EP1194799A1 - Interferenzoptisches schmalbandfilter - Google Patents

Interferenzoptisches schmalbandfilter

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Publication number
EP1194799A1
EP1194799A1 EP00944023A EP00944023A EP1194799A1 EP 1194799 A1 EP1194799 A1 EP 1194799A1 EP 00944023 A EP00944023 A EP 00944023A EP 00944023 A EP00944023 A EP 00944023A EP 1194799 A1 EP1194799 A1 EP 1194799A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
interference
layers
filter according
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00944023A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Burkhard Danielzik
Rüdiger HENTSCHEL
Ulf Brauneck
Markus Kuhr
Bernd Metz
Stefan Bauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Carl Zeiss AG
Original Assignee
Carl Zeiss AG
Schott Glaswerke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss AG, Schott Glaswerke AG filed Critical Carl Zeiss AG
Publication of EP1194799A1 publication Critical patent/EP1194799A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/515—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using pulsed discharges
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/28—Interference filters
    • G02B5/281—Interference filters designed for the infrared light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/28—Interference filters
    • G02B5/285—Interference filters comprising deposited thin solid films
    • G02B5/288—Interference filters comprising deposited thin solid films comprising at least one thin film resonant cavity, e.g. in bandpass filters

Definitions

  • the invention relates to an interference optical narrowband filter for a wavelength ⁇ 0 with a plurality of dielectric layers according to the
  • Preamble of claim 1 and the use of such a filter and a plasma pulse CVD method for producing such narrow-band interference optical filters.
  • Narrow band dielectric filters with Fabry-Perot design are made of one
  • Interference-optical narrowband filters are produced by alternately applying high and low refractive index layers of precisely defined layer thickness.
  • the Fabry-Perot design has a symmetrical one
  • the narrow band filter consists of several cavities, e.g. from three cavities.
  • Layers are preferably made using optical means during production Methods monitored and controlled.
  • One possibility for the targeted control of the layer growth is, for example, an extreme value switch-off, which interrupts the coating process precisely when the transmission or reflection of the layer system reaches an extreme value, that is to say when the layer thickness corresponds to that of a ⁇ / 4 layer or an integral multiple thereof.
  • an extreme value switch-off which interrupts the coating process precisely when the transmission or reflection of the layer system reaches an extreme value, that is to say when the layer thickness corresponds to that of a ⁇ / 4 layer or an integral multiple thereof.
  • In order to generate a specified filter characteristic using the classic approach ie from a large number of ⁇ / 4 layers with a specified material selection (ie specified refractive indices), it is often necessary to "overdimension" the layer system. This means that very many layers or very thick layers must be used. This is tantamount to an extension of the manufacturing time for the filter and therefore usually low economy.
  • the interference filter according to US Pat. No. 4,756,602 was produced with the aid of continuous vapor deposition processes using a laser ellipsometric layer thickness monitoring, in which the exact thickness was determined after the layer was deposited and the subsequent layer was then re-optimized.
  • a layer thickness monitoring is extremely complex and can only be used to a limited extent in practice.
  • the object of the invention is to provide a very narrow-band Fabry-Perot filter with a predetermined pass characteristic, without having to accept the disadvantages of the prior art.
  • a narrow-band interference filter is also possible Small overall thickness is aimed for in order to achieve a high level of economy in production.
  • the object is achieved in that, in the case of an interference-optical narrow-band filter for a wavelength ⁇ 0, a number of layers of a multilayer system have an optical layer thickness deviating from ⁇ / 2 or ⁇ / 4.
  • Such an optical narrowband filter according to the invention thus comprises alternately arranged dielectric layers, for example consisting of the materials titanium dioxide and silicon dioxide, preferably niobium oxide and silicon dioxide, the optical layer thicknesses of the individual layers being arbitrary fractions or multiples of ⁇ / 4.
  • Such a design according to the invention offers the advantage that a transmission characteristic corresponding to predetermined specifications can be achieved with a smaller overall thickness than with designs consisting only of ⁇ / 4 layers.
  • Nb 2 0 5 , Ti0 2 , Ta 2 O s , ZrO 2 and HfO 2 are preferably used as materials for the high-index layers.
  • the transmission characteristic can be adapted to specified specifications, since the ratio of the refractive indices, the minimal reflection of the mirror layers and the position of the bandpass on the wavelength scale set narrow limits.
  • the designs according to the invention overcome this disadvantage. Furthermore, by using layers whose optical layer thickness differs from ⁇ / 4 or multiples thereof, so-called non- ⁇ / 4 layers, it is possible to vary, in particular to minimize, indentations in the pass characteristic of the bandpass filter, so-called "ripples" ,
  • the optical layer thickness of the layers deviating from ⁇ / 4 or ⁇ / 2 is selected in such a way that the total layer thickness of the interference-optical narrow-band filter is minimized for a given transmission characteristic.
  • the interference-optical narrow-band filter comprises a plurality of stacks with a plurality of alternately high and low refractive index layers.
  • Layers is arranged and at least one layer whose optical layer thickness deviates from ⁇ / 4 or ⁇ / 2.
  • spacer layers are provided between the stacks, which can comprise one or more ⁇ / 2 layers, or else layers with optical layer thicknesses that deviate from ⁇ / 2.
  • a method is also specified which enables such narrow-band filters to produce.
  • a plasma pulse CVD (PICVD) process is used for this, the production parameters being selected such that, on average, significantly less than one monolayer of the dielectric layer is deposited on a substrate per microwave pulse. This makes it possible to count a predetermined number of pulses
  • the number N of plasma pulses can first be determined in order to achieve a ⁇ / 4 or ⁇ / 2 layer and for producing a layer with optical ones deviating from ⁇ / 4 or ⁇ / 2 Layer thickness, the number of plasma pulses is increased or decreased by n compared to the predetermined number N, so that a somewhat thicker or thinner layer than a ⁇ / 4 layer is produced.
  • a layer material used for the production of a ⁇ / 4 layer by a layer material with slightly different optical constants can be used to produce a layer with a layer thickness different from ⁇ / 4, without the edge steepness of the filter is adversely affected, since the switch to the other material can take place during a pulse pause.
  • a predetermined layer thickness can then be set very precisely by counting the pulses.
  • a change in the optical layer thickness is also possible by changing process parameters such as the substrate temperature or the process gas pressure or the coating rate.
  • process parameters such as the substrate temperature or the process gas pressure or the coating rate.
  • Substrate temperature or the process gas pressure or the coating rate for example, can achieve refractive index differences of 0.05 and more.
  • Exemplary embodiments of Fabry-Perot narrow-band filters are to be described below, which comprise one or more layers with a layer thickness deviating from ⁇ / 4.
  • Figure 1 shows a first target transmission curve of a layer system.
  • Figure 2 shows the refractive index curve of a system that the first
  • the target transmission curve comprises a large number of layers, the optical layers of which
  • Figure 3 shows a second target transmission curve for a narrow band
  • Figure 4 shows the transmission curve of a layer system with a total
  • FIG. 5 shows the refractive index curve of the system according to FIG. 4.
  • Figure 6 shows the transmission curve of a layer system based on ⁇ / 4 and ⁇ / 2 layers, which almost the target values acc.
  • the system consists of 78 layers with a total thickness of approx. 27 ⁇ m.
  • FIG. 7 shows the refractive index curve of the system according to FIG. 6
  • FIG. 1 shows a first possible target transmission curve for a filter according to the invention.
  • FIG. 2 shows the refractive index curve of a system according to the invention, which almost reproduces the curve of the first target transmission curve and comprises a large number of layers, the optical layer thickness of which deviates from ⁇ / 4 or ⁇ / 2.
  • the system consists of a total of 112 layers with the following structure:
  • H denotes a layer with a high refractive index n H , L a
  • Layer with a low refractive index n L As materials for the high-index layers are preferably used Nb 2 O s , Ti0 2 , Ta 2 0 5 , Zr0 2 and Hf0 2 . Niobium oxide is particularly preferably used for the high-index layer and silicon dioxide for the low-index layer.
  • a second target characteristic for a narrow-band interference filter is specified in FIG.
  • FIGS. 4 and 5 show interference filters according to the invention which largely meet the required transmission curve according to the second target characteristic, as specified in FIG. 3.
  • FIG. 4 shows the actual transmission curve of an interference filter according to the invention.
  • the total layer thickness of the system according to FIG. 4 and FIG. 5 is almost 50% lower than the total layer thickness of a system which only comprises ⁇ / 4 and ⁇ / 2 layers.
  • the refractive index curve of the system according to the invention for fulfilling the second target characteristic is shown in FIG. 5.
  • the system according to FIG. 5 consists of a total of 66 individual layers with the following structure:
  • L denotes layers with a low refractive index and H layers with a high refractive index.
  • the refractive index was the high refractive index
  • the material of the high-index layer preferably comprises Nb 2 0 5) the material of the low-index layer Si0 2 .
  • FIG. 5 again shows the refractive index curve versus the layer thickness. The change between high and low refractive layers and the two spacer-like layers can be clearly seen.
  • FIG. 6 shows the transmission curve of a so-called three-cavity filter according to the prior art, comprising exclusively ⁇ / 4 and ⁇ / 2 layers and multiples thereof.
  • stacks 1, 2, 5 and 6 are constructed identically, stacks 3 and 4 have mirror layers consisting of 3/4 ⁇ layers.
  • a stack denotes a multiplicity of ⁇ / 4 layers (or multiples thereof) with alternating high and low refractive index materials.
  • a cavity comprises two stacks that pass through
  • Spacer layers for example a ⁇ / 2 layer of high or low refractive index material, are separated.
  • the coupling layers between the individual cavities can be low-refractive ⁇ / 4 layers, for example.
  • the design according to the prior art also shows a good approximation to the predetermined second target filter characteristic, as can be seen from the comparison of FIG. 3 and FIG. 6.
  • the individual layers and the two spacer layers are made significantly thicker. This leads to an almost 50% higher total layer thickness in the prior art compared to the designs according to the invention.
  • Another advantage of the invention is the high slope and a higher transmission in the pass band.
  • the layer systems shown with a changed optical thickness are preferably produced with the aid of the plasma pulse CVD
  • the optical layer thickness can be changed by changing the process parameters during the pulse pause, which can be variably adjusted.
  • the advantage of using the plasma pulse CVD method is that a very sharp transition can be achieved and it is possible in a simple manner inside the layer system to produce layers with an optical layer thickness deviating from ⁇ / 4. With the current continuous CVD processes, this is not possible without transitions.
  • the very narrow-band filters produced with the invention whose edge steepness can be set in a very controlled manner, can be used as
  • Edge filter with extreme slope or very flat gain flattening Filters are used. Furthermore, due to their precisely controllable transmission curve, the narrowband filters presented are suitable for multiplexers or demultiplexers in WDM (Wavelength Division Multiplex) or DWDM (Dense Wavelength Division Multiplex) systems in communications technology.
  • WDM Widelength Division Multiplex
  • DWDM Dense Wavelength Division Multiplex

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein interferenzoptisches Schmalbandfilter für eine Wellenlänge μ0 mit einer Vielzahl von dielektrischen Schichten, wobei die dielektrischen Schichten abwechselnd einen hohen (nH) und einen niedrigen Brechungsindex (nL) aufweisen und eine erste Anzahl der dielektrischen Schichten eine optische Schichtdicke von μ/4 oder μ/2 oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Anzahl von Schichten des Schichtsystems eine von μ/4 und μ/2 abweichende optische Schichtdicke aufweist, so dass sich eine minimierte Gesamtschichtdicke des Schichtsystems ergibt.

Description

Interferenzoptisches Schmalbandfilter
Die Erfindung betrifft ein interferenzoptisches Schmalbandfilter für eine Wellenlänge λ0 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 Filter mit Fabry-Perot-Design 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 Schmalbandfilter werden durch abwechselndes Aufbringen von hoch- und niedrigbrechenden Schichten genau definierter Schichtdicke hergestellt. Beim Fabry-Perot-Design liegt ein symmetrischer
Aufbau aus λ/4 Schichten um eine sogenannte Spacer-Schicht (λ/2 bzw n*λ/2 Schicht) - eine sogenannte Cavity - vor, das heißt die Anordnung der Schichten in der ersten Hälfte eines Cavities wiederholt sich spiegelbildlich in der zweiten Hälfte. Das Schmalbandfilter besteht aus mehreren Cavities, z.B. aus drei Cavities. Das Schichtwachstum der λ/2- beziehungsweise λ/4-
Schichten wird während der Herstellung vorzugsweise mit Hilfe optischer Methoden überwacht und gesteuert. Eine Möglichkeit der gezielten Steuerung des Schichtwachstums ist beispielsweise eine Extremwertabschaltung, die den Beschichtungsprozeß genau dann unterbricht, wenn die Transmission oder Reflexion des Schichtsystems einen Extremwert erreicht, d.h. wenn die Schichtdicke der einer λ/4-Schicht bzw. eines ganzzahligen Vielfachen hiervon entspricht. Um eine vorgegebene Filtercharakteristik mit Hilfe des klassischen Ansatzes, d.h. aus einer Vielzahl von λ/4-Schichten bei vorgegebener Materialauswahl (d.h. vorgegebenen Brechungsindizes) zu erzeugen, ist häufig eine "Überdimensionierung" des Schichtsystems notwendig. Das heißt, daß sehr viele Schichten bzw. sehr dicke Schichten verwendet werden müssen. Dies ist gleichbedeutend mit einer Verlängerung der Herstellungszeit für die Filter und damit meist geringer Wirtschaftlichkeit.
Aus der US 4 756 602 ist ein optisches Schmalbandfilter bekannt geworden, bei dem die Spacerschichten durch die Aufspaltung in äquivalente Schichten mit in der Summe gleicher optischer Dicke in dünnere Schichten zerlegt werden.
Das Interferenzfilter gemäß der US 4 756 602 wurde mit Hilfe kontinuierlicher Aufdampfverfahren unter Einsatz einer laser- ellipsometrischen Schichtdickenüberwachung hergestellt, bei der nach dem Abscheiden der Schicht deren genaue Dicke bestimmt und danach eine Reoptimierung der nachfolgenden Schicht durchgeführt wurde. Eine solche Schichtdickenüberwachung ist äußerst aufwendig und in der Praxis nur bedingt einsetzbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein sehr schmalbandiges Fabry-Perot-Filter mit vorgegebener Durchlasscharakteristik zur Verfügung zu stellen, ohne die Nachteile gemäß dem Stand der Technik in Kauf nehmen zu müssen.
Insbesondere wird ein schmalbandiges Interferenzfilter mit möglichst geringer Gesamtdicke angestrebt, um eine hohe Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem interferenzoptischen Schmalbandfilter für eine Wellenlänge λ0 eine Anzahl von Schichten eines Vielschichtsystems eine von λ/2 oder λ/4 abweichende optische Schichtdicke aufweist.
Ein derartiges erfindungsgemäßes optisches Schmalbandfilter umfasst somit abwechselnd angeordnete dielektrische Schichten, beispielsweise bestehend aus den Materialien Titandioxid und Siliziumdioxid, vorzugsweise Nioboxid und Siliziumdioxid, wobei die optischen Schichtdicken der Einzelschichten beliebige Bruchteile oder Vielfache von λ /4 betragen können. Ein derartiges erfindungsgemäßes Design bietet den Vorteil, daß bei geringerer Gesamtdicke als bei lediglich aus λ/4-Schichten bestehenden Designs eine gemäß vorbestimmten Spezifikationen entsprechende Durchlaßcharakteristik erzielt werden kann.
Als Materialien für die hochbrechenden Schichten finden bevorzugt Nb205, Ti02, Ta2Os, ZrO2 sowie HfO2 Verwendung.
Designs gemäß dem Stand der Technik mit Spiegelschichten aus (HL)- Stacks (H: Schicht aus hochbrechendem Material, L: Schicht aus niedrigbrechendem Material), sowie Spacer-Schichten aus n*λ /2-Schichten können bei vorgegebenen Beschichtungsmaterialien nicht beliebig in ihrer
Durchlaßcharakteristik an vorgegebene Spezifikationen angepaßt werden, da das Verhältnis der Brechwerte, die minimale Reflexion der Spiegelschichten und die Lage des Bandpasses auf der Wellenlängenskala enge Grenzen setzt. Diesen Nachteil überwinden die Designs gemäß der Erfindung. Weiterhin ist es durch Verwendung von Schichten, deren optische Schichtdicke von λ /4 oder Vielfachen hiervon abweicht, sogenannten Nicht-λ/4-Schichten, möglich, Einbuchtungen in der Durchlaßcharakteristik des Bandpaß-Filters, sogenannte "Ripples" zu variieren, insbesondere zu minimieren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die optische Schichtdicke der von λ/4 oder λ/2 abweichenden Schichten derart gewählt wird, daß die Gesamtschichtdicke des interferenzoptischen Schmalbandfilters bei vorgegebener Durchlaßcharakteristik minimiert wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das interferenzoptische Schmalbandfilter eine Vielzahl von Stacks mit mehreren abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden Schichten umfaßt. In einer ersten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß in einem Stack eine Vielzahl von reflektierenden λ/4-
Schichten angeordnet ist und wenigstens eine Schicht, deren optische Schichtdicke von λ/4 oder λ/2 abweicht.
Es ist auch möglich einen Stack vorzusehen, bei dem die optischen Schichtdicken nahezu sämtlicher Schichten von λ/4 abweichen.
In einer besonderen Ausführungsform sind zwischen den Stacks Spacerschichten vorgesehen, die eine oder mehrere λ/2-Schichten umfassen können, oder aber auch Schichten mit optischen Schichtdicken, die von λ/2 abweichen.
Da die erfindungsgemäßen Designs mit Herstellverfahren, die herkömmliche Meßmethoden einsetzen, bespielsweise das optische Monitoring bzw. die Extremwertabschaltung, nicht mit der erforderlichen Genauigkeit hergestellt werden können, wird desweiteren ein Verfahren angegeben, das es ermöglicht derartige schmalbandige Filter zu produzieren. Erfindungsgemäß wird hierfür ein Plasma-Impuls-CVD (PICVD) -Verfahren verwendet, wobei die Herstellparameter derart gewählt werden, daß pro Mikrowellenpuls im Mittel deutlich weniger als eine Monolage der dielektrischen Schicht auf einem Substrat abgeschieden wird. Dadurch ist es möglich durch Zählen der Impulse eine vorgegebene
Schichtdicke genau einzustellen.
In einem beispielhaften derartigen Plasma-Impuls-CVD-Verfahren kann zunächst die Anzahl N der Plasmaimpulse zum Erreichen einer λ/4- bzw. λ/2-Schicht bestimmt werden und zur Herstellung einer Schicht mit von λ /4 oder λ/2 abweichender optischer Schichtdicke die Anzahl der Plasmaimpulse gegenüber der vorbestimmten Anzahl N um n erhöht oder erniedrigt wird, so daß eine etwas dickere beziehungsweise dünnere Schicht als eine λ/4-Schicht entsteht.
Alternativ hierzu kann bei einem Plasma-Impuls-CVD-Verfahren ein für die Herstellung einer λ/4-Schicht benutztes Schichtmaterial durch ein Schichtmaterial mit leicht abweichenden optischen Konstanten zur Herstellung einer Schicht mit von λ/4 abweichender Schichtdicke verwendet werden, ohne daß die Kantensteilheit des Filters negativ beeinträchtigt wird, da die Umstellung auf das andere Material während einer Impulspause erfolgen kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn pro Plasmaimpuls im Mittel deutlich weniger als eine Monolage der dielektrischen Schicht abgeschieden wird.
Durch Zählen der Impulse kann dann eine vorgegebene Schichtdicke sehr genau eingestellt werden.
Eine Veränderung der optischen Schichtdicke ist auch dadurch möglich, daß Prozeßparameter, wie die Substrattemperatur oder der Prozeßgasdruck oder die Beschichtungsrate geändert werden. Mit Änderung der Substrattemperatur beziehungsweise des Prozeßgasdruckes oder der Beschichtungsrate lassen sich beispielsweise Brechwertdifferenzen von 0,05 und mehr erreichen.
Nachfolgend sollen Ausführungsbeispiele von Fabry-Perot- Schmalbandfiltem beschrieben werden, die eine oder mehrere Schichten mit einer von λ/4-ab weichenden Schichtdicke umfassen.
Es zeigen:
Figur 1 eine erste Solltransmissionskurve eines Schichtsystems.
Figur 2 den Brechwertverlauf eines Systems, das die erste
Solltransmissionskurve erfüllt mit insgesamt 112 Schichten umfassend eine Vielzahl von Schichten, deren optische
Schichtdicke von λ/4 abweicht.
Figur 3 eine zweite Solltransmissionskurve für ein schmalbandiges
Interferenzfilter.
Figur 4 die Transmissionskurve eines Schichtsystems mit insgesamt
66 Schichten umfassend eine Vielzahl von Schichten, deren Schichtdicke von λ/4 abweicht, und mit einer Gesamtschichtdicke von ca. 16 μm, welches nahezu die Sollwerte gemäß Figur 3 erfüllt.
Figur 5 den Brechwertverlauf des Systems gemäß Figur 4.
Figur 6 die Transmissionskurve eines Schichtsystems basierend auf λ/4- und λ/2-Schichten, das nahezu die Sollwerte gem. Figur 3 erfüllt. Das System besteht aus 78 Schichten mit einer Gesamtdicke von ca. 27 μm.
Figur 7 den Brechwertverlauf des Systems gemäß Figur 6
In Figur 1 ist eine erste mögliche Solltransmissionskurve für ein Filter gemäß der Erfindung gezeigt.
Figur 2 zeigt den Brechwertverlauf eines Systems gemäß der Erfindung, das den Verlauf der ersten Solltransmissionskurve nahezu wiedergibt und eine Vielzahl von Schichten, deren optische Schichtdicke von λ/4- beziehungsweise λ/2 abweicht, umfasst. Das System besteht aus insgesamt 112 Schichten mit nachfolgendem Aufbau:
0,6505H 0.34L 0.4243H 0.9405L 1 ,0015H 1 ,0113L, 1 ,0043H 0.9935L
0.9838H 0.9778L 0.9776H 0,9831 L 0.9904H 0.9954L 0,9971 H 0.9979L 1.0004H 4.0062L 1.0023H 1 ,0L 0,9982H 0.9966L 0.995H 0.9933L 0,9913H 0,9891 L 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 0,9991 L 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 0,9981 L 0.8754H 0.0574L 0.1429H 0.8937L 0.0675H 0.1481L 0,3561 H 0.2993L 0.6967H 1.0004L 0.9846H 0.9745L 0.9697H 0.9695L 0,9731 H 0.979L 0,9851 H 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 0,9541 H 0.8887L 0.6238H 0,2241 L 0,1628H 0.6552L 0,0941 H 0,0149L
Hierbei bezeichnet H eine Schicht mit hohem Brechungsindex nH , L eine
Schicht mit niedrigem Brechungsindex nL. Als Materialien für die hochbrechenden Schichten finden bevorzugt Nb2Os, Ti02, Ta205, Zr02 sowie Hf02 Verwendung. Besonders bevorzugt wird für die hochbrechende Schicht Nioboxid und für die niedrigbrechende Schicht Siliziumdioxid verwandt. Die optische Schichtdicke ist wie folgt normiert: 1.000 = n d = λ /4 das heißt ein Wert von 1.000 entspricht einer optischen Schichtdicke von exakt λ /4; ein Wert von beispielsweise 0,9956 einer optischen Schichtdicke, die etwas geringer als λ /4 ist und ein Wert von beispielsweise 1 ,0043 einer optischen Schichtdicke, die etwas größer als λ/4 ist.
In Figur 3 ist eine zweite Sollcharakteristik für ein schmalbandiges Interferenzfilter vorgegeben.
In den Figuren 4 und 5 sind Interferenzfilter gemäß der Erfindung gezeigt, die den geforderten Transmissionsverlauf gemäß der zweiten Sollcharakteristik, wie in Figur 3 vorgegeben, weitgehend erfüllen. Figur 4 zeigt den tatsächlichen Transmissionsverlauf eines erfindungsgemäßen Interferenzfilters. Wie aus dem Vergleich von Figur 3 und Figur 4 hervorgeht, entspricht der tatsächliche Transmissionsverlauf weitgehend dem vorgegebenen gemäß der zweiten Sollcharakteristik. Die Gesamtschichtdicke des Systems gemäß Figur 4 und Figur 5 ist um nahezu 50 % niedriger als die Gesamtschichtdicke eines Systems, das ausschließlich λ/4 und λ/2-Schichten umfaßt. Der Brechwertverlauf des erfindungsgemäßen Systems zur Erfüllung der zweiten Sollcharakteristik ist in Figur 5 gezeigt. Das System gemäß Figur 5 besteht insgesamt aus 66 Einzelschichten mit folgendem Aufbau:
0.5486H 0.007L 0.5289H 1.1718L 1.2095H 1.1575L 1.0469H 0.9728L 0,971 H 1.0217L 1.0764H 1 ,0379L 0,9368H 0.9652L 1.0171 H 0,9912L
0.945H 4.0895L 0.9593H 1.0102L 0.895H 0,9771 L 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 0,9771 H 0.8995L 0.872H 0.8306L 0.8384H 0.928L 1 ,0438H 1 , 115L 1 , 132H 1 , 1647L 1 ,2208H 1.3793L
Die Bezeichnungen für das Schichtsystem sind identisch mit denen des Systems gemäß Figur 1 ; das heißt L bezeichnet Schichten mit niedrigem Brechungsindex und H Schichten mit hohem Brechungsindex. In den dargestellten Beispielen betrug der Brechungsindex der hochbrechenden
Schicht nL = 1 ,43 und der Brechungsindex der niedrigbrechenden Schicht nH = 2,3. Das Material der hochbrechenden Schicht umfaßt bevorzugt Nb205) das Material der niedrigbrechenden Schicht Si02. Figur 5 zeigt wiederum den Brechungsindexverlauf gegenüber der Schichtdicke. Deutlich zu erkennen ist der Wechsel zwischen hoch- und niedrigbrechenden Schichten sowie die insgesamt zwei spacer-ähnlichen Schichten.
In Figur 6 ist die Transmissionskurve eines sogenannten Drei-Cavity-Filters gemäß dem Stand der Technik gezeigt, umfassend ausschließlich λ/4- und λ/2-Schichten sowie Vielfache hiervon. Hierbei sind die Stacks 1 , 2, 5 und 6 identisch aufgebaut, die Stacks 3 und 4 weisen Spiegelschichten bestehend aus 3/4 λ-Schichten auf. Ein Stack bezeichnet eine Vielzahl von λ/4-Schichten (oder Vielfachen hiervon) mit abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden Materialien. Ein Cavity umfaßt zwei Stacks, die durch
Spacerschichten, beispielsweise eine λ/2-Schicht aus hoch- oder niedrigbrechendem Material getrennt sind. Die Koppelschichten zwischen den einzelnen Cavities können beispielsweise niedrigbrechende λ/4- Schichten sein. Das Design gemäß dem Stand der Technik zeigt ebenfalls eine gute Annäherung an die vorgegebene zweite Soll-Filtercharakteristik, wie aus dem Vergleich von Figur 3 und Figur 6 hervorgeht.
Wie der in Figur 7 dargestellte Brechwertverlauf des Drei-Cavity-Filters zeigt, sind die Einzelschichten sowie die beiden Spacerschichten deutlich dicker ausgebildet. Das führt zu einer um fast 50 % höheren Gesamtschichtdicke beim Stand der Technik gegenüber den erfindungsgemäßen Designs.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung sind die hohe Flankensteilheit sowie eine höhere Transmission im Durchlaßbereich.
Die Herstellung der dargestellten Schichtsysteme mit einer veränderten optischen Dicke erfolgt bevorzugt mit Hilfe des Plasma-Impuls-CVD-
Verfahrens, beispielsweise durch Aufbringen einer atomaren Monolage oder weniger pro Plasmapuls und das Zählen der Pulse wie zuvor beschrieben.
Alternativ hierzu kann durch einen Wechsel der Verfahrensparameter während der Impulspause, die variabel einstellbar ist, die optische Schichtdicke verändert werden. Der Vorteil des Einsatzes des Plasma- Impuls-CVD-Verfahrens liegt darin, daß ein sehr scharfer Übergang erreicht werden kann und es auf einfache Art und Weise im Inneren des Schichtsystems möglich ist, Schichten mit einer von λ/4 abweichenden optischen Schichtdicke, herzustellen. Bei den derzeitigen kontinuierlichen CVD-Verfahren ist dies ohne Übergänge nicht möglich.
Die mit der Erfindung hergestellten sehr schmalbandigen Filter, deren Kantensteilheit sehr kontrolliert eingestellt werden kann, können als
Kantenfilter mit extremer Flankensteilheit oder sehr flache Gain-Flattening- Filter verwendet werden. Des weiteren eignen sich die vorgestellten Schmalbandfilter aufgrund ihres genau kontrollierbaren Transmissionsverlaufs für Multiplexer beziehungsweise Demultiplexer in WDM (Wavelength-Division-Multiplex) beziehungsweise DWDM (Dense- Wavelength-Division-Multiplex)-Systemen der Nachrichtentechnik. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die gegenüber herkömmlichem Design stark reduzierte Gesamtschichtdicke.

Claims

Patentansprüche
1. Interferenzoptisches Schmalbandfilter für eine Wellenlänge λ0 mit 1.1 einer Vielzahl von dielektrischen Schichten, wobei 1.2 die dielektrischen Schichten abwechselnd einen hohen (nH) und einen niedrigen Brechungsindex (nj aufweisen und 1.3 eine erste Anzahl dielektrischer Schichten eine optische Schichtdicke von λ/4 oder λ/2 oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon aufweist dadurch gekennzeichnet, daß 1.4 eine zweite Anzahl von Schichten des Schichtsystems eine von λ/4 oder λ/2 abweichende optische Schichtdicke aufweist.
2. Interferenzoptisches Schmalbandfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Schichtdicke der von λ/4 oder λ/2 abweichenden optischen Schichten derart gewählt wird, daß die Gesamtschichtdicke des interferenzoptischen Schmalbandfilters bei vorgegebener Durchlaßcharakteristik minimiert wird.
3. Interferenzoptisches Schmal bandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmalbandfilter eine Vielzahl von Stacks mit einer Vielzahl von abwechselnd hoch- und niedrigbrechenden Schichten mit einem hohen (nH) und einem niedrigen (nj Brechungsindex umfaßt.
4. Interferenzoptisches Schmalbandfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Stack umfassend eine Vielzahl von reflektierenden λ/4-Schichten wenigstens eine Schicht mit einer von λ/4 oder λ/2 abweichenden optischen Schichtdicke umfaßt.
5. Interferenzoptisches Schmalbandfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Schichten eines Stacks eine von λ/4 abweichende optische Schichtdicke aufweisen.
6. Interferenzoptisches Schmalbandfilter nach einem der Ansprüche 1- 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hochbrechenden Schichten eines oder mehrere der nachfolgenden Materialien Nb205, Ti02, Ta205, Zr02 sowie Hf02 umfassen.
7. Interferenzoptisches Schmalbandfilter nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das interferenzoptische Schmalbandfilter zwischen den Stacks
Spacerschichten umfaßt.
8. Interferenzoptisches Schmalbandfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spacerschichten eine oder mehrere λ/2-Schichten umfassen.
9. Interferenzoptisches Schmalbandfilter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spacerschichten wenigstens eine von λ/2-abweichende optische Schichtdicke aufweisen.
10. Interferenzoptisches Schmalbandfilter nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter eine Vielzahl von Cavities, umfassend mehrere reflektierende Stacks umfaßt.
11. Interferenzoptisches Schmalbandfilter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das interferenzoptische Schmalbandfilter zwischen den Cavities Koppelschichten umfaßt.
12. Interferenzoptisches Schmalbandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrigbrechenden Schichten Siliciumdioxid umfassen.
13. Verwendung eines interferenzoptischen Schmalbandfilters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Multiplexen/Demultiplexen in WDM und DWDM-Systemen.
14. Verwendung eines interferenzoptischen Schmalbandfilters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 als Farbteiler.
15. Verwendung eines interferenzoptischen Schmalbandfilters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 als Kantenfilter mit extrem kontrollierter Flankensteilheit.
16. Verwendung eines interferenzoptischen Schmalbandfilters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 als Gain-Flattening-Filter.
17. Plasma-Impuls-CVD-Verfahren zur Herstellung von interferenzoptischen Schmalbandfiltern, dadurch gekennzeichnet, daß 17.1 zum Herstellen einer λ/2 beziehungsweise λ/4-Schicht die
Verfahrensparameter und/oder Prozeßgase voreingestellt werden und daß 17.2 zum Zwecke der Herstellung einer Schicht mit einer von λ/4 oder λ/2 abweichenden optischen Schichtdicke die voreingestellten Verfahrensparameter und/oder Prozeßgase zwischen zwei aufeinanderfolgenden Plasmaimpulsen geändert werden.
18. Plasma-Impuls-CVD-Verfahren zur Herstellung von interferenzoptischen Schmalbandfiltern, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl N der Plasmaimpulse zum Erreichen einer λ/4- oder λ/2- Schicht bestimmt wird, und daß zur Herstellung einer von λ/4- oder λ/2-abweichenden Schicht die Anzahl der Plasmaimpulse gegenüber der Anzahl N um n erhöht oder um n erniedrigt wird, wobei stets N >■ n ist.
19. Plasma-Impuls-CVD-Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter des Plasma-Impuls-CVD-Verfahrens derart gewählt werden, daß pro Plasmaimpuls im Mittel weniger als eine Monolage einer dielektrischen Schicht abgeschieden wird.
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