stack 6 eine ganz erhebliche Verminderung der unerwünschten Einbrüche der Transmissionskurve erreicht.

Variiert man zusätzlich zum Brechungsindex der hochbrechenden Schicht auch den der niedrigbrechenden Schicht in einem λ/4-reflektierenden Stack, beispielsweise in Stack 6 des Drei-Cavity-Filtersystems gemäß Fig. 1, so ergibt sich die Transmissionskurve gemäß Fig. 3. Deutlich zu erkennen die nochmals verbesserte Flankensteilheit des Filters sowie die Reduzierung der unerwünschten Einbrüche, Ripples, in der Transmissionskurve um die Wellenlängenmitte λ_m 1550 nm.

Während in den Ausführungsbeispielen eine Veränderung der optischen Dicke mit Hilfe von Brechungsindexvariationen erreicht wurde, ist für den Fachmann offensichtlich, daß dasselbe Ergebnis möglich ist, wenn bei unverändertem Brechungsindex von nieder- und hochbrechender Schicht in allen Stacks beispielsweise in Stack 6 eine von der Dicke der λ/4-Schichten in den übrigen Stacks abweichende Schichtdicke, d. h. eine erhöhte beziehungsweise erniedrigte Schichtdicke aufgebracht wird.

Während in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen die optische Dicke im letzten, das heißt abschließenden Stack 6 das Drei-Cavity-System variiert wurde, können dieselben Ergebnisse erzielt werden, wenn die Schichten im Inneren des Multischichtsystems liegen, das heißt der in der optischen Dicke veränderte Stack beispielsweise Stack 2 oder Stack 3 ist.

Eine Verlegung ins Innere des Systems erhöht die Freiheitsgrade beim Design derartiger Filter ganz erheblich.

Die Herstellung der dargestellten Schichtsysteme mit einer veränderten optischen Dicke erfolgt bevorzugt mit Hilfe des Plasma-Impuls CVD- Verfahrens.

Durch den Materialwechsel während der Impulspause, die variabel einstellbar ist, kann ein sehr scharfer Übergang erreicht werden, ebenso ist es auf einfache Art und Weise im Inneren des Schichtsystem möglich, Schichten mit einer von λ/4 abweichenden optischen Schichtdicke, sogenannte "krumme Schichten" herzustellen, was bei den derzeitigen kontinuierlichen Verfahren ohne Übergänge nicht möglich ist.

Die mit der Erfindung hergestellten sehr schmalbandigen Filter, deren Kantensteilheit durch die beschriebene Brechungsindexvariation sehr kontrolliert eingestellt werden kann, können als, Kantenfilter mit extremer Flankensteilheit oder sehr flache Gain-Flatening-Filter verwendet werden. Des weiteren eignen sich die vorgestellten Fabry-Perot-Schmalbandfilter aufgrund ihrer kontrollierbaren Flankensteilheit sowie der nur sehr geringen Einbrüche im Transmissionsverlauf zu Multiplexen beziehungsweise Demultiplexen in WDM (Wavelength-Division-Multiplex) beziehungsweise DWBM (Dense- Wavelength-Division-Multiplex)-Systemen der Nachrichtentechnik.

Claims

1. Interferenzoptischer Schmalbandfilter für eine Wellenlänge λ mit

1. einer Vielzahl von dielektrischen Schichten, wobei
2. die dielektrischen Schichten abwechselnd einen hohen und einen niedrigen Brechungsindex aufweisen und
3. die optische Schichtdicke der dielektrischen Schichten λ/4 oder λ/2 beträgt,

dadurch gekennzeichnet, daß

1. wenigstens eine Schicht des Vielschichtsystems eine von λ/4 oder λ/4 abweichende optische Schichtdicke im Inneren des Systems aufweist.

2. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Schichtdicke der von λ/2 oder λ/4 abweichenden Schichtdicke derart gewählt wird, daß die "Ripple"-Bildung minimiert wird.

3. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmalbandfilter eine Vielzahl von λ/4- reflektierenden Stacks mit einer Vielzahl von abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden λ/4 Schichten umfaßt.

4. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein λ/4-reflektierender Stack wenigstens eine Schicht mit einer optischen Schichtdicke, die von λ/4 abweicht, umfaßt.

5. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Schichten eines λ/4-reflektierenden Stacks eine optische Schichtdicke aufweisen, die von λ/4 abweicht.

6. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der interferenzoptische Schmalbandfilter zwischen den λ/4- reflektierenden Stacks Spacerschichten umfaßt.

7. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spacerschichten eine oder mehrere λ/2-Schichten umfassen.

8. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Interferenzfilter eine Vielzahl von Cavities, umfassend mehrere reflektierende Stacks umfaßt.

9. Interferenzoptischer Schmalbandfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der interferenzoptische Schmalbandfilter zwischen den Cavities Koppelschichten umfaßt.

10. Verwendung eines interferenzoptischen Schmalbandfilters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Multiplexen/Demultiplexen in WDM und DWDM-Systemen.

11. Verwendung eines interferenzoptischen Schmalbandfilters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 als Farbteiler.

12. Verwendung eines interferenzoptischen Schmalbandfilters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 als Kantenfilter mit extrem kontrollierter Flankensteilheit.

13. Verwendung eines interferenzoptischen Schmalbandfilters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, als Gain-Flatening-Filter.

14. Plasmaimpuls CVD-Verfahren zur Herstellung von interferenzoptischen Schmalbandfiltern, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anzahl N der Plasmaimpulse zum Erreichen einer λ/4-Schicht bestimmt wird,
daß zur Herstellung einer von λ/4 oder λ/2 abweichenden Schicht die Anzahl der Plasmaimpulse gegenüber der Anzahl N um n erhöht wird, wobei stets n < N ist.

15. Plasmaimpuls CVD-Verfahren zur Herstellung von interferenzoptischen Schmalbandfiltern, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anzahl N der Plasmaimpulse zum Erreichen einer λ/4-Schicht bestimmt wird,
daß zur Herstellung einer von λ/4 oder λ/2 abweichenden Schicht das abzuscheidende Material in der Pause zwischen zwei Plasmaimpulsen gewechselt wird,
und eine Schicht erzeugt wird, deren Brechungsindex sich leicht gegenüber dem Brechungsindex der für die zuvor aufgebrachten λ/4- Schichten beziehungsweise λ/2-Schichten verwandten Materialien unterscheidet.