JP2004029520A - 光学多層膜フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】光通信に適応できるバンドパス特性を得ることができる光学多層膜フィルタを提供する。
【解決手段】第１の光学媒質層と第２の光学媒質層とを交互に積層した複数の積層体を、キャビティ層を介して接続したキャビティ構造を有し、設計波長λにおける特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が１であるキャビティ構造体と、このキャビティ構造体上に積層され、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層のうち少なくとも１層からなる付加層とを有し、第１の光学媒質の屈折率をｎ_Ｌ、第２の光学媒質の屈折率をｎ_Ｈとした場合に、キャビティ構造体と付加層とからなる光学多層膜フィルタの特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が０、第１行第２列がｉ・（１／ｎ_Ｌ）、第２行第１列がｉ・（ｎ_Ｌ）、第２行第２列が０であることを特徴とする。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信装置や光学デバイス等に使用される光学多層膜フィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学多層膜フィルタは、光学的な屈折率の異なる光学媒質膜、例えば誘電体膜を交互に積み重ねて形成され、境界面での反射光の干渉を利用して所定の光学特性を得るものである。現在、単層膜では得られない所望の光学特性を得るために、眼鏡などのガラス上およびプラスチック上への無反射コーティング、ビデオカメラの色分解プリズム、バンドパスフィルタなどの各種光学フィルタ、発光レーザの端面コーティング等に使用されている。
また、最近の状況として広帯域光波長多重（高密度波長分割多重（Ｄｅｎｓｅ　Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　：ＤＷＤＭ）通信に用いる合波フィルタや分波フィルタ、さらに、短距離間に用いられるイーサネット（登録商標）通信において１０Ｇｂｐｓ級の広光波長多重（Ｗｉｄｅ　Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　：ＷＷＤＭ）通信（ＩＥＥＥ８０２．３規格）に応用される。
【０００３】
光学フィルタの設計について、図２０から図２３を参照して説明する。
図２０に示すように、屈折率ｎ_ｓの基板１上に、屈折率ｎ_１の透明な光学媒質膜１２を膜厚ｄ_１で形成した単層膜フィルタにおいて、光学媒質膜１２に光が入射した場合の特性マトリックス（Ｍ）は、式（１）のように定義される。但し、入射光の波長をλ、入射角は入射面の法線に対しθ、β＝２π・ｎ_１・ｄ_１・ｃｏｓ（θ）／λと定義する。また、ｉは虚数単位を示し、ｍ_１１、ｍ_１２、ｍ_２１、ｍ_２２は、特性マトリックス（Ｍ）の行列成分であり、ｍ_１１＝ｍ_２２＝ｃｏｓ（β）、ｍ_１２＝ｉ・１／ξ・ｓｉｎ（β）、ｍ_２１＝ｉ・ξ・ｓｉｎ（β）である。
【０００４】
【数１】

【０００５】
式（１）において、ξはＳ偏光の場合はξ＝−ｎ_１・ｃｏｓ（θ）となり、Ｐ偏光の場合は、ξ＝ｎ_１／ｃｏｓ（θ）となるが、簡単のために、今後は、Ｓ偏光の場合を考える。入射角θが０度の場合には、ｃｏｓ（θ）＝１となるため、β＝２π・ｎ_１・ｄ_１／λ、ξ＝−ｎ_１となる。また、入射角θ＝０で、かつ、光学膜厚がｎ_１・ｄ_１＝λ／４の場合には、β＝π／２でなので、ｃｏｓ（β）＝０、ｓｉｎ（β）＝１となる。したがって、ｍ_１１＝ｍ_２２＝０、ｍ_１２＝−１／ｎ_１、ｍ_２１＝−ｎ_１となる。さらに、入射角θ＝０で、かつ、光学膜厚がｎ_１・ｄ_１＝λ／２の場合には、β＝πであるので、ｃｏｓ（β）＝−１、ｓｉｎ（β）＝０となる。したがって、ｍ_１１＝ｍ_２２＝−１、ｍ_１２＝ｍ_２１＝０となる。
また、式（１）の特性マトリックス（Ｍ）から、反射率係数｜ｒ｜および透過率係数ｔは、入射角θが０度の場合に、式（２）、式（３）となる。但し、基板の屈折率をｎ_ｓとし、空気の屈折率は、ｎ_０＝１とした。
【０００６】
【数２】

【０００７】
したがって、式（２）から反射率Ｒは式（４）、さらに式（３）から透過率Ｔは式（５）となる。
【０００８】
【数３】

【０００９】
式（２）から式（５）より、光学膜厚がｎ_１・ｄ_１＝λ／４および光学膜厚がｎ_１・ｄ_１＝λ／２の場合には、高い反射率、高い透過率が得られることがわかる。
【００１０】
次に、図２１に示すような光学多層膜の場合を考察する。図２１に示すように、屈折率ｎ_ｓの基板１上に、屈折率ｎ_ｋの光学媒質膜１７を膜厚ｄ_ｋで形成し、その上に屈折率ｎ_ｋ−１の光学媒質膜１６を膜厚ｄ_ｋ−１で形成し、順次同様の形成手順を繰り返し、最上層として屈折率ｎ_１の光学媒質膜１３を膜厚ｄ_１で形成し、全体でｋ層の光学媒質膜を有する光学多層膜フィルタを作製する。全体の特性マトリックス（Ｍ）は、各光学媒質の特性マトリックスをＭ_０、Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３、．．．、Ｍ_ｋ−２、Ｍ_ｋ−１、Ｍ_ｋ、Ｍ_ｓとした場合に、式（６）となる。但し、全体特性マトリックス（Ｍ）の行列成分をｍｍ_１１、ｍｍ_１２、ｍｍ_２１、ｍｍ_２２とした。
【００１１】
【数４】

【００１２】
上記したように、特性マトリックス（Ｍ）により、式（４）や式（５）と同様に反射率Ｒと透過率Ｔを求めることが可能である。式（６）において、入射光の波長λを設計波長（または中心波長）λ_０に固定して光学膜厚を選択することで、光学フィルタとしての設計が可能となるため、所望のバンドパスフィルタを得ることができる。
【００１３】
次に、光波長多重（波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ　：ＷＤＭ））通信に用いる合波フィルタや分波フィルタの要求仕様について、図２２の透過特性を参照して説明する。
バンドパス特性を評価する基準として、一般的に−０．５ｄＢでのフィルタ透過幅（または透過帯幅）Ｗ_（Ｆ）と、−２５ｄＢでのクロストーク透過幅（または−２５ｄＢ透過波長幅）Ｗ_（Ｃ）と、挿入損失とリップル強度（または透過帯域リップル）が用いられる。
【００１４】
フィルタ透過幅Ｗ_（Ｆ）は、光信号が透過するバンドパス信号の幅を示しており、狭いほど規定されたバンド帯域の中で多くの信号を通すことが可能となる。また、クロストーク幅Ｗ_（Ｃ）は、混信することなしにバンドパス信号をどれだけ近接させることができるかを示しており、細いほど混信せずにバンドパス信号を並べることができる。つまり、フィルタ透過幅Ｗ_（Ｆ）とクロストーク幅Ｗ_（Ｃ）がともに狭くなることで、規定されたバンド帯域の中で通信に使用できるバンドパス信号が増えることになる。
また、挿入損失とは、バンドパス信号の最大値の値と理想的な透過率１００％の強度差を示している。
さらに、リップルとは、バンドパス信号の最大値付近の部分に透過率が局所的に低下する現象が見られることであり、さざ波とも呼ばれる。リップルが発生した場合、所望のバンドパス特性が得られないことがある。リップルが発生した場合の信号最大値と局所的透過率低下値との差をリップル強度とする。理想的なバンドパス特性として、点線で示した矩形の形状が求められている。
【００１５】
現在使用されているバンドパスフィルタの特性としては、−０．５ｄＢでのフィルタ透過幅Ｗ_（Ｆ）は２ｎｍ以下で、−２５ｄＢでのクロストーク透過幅Ｗ_（Ｃ）が４ｎｍから８ｎｍ程度であるが、既にフィルタ透過幅Ｗ_（Ｆ）が１ｎｍ以下のバンドパスフィルタの実用化を迎えている。
さらに、次世代の広帯域光波長多重通信（ＤＷＤＭ通信）に用いるバンドパス特性の要求仕様としては、フィルタ透過幅Ｗ_（Ｆ）が０．１ｎｍ、クロストーク透過幅Ｗ_（Ｃ）が０．３ｎｍ、挿入損失が０．５ｄＢ以下、リップル強度が０．２ｄＢという値が要求されている。このため最適なバンドパス特性の設計が求められている。
また、光学多層膜の総数も数十層から数百層と非常に多くなるため、膜厚や膜質の均一性もこれまで以上に高精度なものが要求されるようになっている。
【００１６】
さらに、幹線の大規模通信だけでなく、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信でデファクトスタンダードになっているイーサネット通信においても、光学多層膜フィルタが使用されつつある。現在のツイストペアによる通信に代わって光ファイバを用いた１０ＧＢＡＳＥ−Ｘや１０ＧＢＡＳＥ−Ｗという１０Ｇｂｐｓ級の通信がＩＥＥＥ８０２．３規格として標準化され、普及に向けた検討が進んでいる。この場合に用いられる多重通信方式は、ＷＷＤＭ通信（ＣＷＤＭ通信ともいう）と呼ばれ、１３１０ｎｍや１５５０ｎｍ付近の波長帯域において、数十ｎｍずれた４つの波長で４つのデータを重ね合わせて送信し、４つの受光器で別々に読み取るものである。通信距離は約３００ｍであるが、ＬＡＮの世界では一番期待されている方式となっている。
【００１７】
このＷＷＤＭ通信用にも光学多層膜フィルタが用いられる。評価基準としては、図２２に示したフィルタ特性で、フィルタ透過幅Ｗ_（Ｆ）が１０ｎｍ、クロストーク幅Ｗ_（Ｃ）が２０ｎｍ以下、挿入損失が１ｄＢ以下、リップル強度が０．５ｄＢという値が要求されている。このＷＷＤＭ通信用光学多層膜フィルタでは、低コスト化が最大の課題とされている。
【００１８】
多層膜に用いられる薄膜材料として、シリコン（Ｓｉ）、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、二酸化ランタン（ＬａＯ_２）、二酸化セリウム（ＣｅＯ_２）、三酸化アンチモン（Ｓｂ_２Ｏ_３）、三酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ソリウム（ＴｈＯ_２）などの酸化物および二元以上の酸化物、あるいは、シリコン酸窒化物（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）、あるいは、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、窒化ランタン（ＬａＮ）などの窒化物および二元以上の窒化物、あるいは、フッ素化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、三フッ化セリウム（ＣｅＦ_３）、二フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、六フッ化三ナトリウムアルミニウム（Ｎａ_３ＡｌＦ_６）などのフッ素化物、あるいは、二元以上のフッ素化物などがある。
【００１９】
一般には、これらの薄膜材料のうち適当な屈折率の異なる２種類の物質を選択し、透明基板上に薄膜形成装置を用いて光学多層膜フィルタを作成する。
【００２０】
図２３に、代表的な光学多層膜フィルタの構成例を示す。光学膜厚λ_０／２のキャビティ層（２Ｌ）４と呼ばれる層の上下を、屈折率ｎ_Ｌを有する第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層２（光学膜厚λ_０／４；Ｌ層）と第１の光学媒質よりも高い屈折率ｎ_Ｈを有する第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層３（光学膜厚λ_０／４；Ｈ層）とにより交互に積層した多層膜で挟んだ構造となっている。キャビティ層４は、第１の光学媒質層２と第２の光学媒質層３とを交互に積層した積層体のうち、所定の位置の層であり、光学膜厚がλ_０／２の整数倍の第１の光学媒質または第２の光学媒質により構成される。
【００２１】
図２３では、屈折率ｎ_Ｓを有する基板１上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とを繰り返し１９層積層し、この上に第１の光学媒質からなるキャビティ層４（２Ｌ層）を形成し、さらにその上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とを繰り返し１９層積層して全体で３９層の多層膜となっている。空気の屈折率をｎ_０とする。このような、キャビティ層４を１つ持つ層構造を「シングルキャビティ」または「１キャビティ」と呼ぶことが多い。
さらに、キャビティ層４を２つ、３つ、４つ、５つと増した場合、それぞれ「ダブルキャビティ」または「２キャビティ」、「トリプルキャビティ」または「３キャビティ」、「４キャビティ」、「５キャビティ」と呼ぶ。
【００２２】
図２３を参照し、第１の光学媒質層２として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、第２の光学媒質層３として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を用いた場合について詳細に説明する。但し、バンドパスフィルタとしての設計波長はλ_０＝１５５０ｎｍとした。基板１としては、一般的に使用される、ＢＫ−７や結晶化ガラス等の基板を用いた。ここでは、基板１の屈折率は１．４７とした。第２の光学媒質層３の光学膜厚は１８１．０７ｎｍであり、第１の光学媒質層２の光学膜厚は２６１．８２ｎｍであり、キャビティ層４の光学膜厚は５２３．６４ｎｍである。
また、図２３では、屈折率を層の横幅により、模式的に表した。つまり、第１の光学媒質層２よりも第２の光学媒質層３の横幅が広いのは、第２の光学媒質層３の方の屈折率が第１の光学媒質層２より大きいことを示している。
【００２３】
図２３に示した１キャビティ構造の光学多層膜フィルタにおいて、設計波長λ_０に相当するβ＝π／２の場合について考察する。式（６）により示される特性マトリックス（Ｍ）は式（７）のようになる。よって反射率係数｜ｒ｜は式（２）より式（８）となり、さらに、式（４）より反射率Ｒを式（９）のように求めることができる。
【００２４】
【数５】

【００２５】
屈折率ｎ_ｓが１．４７の石英基板を考えると、式（８）から｜ｒ｜＝０．１９０３、式（９）からＲ＝０．０３６２となり、設計波長λ_０の反射率係数｜ｒ｜を小さくできる。このように、設計波長λ_０において、行列の計算が比較的簡単にできるため、反射率Ｒを比較的容易に計算することができる。
【００２６】
図２３に示した光学多層膜フィルタのシミュレーションにより計算した透過特性を図２４に示す。設計波長λ_０で透過率は０．９６３８となり、理論計算値の透過率Ｔ＝１−Ｒから得られる値と一致する。フィルタ特性としては、極めて急峻で狭いバンドパス特性が得られている。フィルタ透過幅Ｗ_（Ｆ）は、０．１ｎｍ以下、挿入損失もなく、リップルもない形状が得られていることがわかる。しかし、バンドパススペクトルの形状は、鋭い三角形の形状であり、−２５ｄＢのクロストーク幅Ｗ_（Ｃ）が１ｎｍ以上で、仕様を大きく越えている。また、図２２の透過特性において点線で示した矩形の形状（理想的なバンドパス特性）から外れている。したがって、シングルキャビティでＤＷＤＭ通信用のフィルタを作製するのは困難であることがわかる。
【００２７】
そこで、シングルキャビティを直列配置して２以上のキャビティを持つファブリペロー型と呼ばれる多層膜構造でバンドパススペクトル形状を矩形にしようとする試みがなされている。図２５に、２キャビティ構造（ダブルキャビティ構造）のファブリペロー型多層膜の基本構造を示す。一般的に、第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）とを繰り返してある層数で形成した多層膜をキャビティ層４（２Ｌ層）で挟んだ１キャビティ構造を基本として、この１キャビティ構造をつないだ構造をしている。１キャビティ５は、それぞれキャビティ層（２Ｌ層）に対して必ず対称になっている。図２５では、基板１側からみて片側２１層の１キャビティ５と片側２２層の１キャビティ５が結合した構造をしている。
【００２８】
図２６は、図２５に示した２キャビティ構造において、例として、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を用い、ユニット数を２１とした２キャビティの場合のスペクトル形状を示す。全体で８７層の多層膜となっている。バンドパスフィルタとしての設計波長はλ_０＝１５５０ｎｍとした。
【００２９】
特性マトリックス（Ｍ）は、式（１０）となり、反射率係数｜ｒ｜と反射率Ｒは、式（８）と式（９）となる。
【００３０】
【数６】

【００３１】
図２６のバンドパススペクトルの形状を参照すると、−２５ｄＢのクロストーク幅Ｗ_（Ｃ）はシングルキャビティよりは狭くなったが、０．３ｎｍ以上であり矩形のプロファイルではなく、要求仕様を満たさないのがわかる。
【００３２】
そこで、さらにキャビティ数を増やし、バンドパススペクトルの形状を矩形のプロファイルに近づける試みがされている。例として、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を用い、キャビティ数を３とした３キャビティ（トリプルキャビティ）の場合について説明する。全体で１４３層の多層膜からなる３キャビティの光学多層膜フィルタを作製した。バンドパスフィルタとしての設計波長はλ_０＝１５５０ｎｍとした。
【００３３】
特性マトリックス（Ｍ）は、式（１０）となり反射率係数｜ｒ｜は式（８）となる。
【００３４】
図２７に３キャビティのバンドパススペクトル形状を示す。フィルタ透過幅Ｗ_（Ｆ）は０．１ｎｍ以下を達成しており、−２５ｄＢのクロストーク幅Ｗ_（Ｃ）も０．１５ｎｍ程度となり、ほぼ矩形プロファイルが得られ、挿入損失もほぼ０ｄＢとＤＷＤＭ用の要求仕様を満たしていることがわかる。しかしながら、０．５ｄＢ以上のリップルが現れており、要求仕様を満たさない。
【００３５】
このリップルが現れる現象は、４以上のキャビティでも見られる。図２８に、第１の光学媒質層２として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、第２の光学媒質層３として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を用い、キャビティ数を４とした４キャビティの場合とキャビティ数を５とした５キャビティのスペクトル形状を示す。設計波長はλ_０＝１５５０ｎｍとした。
【００３６】
特性マトリックス（Ｍ）は、式（７）と同様となり反射率係数｜ｒ｜は式（８）となる。
【００３７】
４キャビティでは、基板１上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが繰り返し多層積層され、キャビティ層４（２Ｌ層）が４層配置され、全体で１９１層の多層膜を作製した。設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）は式（７）となり、反射率係数｜ｒ｜は式（８）となる。バンドパススペクトル形状を参照すると、フィルタ透過幅Ｗ_（Ｆ）は０．１ｎｍ以下を達成しており、−２５ｄＢのクロストーク幅Ｗ_（Ｃ）も約０．１ｎｍとほぼ矩形のプロファイルが得られ、挿入損失も０．２ｄＢとＤＷＤＭ用の要求仕様を満たしていることがわかる。しかしながら、１ｄＢにもおよぶリップルが現れており、要求仕様を満たさなくなってしまう。
【００３８】
５キャビティでは、基板１上に第２の光学媒質層３と第１の光学媒質層２とが繰り返し多層積層され、キャビティ層４（２Ｌ層）が５層配置され、全体で２３９層の多層膜を作製した。設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）は式（７）となり、反射率係数｜ｒ｜は式（８）となる。バンドパススペクトル形状を参照すると、フィルタ透過幅Ｗ_（Ｆ）は０．１ｎｍ以下を達成しており、−２５ｄＢのクロストーク幅Ｗ_（Ｃ）も約０．１ｎｍとほぼ矩形のプロファイルが得られ、挿入損失もほぼ０ｄＢとＤＷＤＭ用の要求仕様を満たしていることがわかる。しかしながら、２．５ｄＢにもおよぶリップルが現れており、要求仕様を満たさない。
【００３９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、２キャビティ、３キャビティ、４キャビティ、５キャビティで見られたようなリップルが発生する現象は、６以上のキャビティでさらに顕著になる。キャビティ数が増加するにしたがって、クロストーク幅Ｗ_（Ｃ）は小さくなるが、フィルタ透過幅Ｗ_（Ｆ）やリップル強度は大きくなってしまう。フィルタ透過幅Ｗ_（Ｆ）は、層の総数により調整できるが、リップル強度は調整できない。
【００４０】
また、例に示した二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）と五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）以外、例えば五酸化タンタルと水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）とにより多層膜を形成した場合においても、また、その他の組み合わせにより多層膜を形成した場合においても、この現象は見られる。
【００４１】
そのため、０．１ｎｍ程度と狭いフィルタ透過幅Ｗ_（Ｆ）を実現しながら、狭いクロストーク幅Ｗ_（Ｃ）と矩形に近いバンドパス特性を得るとともに、挿入損失とリップルを抑えたバンドパスプロファイルを示すフィルタ構造の実現が不可欠となっている。
【００４２】
そこで、本発明は、前述した従来技術の問題点や課題を解決するためになされたものであり、その目的は、光通信に適応できるバンドパス特性を得ることができる光学多層膜フィルタを提供することである。
【００４３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を実現するため、本発明の光学多層膜フィルタは、第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層と第１の光学媒質より高い屈折率を有する第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層とを交互に積層した複数の積層体を、第１の光学媒質または第２の光学媒質からなるキャビティ層を介して接続したキャビティ構造を有し、バンドパスフィルタとしての設計波長λにおける特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が１であるキャビティ構造体と、このキャビティ構造体上に積層され、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層のうち少なくとも１層からなる付加層とを有し、第１の光学媒質の屈折率をｎ_Ｌ、第２の光学媒質の屈折率をｎ_Ｈとした場合に、キャビティ構造体と付加層とからなる光学多層膜フィルタの特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が０、第１行第２列がｉ・（１／ｎ_Ｌ）、第２行第１列がｉ・（ｎ_Ｌ）、第２行第２列が０、または、第１行第１列が０、第１行第２列がｉ・（−１／ｎ_Ｌ）、第２行第１列がｉ・（−ｎ_Ｌ）、第２行第２列が０であることを特徴とする。
【００４４】
さらに、キャビティ構造体は、キャビティ層を４層以上有し、積層された両端の層を構成する光学媒質が異なる場合に、付加層は、第１の光学媒質からなり、両端の層のうち第１の光学媒質により形成された側に積層されることを特徴とする。
本発明によれば、特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が１であるキャビティ構造、例えば、キャビティ数が４、５、８、９、およびそれ以上であるキャビティ構造を有する光学多層膜フィルタのフィルタ特性の形状を調節し、また、リップルを少なくし、また、設計波長における透過率を向上させることができる。
ここで、個々の積層体は、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層とを交互に積層した構造であればよく、個々の積層体を構成する第１の光学媒質層および第２の光学媒質層の層数は異なっていてもよい。
【００４５】
また、第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層と第１の光学媒質より高い屈折率を有する第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層とを交互に積層した複数の積層体を、第１の光学媒質または第２の光学媒質からなるキャビティ層を介して接続したキャビティ構造を有し、バンドパスフィルタとしての設計波長λにおける特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が１であるキャビティ構造体と、このキャビティ構造体上に積層され、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層のうち少なくとも１層からなる付加層とを有し、第１の光学媒質の屈折率をｎ_Ｌ、第２の光学媒質の屈折率をｎ_Ｈとした場合に、キャビティ構造体と付加層とからなる光学多層膜フィルタの特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が（ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（ｎ_Ｌ／ｎ_Ｈ）、または、第１行第１列が（−ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（−ｎ_Ｌ／ｎ_Ｈ）であることを特徴とする。
【００４６】
さらに、キャビティ構造体は、キャビティ層を４層以上有し、積層された両端の層を構成する光学媒質が異なる場合に、付加層は第２の光学媒質層と第１の光学媒質層とを順次積層した多層膜からなり、両端の層のうち第１の光学媒質が形成された側に積層されることを特徴とする。
本発明によれば、特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が１であるキャビティ構造、例えば、キャビティ数が４、５、８、９、およびそれ以上であるキャビティ構造を有する光学多層膜フィルタのフィルタ特性の形状を調節し、また、リップルを少なくし、また、設計波長における透過率を向上させることができる。
ここで、個々の積層体は、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層とを交互に積層した構造であればよく、個々の積層体を構成する第１の光学媒質層および第２の光学媒質層の層数は異なっていてもよい。
【００４７】
また、第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層と第１の光学媒質より高い屈折率を有する第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層とを交互に積層した複数の積層体を、第１の光学媒質または第２の光学媒質からなるキャビティ層を介して接続したキャビティ構造を有し、バンドパスフィルタとしての設計波長λにおける特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が−１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が−１であるキャビティ構造体と、このキャビティ構造体上に積層され、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層のうち少なくとも１層からなる付加層とを有し、第１の光学媒質の屈折率をｎ_Ｌ、第２の光学媒質の屈折率をｎ_Ｈとした場合に、キャビティ構造体と付加層とからなる光学多層膜フィルタの特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が０、第１行第２列がｉ・（１／ｎ_Ｌ）、第２行第１列がｉ・（ｎ_Ｌ）、第２行第２列が０、または、第１行第１列が０、第１行第２列がｉ・（−１／ｎ_Ｌ）、第２行第１列がｉ・（−ｎ_Ｌ）、第２行第２列が０であることを特徴とする。
【００４８】
さらに、キャビティ構造体は、キャビティ層を３層以上有し、積層された両端の層が第２の光学媒質により形成されている場合に、付加層は、第１の光学媒質層、第２の光学媒質層と第１の光学媒質層とを順次積層した多層膜、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層と第２の光学媒質層とを順次積層した多層膜、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層と第１の光学媒質層と第１の光学媒質層とを順次積層した多層膜のうちいずれか一つからなることを特徴とする。
【００４９】
本発明によれば、特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が−１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が−１であるキャビティ構造、例えば、キャビティ数が３、６、７、およびそれ以上であるキャビティ構造を有する光学多層膜フィルタのフィルタ特性の形状を調節し、また、リップルを少なくし、また、設計波長における透過率を向上させることができる。
ここで、個々の積層体は、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層とを交互に積層した構造であればよく、個々の積層体を構成する第１の光学媒質層および第２の光学媒質層の層数は異なっていてもよい。
【００５０】
また、第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層と第１の光学媒質より高い屈折率を有する第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層とを交互に積層した複数の積層体を、第１の光学媒質または第２の光学媒質からなるキャビティ層を介して接続したキャビティ構造を有し、バンドパスフィルタとしての設計波長λにおける特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が−１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が−１であるキャビティ構造体と、このキャビティ構造体上に積層され、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層のうち少なくとも１層からなる付加層とを有し、第１の光学媒質の屈折率をｎ_Ｌ、第２の光学媒質の屈折率をｎ_Ｈとした場合に、キャビティ構造体と付加層とからなる光学多層膜フィルタの特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が（ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（ｎ_Ｌ／ｎ_Ｈ）、または、第１行第１列が（−ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（−ｎ_Ｌ／ｎ_Ｈ）であることを特徴とする。
【００５１】
さらに、キャビティ構造体は、キャビティ層を３層以上有し、積層された両端の層が第２の光学媒質により形成されている場合に、付加層は、第２の光学媒質層と第１の光学媒質層とを順次積層した多層膜からなることを特徴とする。
本発明によれば、特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が−１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が−１であるキャビティ構造、例えば、キャビティ数が３、６、７、およびそれ以上であるキャビティ構造を有する光学多層膜フィルタのフィルタ特性の形状を調節し、また、リップルを少なくし、また、設計波長における透過率を向上させることができる。
ここで、個々の積層体は、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層とを交互に積層した構造であればよく、個々の積層体を構成する第１の光学媒質層および第２の光学媒質層の層数は異なっていてもよい。
【００５２】
さらに、第１の光学媒質層と、第２の光学媒質層とを、これらの光学膜厚がそれぞれ、設計波長λに対して、λ／４の整数倍になるような膜厚で形成し、キャビティ層を、このキャビティ層の光学膜厚が、設計波長λに対して、λ／２の整数倍になるような膜厚で形成したことを特徴とする。
【００５３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００５４】
まず、挿入損失について実施の形態における基本的な考え方を説明する。
ファブリペロー型のマルチキャビティ構造は、第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）とを繰り返してある層数で形成した多層膜（積層体）によりキャビティ層４（２Ｌ層）を挟んだ１キャビティ構造を基本として、この１キャビティ構造をつないだ構造である。以下、１キャビティ構造とマルチキャビティ構造とを含めてキャビティ構造と呼ぶ。１キャビティ５は、それぞれキャビティ層（２Ｌ層）に対して必ず対称になっている。このキャビティ構造では、キャビティ数を問わず、設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）となる。１キャビティ（シングルキャビティ）、４キャビティ、５キャビティ、８キャビティ、９キャビティ、１０キャビティの特性マトリックスは式（７）で表され、２キャビティ、３キャビティ、６キャビティ、７キャビティの特性マトリックスは式（１０）で表される。つまり、特性マトリックスの第１行第１列の行列成分が１または−１であり、特性マトリックスの第１行第２列の行列成分が０であり、特性マトリックスの第２行第１列の行列成分が０であり、特性マトリックスの第２行第２列の行列成分が１または−１である。
【００５５】
このような特性マトリックス（Ｍ）から求められる反射率Ｒは式（９）となり、透過率Ｔは式（５）となる。この場合、透過率Ｔは、基板の屈折率ｎ_ｓの関数となる。
図１は、特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）で表されるキャビティ構造における場合の透過率Ｔと基板の屈折率ｎ_ｓの関係を示したものである。
【００５６】
図１より基板の屈折率ｎ_ｓが大きくなると透過率Ｔが次第に減少する。このため、入力損失の増大を防止するためには、基板の屈折率ｎ_ｓを小さくする必要があることがわかる。
【００５７】
しかし、光学基板は、基板の屈折率ｎ_ｓが１．４７の石英基板や、基板の屈折率ｎ_ｓが１．４８から１．５０程度のガラス基板が一般的である。空気の屈折率ｎ_０と比較した場合、ｎ_０＜ｎ_ｓの関係が成り立つ。石英基板を用いた場合は、Ｔ＝０．９６３８が理論上の最高値となる。
また、第１の光学媒質層の屈折率をｎ_Ｌ、第２の光学媒質層の屈折率をｎ_Ｈとした場合、ｎ_ｓ＜ｎ_Ｌ　では基板上には第２の光学媒質層が形成され、ｎ_ｓ＞ｎ_Ｈでは基板上には第１の光学媒質層が形成される。
【００５８】
さらに、マルチキャビティ構造になると、リップルが大きくなるため、バンドパスフィルタのフィルタ特性の形状も考慮する必要がある。
【００５９】
そこで、本発明者らは、設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）の従来のキャビティ構造において空気側の表面層（基板の反対側の表面層）に第１の光学媒質層（Ｌ層）を配置することによって、入力損失の増大を防止することができることを見いだした。
【００６０】
この場合の特性マトリックス（Ｍ）は、式（１１）または式（１２）となり、反射率係数｜ｒ｜は、式（１３）となる。但し、ｎ_Ｌは、第１の光学媒質層の屈折率である。
【００６１】
【数７】

【００６２】
式（１３）から、従来のマルチキャビティ構造の空気側の表面層上に、さらに光学媒質層を１層付加したフィルタ構造の反射率係数｜ｒ｜は、付加した光学媒質層の屈折率（ここではｎ_Ｌ）と基板の屈折率ｎ_ｓとにより表されることがわかる。したがって、付加する光学媒質層の屈折率を改めてｎ_ｘとして考えると、このフィルタ構造での透過率Ｔと付加した光学媒質層の屈折率ｎ_ｘとの関係は図２に示す通りとなる。但し、基板の屈折率ｎ_ｓは石英基板の１．４７とし、透過率Ｔは式（５）より計算した。ｎ_ｘはキャビティ構造において基板の反対側の表面層、言い換えれば空気側の表面層に配置される光学媒質層の屈折率である。図２より、光学媒質層の屈折率ｎ_ｘが１．２程度で０ｄＢとなるが、光学媒質層の屈折率ｎ_ｘが１．２から離れるほど小さくなることがわかる。
【００６３】
第１の光学媒質層（Ｌ層）として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、第２の光学媒質層（Ｈ層）として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を用いて、従来のキャビティ構造を作製し、空気側の表面層にさらに第１の光学媒質層（Ｌ層）を配置しても、図２より入力損失は０．２ｄＢとなり、設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）の従来のキャビティ構造と変わらない値が得られる。
【００６４】
一方、第２の光学媒質層（Ｈ層）を、設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）で表される従来のキャビティ構造の空気側の表面層にさらに付加配置した場合、例えばｎ_Ｌ＜ｎ_Ｈとなるｎ_Ｈが２．１４の五酸化タンタル層を配置した場合には、図２から、入力損失は１．３ｄＢと大きくなってしまうことがわかる。但し、ｎ_Ｈは第２の光学媒質層３（Ｈ層）の屈折率を示している。
【００６５】
さらに、本発明者らは、設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）により表される従来のキャビティ構造の空気側の表面層にさらに第２の光学媒質層（Ｈ層）、続いて第１の光学媒質層（Ｌ層）を配置することによって、入力損失の増大を防止することができることを見いだした。
【００６６】
この場合の特性マトリックス（Ｍ）は式（１４）または式（１５）により表され、反射率係数｜ｒ｜は式（１６）により表される。但し、ｎ_Ｌは第１の光学媒質層の屈折率を、ｎ_Ｈは第２の光学媒質層の屈折率を示している。
【００６７】
【数８】

【００６８】
第１の光学媒質層の屈折率ｎ_Ｌと第２の光学媒質層の屈折率ｎ_Ｈの比ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌは、ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ＝ｎ_ｘとすると、図２のｎ_ｘと置きかえて考えることができ、上記と同じように議論できる。図２より、比ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌが１．２程度で透過率Ｔは０ｄＢとなるが、その値から比ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ＝ｎ_ｘが大きくなっても小さくなっても、入力損失が大きくなることがわかる。比ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌが、１以下の場合には、透過率Ｔが０ｄＢとなる場合がない。つまり、透過率Ｔを大きくするためにはｎ_Ｈ＞ｎ_Ｌが必要条件となる。
【００６９】
多層膜を第１の光学媒質層（Ｌ層）として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、第２の光学媒質層（Ｈ層）として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を用いて、従来のマルチキャビティ構造を作成し、この従来のマルチキャビティ構造の空気側の表面上に、屈折率が２．１４の五酸化タンタルからなる第２の光学媒質層（Ｈ層）、続いて屈折率が１．４８の二酸化シリコンからなる第１の光学媒質層（Ｌ層）を順次配置した場合、特性マトリックスは式（１４）または式（１５）により表され、比ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌは１．４５であるので、入力損失は０．２ｄＢとなる。設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）により表される従来のキャビティ構造と変わらない値が得られることとなる。
【００７０】
逆に、設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）の従来のキャビティ構造の空気側の表面層上に第１の光学媒質層（Ｌ層）続いて第２の光学媒質層（Ｈ層）を順次配置した場合には、付加する光学媒質層の順序が上記の場合と逆であるため、この構造の場合の反射率係数｜ｒ｜は、式（１６）でのｎ_Ｈ／ｎ_Ｌをその逆数であるｎ_Ｌ／ｎ_Ｈに置き換えた形で表されることとなる。したがって、ｎ_Ｌ＜ｎ_Ｈからｎ_Ｌ／ｎ_Ｈが１以下になり、透過率Ｔの最大の値が低下することになるため、理想的な透過率１００％と透過率Ｔの最大の値の強度差により示される入力損失が大きくなる。
例えば、第１の光学媒質層（Ｌ層）として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、第２の光学媒質層（Ｈ層）として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を用いて、多層膜を作成した場合、比ｎ_Ｌ／ｎ_Ｈが０．６９であるため、図２から、入力損失は１ｄＢ以上になることがわかる。
【００７１】
上記したように、設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）が式（７）または式（１０）の従来のキャビティ構造の空気側の表面層（基板の反対側の表面層）に第１の光学媒質層（Ｌ層）を配置すること、または、第２の光学媒質層（Ｈ層）を形成しさらに続いて第１の光学媒質層（Ｌ層）を配置することによって、入力損失の増大を防止することができる。これらの層を配置することによって良好なフィルタ特性を得ることができるため、光学多層膜フィルタの設計の自由度が大きく増すことが期待できる。
言い換えれば、従来のキャビティ構造を有し、バンドパスフィルタとしての設計波長λにおける特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が１であるキャビティ構造体を形成し、このキャビティ構造体の上に、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層のうち少なくとも１層からなる付加層を形成した光学多層膜フィルタの特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が０、第１行第２列がｉ・（１／ｎ_Ｌ）、第２行第１列がｉ・（ｎ_Ｌ）、第２行第２列が０、または、第１行第１列が０、第１行第２列がｉ・（−１／ｎ_Ｌ）、第２行第１列がｉ・（−ｎ_Ｌ）、第２行第２列が０、または、第１行第１列が（ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（ｎ_Ｌ／ｎ_Ｈ）、または、第１行第１列が（−ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（−ｎ_Ｌ／ｎ_Ｈ）である場合に、光学媒質層の屈折率ｎ_Ｌを１．２程度、または比ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌを１．２程度とできるため、入力損失の増大を防止することができる。
【００７２】
次に、実施の形態１に係る光学多層膜フィルタについて説明する。
実施の形態１に係る光学多層膜フィルタは、キャビティ数が３の３キャビティ構造を有する従来のキャビティ構造、言い換えれば、第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層２（Ｌ層）とを交互に積層するという規則性を保ちつつ、シングルキャビティ５を、３個積層した構造において、空気と接している最後に形成された光学媒質層（表面層と呼ぶ）が第２の光学媒質層３（Ｈ層）である場合に、その表面層の上に、第２の光学媒質層３（Ｈ層）を形成し、続いて第１の光学媒質層２（Ｌ層）を積層した構造である。キャビティ層４は第１の光学媒質により形成した。
【００７３】
具体的な構造は、図３に示すように、透明基板１上に、第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば２１層積層されており、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４３層積層されており、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４３層積層されており、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）が交互に例えば２１層積層されている。この場合、表面層は、第２の光学媒質層３（Ｈ層）である。また、この時点での特性マトリックス（Ｍ）は、３キャビティであるため、式（１０）となる。さらにその上に、表面層と同様の第２の光学媒質層３（Ｈ層）を形成し、さらにその上に第１の光学媒質層２（Ｌ層）を形成（Ｌ層／Ｈ層の積層体と呼ぶ）した構造となっている。したがって、全体で１３３層の多層膜となっている。
【００７４】
また、図３においても、屈折率を層の横幅により、模式的に表した。つまり、第１の光学媒質層２よりも第２の光学媒質層３の横幅が広いのは、第２の光学媒質層３の方の屈折率が第１の光学媒質層２より大きいことを示している。以下、同様の模式図により説明する。
【００７５】
構造の特徴としては、キャビティ層４は、第１の光学媒質層２（Ｌ層）を２層連続して形成した２Ｌ層であるが、表面層上への第２の光学媒質層３（Ｈ層）、第１の光学媒質層２（Ｌ層）の積層体の配置によって結果的に第２の光学媒質層３（Ｈ層）を２層連続して形成した２Ｈ層が形成され、２Ｌ層と２Ｈ層とが混在することである。この場合の２Ｈ層は、キャビティ層４（２Ｌ層）とは役割が全く異なる。
【００７６】
基板１としては、屈折率１．４７の透明基板、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を用いる。キャビティ層４（２Ｌ層）として１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を用いる。
【００７７】
それぞれの光学膜厚は、バンドパスフィルタとしての設計波長（以下、設計波長と呼ぶ）をλ_０＝１５５０ｎｍとした場合に、第１の光学媒質層２（Ｌ層）および第２の光学媒質層３（Ｈ層）は、これらの光学膜厚がそれぞれ、設計波長λ_０に対して、λ_０／４の整数倍になるような膜厚で形成する。また、キャビティ層４（２Ｌ層）は、このキャビティ層４（２Ｌ層）の光学膜厚が、設計波長λ_０に対して、λ_０／２の整数倍になるような膜厚で形成する。
具体的には、第１の光学媒質層２（Ｌ層）は２６１．８２ｎｍ、第２の光学媒質層３（Ｈ層）は１８１．０７ｎｍである。また、キャビティ層４（２Ｌ層）は、５２３．６４ｎｍである。
【００７８】
図３に示す３キャビティ構造の光学多層膜フィルタにおいて、設計波長λ_０に相当するβ＝π／２の場合について考察する。設計波長λ。における特性マトリックスＭは、式（１４）となり、反射率係数｜ｒ｜は式（１６）となる。
【００７９】
図４は、図３に示した光学多層膜フィルタのようにＬ層／Ｈ層の積層体を表面層上に配置した場合のフィルタ透過特性である。従来のキャビティ構造と比較するために、Ｌ層／Ｈ層の積層体を配置しない従来の３キャビティ構造のフィルタ透過特性も合わせて示す。従来の３キャビティ構造では、リップル強度が０．６ｄＢ程度もある。これに対して、Ｌ層／Ｈ層の積層体を配置したものは、設計波長λ_０＝１５５０ｎｍからずれた部分における透過率の落ち込みがなくなり、リップル強度も０．２ｄＢと大きく改善することがわかる。
また、設計波長λ_０＝１５５０ｎｍにおける透過率が向上することがわかる。
【００８０】
従来のキャビティ構造における反射率係数｜ｒ｜は、設計波長λ_０において式（８）となる。
これに対し、実施の形態１に示す構造では、式（１６）となる。石英基板、第２の光学媒質層３（Ｈ層）、第１の光学媒質層２（Ｌ層）の屈折率を代入すると、反射率係数｜ｒ｜＝０．１７４３となり、式（８）から求められる反射率係数｜ｒ｜よりも小さくなる。
また、Ｌ層／Ｈ層の積層体を配置することによって、図４に示すように、バンドパスフィルタ特性がより矩形になることがわかる。
【００８１】
実施の形態１では、全層の数が１３３層であるが、所望のフィルタ幅やクロストーク幅Ｗ_（Ｃ）を得るために、適宜第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）の層数を変化させて光学多層膜フィルタを構成した場合においても同様の効果が得られる。
【００８２】
次に、製造方法について説明する。上記の材料を積み重ねて多層膜として形成するために、様々な形成装置および形成方法が試みられている。中でもスパッタ法（スパッタリング法）は、危険度の高いガスや有毒ガスなどを使用する必要がなく、堆積する膜の表面凹凸（表面モフォロジ）が比較的良好であるなどの理由により、有望な成膜装置・方法の一つとなっている。その中でも、スパッタ法において化学量論的組成の膜を得るための優れた装置・方法として酸素ガスや窒素ガスなどの反応ガスを供給し、膜中の酸素や窒素が欠落するのを防止する反応性スパッタ装置・方法が有望である。
【００８３】
反応性スパッタ装置・方法の中でも、電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　：ＥＣＲ）と発散磁界を利用して作られたプラズマ流を基板に照射するとともに、ターゲットと接地間に高周波または直流電圧を印加し、上記ＥＣＲで発生させたプラズマ流中のイオンをターゲットに引き込み衝突させてスパッタ現象を引き起こすことにより、膜を基板に堆積させる装置・方法（以下、これをＥＣＲスパッタ法という）が良好な膜質を得られるとして最も有望である。ＥＣＲスパッタ法の特徴は、例えば、小野地、ジャパニーズジャーナルオブアプライドフィジクス、第２３巻、第８号、Ｌ５３４頁、１９８４年（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２３，ｎｏ．８，Ｌ５３４（１９８４）．）に記載されている。
【００８４】
一般的に、ＲＦマグネトロンスパッタ法においては、０．１Ｐａ程度以上のガス圧力でないと安定なプラズマは得られないのに対し、上記ＥＣＲスパッタ法では、０．０１Ｐａ程度以下の分子流領域のガス圧力で安定なＥＣＲプラズマが得られる。
また、ＥＣＲスパッタ法は、高周波または直流電圧により、ＥＣＲにより生成したイオンをターゲットに当ててスパッタリングを行うため、低い圧力でスパッタリングができる。
【００８５】
また、ＥＣＲスパッタ法では、基板にＥＣＲプラズマ流とスパッタされた粒子が照射される。ＥＣＲプラズマ流のイオンは、発散磁界により１０ｅＶから数１０ｅＶのエネルギーに制御される。また、気体が分子流として振る舞う程度の低い圧力でプラズマを生成・輸送しているために、基板に到達するイオンのイオン電流密度も大きく取れる。したがって、ＥＣＲプラズマ流のイオンは、スパッタされて基板に飛来した原料粒子にエネルギーを与えるとともに、原料粒子と酸素または窒素との結合反応を促進するため、膜質が改善される。
【００８６】
ＥＣＲスパッタ法は、特に、外部からの加熱をしない室温に近い低い基板温度で基板上に高品質の膜が形成できることが特徴である。ＥＣＲスパッタ法による高品質な薄膜堆積については、例えば、天澤他、ジャーナルオフバキュームサイエンスアンドテクノロジー、第Ｂ１７巻、第５号、２２２２頁、１９９９年（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ１７，ｎｏ．５，２２２２（１９９９）．）に記載されている。
【００８７】
また、ＥＣＲスパッタ法で堆積した膜の表面モフォロジは、原子スケールのオーダーで平坦である。したがって、ＥＣＲスパッタ法は、ナノメーターオーダーの極薄膜からなる多層膜を形成するのに有望な装置・方法である。
【００８８】
さらに、ＥＣＲスパッタ法では、反応性ガスの分圧を制御することで、堆積膜の屈折率を精度良く制御することができる。この特性を利用することにより、他のスパッタ法では困難である任意の屈折率に調整した堆積膜を形成し、多層膜として形成することができる。
本実施の形態においては、ＥＣＲスパッタ装置を用いて、光学多層膜フィルタの製造を行った。図５に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）装置の概略図を示す。
【００８９】
製造方法を具体的に説明する。まず、容器内を真空にした後、ＥＣＲプラズマ源にスパッタガスおよび反応性ガスを導入し適当なガス圧にする。次に、磁気コイル９によりＥＣＲプラズマ源内に０．０８７５Ｔの磁場を発生させた後、導波管と石英窓１１を通してＥＣＲプラズマ源に周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導入し、ＥＣＲ領域８に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマを生成する。
ＥＣＲプラズマは、発散磁場により基板１方向にプラズマ流を作る。実施の形態１に示すＥＣＲプラズマ源は、導入したマイクロ波電力を一旦分岐してプラズマ源の直前で再び結合させるもので、ターゲット７からの飛散粒子が石英導入窓に付着することを防ぐことにより、ランニングタイムを大幅に改善できるものである。ＥＣＲプラズマ源と基板１との間にリング状の円形ターゲット７を配置し、ターゲット７に高周波電圧を印加してスパッタリングを行って、基板ホルダ６に取り付けられた基板１上に薄膜を形成する。
【００９０】
また、複数のＥＣＲプラズマ源と複数のターゲットを設置し、切り替えてスパッタリングを行うことによって、基板１上に屈折率の異なる複数の堆積膜を多層膜として形成することができる。例えば、実施の形態１においては、２つのＥＣＲプラズマ源に、それぞれ、シリコンターゲットとタンタルターゲットを設置し、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を、キャビティ層４としてとして二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）または五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を堆積することによって、本発明の光学多層膜フィルタを形成することができる。
【００９１】
ＥＣＲスパッタ装置において、ターゲットにシリコンと純アルミニウムを用い、また、反応性ガスとして酸素ガスと窒素ガスを、さらに不活性ガスとしてアルゴンを用いた酸化シリコン薄膜と酸窒化シリコン薄膜とアルミナ薄膜の成膜を行った。ＥＣＲプラズマ源には、供給する反応性ガスの多少に関わらず、プラズマが安定に得られるだけのアルゴンを導入する。
【００９２】
上記のようにして、基板１上に成膜した酸化シリコン膜と酸窒化シリコンとアルミナ膜の屈折率の酸素流量依存性を図６に示す。アルゴンガス流量が２０ｓｃｃｍとし、酸素ガス流量を０から８ｓｃｃｍの間で変化させ、ＥＣＲイオン源に導入するマイクロ波電力を５００Ｗ、ターゲットに印加する高周波電力を５００Ｗとした。但し、酸窒化シリコンでは、酸素と窒素の流量の合計が１０ｓｃｃｍとなるように調整している。また、基板１は加熱していない。なお、屈折率は６３８ｎｍレーザによるエリプソメータを用いて測定した。
【００９３】
図６によれば、酸化シリコン膜と酸窒化シリコン膜およびアルミナ膜の屈折率は、酸素流量の増加にしたがって減少し、屈折率が化学量論的組成を満たす二酸化シリコンまたはサファイア基板の屈折率になることがわかる。反応性ガスによって良好な膜質を保ちながら屈折率を制御できることを示している。
具体的には、屈折率を、酸化シリコン膜では１．４７から３．８の範囲で、また、酸窒化シリコン膜では１．４７から２．０の範囲で、また、アルミナ膜では１．６１から４．３の範囲で制御できることを示している。
【００９４】
さらに、二酸化シリコン膜を含む酸化シリコン膜、アルミナ膜のみならず、ＥＣＲスパッタ法で形成できる五酸化タンタル、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、二酸化ハフニウム、二酸化ランタン、二酸化セレン、二酸化セリウム、三酸化アンチモン、三酸化インジウム、酸化マグネシウム、二酸化ソリウム等の酸化物、シリコン窒化物、窒化アルミニウム、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化ランタン等の窒化物、および、シリコン酸窒化物等の酸窒化物、フッ素化マグネシウム、フッ素化セレン、三フッ化セリウム、二フッ化カルシウム、フッ化リチウム、六フッ化三ナトリウムアルミニウム等のフッ素化物、さらには、堆積時に水素を導入したアモルファスシリコン、あるいは、二元合金の酸化物、二元合金の窒化物などでも反応性ガスの流量（分圧）による屈折率制御ができる。
【００９５】
次に、実施の形態２に係る光学多層膜フィルタについて説明する。
実施の形態２に係る光学多層膜フィルタは、キャビティ数が３の３キャビティ構造を有する従来のキャビティ構造、言い換えれば、第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層２（Ｌ層）とを交互に積層するという規則性を保ちつつ、シングルキャビティ５を、３個積層した構造において、空気と接している最後に形成された光学媒質層（表面層と呼ぶ）が第２の光学媒質層３（Ｈ層）である場合に、その表面層の上に、第１の光学媒質層２（Ｌ層）を積層した構造である。キャビティ層４は第１の光学媒質により形成した。
【００９６】
具体的な構造は、図７に示すように、透明基板１上に、第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば２１層積層されており、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４３膚積層されており、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４３層積層されており、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば２１層積層されている。この場合、表面層は、第２の光学媒質層３（Ｈ層）である。また、この時点での特性マトリックス（Ｍ）は、３キャビティであるため、式（１０）となる。さらに、この上に、第１の光学媒質層２（Ｌ層）が形成された構造である。したがって、全体で１３２層の多層膜となっている。
【００９７】
基板１としては、屈折率１．４７の透明基板、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を用いる。キャビティ層４として第１の光学媒質である屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を用いる。
【００９８】
それぞれの層の光学膜厚は、バンドパスフィルタとしての設計波長（以下、設計波長と呼ぶ）をλ_０＝１５５０ｎｍとした場合に、第１の光学媒質層２（Ｌ層）および第２の光学媒質層３（Ｈ層）は、これらの光学膜厚がそれぞれ、設計波長λ_０に対して、λ_０／４の整数倍になるような膜厚で形成する。また、キャビティ層４（２Ｌ層）は、このキャビティ層４（２Ｌ層）の光学膜厚が、設計波長λ_０に対して、λ_０／２の整数倍になるような膜厚で形成する。
具体的には、第１の光学媒質層２（Ｌ層）は２６１．８２ｎｍ，第２の光学媒質層３（Ｈ層）は１８１．０７ｎｍである。また、キャビティ層４（２Ｌ層）は５２３．６４ｎｍである。
【００９９】
図７に示す３キャビティ構造において、設計波長λ_０に相当するβ＝π／２の場合について考察する。設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）は、式（１１）となり、反射率係数｜ｒ｜は式（１３）となる。
【０１００】
図８は、図７に示した光学多層膜フィルタのように第１の光学媒質層２（Ｌ層）を表面層上に配置した場合のフィルタ透過特性である。従来のマルチキャビティ構造と比較するために、第１の光学媒質層２（Ｌ層）を配置しない従来の３キャビティ構造のフィルタ透過特性も合わせて示す。従来の３キャビティ構造では、リップル強度が０．６ｄＢ程度もある。これに対して、第１の光学媒質層２（Ｌ層）を配置したものは、設計波長λ_０＝１５５０ｎｍからずれた部分における透過率の落ち込みがなくなり、リップル強度も０．２ｄＢと大きく改善するのがわかる。
【０１０１】
従来のキャビティ構造における反射率係数｜ｒ｜は、設計波長λ_０において式（８）となる。
これに対し、実施の形態２に示す構造では、式（１３）となる。石英基板、第２の光学媒質層３（Ｈ層）、第１の光学媒質層２（Ｌ層）の屈折率を代入すると、反射率係数｜ｒ｜＝０．１９６９と、式（８）から求められる反射率係数｜ｒ｜とほぼ同じ値になる。
また、第１の光学媒質層２（Ｌ層）を配置することにより、図８で示すように、バンドパスフィルタ特性がより矩形になることがわかる。
【０１０２】
実施の形態２においては、全層の数が１３２層であるが、所望のフィルタ幅やクロストーク幅Ｗ_（Ｃ）を得るために、適宜第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）の層数を変化させて光学多層膜フィルタを構成した場合においても同様の効果が現れる。
【０１０３】
さらに、図９に示すように、図７に示した光学多層膜フィルタの基板１と反対側の面を構成する第１の光学媒質層２上に、第２の光学媒質層３（Ｈ層）を２層配置しても同様の結果が得られる。これは、第２の光学媒質層３（Ｈ層）を２層形成した場合の設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）は式（１０）で与えられるため、結果的に多層膜フィルタの設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）が式（１２）となるためである。
【０１０４】
さらに、図１０に示すように、図７に示した光学多層膜フィルタの基板１と反対側の面を構成する第１の光学媒質層２上に、第２の光学媒質層３（Ｈ層）を形成し、第１の光学媒質層２（Ｌ層）を２層形成し、第２の光学媒質層３（Ｈ層）を形成した積層体からなる光学媒質層（Ｈ層／２Ｌ層／Ｈ層の積層体と呼ぶ）を配置しても同様の効果が得られる。これは、Ｈ層／２Ｌ層／Ｈ層の積層体の設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）は式（７）で与えられるため、結果的に多層膜フィルタの設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）が式（１１）となるためである。
図９、図１０に示した光学多層膜フィルタおいても、所望のフィルタ幅やクロストーク幅Ｗ_（Ｃ）を得るために、適宜第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）の層数を変化させて光学多層膜フィルタを構成した場合においても同様の効果が現れる。
【０１０５】
また、製造方法は、実施の形態１と同様に、ＥＣＲスパッタ装置を用いて、３つのＥＣＲプラズマ源に、それぞれ、シリコンターゲットとタンタルターゲットを設置して、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として二酸化シリコンを、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として五酸化タンタル堆積することによって、形成することができる。
また、実施の形態２においても、図６に示したように、酸素流量を変化させることにより、屈折率を変化させることができるため、フィルタ特性を調整することができる。ＥＣＲスパッタ装置において、ターゲットの材質と反応性ガスの流量（分量）の選択で、屈折率を制御することにより、最適な屈折率を選択することによって、最適なフィルタ特性を得ることができる。
【０１０６】
次に、実施の形態３に係る光学多層膜フィルタについて説明する。
実施の形態１と２において、キャビティ層４が第１の光学媒質により形成された場合を示してきたが、キャビティ層４が第２の光学媒質により形成された場合にも同様の効果が得られる。例として、キャビティ数が３の３キャビティ構造で説明する。
【０１０７】
具体的な構造は、図１１に示すように、透明基板１上に、第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば２０層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｈ層）が形成されている。その上に第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）とが交互に例えば４３層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｈ層）が形成されている。その上に第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）とが交互に例えば４３層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｈ層）が形成されている。その上に第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）とが交互に例えば２０層積層されている。この時、表面層は、第２の光学媒質層３（Ｈ層）である。また、この時点での特性マトリックス（Ｍ）は、式（７）となる。さらにその上に、表面層と同じ第２の光学媒質層３（Ｈ層）を形成し、さらにその上に第１の光学媒質層２（Ｌ層）を形成した構造（Ｌ層／Ｈ層の積層体と呼ぶ）となっている。したがって、全体で１３１層の多層膜となっている。
【０１０８】
基板１としては、屈折率１．４７の透明基板、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を用いる。キャビティ層４（２Ｈ層）として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を用いる。
【０１０９】
それぞれの光学膜厚は、バンドパスフィルタとしての設計波長（以下、設計波長と呼ぶ）をλ_０＝１５５０ｎｍとした場合に、第１の光学媒質層２（Ｌ層）および第２の光学媒質層３（Ｈ層）は、これらの光学膜厚がそれぞれ、設計波長λ_０に対して、λ_０／４の整数倍になるような膜厚で形成する。また、キャビティ層４（２Ｈ層）は、このキャビティ層４（２Ｈ層）の光学膜厚が、設計波長λ_０に対して、λ_０／２の整数倍になるような膜厚で形成する。
具体的には、第１の光学媒質層２（Ｌ層）は２６１．８２ｎｍ，第２の光学媒質層３（Ｈ層）は１８１．０７ｎｍである。また、キャビティ層４（２Ｈ層）は、３６２．１４ｎｍである。
【０１１０】
図１２は、図１１に示した光学多層膜フィルタのようにＬ層／Ｈ層の積層体を表面層上に配置した場合のフィルタ透過特性である。従来のキャビティ構造と比較するために、Ｌ層／Ｈ層の積層体を配置しない従来の３キャビティ構造のフィルタ透過特性を合わせて示す。従来の３キャビティ構造では、リップル強度が０．６ｄＢもある。これに対して、Ｌ層／Ｈ層の積層体を配置したものは、設計波長λ_０＝１５５０ｎｍからずれた部分における透過率の落ち込みがなくなり、挿入損失が０．２ｄＢと大きく改善することがわかる。
また、設計波長λ_０＝１５５０ｎｍにおける透過率が向上することがわかる。
【０１１１】
従来のキャビティ構造における反射率係数｜ｒ｜は、設計波長λ_０において式（８）となる。
これに対し、実施の形態３に示す構造では、式（１３）のようになる。石英基板１、第２の光学媒質層３（Ｈ層）、第１の光学媒質層２（Ｌ層）の屈折率を代入すると、式（８）から求められる反射率係数｜ｒ｜よりも小さな値になる。
また、Ｌ層／Ｈ層の積層体を配置することによって、図１２に示すように、バンドパスフィルタ特性がより矩形になることがわかる。
【０１１２】
実施の形態３では、全層の数が１３１層であるが、所望のフィルタ幅やクロストーク幅Ｗ_（Ｃ）を得るために、適宜第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）の層数を変化させて光学多層膜フィルタを構成した場合においても同様の効果が得られる。
【０１１３】
また、キャビティ層４が第２の光学媒質により形成された場合の他の例を説明する。
具体的な構造は、図１３に示すように、透明基板１上に、第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば２０層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｈ層）が形成され、その上に第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）とが交互に例えば４３層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｈ層）が形成され、その上に第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）とが交互に例えば４３層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｈ層）が形成され、その上に第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）が交互に例えば２０層積層された従来のキャビティ構造の表面層の上に、第１の光学媒質層２（Ｌ層）を形成した構造である。この場合の設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）は式（１２）となるため、挿入損失の増大を防ぎながらバンドパスフィルタ特性を向上させることができる。
この場合においても、所望のフィルタ幅やクロストーク幅Ｗ_（Ｃ）を得るために、適宜第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）の層数を変化させて光学多層膜フィルタを構成した場合においても同様の効果が得られる。
【０１１４】
また、製造方法は、実施の形態１と同様に、ＥＣＲスパッタ装置を用いて、３つのＥＣＲプラズマ源に、それぞれ、シリコンターゲットとタンタルターゲットを設置して、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として二酸化シリコンを、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として五酸化タンタル堆積することによって、形成することができる。
また、実施の形態３においても、図６に示したように、酸素流量を変化させることにより、屈折率を変化させることができるため、フィルタ特性を調整することができる。ＥＣＲスパッタ装置において、ターゲットの材質と反応性ガスの流量（分量）の選択で、屈折率を制御することにより、最適な屈折率を選択することによって、最適なフィルタ特性を得ることができる。
【０１１５】
次に、実施の形態４に係る光学多層膜フィルタについて説明する。
上記の実施の形態において、従来の３キャビティ構造と比較して説明したが、３キャビティ以上のマルチキャビティ構造にも有効である。例として、キャビティ数が４の４キャビティ構造で説明する。キャビティ層４は、第１の光学媒質により形成した。
【０１１６】
具体的な構造は、図１４に示すように、透明基板１上に、第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば２１層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４３層積層されており、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４５層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４３層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。さらにその上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば２０層積層されている。この時、表面層は、第１の光学媒質層２（Ｌ層）である。この時点での特性マトリックス（Ｍ）は、式（７）となる。さらに表面層上に、第２の光学媒質層３（Ｈ層）を形成し、続いて、第１の光学媒質層２（Ｌ層）を形成（Ｌ層／Ｈ層の積層体と呼ぶ）した構造となっている。したがって、全体で１７８層の多層膜となっている。
【０１１７】
基板１としては、屈折率１．４７の透明基板、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を用いる。キャビティ層４（２Ｌ層）として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を用いる。
それぞれの光学膜厚は、バンドパスフィルタとしての設計波長（以下、設計波長と呼ぶ）をλ_０＝１５５０ｎｍとした場合に、第１の光学媒質層２（Ｌ層）および第２の光学媒質層３（Ｈ層）は、これらの光学膜厚がそれぞれ、設計波長λ_０に対して、λ_０／４の整数倍になるような膜厚で形成する。また、キャビティ層４（２Ｌ層）は、このキャビティ層４（２Ｌ層）の光学膜厚が、設計波長λ_０に対して、λ_０／２の整数倍になるような膜厚で形成する。
具体的には、第１の光学媒質層２（Ｌ層）は２６１．８２ｎｍ，第２の光学媒質層３（Ｈ層）は１８１．０７ｎｍである。また、キャビティ層４（２Ｌ層）は５２３．６４ｎｍである。
【０１１８】
図１５は、図１４に示した光学多層膜フィルタのようにＬ層／Ｈ層の積層体を表面層上に配置した場合のフィルタ透過特性である。従来のキャビティ構造と比較するために、Ｌ層／Ｈ層の積層体を配置しない従来の４キャビティ構造のフィルタ透過特性も合わせて示す。従来の４キャビティ構造では、挿入損失とリップル強度が１．５ｄＢもある。これに対して、Ｌ層／Ｈ層の積層体を配置したものは、設計波長λ_０＝１５５０ｎｍからずれた部分における透過率の落ち込みがなくなり、挿入損失が０．２ｄＢ、リップル強度が約０ｄＢと大きく改善することがわかる。
また、設計波長λ_０＝１５５０ｎｍにおける透過率が向上することがわかる。
【０１１９】
従来のキャビティ構造における反射率係数｜ｒ｜は、設計波長λ_０において、式（８）となる。
これに対し、実施の形態４に示す構造では、式（１６）となる。石英基板、第２の光学媒質層３（Ｈ層）、第１の光学媒質層２（Ｌ層）の屈折率を代入すると、式（８）から求められる反射率係数｜ｒ｜よりも小さな値になる。
また、Ｌ層／Ｈ層の積層体を配置することによって、図１５に示すように、バンドパスフィルタ特性がより矩形になることがわかる。
【０１２０】
実施の形態４では、全層の数が１７８層であるが、所望のフィルタ幅やクロストーク幅Ｗ_（Ｃ）を得るために、適宜第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）の層数を変化させて光学多層膜フィルタを構成した場合においても同様の効果が得られる。
【０１２１】
さらに、図１６に示すように、従来のキャビティ構造に、第１の光学媒質層２（Ｌ層）を配置した構造においても有効である。設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）は式（１２）となり、挿入損失の増大を防止しながらバンドパスフィルタ特性を向上させることができる。
【０１２２】
さらに、実施の形態４においては、キャビティ層４が第１の光学媒質により形成した場合について説明したが、キャビティ層４を第２の光学媒質により構成した場合にも有効である。
この場合、第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）とを交互に積層するという規則性を保つために、適宜第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）の層数を変化させる必要がある。
【０１２３】
また、製造方法は、実施の形態１と同様に、ＥＣＲスパッタ装置を用いて、２つのＥＣＲプラズマ源に、それぞれ、シリコンターゲットとタンタルターゲットを設置して、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として二酸化シリコンを、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として五酸化タンタルを堆積することによって、形成することができる。
また、実施の形態４においても、図６に示したように、酸素流量を変化させることにより、屈折率を変化させることができるため、フィルタ特性を調整することができる。ＥＣＲスパッタ装置において、ターゲットの材質と反応性ガスの流量（分量）の選択で、屈折率を制御することにより、最適な屈折率を選択することによって、最適なフィルタ特性を得ることができる。
【０１２４】
次に、実施の形態５に係る光学多層膜フィルタについて説明する。
これまでの実施の形態において、従来の３キャビティ構造と４キャビティ構造について比較して説明したが、それ以上のマルチキャビティ構造にも、有効である。キャビティ数が５の５キャビティ構造を例として説明する。キャビティ層４は第１の光学媒質により形成した。
【０１２５】
具体的な構造は、図１７に示すように、透明基板１上に、第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば２１層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４３層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４５層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４５層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。その上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば４３層積層され、その上にキャビティ層４（２Ｌ層）が形成されている。さらにその上に第２の光学媒質層３（Ｈ層）と第１の光学媒質層２（Ｌ層）とが交互に例えば２１層積層されている。この時、表面層は、第２の光学媒質層３（Ｈ層）である。この時点での設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）は、式（７）となる。さらにその表面層上に、第２の光学媒質層３（Ｈ層）を形成し、さらにその上に第１の光学媒質層２（Ｌ層）を形成（Ｌ層／Ｈ層の積層体）した構造となっている。したがって、全体で２２５層の多層膜となっている。
【０１２６】
基板１としては、屈折率１．４７の透明基板、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として屈折率が２．１４の五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を用いる。キャビティ層４（２Ｌ層）として屈折率が１．４８の二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を用いる。
【０１２７】
それぞれの光学膜厚は、バンドパスフィルタとしての設計波長（以下、設計波長と呼ぶ）をλ_０＝１５５０ｎｍとした場合に、第１の光学媒質層２（Ｈ層）および第２の光学媒質層３（Ｌ層）は、これらの光学膜厚がそれぞれ、設計波長λ_０に対して、λ_０／４の整数倍になるような膜厚で形成する。また、キャビティ層４（２Ｌ層）は、このキャビティ層４（２Ｌ層）の光学膜厚が、設計波長λ_０に対して、λ_０／２の整数倍になるような膜厚で形成する。
具体的には、第１の光学媒質層２（Ｌ層）は２６１．８２ｎｍ，第２の光学媒質層３（Ｈ層）は１８１．０７ｎｍである。また、キャビティ層４は、５２３．６４ｎｍである。
【０１２８】
図１８は、図１７に示した光学多層膜フィルタのようにＬ層／Ｈ層の積層体を表面層上に配置した場合のフィルタ透過特性である。従来のキャビティ構造と比較するために、Ｌ層／Ｈ層の積層体を配置しない従来の５キャビティ構造のフィルタ透過特性も合わせて示す。従来の５キャビティ構造では、リップル強度が１ｄＢもある、これに対して、Ｌ層／Ｈ層の積層体を配置したものは、設計波長λ_０＝１５５０ｎｍからずれた部分における透過率の落ち込みがなくなり、挿入損失とリップル強度が０．２ｄＢと大きく改善することがわかる。
また、設計波長λ_０＝１５５０ｎｍにおける透過率が向上することがわかる。
【０１２９】
従来のキャビティ構造における反射率係数｜ｒ｜は、設計波長λ_０において式（８）の様になる。それに対し、実施の形態５に示す構造では、式（１６）の様になる。石英基板、第２の光学媒質層３（Ｈ層）、第１の光学媒質層２（Ｌ層）の屈折率を代入すると、式（８）から求められる反射率係数｜ｒ｜よりも小さな値になる。
また、Ｌ層／Ｈ層の積層体を配置することによって、図１８で示すように、バンドパスフィルタ特性がより矩形になることがわかる。
【０１３０】
実施の形態５では、全層の数が２２５層であるが、所望のフィルタ幅やクロストーク幅Ｗ_（Ｃ）を得るために、適宜第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）の層数を変化させて光学多層膜フィルタを構成した場合においても同様の効果が得られる。
【０１３１】
さらに、図１９に示すように、従来の５キャビティ構造において、基板１と反対側の面を構成する第１の光学媒質層２上に、第１の光学媒質層２（Ｌ層）を配置した構造においても有効である。設計波長λ_０における特性マトリックス（Ｍ）は式（１２）となり、挿入損失の増大を防ぎながらバンドパスフィルタ特性を向上させることができる。
【０１３２】
さらに、実施の形態５では、キャビティ層４を第１の光学媒質で構成しているが、第２の光学媒質により構成した場合にも同様の効果が得られる。
この場合、第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）とを交互に積層するという規則性を保つために、適宜第１の光学媒質層２（Ｌ層）と第２の光学媒質層３（Ｈ層）の層数を変化させる必要がある
【０１３３】
また、製造方法は、実施の形態１と同様に、ＥＣＲスパッタ装置を用いて、３つのＥＣＲプラズマ源に、それぞれ、シリコンターゲットとタンタルターゲットを設置して、第１の光学媒質層２（Ｌ層）として二酸化シリコンを、第２の光学媒質層３（Ｈ層）として五酸化タンタルを堆積することによって、形成することができる。
また、実施の形態５においても、図６に示したように、酸素流量を変化させることにより、屈折率を変化させることができるため、フィルタ特性を調整することができる。ＥＣＲスパッタ装置において、ターゲットの材質と反応性ガスの流量（分量）の選択で、屈折率を制御することにより、最適な屈折率を選択することによって、最適なフィルタ特性を得ることができる。
【０１３４】
【発明の効果】
本発明によれば、従来のキャビティ構造を有し、バンドパスフィルタとしての設計波長λにおける特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が１であるキャビティ構造体を形成し、このキャビティ構造体の上に、第１の光学媒質層と第２の光学媒質層のうち少なくとも１層からなる付加層を形成した光学多層膜フィルタの特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が０、第１行第２列がｉ・（１／ｎ_Ｌ）、第２行第１列がｉ・（ｎ_Ｌ）、第２行第２列が０、または、第１行第１列が０、第１行第２列がｉ・（−１／ｎ_Ｌ）、第２行第１列がｉ・（−ｎ_Ｌ）、第２行第２列が０、または、第１行第１列が（ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（ｎ_Ｌ／ｎ_Ｈ）、または、第１行第１列が（−ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（−ｎ_Ｌ／ｎ_Ｈ）である場合に、光学媒質層の屈折率ｎ_Ｌを１．２程度、または比ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌを１．２程度とでき、透過率を向上させることができるため、入力損失の増大を防止することができる。
【０１３５】
また、フィルタ特性の形状を調節し、また、リップルを少なくし、また、設計波長における透過率を向上させることにより、光通信に適応できるバンドパス特性を有する光学多層膜フィルタを得ることができる。さらに、従来のキャビティ構造よりも少ない層数で同様のフィルタ特性を得ることができ、経済的に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】基板の屈折率と透過率との関係を説明するための図である。
【図２】光学媒質層の屈折率と透過率との関係を説明するための図である。
【図３】実施の形態１に係る光学多層膜フィルタの構造を説明するための図である。
【図４】実施の形態１に係る光学多層膜フィルタのフィルタ特性を説明するための図である。
【図５】電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）装置を説明するための概略図である。
【図６】電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）装置を用いて作製した膜の特性を示す図である。
【図７】実施の形態２に係る光学多層膜フィルタの構造を説明するための図である。
【図８】実施の形態２に係る光学多層膜フィルタのフィルタ特性を説明するための図である。
【図９】実施の形態２に係る光学多層膜フィルタの他の構造を説明するための図である。
【図１０】実施の形態２に係る光学多層膜フィルタの他の構造を説明するための図である。
【図１１】実施の形態３に係る光学多層膜フィルタの構造を説明するための図である。
【図１２】実施の形態３に係る光学多層膜フィルタのフィルタ特性を説明するための図である。
【図１３】実施の形態３に係る光学多層膜フィルタの他の構造を説明するための図である。
【図１４】実施の形態４に係る光学多層膜フィルタの構造を説明するための図である。
【図１５】実施の形態４に係る光学多層膜フィルタのフィルタ特性を説明するための図である。
【図１６】実施の形態４に係る光学多層膜フィルタの他の構造を説明するための図である。
【図１７】実施の形態５に係る光学多層膜フィルタの構造を説明するための図である。
【図１８】実施の形態５に係る光学多層膜フィルタのフィルタ特性を説明するための図である。
【図１９】実施の形態５に係る光学多層膜フィルタの他の構造を説明するための図である。
【図２０】光学多層膜フィルタの原理を説明するための図である。
【図２１】光学多層膜フィルタを説明するための図である。
【図２２】光学多層膜フィルタの特性における性能を説明するための図である。
【図２３】光学多層膜フィルタの構造を説明するための図である。
【図２４】光学多層膜フィルタの透過特性を示す図である。
【図２５】マルチキャビティ構造の光学多層膜フィルタの構造を説明するための図である。
【図２６】従来の２キャビティの光学多層膜フィルタの透過特性を説明するための図である。
【図２７】従来の３キャビティの光学多層膜フィルタの透過特性を説明するための図である。
【図２８】従来の４キャビティと５キャビティの光学多層膜フィルタの透過特性を説明するための図である。
【符号の説明】
１…基板、２…第１の光学媒質層、３…第２の光学媒質層、４…キャビティ層、５…シングルキャビティ（１キャビティ）、６…基板ホルダ、７…ターゲット、８…ＥＣＲ領域、９…磁気コイル、１０…高周波電力、１１…石英窓、１２…光学媒質膜、１３…第１の光学媒質膜、１４…第２の光学媒質膜、１５…第ｋ−２の光学媒質膜、１６…第ｋ−１の光学媒質膜、１７…第ｋの光学媒質膜。

Claims (9)

1. 第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層と第１の光学媒質より高い屈折率を有する第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層とを交互に積層した複数の積層体を、前記第１の光学媒質または前記第２の光学媒質からなるキャビティ層を介して接続したキャビティ構造を有し、バンドパスフィルタとしての設計波長λにおける特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が１であるキャビティ構造体と、
   このキャビティ構造体上に積層され、前記第１の光学媒質層と前記第２の光学媒質層のうち少なくとも１層からなる付加層と、
   を有し、
   前記第１の光学媒質の屈折率をｎ_Ｌ、前記第２の光学媒質の屈折率をｎ_Ｈとした場合に、前記キャビティ構造体と前記付加層とからなる光学多層膜フィルタの特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が０、第１行第２列がｉ・（１／ｎ_Ｌ）、第２行第１列がｉ・（ｎ_Ｌ）、第２行第２列が０、または、第１行第１列が０、第１行第２列がｉ・（−１／ｎ_Ｌ）、第２行第１列がｉ・（−ｎ_Ｌ）、第２行第２列が０であることを特徴とする光学多層膜フィルタ。
2. 第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層と第１の光学媒質より高い屈折率を有する第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層とを交互に積層した複数の積層体を、前記第１の光学媒質または前記第２の光学媒質からなるキャビティ層を介して接続したキャビティ構造を有し、バンドパスフィルタとしての設計波長λにおける特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が１であるキャビティ構造体と、
   このキャビティ構造体上に積層され、前記第１の光学媒質層と前記第２の光学媒質層のうち少なくとも１層からなる付加層と、
   を有し、
   前記第１の光学媒質の屈折率をｎ_Ｌ、前記第２の光学媒質の屈折率をｎ_Ｈとした場合に、前記キャビティ構造体と前記付加層とからなる光学多層膜フィルタの特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が（ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（ｎ_Ｌ／ｎ_Ｈ）、または、第１行第１列が（−ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（−ｎ_Ｌ／ｎ_Ｈ）であることを特徴とする光学多層膜フィルタ。
3. 第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層と第１の光学媒質より高い屈折率を有する第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層とを交互に積層した複数の積層体を、前記第１の光学媒質または前記第２の光学媒質からなるキャビティ層を介して接続したキャビティ構造を有し、バンドパスフィルタとしての設計波長λにおける特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が−１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が−１であるキャビティ構造体と、
   このキャビティ構造体上に積層され、前記第１の光学媒質層と前記第２の光学媒質層のうち少なくとも１層からなる付加層と、
   を有し、
   前記第１の光学媒質の屈折率をｎ_Ｌ、前記第２の光学媒質の屈折率をｎ_Ｈとした場合に、前記キャビティ構造体と前記付加層とからなる光学多層膜フィルタの特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が０、第１行第２列がｉ・（１／ｎ_Ｌ）、第２行第１列がｉ・（ｎ_Ｌ）、第２行第２列が０、または、第１行第１列が０、第１行第２列がｉ・（−１／ｎ_Ｌ）、第２行第１列がｉ・（−ｎ_Ｌ）、第２行第２列が０であることを特徴とする光学多層膜フィルタ。
4. 第１の光学媒質からなる第１の光学媒質層と第１の光学媒質より高い屈折率を有する第２の光学媒質からなる第２の光学媒質層とを交互に積層した複数の積層体を、前記第１の光学媒質または前記第２の光学媒質からなるキャビティ層を介して接続したキャビティ構造を有し、バンドパスフィルタとしての設計波長λにおける特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が−１、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が−１であるキャビティ構造体と、
   このキャビティ構造体上に積層され、前記第１の光学媒質層と前記第２の光学媒質層のうち少なくとも１層からなる付加層と、
   を有し、
   前記第１の光学媒質の屈折率をｎ_Ｌ、前記第２の光学媒質の屈折率をｎ_Ｈとした場合に、前記キャビティ構造体と前記付加層とからなる光学多層膜フィルタの特性マトリックスの行列成分の第１行第１列が（ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（ｎ_Ｌ／ｎ_Ｈ）、または、第１行第１列が（−ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ）、第１行第２列が０、第２行第１列が０、第２行第２列が（−ｎ_Ｌ／ｎ_Ｈ）であることを特徴とする光学多層膜フィルタ。
5. 請求項１に記載の光学多層膜フィルタにおいて、
   前記キャビティ構造体は、前記キャビティ層を４層以上有し、
   積層された両端の層を構成する前記光学媒質が異なる場合に、前記付加層は、前記第１の光学媒質からなり、前記両端の層のうち前記第１の光学媒質により形成された側に積層されることを特徴とする光学多層膜フィルタ。
6. 請求項２に記載の光学多層膜フィルタにおいて、
   前記キャビティ構造体は、前記キャビティ層を４層以上有し、積層された両端の層を構成する前記光学媒質が異なる場合に、前記付加層は前記第２の光学媒質層と前記第１の光学媒質層とを順次積層した多層膜からなり、前記両端の層のうち前記第１の光学媒質が形成された側に積層されることを特徴とする光学多層膜フィルタ。
7. 請求項３に記載の光学多層膜フィルタにおいて、
   前記キャビティ構造体は、前記キャビティ層を３層以上有し、積層された両端の層が前記第２の光学媒質により形成されている場合に、
   前記付加層は、前記第１の光学媒質層、前記第２の光学媒質層と前記第１の光学媒質層とを順次積層した多層膜、前記第１の光学媒質層と前記第２の光学媒質層と前記第２の光学媒質層とを順次積層した多層膜、前記第１の光学媒質層と前記第２の光学媒質層と前記第１の光学媒質層と前記第１の光学媒質層とを順次積層した多層膜のうちいずれか一つからなることを特徴とする光学多層膜フィルタ。
8. 請求項４に記載の光学多層膜フィルタにおいて、
   前記キャビティ構造体は、前記キャビティ層を３層以上有し、積層された両端の層が前記第２の光学媒質により形成されている場合に、前記付加層は、前記第２の光学媒質層と前記第１の光学媒質層とを順次積層した多層膜からなることを特徴とする光学多層膜フィルタ。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光学多層膜フィルタにおいて、
   前記第１の光学媒質層と、前記第２の光学媒質層とを、これらの光学膜厚がそれぞれ、設計波長λに対して、λ／４の整数倍になるような膜厚で形成し、
   前記キャビティ層を、この前記キャビティ層の光学膜厚が、設計波長λに対して、λ／２の整数倍になるような膜厚で形成したことを特徴とする光学多層膜フィルタ。

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