DE69109513T2

DE69109513T2 - Herstellungsverfahren von dielektrischen Vielschichtenfiltern.

Info

Publication number: DE69109513T2
Application number: DE69109513T
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Hanafusa; Shiro Nishi; Juichi Noda; Taisuke Oguchi; Nobuo Tomita; Noriyoshi Yamada
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-02-13
Filing date: 1991-02-12
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2011-02-13
Also published as: EP0442801A3; EP0442801A2; US5332535A; EP0442801B1; DE69109513D1; US5234772A

Description

Hintergrund der Erfindung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Filter, die in optischen Kommunikationssystemen verwendet werden, sie bezieht sich insbesondere auf dielektrische Mehrschichten- Interferenzfilter für optische Kommunikationssysteme und auf die Komponenten, die diese Filter enthalten.

Stand der Technik

In optischen Kommunikationssystemen sind optische Elemente, die einen dünnen dielektrischen Mehrschichtenfilter enthalten, allgemein bekannt, wobei beispielsweise der Komponentenfilter des optischen Elements innerhalb eines extrem engen Spalts innerhalb des optischen Durchgangs (Lichtweges) des optischen Kommunikationssystems angeordnet ist. Als ein Beispiel für eine solche Einrichtung zeigt die Fig. 23 ein konventionelles optisches Element, bei dem ein dielektrischer Mehrschichtenfilter zwischen dem Ende einer optischen Faser und demjenigen einer anderen optischen Faser angeordnet ist, wie von H. Yanagawa et al. ("Filter-Embedded Design and its Applications to Passive Components" in "IEEE J. Lightwave Technol", Band LT- 7, S. 1646-1653, 1989) beschrieben. Die Fig. 23(a) zeigt eine Draufsicht auf das optische Element und die Fig. 23(b) zeigt eine vertikale Schnittansicht des optischen Elements entlang der Linie A - A', wie in Fig. 23(a) dargestellt. In den Zeichnungen sind die Enden einer optischen Input-Faser 1 und einer optischen Output-Faser 2 erkennbar, die einander gegenüberliegen mit einem dazwischenliegenden dielektrischen Mehrschichtenfilterblatt 3, das innerhalb eines Schlitzes 4 angeordnet ist, der in einer Trägerbasis 5 vorgesehen ist. Zusätzlich zu dem obengenannten dielektrischen Mehrschichtenfilterblatt 3 trägt die Trägerbasis 5 auch die Enden der obengenannten optischen Input-Faser 1 und optischen Output-Faser 2, die daran befestigt sind.
Durch Verwendung eines dielektrischen Mehrschichtenfilterblattes 3 mit geeigneten optischen Eigenschaften und durch geeignete Einstellung des Winkels zwischen dem dielektrischen Mehrschichtenfilterblatt 3 und der optischen Achse des optischen Elements, bestimmt durch die Orientierung der obengenannten Nut (Rille) 4 in der Trägerbasis 5, ist es möglich, ein optisches Element herzustellen, das Licht einer Wellenlänge hindurchläßt und Licht einer anderen Wellenlänge reflektiert und damit blockiert. Auf diese Weise kann für eine optische Input-Faser 1, in der sich Licht ausbreitet, das eine Komponente mit einer gegebenen Wellenlänge λ&sub1; und eine zweite Komponente mit einer gegebenen Wellenlänge λ&sub2; umfaßt, wobei das Licht mit der Wellenlänge λ&sub1; für den Betrieb des optischen Kommunikationssystems erforderlich ist und das Licht mit der Wellenlänge nutzlos oder möglicherweise unerwünscht ist, die Komponente mit der Wellenlänge λ&sub2; selektiv blockiert werden durch das optische Element, während die Komponente mit der Wellenlänge λ&sub1; zu der optischen Output-Faser 2 transmittiert wird, in der sie sich ausbreitet (fortpflanzt). Unter üblichen Bedingungen entweicht das Licht, das an dem dielektrischen Mehrschichtenfiiterblatt 3 zurück-reflektiert wird und wieder in die optische Input-Faser 1 eintritt, daraus durch die Umhüllungsschicht derselben. Diese Rückwärts-Reflexion kann durch sorgfältige Wahl des Winkels, der zwischen der Ebene, in der das dielektrische Mehrschichtenfilterblatt 3 liegt, und der optischen Achse des optischen Elements gebildet wird, maximiert werden. Aus der vorstehenden Diskussion ist zu ersehen, daß dieser Typ eines optischen Elements die optische Output-Faser 2 wirksam in eine gefilterte optische Input-Faser umwandelt.
Zur Herstellung des vorstehend beschriebenen optischen Element-Typs wird zuerst eine optische Faser in einer Nut (Rille) fixiert, die in der Trägerbasis 5 vorgesehen ist, unter Verwendung eines optischen Klebstoffes, so daß sie sich über jedes Ende der Trägerbasis 5 hinaus erstreckt, wobei die obengenannte Nut (Rille) parallel zur optischen Achse des herzustellenden optischen Elements verläuft.
Nach der Entfernung eines zentralen (mittleren) Abschnitts der optischen Faser innerhalb der obengenannten Nut (Rille) werden dadurch, ausgehend von einer einzigen optischen Faser eine optische Input-Faser 1 und eine optische Output-Faser 2 erzeugt, in der Trägerbasis 5 wird eine Nut (Rille) gebildet, welche die optische Achse des optischen Elements kreuzt und damit einen vorgegebenen Winkel bildet. Das dielektrische Mehrschichtenfilterblatt 3 wird dann in dieser Nut fixiert, wiederum unter Verwendung eines optischen Klebstoffes. Aus der Erzeugung einer optischen Input-Faser 1 und einer optischen Output-Faser 2 aus einer einzigen optischen Ausgangsfaser, wie vorstehend beschrieben, ergibt sich unter der Annahme, daß die dafür vorgesehene Nut linear ist, daß die optischen Achsen der optischen Input-Faser 1 und der optischen Output-Faser 2 miteinander fluchten, wodurch nachfolgende Ausrichtungs- Verfahren überflüssig werden.
Das vorstehend beschriebene optische Element gemäß Fig. 23 besteht aus einem einzigen linearen optischen Durchgang (Lichtweg) mit einem dazwischen angeordneten dielektrischen Mehrschichtenfilter. Außer dieser Einrichtungs-Art sind auch andere Typen von optischen Elementen allgemein bekannt, in denen dielektrische Mehrschichtenfilter verwendet werden. Zu Beispielen für optische Elemente, für welche die Verwendung eines oder mehrerer dielektrischer Mehrschichtenfilter in Betracht gezogen worden ist, gehören optische Mehrfachdurchgangs-Kupplungs-Aufspaltungs- Einrichtungen, in denen zwei oder mehr optische Fasern in enge Nachbarschaft zueinander gebracht werden mit einer zueinander parallelen Anordnung über einen Teil ihrer Längen hinweg zur Bildung eines optischen Kupplungsbereiches, wodurch eine Wellenlängen-abhängige optische Kupplung erzielt wird. Durch sorgfältige Steuerung (Kontrolle) der physikalischen Eigenschaften der optischen Komponenten-Fasern über den Kupplungsbereich, beispielsweise des Brechungsindex, der Anwesenheit oder Abwesenheit einer Umhüllung und dgl. sowie der räumlichen Anordnung der einzelnen Fasern über den Kupplungsbereich kann das Wellenlängen-abhängige Kupplungsverhältnis zwischen einem Paar der optischen Komponenten-Fasern in dem Kupplungsbereich eingestellt werden, wodurch die gewünschte Verteilung des austretenden Lichtes über zwei oder mehr optische Output-Fasern erzielt werden kann, wodurch eine Aufspaltung eines oder mehrerer optischer Input-Signale in verschiedene Wellenlängen-Komponenten desselben erzielt wird.
In der Fig. 24 ist ein Beispiel für den vorstehend beschriebenen Typ einer optischen Mehrfachdurchgangs-Kupplungs-Aufspaltungs-Einrichtung dargestellt, in der zwei dielektrische Mehrschichtenfilter enthalten sind. Das in Fig. 24 dargestellte optische Element umfaßt zwei optische Input-Fasern 6, 7, zwei optische Output-Fasern 8, 9, einen optischen Kupplungs-Bereich 10, zwei dielektrische Mehrschichtenfilterblätter 11, 12, eine Nut (Rille) 13, in welche die dielektrischen Mehrschichtenfilterblätter 11 und 12 eingesetzt sind und eine Trägerbasis 14, von der die optischen Input-Fasern 6 und 7, die optischen Output- Fasern 8 und 9 und die dielektrischen Mehrschichtenfilterblätter 11 und 12 getragen werden. Wie vorstehend beschrieben, ist allgemein bekannt, daß das Kupplungsverhältnis zwischen den optischen Komponenten-Fasern in dem Kupplungsbereich dieser Art von Vorrichtung Wellenlängenabhängig ist. Wenn nun ein optisches Signal mit zwei Komponenten unterschiedlicher Wellenlängen dem optischen Kupplungsabschnitt 10 über die optische Input-Faser 6 zugeführt wird, ist es möglich, je nach Wellenlänge jeder Komponente und je nach den Wellenlängen-abhängigen Eigenschaften des optischen Kupplungsbereiches 10 im wesentlichen eine Trennung der beiden Wellenlängen-Komponenten zu bewirken, so daß ein großer Anteil einer Wellenlängen-Komponente über das dielektrische Mehrschichtenfilterblatt 11 und eine optische Output-Faser 8 aus dem optischen Element ausgegeben wird und ein großer Anteil der anderen Wellenlänge-Komponente über das dielektrische Mehrschichtenfilterblatt 12 und die optischen Output-Fasern 9 aus dem optischen Element ausgegeben wird. Das heißt mit anderen Worten, es wird eine Aufspaltung des eintreffenden optischen Signals (Licht-Signals) in die einzelnen Wellenlängen-Komponenten desselben erzielt. Da es nicht praktikabel ist, eine vollständige Auftrennung der einzelnen Wellenlängen-Komponenten des optischen Input-Signals durch den Kupplungsbereich allein zu erzielen, enthält die in Fig. 24 dargestellte Einrichtung ein dielektrisches Mehrschichtenfilterblatt 11, das in einem der Austritts-Durchgänge angeordnet ist, und ein dielektrisches Mehrschichtenfilterblatt 12, das in dem anderen angeordnet ist, wodurch die Wirksamkeit der Trennung entsprechend der Wellenlänge verbessert werden kann. Zusätzlich zu den in den Fig. 23 und 24 dargestellten Einrichtungen gibt es viele andere Anwendungsgebiete für dielektrische Mehrschichtenfilter.
Bei den vorstehend beschriebenen konventionellen Einrichtungen kann in der Nut (Rille), in der die dielektrischen Mehrschichtenfilterblätter befestigt sind, eine Beugung auftreten, die zu einer Verbreiterung der Intentsitätsverteilung und somit zu optischen Verlusten führt. Es ist jedoch möglich, diese optischen Verluste zu begrenzen durch Begrenzung der Dicke der Nut (Rille) für die dielektrischen Mehrschichtenfilterblätter, d.h. die Länge des optischen Durchgangs (Lichtweges), der in der Nut (Rille) liegt. So ist es beispielsweise bei Verwendung einer optischen Faser mit einem Kerndurchmesser von 10 um und einem Kern-Hüllen-Brechungsindex von 0,3 % und einer Nutdicke in der Größenordnung von einigen 10 um oder weniger möglich, die Beugungsverluste, die an dem Zwischenraum zwischen der optischen Input-Faser und der optischen Output-Faser - auftreten, auf einen Wert in der Größenordnung von 0,5 dB zu begrenzen. Aus den obigen Angaben ist zu ersehen, daß ein entsprechend dünnes dielektrisches Mehrschichtenfilterblatt erforderlich ist, um die Beugungsverluste zu begrenzen.
Wie in Fig. 25 dargestellt, bestehen die konventionellen dielektrischen Mehrschichtenfilter aus einer harten Basisschicht (Trägerschicht) 15 und einer darüberliegenden dielektrischen Mehrfachschicht 16. Die Basisschicht 15 muß transparent sein und sie muß glatte Oberflächen und eine ausreichende mechanische Festigkeit besitzen. Aus diesem Grund wird häufig eine flache optische Glasplatte verwendet, beispielsweise aus synthetischem Quarzglas BK-7 und dgl., mit einer Dicke von 0,5 mm oder mehr. Die dielektrische Mehrfachschicht 16 besteht aus alternierenden Schichten 17 mit niedrigem Brechungsindex und Schichten 18 mit hohem Brechungsindex. Zusätzlich zu den alternierenden Schichten 17 mit niedrigem Brechungsindex und Schichten 18 mit hohem Brechungsindex kann die dielektrische Mehrfachschicht 16 auch eine oder mehr zusätzliche Schichten mit einem mittleren Brechungsindex zwischen jedem Paar von Schichten 17, 18 mit niedrigem Brechungsindex und hohem Brechungsindex aufweisen. Für jede Komponenten-Schicht, welche die dielektrische Mehrfachschicht 16 aufbaut, ist die Dicke derselben hoch in dem Umfang, wie die Wellenlängen, die sie handhaben muß, lang sind. Außerdem ist zur Erzielung der erforderlichen spektralen Eigenschaften eine ziemlich große Anzahl von einzelnen Komponentenschichten erforderlich. Im Falle von faseroptischen Kommunikationssystemen liegt die Wellenlänge des darin verwendeten Lichtes normalerweise in dem Bereich von 1,31 bis 1,55 um, weshalb die Dicke der dielektrischen Mehrfachschicht 16 10 um erreichen kann, um geeignete spektrale Eigenschaften zu ergeben. Wie weiter oben angegeben, hat die Basisschicht 15 am Anfang eine Dicke von 0,5 mm oder mehr. Zur Herstellung eines dielektrischen Mehrschichten-Filterblattes mit einer Dicke in der Größenordnung von einigen 10 um oder weniger ist es daher erforderlich, die Oberfläche der Basisschicht 15, die der Oberfläche der dielektrischen Mehrfachschicht 16 gegenüberliegt oder benachbart zu dieser ist, zu schleifen und zu polieren, bis die gewünschte Gesamtdicke erzielt ist, danach wird das so hergestellte Filterblatt (Filterfolie) zerschnitten zur Bildung von einzelnen dielektrischen Mehrfachschichten-Filterblättern der gewünschten Größe und Gestalt.
Unglücklicherweise hat der vorstehend beschriebene Typ eines konventionellen dielektrischen Mehrschichten-Filters zwei Nachteile. Die erste Schwierigkeit besteht darin, daß das Schleifen und Polieren der Basisschicht 15, die zu ihrer Herstellung erforderlich sind, einen enormen Umfang an manueller Präzisionsarbeit mit sich bringt, weshalb diese Filter außerordentlich teuer sind. Wegen des Umstandes, daß die Basisschicht in ihrer Dicke extrem vermindert werden muß, um ein dielektrisches Mehrschichten-Filterblatt mit einer Dicke in der Größenordnung von einigen 10 um oder weniger zu ergeben, wird diese Basisschicht darüber hinaus außerordentlich spröde (brüchig).
Der zweite Nachteil ist auf den Umstand zurückzuführen, daß konventionelle Ionen-unterstützte Dampfabscheidungsverfahren zur Herstellung einer dielektrischen Mehrfachschicht mit sehr einheitlichen Wellenlängen-abhängigen optischen Eigenschaften angewendet werden (ein Beispiel für eine dielektrische Mehrfachschicht, die nach diesem Verfahren hergestellt wird, ist in "APPLIED OPTICS", Band 24, Nr. 4, 15 Februar 1985, S. 486-489; von J.R. McNeil et al. in "Properties of TiO&sub2; and SiO&sub2; thin films deposited using Ion assisted deposition" beschrieben). Infolgedessen besteht die Neigung, daß in den dielektrischen Mehrfachschichten nach der Ionen-unterstützten Dampfabscheidungsbehandlung restliche Kompressionsspannungen vorliegen, die sekundär zu einer Verformung und zum Einrollen derselben führen, weshalb das Schleifen und Polieren zur Herstellung eines ausreichend dünnen Filters nicht durchgeführt werden kann. Eine Überprüfung des Diagramms der Fig. 26 dient der Klärung des obengenannten Punktes. Die Fig. 26 zeigt aktuelle Messungen, die unter Verwendung einer Meßtabelle ab der oberen Oberfläche der dielektrischen Mehrfachschicht von zwei dielektrischen Mehrschichten-Filtern vorgenommen wurden. In diesem Diagramm stammt die Kurve A aus einem dielektrischen Mehrschichtenfilter, der einer Ionen-unterstützten Behandlung unterworfen worden war, und die Gerade B stammt von einem dielektrischen Mehrschichtenfilter, der keiner Ionen-unterstützten Behandlung unterworfen worden war, sondern eher einer konventionellen Dampfabscheidung unterzogen wurde. Sowohl der der Kurve A entsprechende dielektrische Mehrschichtenfilter als auch der der Geraden B entsprechende dielektrische Mehrschichtenfilter enthielten eine Basisschicht einer Dicke von 0,5 mm aus BK-7-Glas und die dielektrische Mehrfachschicht jedes derselben hatte eine Dicke von etwa 10 um und bestand aus alternierenden schichten aus TiO&sub2; und SiO&sub2; zum Zwecke der Auftrennung eines Input-Signals in eine Komponente mit einer Wellenlänge von 1,3 um und in eine Komponente mit einer Wellenlänge von 1,55 um. Wie die Fig. 26 zeigt, trat bei dem der Kurve A entsprechenden dielektrischen Mehrschichtenfilter eine ausgeprägte Neigung zum Einrollen mit einer starken zentralen Ausstülpung (Protuberanz) auf.
Eine Untersuchung der Auswirkung jedes der beiden vorstehend beschriebenen dielektrischen Mehrschichtenfilter auf die spektralen Eigenschaften bei einer variierenden Feuchtigkeit von 0 % bis 100 % wurde ebenfalls durchgeführt, wobei man die in dem Diagramm der Fig. 27 dargestellten Ergebnisse erhielt. Wie daraus zu ersehen ist, wies die Probe B eine Schwankung von bis zu 25 nm auf, während die Probe A außerordentlich stabile Eigenschaften in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Feuchtigkeitsgehalten aufwies. Dieses Ergebnis ist auf den Umstand zurückzuführen, daß die Probe B eine porösere Mikrostruktur hat als die Probe A, so daß Wasser in den Filter eindringen kann, was zu Veränderungen seines Brechungsindex führt. Aus den Fig. 26 und 27 ist zu ersehen, daß die dielektrischen Mehrschichtenfilter, die hergestellt worden sind unter Anwendung einer konventionellen Dampfabscheidung, beständiger gegen Verformung als Folge der verbliebenen inneren Spannungen sind, daß die unter Anwendung einer Ionenunterstützten Behandlung hergestellten dielektrischen Mehrschichtenfilter jedoch gegen Wasserdampf beständiger sind und daher unter den Bedingungen variierender Feuchtigkeit stabiler sind.
Ein Vergleich der Ergebnisse des Schleifens und Polierens ergab, daß die Basisschichten der Probe A-Filter sehr viel empfindlicher gegen Bruch waren, wenn ihre Dicken immer weiter verringert wurden, so daß keine Filter ohne eine Rißbildung gebildet wurden, wenn die Gesamtdicke des Filters durch Polieren bis auf die erforderliche Dicke in der Größenordnung von einigen 10 um oder weniger herabgesetzt wurde. Umgekehrt konnten die Probe B-Filter erfolgreich auf eine Dicke von 20 um vermindert werden. Somit können nur die Probe B-Filter, die empfindlich sind für durch Feuchtigkeit induzierte Veränderungen der spektralen Eigenschaften, unter Anwendung konventioneller Verfahren auf eine geeignete Dicke vermindert werden.
Wegen der außergewöhnlich hohen Kosten, die mit der Herstellung von dielektrischen Mehrschichtenfiltern nach den konventionellen Verfahren verbunden sind, bei denen die Dicke durch Schleifen und Polieren herabgesetzt werden muß, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung Verfahren untersucht, mit denen es möglich ist, solche Filter herzustellen, die von Anfang an die gewünschte Dicke haben, ohne daß diese Behandlung erforderlich ist. Es wurden mehrere Typen von dielektrischen Mehrschichtenfiltern untersucht, die bestehen aus einer Kunststoffilm-Basisschicht, auf die eine Mehrschichten-Interferenzmembran aufgebracht ist, z.B. diejenigen, die von Sugiyama et al. (offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. Sho-63-64003) beschrieben sind, und diejenigen, die von J.A. Dobrowolski et al. ("Applied Optics", Band 28, Nr. 14, S. 2702) beschrieben sind. Die Filter der beiden obengenannten Literaturstellen wurden erhalten aus einer Mehrschichten-Interferenzmembran, bestehend aus 20 einzelnen Schichten, von denen jede einzelne Schicht eine Dicke von etwa 0,2 um hatte. Die Filter der zuerst genannten Literaturstelle werden hergestellt nach dem sogenannten Walzenauftragsverfahren und sie werden nach ihrer Herstellung in Rollenform gelagert. Diese Filter haben eine ziemlich ungleichmäßige Dicke der Mehrschichten-Interferenzmembran und die Mehrschichten-Interferenzmembran neigt zur Rißbildung und zur Ablösung von der Unterlagenschicht (Basisschicht) unter den Lagerungsbedingungen. Im Falle des von Sugiyama et al. beschriebenen Filters wird eine Polyesterfilm-Basisschicht mit einer Dicke von 100 um verwendet, um eine geeignete mechanische Festigkeit zu erzielen. Daraus ist zu ersehen, daß keines der beiden bereits früher beschriebenen Filtermaterialien für die Zwecke der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Während der Forschungsarbeiten zur Entwicklung eines Filters mit einer Mehrschichtenstruktur, die auf einem ausreichend festen und physikalisch stabilen Kunststoffilm angeordnet ist, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine dünne Kunststoffilm-Polyimidschicht verwendet, die auf eine konventionelle Basisschicht aus Glas oder dgl. aufgebracht ist, worauf die Mehrschichtenstruktur unter Anwendung eines Ionen-unterstützten Verfahrens aufgebracht wird, wonach das resultierende Produkt von der darunterliegenden Glasschicht abgezogen wird. Das Material für die dünne Kunststoffilm-Polyimidschicht wurde so gewählt, daß man ein Material erhielt, das unter Anwendung eines konventionellen Aufstreich- oder anderen Flüssigkeitsauftragsverfahrens auf die Glasschicht aufgebracht werden kann und das außergewöhnlich beständig ist gegen hohe Temperaturen, die während der Dampfabscheidungsverfahren auftreten. Zu diesem Zweck wurde versucht, handelsübliche Polyimidharz-Zusammensetzungen zu verwenden, die dann durch Schleuderbeschichtung auf eine 0,5 mm dicke Schicht aus BK-7-Glas aufgebracht wurden, wonach alternierende Schichten aus TiO&sub2; und SiO&sub2; mittels eines Ionen-unterstützten Dampfabscheidungsverfahrens aufgebracht wurden. Dies führte zu einer Polyimid-Basisschicht, die an der darüberliegenden Mehrfachschicht ausreichend haftete, die Polyimid-Basisschicht haftete jedoch übermäßig stark an der Glasschicht und konnte nicht mit Erfolg davon abgezogen werden.
Dann wurde versucht, die Polyimid-Basisschicht auf eine Siliciumschicht aufzubringen, die eine sehr glatte, ebene Oberfläche hatte. In diesem Fall konnten die resultierende Polyimid-Basisschicht und die darüberliegende Mehrfachschicht von dem Silicium abgezogen werden durch vors ichtige Einführung der Spitze einer scharfen Klinge zwischen beide Schichten, das abgezogene optische Filtermaterial rollte sich jedoch ein und war sehr schwer zu handhaben. Das vorstehend beschriebene Einrollen trat auch bei der Mehrfachschicht auf der konvexen Seite des eingerollten Materials auf und es wurde angenommen, daß dies zurückzuführen ist auf einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen der Polyimidschicht und der Mehrfachschicht. So zieht sich bei der Polyimidschicht mit einem angegebenen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 2 x 10&supmin;&sup5;/ºC und der Mehrfachschicht mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 0,4 x 10&supmin;&sup5;/ºC bis 0,5 x 10&supmin;&sup5;/ºC nach dem Abkühlen von der Temperatur, bei der die Ionendampfabscheidung durchgeführt wird (etwa 200ºC), die Polyimidschicht in einem stärkeren Maße zusammen als die Mehrfachschicht. Diese Interpretation wurde bestätigt durch den Umstand, daß das eingerollte Material beim Wiedererwärmen wieder flach wurde.

Zusammenfassung der Erfindung

Im Hinblick auf die obengenannten Erkenntnisse besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, einen dielektrischen Mehrschichtenfilter bereitzustellen, der leicht und wirtschaftlich in einer ausreichend geringen Dicke hergestellt werden kann, sehr einheitliche physikalische und optische Eigenschaften aufweist und der außergewöhnlich haltbar und beständig gegen Einrollen und Verformung ist. Der erfindungsgemäße dielektrische Mehrschichtenfilter umfaßt daher eine fluorierte Polyimid-Basisschicht, die dadurch charakterisiert ist, daß sie einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als konventionelles Polyimidmaterial. Außerdem ist dieses Material von einer glatten und ebenen darunterliegenden Schicht leicht abziehbar, ohne Einrollen und Rißbildung und es haftet gleichzeitig fest an einer darüberliegenden dielektrischen Mehrfachschicht, die durch Ionen-unterstützte Dampfabscheidungsverfahren aufgebracht worden ist.
Um das obengenannte Ziel zu erreichen, betrifft die vorliegende Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, einen dielektrischen Mehrschichtenfilter mit einer fluorierten Polyimid-Basisschicht und einer darauf aufgebrachten dielektrischen Mehrfachschicht. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen dielektrischen Mehrfachfilters, das die Stufen umfaßt Erzeugung einer fluorierten Polyimid-Schicht durch Aufbringen eines flüssigen fluorierten Polyimidmaterials auf eine glatte Oberfläche in einer vorgegebenen Dicke und anschließendes Trocknen und Härten;
Bildung einer dielektrischen Mehrfachschicht auf der fluorierten Polyimid-Schicht; und
Abziehen der fluorierten Polyimid-Schicht von der darunterliegenden glatten Oberfläche.
Als Ergebnis der vorstehenden Maßnahmen ist es erfindungsgemäß nicht erforderlich, die Basisschicht zu schleifen und zu polieren, um ihre Dicke zu vermindern, wodurch eine viel schnellere und wirksamere Herstellung von dielektrischen Mehrschichtenfiltern möglich ist, wodurch deren Kosten beträchtlich gesenkt werden. Außerdem kann ein Ionen-untersütztes Dampfabscheidungsverfahren zur Erzeugung der dielektrischen Mehrfachschicht angewendet werden, was zu einer beträchtlichen Verbesserung der physikalischen Stabilität dieser Schicht führt. Darüber hinaus ist, da die fluorierte Polyimid-Schicht einen verhältnismäßig niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der fluorierten Polyimid-Schicht und demjenigen der dielektrischen Mehrfachschicht verringert, wodurch die Entwicklung von restlichen Spannungen in dem fertigen Produkt beschränkt und die Einrollneigung begrenzt wird zur leichteren Handhabung desselben. Außerdem ist die fluorierte Polyimid-Schicht außerordentlich transparent und von der darunterliegenden glatten Oberfläche leicht abziehbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen dielektrischen Mehrschichtenfilters;
Fig. 2 erläutert die chemischen Strukturen von 15 Dianhydriden, die als Ausgangsmaterial für die erfindungsgemäß verwendeten fluorierten Polyimide verwendbar sind;
Fig. 3 erläutert die chemischen Strukturen von 31 Diaminen, die als Ausgangsmaterial für die erfindungsgemäß verwendeten fluorierten Polyimide verwendbar sind;
Fig. 4 zeigt eine Reihe von Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen dielektrischen Mehrschichtenfilters erläutern;
Fig. 5 zeigt eine Reihe von Schnittansichten, die ein anderes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen dielektrischen Mehrschichtenfilters erläutern;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die experimentell gemessenenen Werte der Transmission (Lichtdurchlässigkeit) in % als Funktion der Wellenlänge für einen für kurze Wellenlängen durchlässigen Filter (SWFP) zeigt;
Fig. 7 ist ein Diagramm, das die experimentell gemessenenen Werte der Transmission (Lichtdurchlässigkeit) in % als Funktion der Wellenlänge für einen für lange Wellenlängen durchlässigen Filter (LWFP) zeigt;
Fig. 8 ist ein Diagramm, das die experimentell gemessen Werte für die Transmission (Lichtdurchlässigkeit) in % als Funktion der Wellenlänge für einen optischen Filter mit einer engen Bandbreite zeigt;
Fig. 9 und 10 sind Säulendiagramme, welche die Dicke des experimentell hergestellten dielektrischen Mehrschichtenfilters zeigen;
Fig. 11(a) ist eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes optisches Element und
Fig. 11(b) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A - A', wie sie in Fig. 11(a) zu erkennen ist;
Fig. 12 ist ein Diagramm, das die spektralen Eigenschaften des in Fig. 11(a) und Fig. 11(b) dargestellten optischen Elements erläutert;
Fig. 13 ist eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Elements;
Fig. 14 ist eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Elements;
Fig. 15 ist eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen optischen Elements;
Fig. 16(a) ist eine Längsschnittansicht einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Elements und
Fig. 16(b) ist eine axiale Schnittansicht entlang der Linie D - D', wie sie in Fig. 16(a) zu erkennen ist;
Fig. 17 ist eine Draufsicht auf eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Elements;
Fig. 18 ist eine Seitenansicht einer siebten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Elements;
Fig. 19(a) ist eine Draufsicht auf eine achte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Elements und
Fig. 19(b) ist eine Seitenansicht des in Fig. 19(a) dargestellten optischen Elements;
Fig. 20 ist eine Draufsicht auf eine neunte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Elements;
Fig. 21 ist eine Draufsicht auf eine zehnte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Elements;
Fig. 22 ist eine Draufsicht auf eine elfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Elements;
Fig. 23(a) ist eine Draufsicht auf ein konventionelles optisches Element, in dem ein dielektrischer Mehrschichtenfilter verwendet wird, und
Fig. 23(b) ist eine vertikale Schnittansicht des in Fig. 23(a) dargestellten optischen Elements entlang der Linie A - A';
Fig. 24 ist eine Draufsicht auf ein anderes konventionelles optisches Element, bei dem ein dielektrischer Mehrschichtenfilter verwendet wird;
Fig. 25 ist eine Schnittansicht eines konventionellen dielektrischen Mehrschichtenfilters;
Fig. 26 ist ein Diagramm, das die Verformungseigenschaften von zwei konventionellen dielektrischen Mehrschichtenfiltern zeigt; und
Fig. 27(a) und Fig. 27(b) sind Diagramme, welche die spektralen Eigenschaften der beiden konventionellen dielektrischen Mehrschichtenfilter zeigen, deren Diagramme der Verformungseigenschaften in der Fig. 26 dargestellt sind.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Nachstehend werden die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen dielektrischen Mehrschichtenfilters 21. Wie aus dieser Zeichnung ersichtlich, besteht der dielektrische Mehrschichtenfilter 21 aus einer fluorierten Polyimid-Schicht 19, die als Basisschicht dient, mit einer darüberliegenden dielektrischen Mehrfachschicht 20.
Die Fig. 2 erläutert die chemischen Strukturen der Säuredianhydride (1) bis (15), die als Ausgangsmaterial für verschiedene fluorierte Polyimid-Verbindungen, die erfindungsgemäß verwendet werden können, verwendbar sind.
Die Fig. 3 erläutert die chemischen Strukturen der Diaminverbindungen (1) bis (31), die als zweites Ausgangsmaterial für fluorierte Polyimide, die erfindungsgemäß verwendet werden können, verwendbar sind.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen fluorierten Polyimide werden zuerst ein oder mehrere der in Fig. 2 dargestellten Säuredianhydride (1) bis (15) mit einer oder mehreren der in Fig. 3 dargestellten Diaminverbindungen (1) bis (31) in einem Molekülverhältnis von 1:1 in einem polaren organischen Lösungsmittel, wie N-Methylpyrrolidon (NMP), N,N-Dimethylacetamid (DMAc) und dgl., umgesetzt unter Bildung einer Lösung einer Vorläufer-Polyamidsäure. Danach tritt während des Erhitzens der Reaktionsmischung eine Dehydratationsreaktion auf, wodurch die fluorierte Polyimid-Verbindung gebildet wird, wenn das Wasser aus der erhitzen Lösung ausgetrieben wird. Je nach den Eigenschaften der synthetisierten fluorierten Polyimid-Verbindung und ihrer Konzentration kann die Verbindung in Lösung bleiben oder sie kann als zweite Phase auftreten. Wenn eine Lösung der fluorierten Polyimid-Verbindung gebildet wird, kann die Lösung in späteren Stufen verwendet werden, ohne daß es erforderlich ist, die fluorierte Polyimid-Verbindung zu isolieren.
Die Fig. 4(a) bis 4(d) zeigen einen dielektrischen Mehrschichtenfilter in verschiedenen Stufen seiner Herstellung. Die erste Stufe umfaßt das Aufbringen einer fluorierten Polyimid-Verbindung in Form einer Flüssigkeit auf eine glatte Oberfläche der Basisplatte 22 in einer vorgeschriebenen Dicke. Wenn die fluorierte Polyimid-Schicht 19 in dieser ersten Stufe aufgebracht wird, wird die Schicht durch Schleuderbeschichtung unter Verwendung einer Lösung oder einer flüssigen Form des fluorierten Polyimids aufgebracht, um eine gleichmäßig dünne Schicht daraus zu erzielen. Wenn diese aufgebracht ist, wird die Schicht dann getrocknet und gehärtet, wodurch man eine feste fluorierte Polyimid-Schicht 19 über der Basisplatte 22 mit glatter Oberfläche erhält, wie in Fig. 4(a) dargestellt.
Danach wird, wie in Fig. 4(b) gezeigt, eine dielektrische Mehrfachschicht 20 mittels eines Ionen-unterstützten Dampfabscheidungsverfahrens auf der fluorierten Polyimid- Schicht 19 erzeugt. Danach wird die Schichtstruktur bis in eine Tiefe bis zu der Basisplatte 22 durchgeschnitten, was zu den in der Fig. 4(c) dargestellten Stücken führt. Schließlich werden die fluorierte Polyimid-Schicht 19 und die dielektrische Mehrfachschicht 20 gemeinsam von der Basisplatte 22 abgezogen, wie in Fig. 4(d) dargestellt.
Wie in den Fig. 5(c) und 5(d) gezeigt, können die fluorierte Polyimid-Schicht 19 und die dielektrische Mehrfachschicht 20 auch zuerst von der Basisplatte 20 abgezogen und dann in Abschnitte zerlegt werden anstatt das Zerlegen vor dem Abziehen durchzuführen.
Die in den Fig. 4(a) und 5(a) gezeigte fluorierte Polyimid-Schicht 19 sollte einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten in dem Bereich von -0,5 x 10&supmin;&sup5;/ºC bis 10 x 10&supmin;&sup5;/ºC haben. Die Mehrzahl der in den optischen Mehrfachschichten verwendeten dielektrischen Materialien liegt innerhalb dieses Bereiches. Der Brechungsindex dieser Materialien liegt im allgemeinen in dem Bereich von 1,5 bis 1,7, je nach der relativen Menge des darin enthaltenen Fluors. Als Basisschicht 22 mit einer glatten Oberfläche sind BK-7-Glas, Quarzglas, Keramikmaterial und dgl. verwendbar und je höher ihre chemische Beständigkeit und ihre Beständigkeit gegen Kratzerbildung ist, um so besser. Die Messung der spektralen Eigenschaften dieser Filter-Art erfolgt während ihrer Herstellung, die Messungen werden im allgemeinen durchgeführt, während der Filter noch an der Basisplatte 22 haftet, wie in den Fig. 4(b) und 5(b) gezeigt, weshalb optisch neutrale Eigenschaften erwünscht sind.

Erstes Versuchsbeispiel

Ein dielektrischer Mehrschichtenfilter wurde nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt. Auf eine 0,5 mm dicke BK-7-Glasplatte mit einem Durchmesser von 30 mm wurde eine fluorierte Polyimid-Schicht aufgebracht. Das Material für die Schicht wurde hergestellt durch Mischen des in der Fig. 2 angegebenen Säuredianhydrids (1) und des in der Fig. 3 angegeben Diamins (5) in DMAc und Reagierenlassen unter Bildung einer DMAc-Lösung der entsprechenden fluorierten Polyamid-Säure. Diese Lösung wurde dann durch Schleuderbeschichtung auf eine Oberfläche der Glasplatte aufgebracht, danach wurden die Platte und die aufgebrachte Schicht 2 h lang in einem Ofen bei 70ºC erhitzt, anschließend wurde 1 h lang bei 160ºC, 30 min lang bei 250ºC und 1 h lang bei 350ºC getrocknet und gehärtet, wobei man eine Schicht erhielt, die aus der fluorierten Polyimid-Verbindung mit der durch die nachfolgende chemische Strukturformel (i) angegebenen Struktur bestand:
Die in der Strukturformel (i) angegebene Verbindung hatte einen Fluorgehalt von 23 Gew.-%. Die erhaltene fluorierte Polyimidschicht hatte eine gelbe Farbtönung und zeigte eine praktisch 100 %ige Transmission über den Wellenlängenbereich von 0,4 bis 1,7 um. Ihre Dicke betrug etwa 10 um und ihr Brechungsindex betrug 1,61 bei 1,532 um Dicke.
Danach wurden unter Verwendung einer Ionen-unterstützten Dampfabscheidung mehrere TiO&sub2;/SiO&sub2;-Interferenzschichten einer Dicke von etwa 10 um auf die fluorierte Polyimid- Schicht aufgebracht. Die spektralen Eigenschaften des so erhaltenen dielektrischen Mehrschichtenfilters waren, wie gefunden wurde, im wesentlichen die gleichen wie diejenigen der Filter, die unter Verwendung von optischem Glas anstelle der fluorierten Polyimidschicht hergestellt worden waren, deren Ergebnisse in der Fig. 6 dargestellt sind. Außerdem wurden ein für 1,3/1,55 um lange Wellen durchlässiger Filter (LWPF) und ein für ein schmales Wellenlängenband durchlässiger Filter (Bandbreite 4 nm) hergestellt und auch bei diesen waren die spektralen Eigenschaften, wie gefunden wurde, ähnlich denjenigen der Filter, die unter Verwendung von optischem Glas hergestellt worden waren. Die Ergebnisse sind in den Fig. 7 und 8 jeweils dargestellt.
Aus den vorstehend angegebenen Eigenschaften der experimentell hergestellten dielektrischen Mehrschichtenfilter ist zu ersehen, daß die Präzisionseigenschaften der konventionellen Filter, in denen eine Basisschicht aus Glas verwendet wurde, durch diejenigen der erfindungsgemäßen Filter erreicht wurden. Da jedoch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren praktisch keine Nachbehandlung erforderlich ist, tritt bei ihnen nicht das Problem der Ablösung der fluorierten Polyimid-Schichten von den Glas-Basisplatten auf und selbst nach einem bis zu 7-tägigen Eintauchen trat keine Ablösung auf. Wenn das vorstehend beschriebene Zerschneiden der fluorierten Polyimid-Schicht und der dielektrischen Mehrfachschicht unter Verwendung einer scharfen Klinge durchgeführt wurde, ließ sich die Schnittkante von der Glas-Basisplatte jedoch leicht abheben, wodurch etwa 20 um dicke flache Filter mit einem Durchmesser von 30 mm erhalten wurden. Die getrennten Filter weisen eine sehr geringe Einrollneigung bei Raumtemperatur auf mit der Konvexität auf der Seite der dielektrischen Mehrfachschicht, wobei der Krümmungsradius etwa 0,3 m beträgt. Aus diesem Grund können die Filter leicht mit einer Schere zerschnitten und auf eine Glasplatte aufgeklebt werden. Die minimale Einrollneigung, die sie aufweisen, kann erklärt werden durch die Tatsache, daß fluorierte Polyimid-Verbindungen einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von -0,5 x 10&supmin;&sup5;/ºC haben, der nahe bei demjenigen der dielektrischen Mehrfachschicht liegt. Da sowohl bei der Temperatur der Ionen-unterstützten Damfabscheidung als auch bei Normaltemperaturen die durch die fluorierte Polyimid-Schicht ausgeübten Streckungskräfte etwas höher sind als diejenigen der dielektrischen Mehrfachschicht, ist das Problem der restlichen Kompressionsspannung in der dielektrischen Mehrfachschicht praktisch eliminiert. Wenn nämlich einer dieser Filter auf eine heiße Platten von 100ºC gelegt wird, nimmt die Einrollneigung etwas zu, danach kehrt der Filter beim Abkühlen wieder in seine ursprüngliche Form zurück, wodurch der sogenannte Bimetalleffekt simuliert wird.
Proben aus den hergestellten dielektrischen Mehrschichtenfiltern, die noch an der Glas-Basisplatte hafteten, wurden partiell in der Dicke eingeschnitten unter Bildung eines 2 mm x 2 mm-Schachbrett-Musters unter Verwendung einer Würfelsäge, während die Oberfläche einem Wasserstrom ausgesetzt wurde. Während des Zerschneidens trat keine Trennung zwischen der fluorierten Polyimid-Schicht und der Glas-Basisplatte auf. Bei Verwendung einer scharfen Messerklinge konnten die einzelnen 2 mm x 2 mm großen Abschnitte jedoch leicht von der Basenplatte ohne Zerreißen abgehoben werden. Aus einer einzigen Probe mit einem Durchmesser von 30 mm konnten somit etwa 150 2 mm x 2 mm große einzelne Filterabschnitte erhalten werden, jeweils mit einer Dicke von 20 um. Die Dicke der so erhaltenen Filterabschnitte wurden einzeln bestimmt unter Verwendung eines linearen Meßgerätes, wobei die erhaltenen Ergebnisse in den Fig. 9 und 10 dargestellt sind, die den Filtern entsprechen, deren Eigenschaften in den Fig. 6 und 7 jeweils angegeben sind. Wie in den Fig. 9 und 10 dargestellt, traten zwei Peaks in bezug auf die Dickenverteilung auf, so daß die Filterabschnitte mit einer Dicke von 21 um und 15 um am häufigsten waren. Diese Filterabschnitte stammten aus den zentralen Abschnitten der Wafer mit einem Durchmesser von 30 mm. Die Filterabschnitte, die etwas dicker als 15 um waren und diejenigen, die etwas dicker als 21 um waren, stammten aus den peripheren Abschnitten. Fast alle Abschnitte hatten eine Dicke innerhalb der mittleren Dicke ± 2 um. Die Einheitlichkeit der erhaltenen Dicke lag in dem gleichen Bereich wie diejenige für die dielektrischen Mehrschichtenfilter, in denen eine Glas-Basisschicht verwendet wurde, die zur Erzielung einer geeigneten Dicke geschliffen und poliert werden mußte. Die erzielte hohe Gleichmäßigkeit (Einheitlichkeit) war auf die Tatsache zurückzuführen, daß zum Aufbringen der fluorierten Polyimid-Schichten das Schleuderbeschichten angewendet wurde. Die Schleuderbeschichtungs-Bedingungen können so eingestellt werden, daß jede gewünschte Dicke der fluorierten Polyimid-Schicht zwischen 1 und 80 um erzielt wird.

Zweites Versuchsbeispiel

Ein fluoriertes Polyimid-Material wurde hergestellt durch Mischen des in Fig. 2 angegebenen Säuredianhydrids (5) und des in Fig. 3 angegebenen Diamins (13) in DMAc, woraus dielektrische Mehrschichtenfilter-Wafer unter Bedingungen erhalten wurden, die im übrigen identisch mit denjenigen des Versuchsbeispiels 1 waren. Die fluorierte Polyimid- Schicht wies einen Fluor-Gehalt von 11 Gew.-%, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1 x 10&supmin;&sup6;/ºC auf und hatte die in der nachfolgenden chemischen Strukturformel (ii) angegebene Struktur:
Die Einrollneigung der Filter nach der Trennung (Abziehen) von der Glas-Basisplatte war etwas stärker als bei dem ersten Versuchsbeispiel, obgleich die Filter verwendbar waren.

Vergleichsbeispiel

Ein fluoriertes Polyimid-Material wurde aus dem in der Fig. 2 angegebenen Säuredianhydrid (4) und dem in der Fig. 3 angegebenen Diamin (5) hergestellt, woraus dielektrische Mehrschichtenfilter-Wafer unter Bedingungen erhalten wurden, die im übrigen identisch waren mit denjenigen des Versuchsbeispiels 1. Die fluorierte Polyimid-Schicht hatte einen Fluorgehalt von 31 Gew.-%, einen Brechungsindex von 1,5, der nahe bei demjenigen von Glas lag, ein transparentes Aussehen und eine Struktur, wie sie in der nachfolgenden chemischen Strukturformel (iii) angegeben ist:
Die hergestellten Filter konnten von der Glas-Basisplatte leicht getrennt (abgezogen) werden, wegen des hohen Fluorgehaltes lösten sich jedoch die dielektrischen Mehrfachschichten von der fluorierten Polyimid-Schicht leicht ab. Außerdem war der Wärmeausdehnungskoeffizient der fluorierten Polyimid-Schichten sehr groß mit 8 x 10&supmin;&sup5;/ºC und er war signifikant verschieden von demjenigen der dielektrischen Mehrfachschichten mit 0,4 x 10&supmin;&sup5;/ºC bis 0,5 x 10&supmin; &sup5;/ºC, weshalb angenommen wurde, daß die restlichen Spannungen in der fluorierten Polyimid-Schicht der daraus hergestellten Filter signifikant sein würden.
Nachstehend werden die erfindungsgemäßen optischen Element unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Die Fig. 11(a) und 11(b) zeigen eine erste bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen optischen Elements. Die Fig. 11(a) zeigt eine Draufsicht auf das optische Element und die Fig. 11(b) zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A - A', wie aus Fig. 11(a) ersichtlich. In den Zeichnungen sind eine optische Input-Faser 24 und eine optische Output-Faser 25 erkennbar. In dem zentralen Abschnitt (Mittelabschnitt) 26 des optischen Elements ist der Schutzüberzug von einem Teil jeder Faser entfernt, deren Enden einander gegenüberliegen über eine Nut (Rille) 28 hinweg, in der ein dielektrischer Mehrschichtenfilter 27 mit einer fluorierten Polyimid-Basisschicht angeordnet ist. Die obengenannte Nut (Rille) 28 ist in der Trägerbasis 29 vorgesehen, die außerdem die optische Input-Faser 24 und die optische Output-Faser 25 in einer weiteren dafür vorgesehenen Nut (Rille) festhält. Zur Herstellung des optischen Elements wird eine optische Faser in der Nut (Rille) fixiert, die in der Trägerbasis 29 dafür vorgesehen ist, unter Verwendung eines optischen Klebstoffes nach dem Ausrichten der optischen Achsen derselben. Die obengenannte Nut (Rille) 28 wird in der Trägerbasis 29 so erzeugt, daß sie die Faser vollständig durchschneidet, wodurch eine optische Input-Faser 24 und eine optische Output-Faser 25 mit aufeinander ausgerichteten optischen Achsen erzeugt werden. Wie am besten aus der Fig. 11(a) ersichtlich, weicht der dielektrische Mehrschichtenfilter 27 um 8º von einer senkrechten Ausrichtung zu den aufeinander ausgerichteten optischen Achsen der optischen Fasern 24, 25 ab. Schließlich wird der dielektrische Mehrschichtenfilter 27 in der Nut (Rille) 28 befestigt unter Verwendung eines für optische Einrichtungen geeigneten Klebstoffes.
Die optischen Eigenschaften des vorstehend beschriebenen Filters sind in dem Diagramm der Fig. 12 dargestellt, in dem der von der Wellenlänge abhängige Abfall der Output- Lichtintensität aus der optischen Output-Faser 25 im Verhältnis zur Intensität der Komponente mit der gleichen Wellenlänge in einem Input-Weißlicht-Signal für die optische Input-Faser 24 angegeben ist.
Der dielektrische Mehrschichtenfilter ist identisch mit denjenigen, wie sie in dem ersten Versuchsbeispiel hergestellt worden sind. Die optischen Fasern 24, 25 hatten jeweils einen Kerndurchmesser von 10 um, eine Hülle mit einem Außendurchmesser von 125 um und einen Kern-Hüllen- Brechsungsindex von 0,3 %. Im Vergleich zu dem Filter mit den in Fig. 6 dargestellten optischen Eigenschaften sind die Verluste als Folge der Beugung des transmittierten Lichtes erhöht. Außerdem ist aufgrund des Umstandes, daß der dielektrische Mehrschichtenfilter 27 um 8º von einer senkrechten Ausrichtung in bezug auf die aufeinander ausgerichteten optischen Achsen der optischen Fasern 24, 25 abweicht, der Ausblend-Punkt für den dielektrischen Mehrschichtenfilter 27 geringfügig in Richtung auf die kürzeren Wellenlängen verschoben. Bei Verwendung von 50 verschiedenen optischen Input-Fasern, die nach einem identischen Verfahren hergestellt worden sind, in dem optischen Element gemäß Fig. 11 und bei der Bestimmung der Transmissionsverluste des Elements für jeden Fall zeigten die Ergebnisse Verluste von 0,5 dB oder weniger für jede Faser bei 1,3 um und Verluste von 55 dB oder mehr für jede Faser bei 1,55 um. Diese Eigenschaften machen diesen Filter-Typ verwendbar in Systemen zur Bestimmung der Beeinträchtigung der Ausbreitung (Fortpflanzung) in einem optischen Durchgangsweg (Lichtweg) durch Verwendung beispielsweise eines optischen Zeitbereich-Refraktometers (OTDR), um so falsche Ablesungen als Folge eines von außen eindringenden Lichtes oder als Folge von Licht, das innerhalb der Vorrichtung erzeugt wird, zu eliminieren (H. Takasugi et al., "Design and Evaluation of Automatic Optical Fiber Operational Support Systems" in "Proceedings of the 39th International Wire and Cable Symposium", 1990, S. 632). Außerdem zeigten Messungen bei Temperaturen, die von 25 bis 70ºC variierten, über einen 4 Stunden-Cyclus, der 200 mal wiederholt wurde, bemerkenswert stabile optische Eigenschaften dieses dielektrischen Mehrschichtenfilters.
Die Fig. 13 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Elements. Dieses optische Element unterscheidet sich von dem in Fig. 11(a) und 11(b) dargestellten insofern, als eine Vielzahl von optischen Fasern bei dieser Ausführungsform verwendet wird. In dieser Zeichnung ist ein Faserband 30 zu erkennen. Wenn es im Querschnitt betrachtet wird, ist zu erkennen, daß jede Komponentenfaser in dem Faserband 30 durch einen konstanten Abstand von den benachbarten Komponentenfasern getrennt ist. Eine gemeinsame Schutzschicht 31 umgibt alle optischen Komponentenfasern.
Für das Faserband 30 werden im allgemeinen 2 bis 8 Komponentenfasern in paralleler Anordnung verwendet, die jeweils bestehen aus optischen Fasern. mit einem Außendurchmesser von 125 um, die durch einen Zwischenraum von 250 um voneinander getrennt sind. Die vorstehend beschriebene Faseranordnung ist kompatibel mit den Standards, wie sie von der Japan Nationwide Electronic Data Communications Conference (B-649, B-654, B-655 und anderen) festgelegt worden sind. In der Fig. 13 ist außerdem ein dielektrischer Mehrschichtenfilter 32 erkennbar, der eine fluorierte Polyimid-Basisschicht aufweist. Eine Nut (Rille) 33 ist in der Trägerbasis 34 vorgesehen für die Befestigung des obengenannten dielektrischen Mehrschichtenfilters 32. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann zweckmäßig ein dielektrischer Mehrschichtenfilter 32 verwendet werden, der identisch ist mit demjenigen, wie er bei der ersten bevorzugten Ausführungsform verwendet worden ist.
Die Fig. 14 zeigt ein optisches Element gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Elements, das in Einrichtungen verwendbar ist, die als Polarisator fungieren. In dieser Zeichnung sind erkennbar eine optische Faser 35 zur Aufrechterhaltung der Polarisation, ein dielektrischer Mehrschichtenfilter 36 mit einer fluorierten Polyimid-Basisschicht, eine Nut (Rille) 37 und ein Basisträger 38. Die Nut (Rille) 37, in welcher der dielektrische Mehrschichtenfilter 36 vertikal auf dem Basisträger 38 befestigt ist, bildet mit der optischen Achse des optischen Elements einen Winkel von 45º, um so die Polarisationswirkung in dem dielektrischen Mehrschichtenfilter 36 zu verbessern. Die Polarisationsebene der optischen Faser 35 ist so ausgerichtet, daß sie unter einem Winkel von entweder 0º oder 90º gegenüber dem Basisträger 38 orientiert ist. Somit kann nur das aus der die Polarisation aufrechterhaltenden optischen Faser 35 auftreffende Licht, die parallel zum Basisträger 38 angeordnet ist, das optische Element passieren.
Die Fig. 15 zeigt ein optisches Element gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Elements. In dieser Zeichnung sind erkennbar eine Preßklemme, bestehend aus einem männlichen Zirkoniumdioxid-Keramik-Abschnitt 39 und einem weiblichen Abschnitt 40 aus rostfreiem Stahl, eine optische Faser 41, ein Filter 42 mit einer fluorierten Polyimid-Basisschicht, eine Nut (Rille) 43, in welcher der Filter 42 befestigt ist, und ein optischer Klebstoff 44. Die vorstehend beschriebene Preßklemme macht dieses optische Element zu optischen Faser-Anschlußklemmen und dgl. Außerdem ermöglicht es die Preßklemme, dieses optische Element mit verschiedenen anderen Typen einer faseroptischen Einrichtung zu verbinden.
Die Fig. 16 zeigt ein optisches Element gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Elements. In dieser Zeichnung sind erkennbar eine optische Faser 45, eine Preßklamme 46 für die Aufnahme des Endes der optischen Faser 45 und ein Filter 47 mit einer fluorierten Polyimid-Basisschicht. Eine Überschiebmuffe (Isolierschlauch) 48 paßt über die Preßklemme 46, wodurch die Position des Endpunktes der optischen Faser 45 genau eingestellt werden kann. Die Stirnfläche der Preßklemme 46 innerhalb der Überschiebmuffe 48 kann senkrecht zur optischen Achse der optischen Faser 45 sein oder sie kann einen Winkel damit bilden oder sie kann eine kugelförmige Gestalt haben. Die Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform erleichtert das Verbinden einer optischen Faser- Einrichtung mit verschiedenen anderen Typen von Einrichtungen mit einer vorgegebenen genauen und zuverlässigen Ausrichtung.
Die Fig. 17 zeigt ein optisches Element gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Elements. Die erläuterte Einrichtung ist ein Typ einer optischen Mehrfach-Durchgangsweg-Kupplungs-Aufspaltungs-Einrichtung oder, allgemein, ein optischer Faser- Kuppler, in dem zwei dielektrische Mehrschichtenfilter enthalten sind. Wie vorstehend beschrieben, werden bei diesem Typ eines optischen Elements zwei oder mehr optische Fasern in enge Nachbarschaft zueinander gebracht, die über einen Teil ihrer Längen parallel zueinander ausgerichtet sind unter Bildung eines optischen Kupplungsbereiches, wodurch eine Wellenlängen-abhängige optische Kupplung erzielt wird. Das in Fig. 17 dargestellte optische Element umfaßt zwei optische Input-Fasern 49, 50, zwei optische Output-Fasern 51, 52, einen optischen Kupplungs-Bereich 53, zwei dielektrische Mehrschichtenfilterblätter 54, 55, von denen jedes eine fluorierte Polyimid-Basisschicht aufweist, eine Nut (Rille) 56, in der die dielektrischen Mehrschichtenfilterblätter 54 und 55 befestigt sind, und einen Basisträger 56, der die optischen Input- Fasern 49 und 50, die optischen Output-Fasern 51 und 52 und die dielektrischen Mehrschichtenfilterblätter 54 und 55 trägt. Durch Einarbeitung der beiden dielektrischen Mehrschichtenfilter 54, 55 mit fluorierten Polyimid-Basisschichten stellt das optische Element gemäß Fig. 17 eine signifikante Verbesserung dar in bezug auf die Wellenlängenselektivität gegenüber den konventionellen optischen Faser-Kupplern, die auf den vorstehend beschriebenen Merkmalen basieren, die der erfindungsgemäße dielektrische Mehrschichtenfilter aufweist. Dieser Typ eines optischen Elements weist Anwendungen auf, bei denen die optischen Fasern 51, 52 optische Input-Fasern und die optischen Fasern 49, 50 optische Output-Fasern sind, d.h. die optischen Input-Signale durchqueren (passieren) die dielektrischen Mehrschichtenfilter 54, 55, bevor sie in den Kupplungsbereich 53 gelangen. Auf diese Weise können Komponenten mit einer unerwünschten Wellenlänge wirksam eliminiert werden, bevor die Komponenten mit der anderen Wellenlänge in dem Kupplungsbereich 53 aufgespalten werden.
Die Fig. 18 zeigt ein optisches Element gemäß einer siebten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Elements. In dieser Zeichnung sind erkennbar eine optische Input-Faser 58 und ein optischer Empfänger 59 mit einem dazwischen angeordneten dielektrischen Mehrschichtenfilter 60 mit einer fluorierten Polyimid-Basisschicht. Der optische Empfanger 59 ist mit einem Glasfenster 61 und einer optischen Halbleiter-Empfängerzelle 62 ausgestattet. Da keine mechanischen Kupplungs-Zubehörteile darin enthalten sind, muß die optische Achse der optischen Faser 58 sorgfältig auf diejenige des optischen Empfängers 59 ausgerichtet werden.
Die Fig. 19 zeigt ein optisches Element gemäß einer achten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Elements, bei dem eine dielektrische Mehrfachschicht 66 mit einer fluorierten Polyimid-Basisschicht in einem optischen Glas-Wellenleiter enthalten ist. Die dargestellte Einrichtung umfaßt einen optischen Glas-Wellenleiter (Licht-Wellenleiter), der besteht aus einem Kern 63 und einer Hülle 64, einer Basisplatte 65, aus dem der optische Wellenleiter geformt ist, und einer Nut (Rille) 67, in welcher der obengenannte dielektrische Mehrschichtenfilter 66 befestigt ist. Bei dieser Einrichtung können die Stufen der Befestigung einer getrennten optischen Faser auf einer Basisplatte weggelassen werden, da der Kern 63 und die Hülle 64 des Wellenleiters ursprünglich aus der Basisplatte 65 hergestellt wurden. Außerdem können ähnlich wie bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform optische Mehrfach-Wellenleiter anstelle eines einzelnen Wellenleiters parallel zueinander vorgesehen sein, die zu dem einzelnen dielektrischen Mehrschichtenfilter 66 führen. Auf diese Weise kann ein Filter vom Sauschwanz-Typ hergestellt werden, in dem die optischen Fasern zu einem optischen Wellenleiter vereinigt sind.
Die Fig. 20 zeigt ein optisches Element gemäß einer neunten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Elements, das verwendbar ist in Einrichtungen, die als Polarisator fungieren. In dieser Ausführungsform ist ein dielektrischer Mehrschichtenfilter 70 mit einer fluorierten Polyimid-Basisschicht enthalten, der unter einem Winkel von etwa 450 in bezug auf die optische Achse eines optischen Wellenleiter-Kerns 68 befestigt ist. Der dielektrische Mehrschichtenfilter 70 ist in einer Nut (Rille) 71 in einem Basisträger (nicht dargestellt) befestigt. Die Hauptachse des optischen Wellenleiters (Lichtwellenleiters) ist so auf dem Basisträger befestigt, daß entweder eine Polarisation parallel zu dem Basisträger (TE-Polarisation) oder eine Polarisation senkrecht zu dem Basisträger (TM-Polarisation) vorliegt. Daher ist im Gegensatz zu dem optischen Element gemäß der dritten Ausführungsform bei dem optischen Element gemäß dieser Ausführungsform eine rotierende Ausrichtung der Polarisationsachsen nicht erforderlich.
Die Fig. 21 zeigt ein optisches Element gemäß einer zehnten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Elements. Die dargestellte Einrichtung ist ein Typ einer optischen Kuppler-Einrichtung, in der zwei dielektrische Mehrschichtenfilter 72, 73 mit fluorierten Polyimid-Basisschichten entweder in dem Input-Durchgang oder in dem Output-Durchgang derselben angeordnet sind. Das in Fig. 21 dargestellte optische Element umfaßt die obengenannten beiden dielektrischen Mehrschichtenfilter 72, 73 mit fluorierten Polyimid-Basisschichten, zwei Kerne 74, 75 und eine Umhüllung 76 des optischen Wellenleiters (Lichtwellenleiters), eine Nut (Rille) 77, in der die dielektrischen Mehrschichtenfilterblätter 54 und 55 befestigt sind, und einen optischen Kupplungsbereich 78. Die Funktion dieser Einrichtung ist im wesentlichen identisch mit derjenigen der sechsten bevorzugten Ausführungsform.
Die Fig. 22 zeigt ein optisches Element gemäß einer elften bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Elements, das mehrere dielektrische Mehrschichtenfilter mit fluorierten Polyimid-Basisschichten umfaßt. Das in Fig. 22 dargestellte optische Element umfaßt zwei dielektrische Mehrschichtenfilter 79, 80 mit fluorierten Polyimid-Basisschichten, zwei optische Fasern 81, 82, zwei Nuten (Rillen) 83, 84 für die jeweiligen dielektrischen Mehrschichtenfilter 79, 80 und eine Trägerbasis 85. Diese Einrichtung ermöglicht es, zwei oder mehr Komponenten mit einer unerwünschten Wellenlänge aus einem Input-Lichtsignal zu eliminieren, und sie ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Wellenlängen der Komponenten, die entfernt werden sollen, mit einem einzigen Filter praktisch nicht heraus triert werden können. Bei dieser Ausführungsform können mehrere dielektrische Mehrschichtenfilter mit fluorierten Polyimid-Basisschichten in einen einzigen optischen Durchgangsweg (Lichtweg) bei jeder der vorhergehenden zehn Ausführungsformen eingesetzt werden. Es sind auch verschiedene andere Ausführungsformen, die hier nicht beschrieben sind, möglich. Die hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung stellen daher keine Beschränkungen dar, sondern stellen vielmehr Beispiele dar, die der Erläuterung der Merkmale und der Konzepte der vorliegenden Erfindung dienen. Die vorliegende Erfindung umfaßt daher jede beliebige Ausführungsform, die innerhalb der Grenzen der folgenden Patentansprüche denkbar sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Mehrschichten-Filters (21), das die folgenden Stufen umfaßt:

a) Aufbringen eines flüssigen fluorierten Polyimid-Materials auf eine glatte Oberfläche (22) bis zu einer vorgegebenen Dicke und anschließendes Trocknen und Härten unter Ausbildung einer fluorierten Polyimidschicht (19);

b) Bildung einer dielektrischen Mehrfachschicht (20) auf der genannten fluorierten Polyimidschicht (19) unter Anwendung eines Ionen-unterstützten Dampfabscheidungsverfahrens; und

c) Abziehen der genannten fluorierten Polyimidschicht (19) und der darüberliegenden dielektrischen Mehrfachschicht (20) von der darunterliegenden glatten Oberfläche (22) zur Herstellung eines dielektrischen Mehrschichten- Filters (21), der besteht aus der genannten fluorierten Polyimidschicht (19) und der genannten darüberliegenden dielektrischen Mehrfachschicht (20).

2. Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Mehrschichten-Filters (21) nach Anspruch 1, worin das flüssige fluorierte Polyimidmaterial ein flüssiger Amidsäure- Vorläufer einer fluorierten Polyimidverbindung ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Mehrschichten-Filters (21) nach Anspruch 1, worin das flüssige fluorierte Polyimid-Material eine Lösung ist, die eine fluorierte Polyimid-Verbindung enthält.

4. Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Mehrschichten-Filters (21) nach Anspruch 1, worin das Aufbringen des flüssigen fluorierten Polyimid-Materials auf eine glatte Oberfläche (22) besteht in dem Aufbringen des genannten flüssigen fluorierten Polyimid-Materials auf die genannte glatte Oberfläche (22) durch Schleuderbeschichtung.

5. Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Mehrschichten-Filters (21) nach Anspruch 1, worin das Abziehen der genannten fluorierten Polyimidschicht (19) und der genannten darüberliegenden dielektrischen Mehrfachschicht (20) von der genannten darunterliegenden glatten Oberfläche (22) ein Verfahren umfaßt, bei dem die genannte fluorierte Polyimidschicht (19) und die genannte darüberliegenden dielektrischen Mehrfachschicht (20) zugeschnitten werden.

6. Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Mehrschichten-Filters (21) nach Anspruch 1, worin die fluorierte Polyimidschicht einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der niedriger ist als derjenige der genannten dielektrischen Mehrfachschicht (20).

7. Verfahren zur Herstellung eines dielektrischen Mehrschichten-Filters (21) nach Anspruch 1, worin die atomare Zusammensetzung des fluorierten Polyimid-Materials so ist, daß die Fluoratome 10 bis 30 Gew.-% desselben ausmachen.