JP2004029526A - Optical multilayer film filter - Google Patents

Optical multilayer film filter Download PDF

Info

Publication number
JP2004029526A
JP2004029526A JP2002187761A JP2002187761A JP2004029526A JP 2004029526 A JP2004029526 A JP 2004029526A JP 2002187761 A JP2002187761 A JP 2002187761A JP 2002187761 A JP2002187761 A JP 2002187761A JP 2004029526 A JP2004029526 A JP 2004029526A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
optical medium
optical
refractive index
row
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.)
Granted
Application number
JP2002187761A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4037700B2 (en
Inventor
Yoshito Jin
神 好人
Masaru Shimada
嶋田 勝
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.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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 Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2002187761A priority Critical patent/JP4037700B2/en
Publication of JP2004029526A publication Critical patent/JP2004029526A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4037700B2 publication Critical patent/JP4037700B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Optical Filters (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical multilayer film filter having band-pass characteristic adaptable to optical communication. <P>SOLUTION: The optical multilayer film filter is provided with: a cavity structural body having cavity structure where a plurality of laminated bodies obtained by alternately laminating a 1st optical medium layer and a 2nd optical medium layer are connected through a cavity layer and constituted so that the 1st column of the 1st row, the 2nd column of the 1st row, the 1st column of the 2nd row and the 2nd column of the 2nd row of the matrix components of a characteristic matrix in design wavelength are 1, 0, 0 and 1, respectively; and a 3rd optical medium layer formed on the cavity structural body and consisting of a 3rd optical medium. When the refractive index of the 3rd optical medium is defined as n, the 1st column of the 1st row, the 2nd column of the 1st row, the 1st column of the 2nd row and the 2nd column of the 2nd row of the matrix components of the characteristic matrix of the optical multilayer film filter consisting of the cavity structural body and the 3rd optical medium layer are 0, i×(1/n), i×(n) and 0 or 0, i×(-1/n), i×(-n) and 0, respectively. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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(商標登録)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15から図18を参照して説明する。
図15に示すように、屈折率nの基板上に、屈折率nの透明な光学媒質膜12を膜厚d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・d・cos(θ)/λと定義する。また、iは虚数単位を示し、m11、m12、m21、m22は、特性マトリックス(M)の行列成分であり、m11=m22=cos(β)、m12=i・1/ξ・sin(β)、m21=i・ξ・sin(β)である。
【0004】
【数1】

Figure 2004029526
【0005】
式(1)において、ξはS偏光の場合はξ=−n・cos(θ)となり、P偏光の場合は、ξ=n/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・d/λ、ξ=−nとなる。また、入射角θ=0で、かつ、光学膜厚がn・d=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、m11=m22=0、m12=−1/n、m21=−nとなる。さらに、入射角θ=0で、かつ、光学膜厚がn・d=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、m11=m22=−1、m12=m21=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とし、空気の屈折率は、n=1とした。
【0006】
【数2】
Figure 2004029526
【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】
Figure 2004029526
【0009】
式(2)から式(5)より、光学膜厚がn・d=λ/4および光学膜厚がn・d=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16に示すような光学多層膜の場合を考察する。図16に示すように、屈折率nの基板1上に、屈折率nの光学媒質膜17を膜厚dで形成し、その上に屈折率nk−1の光学媒質膜16を膜厚dk−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の光学媒質膜13を膜厚d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、M、M、M、...、Mk−2、Mk−1、M、Mとした場合に、式(6)となる。但し、全体の特性マトリックス(M)の行列成分をmm11、mm12、mm21、mm22とした。
【0011】
【数4】
Figure 2004029526
【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17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17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)、五酸化タンタル(Ta)、アルミナ(Al)、二酸化チタン(TiO)、二酸化ジルコニウム(ZrO)、二酸化ハフニウム(HfO)、二酸化ランタン(LaO)、二酸化セリウム(CeO)、三酸化アンチモン(Sb)、三酸化インジウム(In)、酸化マグネシウム(MgO)、二酸化ソリウム(ThO)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)、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)、三フッ化セリウム(CeF)、二フッ化カルシウム(CaF)、フッ化リチウム(LiF)、六フッ化三ナトリウムアルミニウム(NaAlF)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18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/2のキャビティ層4と呼ばれる層の上下を、屈折率n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/4;L層)と第1の光学媒質よりも高い屈折率n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/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/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18では、屈折率n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18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)、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)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=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18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18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】
Figure 2004029526
【0025】
屈折率n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の反射率係数|r|を小さくできる。このように、設計波長λ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18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19に示す。設計波長λ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17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20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20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21は、図20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)の第1の光学媒質として屈折率が1.48の二酸化シリコン(SiO)、第2の光学媒質層3(H層)の第2の光学媒質として屈折率が2.14の五酸化タンタル(Ta)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=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】
Figure 2004029526
【0031】
図21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)、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)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=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22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23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)、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)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=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)と五酸化タンタル(Ta)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、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形成され、第3の光学媒質からなる第3の光学媒質層とを有し、前記第3の光学媒質の屈折率をnとした場合に、前記キャビティ構造体と前記第3の光学媒質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)、第2行第1列がi・(n)、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)、第2行第1列がi・(−n)、第2行第2列が0であることを特徴とする。
【0044】
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1、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、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形成され、第3の光学媒質からなる第3の光学媒質層とを有し、前記第3の光学媒質の屈折率をnとした場合に、前記キャビティ構造体と前記第3の光学媒質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)、第2行第1列がi・(n)、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)、第2行第1列がi・(−n)、第2行第2列が0であることを特徴とする。
【0046】
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2、3、6、7、およびそれ以上であるキャビティ構造の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】
さらに、前記第3の光学媒質の屈折率は、前記第1の光学媒質の屈折率および前記第2の光学媒質の屈折率とは異なることを特徴とする。
本発明によれば、キャビティ構造体を形成するための基板の屈折率に応じて、所定のフィルタ特性を満たすために必要な屈折率を有する第3の光学媒質を選択することができる。
【0048】
さらに、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3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。
【0049】
【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。
【0050】
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。
【0051】
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透過率Tと基板の屈折率nの関係を示したものである。
【0052】
図1より基板の屈折率nが大きくなると透過率Tが次第に減少する。このため、入力損失を抑えるためには、基板の屈折率nを小さくする必要があることがわかる。
【0053】
しかし、光学基板は、基板の屈折率nが1.47である石英基板や、基板の屈折率nが1.48から1.50程度であるガラス基板が一般的である。空気の屈折率nと比較した場合、n<n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、第2の光学媒質層の屈折率をnとした場合、n<n では基板上には第2の光学媒質層が形成され、n>nでは基板上には第1の光学媒質層が形成される。
【0054】
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。
【0055】
そこで、本発明者らは、設計波長λ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の光学媒質および第2の光学媒質とは異なる屈折率を有する第3の光学媒質からなる第3の光学媒質層(X層)を配置することによって、入力損失抑え、バンドパス特性の形状を改善できることを見いだした。
【0056】
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は、第3の光学媒質の屈折率、nは基板の屈折率である。
【0057】
【数7】
Figure 2004029526
【0058】
図2に透過率Tと配置する光学媒質層の屈折率(ここでは、第3の光学媒質層(X層)の屈折率n)との関係を示す。透過率Tは式(5)より計算した。図2より、異なる屈折率nを有するどの基板においても、透過率Tが0dBとなる第3の光学媒質層の屈折率nが存在することがわかる。
また、基板の屈折率nが大きくなると、透過率Tが0dBとなる第3の光学媒質層の屈折率nも大きくなることがわかる。
例えば、基板の屈折率nが1.47の場合には第3の光学媒質層の屈折率nが1.2程度で0dBとなるが、基板の屈折率nが2.37の場合には1.54、基板の屈折率nが3.20の場合には1.79程度と、基板の屈折率nが大きくなるにしたがって、透過率Tが0dBとなる第3の光学媒質層の屈折率nも大きくなる。
【0059】
例えば、屈折率が1.47の石英基板上に、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)、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)を用いて、設計波長λにおける特性マトリックス(M)が式(7)または式(10)により表されるキャビティ構造を作製し、空気側の表面層の上に、屈折率nを有する第3の光学媒質層(X層)を形成した場合、図2より、この第3の光学媒質層(X層)の屈折率を1.21とする場合に透過率Tが最大となる。
【0060】
また、屈折率が2.37の硫化亜鉛(ZnS)等の高屈折率基板を用いた場合、例えば、屈折率が2.37の硫化亜鉛(ZnS)基板上に、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)、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)を用いて、設計波長λにおける特性マトリックス(M)が式(7)または式(10)により表されるキャビティ構造を作製し、空気側の表面層の上に、屈折率nを有する第3の光学媒質層(X層)を形成した場合、図2より、この第3の光学媒質層(X層)の屈折率を1.55とする場合に透過率Tが最大となる。
【0061】
上記したように、設計波長λ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)上に、第3の光学媒質層(X層)を形成することによって、特性マトリックス(M)を式(11)または式(12)、反射率係数|r|を式(13)とでき、基板に応じて、nを選択できるため、入力損失を抑えることができる。
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設計の自由度を大きく増すことができる。
【0062】
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個積層する構造において、空気と接する最後に形成される光学媒質層(表面層と呼ぶ)が第2の光学媒質層3(H層)である場合に、この第2の光学媒質層3(H層)の上に、第3の光学媒質層18(X層)を形成した構造である。キャビティ層4は、例えば第1の光学媒質により形成する。また、第3の光学媒質層18(X層)は、図2を参照して、基板1に応じて適宜選択した。
【0063】
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、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)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、第1の光学媒質および第2の光学媒質とは異なる第3の光学媒質からなる第3の光学媒質層18(X層)を形成した構造となっている。したがって、全体で132層の多層膜である。
【0064】
基板1としては、屈折率が1.47である透明基板、第1の光学媒質層2(L層)として屈折率が1.48である二酸化シリコン(SiO)、第2の光学媒質層3(H層)として屈折率が2.14である五酸化タンタル(Ta)を用いる。キャビティ層4(2L層)として屈折率が1.48である二酸化シリコン(SiO)を用いる。
図2を参照すると、基板1として石英基板を用いた場合、屈折率nが1.21である第3の光学媒質からなる第3の光学媒質層18(X層)を用いた場合に、透過率Tは最大となるが、ここでは、安定して用いることができる屈折率nが1.37であるフッ化マグネシウム(MgF)を用いた。
【0065】
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。
【0066】
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=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に対して、λ/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に対して、λ/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。また、第3の光学媒質層18(X層)は282.85nmである。
【0067】
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(11)となり、反射率係数|r|は式(13)となる。
【0068】
図4は、図3に示した光学多層膜フィルタのように第3の光学媒質層18(X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。従来のキャビティ構造と比較するために、第3の光学媒質層18(X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3の光学媒質層18(X層)を配置したものは、設計波長λ=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0.1dBと大きく改善することがわかる。
また、設計波長λ=1550nmにおける透過率が向上することがわかる。
【0069】
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(13)となる。石英基板1、第3の光学媒質層18(X層)の屈折率を代入すると、反射率係数|r|=0.1216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、第3の光学媒質層18(X層)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。
【0070】
実施の形態1では、全層の数が132層であるが、所望のフィルタ透過幅W(F)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。
【0071】
また、実施の形態1においては、第3の光学媒質層18(X層)として屈折率が1.37であるフッ化マグネシウムを用いたが、屈折率が1.127である蛍石(フッ化カルシウム:CaF)等の適当な屈折率を持つ他の物質を用いてもよい。蛍石を用いた場合、反射率係数は|r|=0.0729となり、フッ化マグネシウム(MgF)の場合よりさらに小さくなる。
図2において、所望の透過率Tを得るために、適宜第3の光学媒質層18を選択することができる。
【0072】
次に、基板1として、屈折率が2.37の高屈折率基板である硫化亜鉛(ZnS)を用いた光学多層膜フィルタについて説明する。
例えば、第1の光学媒質層2(L層)として屈折率が1.48である二酸化シリコン(SiO)、第2の光学媒質層3(H層)として屈折率が2.14である五酸化タンタル(Ta)を用いる。キャビティ層4(2L層)として屈折率が1.48である二酸化シリコン(SiO)を用い、図3に示したような光学多層膜フィルタの作製を行った。この場合、基板1に高屈折率基板を用いたため、基板1の上には第1の光学媒質層2(L層)を形成する。
【0073】
図2を参照すると、基板1として屈折率が2.37である硫化亜鉛(ZnS)を用いた場合には、第3の光学媒質層18(X層)に屈折率nが1.54である光学媒質を用いた場合に、透過率が最大となる。ここでは、安定して用いることができる屈折率nが1.54である酸化シリコン(SiO)や1.79である酸窒化シリコン(SiO)を用いる。
【0074】
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=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に対して、λ/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に対して、λ/2の整数倍になるような膜厚で形成する。
【0075】
図5は、基板1に屈折率が2.37である硫化亜鉛(ZnS)を用い、第3の光学媒質層18(X層)に屈折率が1.54である酸化シリコン(SiO)を用いた場合の光学多層膜フィルタ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、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3の光学媒質層18(X層)を配置したものは、設計波長λ=1550nmにおける透過率が向上し、設計波長λ=1550nm部分における透過率の落ち込みがなくなり、リップル強度が0dBと大きく改善することがわかる。
【0076】
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(13)となる。石英基板1、第3の光学媒質層18(X層)の屈折率を代入すると、反射率係数|r|=7.03×10−4とほぼ0となるため、式(8)から求められる反射率係数|r|よりも小さくなる。
【0077】
また、この場合においても、所望のフィルタ透過幅W(F)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。
また、第3の光学媒質層18(X層)として屈折率が1.54である酸化シリコン(SiO)を用いたが、屈折率が1.79である酸窒化シリコン(SiO)等の適当な屈折率を持つ他の物質を用いてもよい。
図2において、所望の透過率Tを得るために、第3の光学媒質層18(X層)を適宜選択することができる。
【0078】
次に、基板1として、屈折率が3.2の高屈折率基板であるシリコン基板(Si)を用いた光学多層膜フィルタについて説明する。
例えば、第1の光学媒質層2(L層)として屈折率が1.48である二酸化シリコン(SiO)、第2の光学媒質層3(H層)として屈折率が2.14である五酸化タンタル(Ta)を用いる。キャビティ層4(2L層)として、屈折率が1.48である二酸化シリコン(SiO)を用い、図3に示したような光学多層膜フィルタの作製を行った。この場合、基板1に高屈折率基板を用いたため、基板1の上には第1の光学媒質層2(L層)を形成する。
【0079】
図2を参照すると、基板1として、屈折率が3.2であるシリコン基板(Si)を用いた場合には、第3の光学媒質膜18を屈折率nが1.79である光学媒質を用いて形成した場合に、透過率Tが最大となる。ここでは、安定して用いることができる屈折率nが1.54である酸化シリコン(SiO)や、1.79である酸窒化シリコン(SiO)を用いる。
【0080】
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=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に対して、λ/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に対して、λ/2の整数倍になるような膜厚で形成する。
【0081】
図6は、基板1に屈折率が3.20のシリコン(Si)を用い、第3の光学媒質層18(X層)を屈折率が1.79である酸窒化シリコン(SiO)、また屈折率が1.48である二酸化シリコン(SiO)により形成した場合の光学多層膜フィルタ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、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1.3dB程度もある。
これに対して、屈折率が1.79程度である第3の光学媒質層18(X層)を配置したものは、設計波長λ=1550nmにおける透過率の落ち込みがなくなり、リップル強度も0dBと大きく改善することがわかる。
【0082】
また、設計波長λ=1550nmにおける透過率Tもほぼ0dBとなるため、反射率係数|r|はほぼ0となる。しかし、フィルタ透過幅W(F)は細くなるため、膜厚の揺らぎなどの影響を受けやすくなることが懸念される。
また、屈折率が1.48の第3の光学媒質層18(X層)を配置したものは、設計波長λ=1550nmにおける透過率の落ち込みがなくなり、リップル強度も大きく改善することがわかる。
また、屈折率が1.79である第3の光学媒質層18(X層)を配置したものより、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。
よって、屈折率が1.48である第3の光学媒質層18(X層)を配置したものは、屈折率が1.79である第3の光学媒質層18(X層)を配置したものより挿入損失は若干多くなるが、フィルタ透過特性の形状が矩形に近づくため、安定して使用できることがわかる。
【0083】
また、この場合においても、所望のフィルタ透過幅W(F)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。
【0084】
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。
【0085】
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。
【0086】
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。
【0087】
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。
【0088】
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。
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。
【0089】
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よ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。
実施の形態1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7に電子サイクロトロン共鳴(ECR)装置の概略図を示す。
【0090】
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。
【0091】
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とを設置し、第1の光学媒質層2(L層)として二酸化シリコン(SiO)を、第2の光学媒質層3(H層)として五酸化タンタル(Ta)を、キャビティ層4としてとして二酸化シリコン(SiO)または五酸化タンタル(Ta)を、第3の光学媒質層18(X層)として、酸化シリコン(SiO)や酸窒化シリコン(SiO)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。
また、ECRプラズマ源に、マグネシウムターゲットまたはカルシウムターゲットを設置して、反応性ガスとしてフッ素を導入することで、第3の光学媒質層18(X層)を形成することができる。
【0092】
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。
【0093】
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8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。
【0094】
図8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。
【0095】
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。
【0096】
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1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。
【0097】
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個積層する構造において、空気と接する最後に形成される光学媒質層(表面層と呼ぶ)が第2の光学媒質層3(H層)である場合に、この第2の光学媒質層3(H層)の上に、第3の光学媒質からなる第3の光学媒質層18(X層)を形成した構造である。キャビティ層4は第2の光学媒質により形成した。また、第3の光学媒質層18(X層)は、図2を参照して、基板1に応じて適宜選択した。
【0098】
具体的な構造は、図9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(10)となる。さらにその上に、第3の光学媒質層18(X層)を形成した構造となっている。したがって、全体で130層の多層膜となる。
【0099】
基板1としては、屈折率1.47の石英基板、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)、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)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)を用いる。
図2を参照すると、基板1として石英基板を用いた場合、屈折率nが1.21である第3の光学媒質からなる第3の光学媒質層18(X層)を用いた場合に、透過率Tは最大となるが、ここでは、安定して用いることができる屈折率nが1.37であるフッ化マグネシウム(MgF)を用いた。
【0100】
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λ(以下、設計波長と呼ぶ)をλ=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に対して、λ/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に対して、λ/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。また、第3の光学媒質層18(X層)は282.85nmである。
【0101】
図9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(12)となり、反射率係数|r|は式(13)となる。
【0102】
図10は、図9に示した光学多層膜フィルタのように第3の光学媒質層18(X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。従来のキャビティ構造と比較するために、第3の光学媒質層18(X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0.2dB程度である。これに対して、第3の光学媒質層18(X層)を配置したものは、設計波長λ=1550nmにおける透過率の落ち込みがなくなり、リップル強度も0dBと改善することがわかる。
また、フィルタ透過幅も細くなることがわかる。
【0103】
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(13)となる。石英基板、第3の光学媒質層18(X層)の屈折率を代入すると、反射率係数|r|=0.1216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、第3の光学媒質層18(X層)を配置することによって、図10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。
【0104】
実施の形態2においては、第3の光学媒質層18(X層)として屈折率が1.37のフッ化マグネシウムを用いたが、屈折率が1.127である蛍石(フッ化カルシウム:CaF)等の適当な屈折率を持つ他の物質を用いてもよい。蛍石を用いた場合、反射率係数は、|r|=0.0791と、フッ化マグネシウムの場合よりさらに小さくなる。
また、実施の形態2においては、基板1として屈折率が1.47である石英基板を用いたが、その他の基板、例えば硫化亜鉛(ZnS)、シリコン(Si)も用いることができ、この選択された基板に応じて、最適な屈折率を有する光学媒質を選択することにより、入力損失を抑えることができる。
【0105】
実施の形態2では、全層の数が130層であるが、所望のフィルタ透過幅W(F)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。
【0106】
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堆積することによって、形成することができる。
また、ECRプラズマ源に、マグネシウムターゲットまたはカルシウムターゲットを設置して、反応性ガスとしてフッ素を導入することで、第3の光学媒質層18(X層)を形成することができる。
また、実施の形態2においても、図8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。
【0107】
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。
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。
【0108】
実施の形態3に係る光学多層膜フィルタは、キャビティ数が4の4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、4個積層する構造において、空気と接する最後に形成される光学媒質層(表面層と呼ぶ)が第1の光学媒質層2(L層)である場合に、この第1の光学媒質層2(L層)の上に、第3の光学媒質からなる第3の光学媒質層18(X層)を形成した構造である。キャビティ層4は第1の光学媒質により形成した。また、第3の光学媒質層18(X層)は、図2を参照して、基板1に応じて適宜選択した。
【0109】
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3の光学媒質層18(X層)を形成した構造となっている。したがって、全体で177層の多層膜となっている。
【0110】
基板1としては、屈折率1.47の石英基板、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)、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)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)を用いる。
図2を参照すると、基板1として石英基板を用いた場合、屈折率nが1.21である第3の光学媒質からなる第3の光学媒質層18(X層)を用いた場合に、透過率Tは最大となるが、ここでは、安定して用いることができる屈折率nが1.37であるフッ化マグネシウム(MgF)を用いた。
【0111】
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=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に対して、λ/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に対して、λ/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。また、第3の光学媒質層18(X層)は282.85nmである。
【0112】
図11に示す4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(11)となり、反射率係数|r|は式(13)となる。
【0113】
図12は、図11に示した光学多層膜フィルタのように第3の光学媒質層18(X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。従来のキャビティ構造と比較するために、第3の光学媒質層18(X層)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、リップル強度が1.2dB程度もある。これに対して、第3の光学媒質層18(X層)を配置したものは、設計波長λ=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=1550nmにおける透過率が向上することがわかる。
【0114】
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)となる。石英基板、第3の光学媒質層18(X層)の屈折率を代入すると、反射率係数|r|=0.1216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、第3の光学媒質層18(X層)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。
【0115】
実施の形態3においては、第3の光学媒質層18(X層)として屈折率が1.37のフッ化マグネシウムを用いたが、屈折率が1.127である蛍石(フッ化カルシウム:CaF)等の適当な屈折率を持つ他の物質を用いてもよい。蛍石を用いた場合、反射率係数は、|r|=0.0791と、フッ化マグネシウムの場合よりさらに小さくなる。
また、実施の形態3においては、基板1として屈折率が1.47である石英基板を用いたが、その他の基板、例えば硫化亜鉛(ZnS)、シリコン(Si)も用いることができ、この選択された基板に応じて、最適な屈折率を有する光学媒質を選択することにより、入力損失を抑えることができる。
【0116】
実施の形態3では、全層の数が177層であるが、所望のフィルタ透過幅W(F)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。
【0117】
さらに、実施の形態3においては、キャビティ層4を第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。
【0118】
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(SiO)を、第2の光学媒質層3(H層)として五酸化タンタル(Ta)を堆積することによって、形成することができる。
また、ECRプラズマ源に、マグネシウムターゲットまたはカルシウムターゲットを設置して、反応性ガスとしてフッ素を導入することで、第3の光学媒質層18(X層)を形成することができる。
【0119】
また、実施の形態3においても、図8に示すように、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。
【0120】
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。
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。
【0121】
実施の形態4に係る光学多層膜フィルタは、キャビティ数が5の5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、5個積層する構造において、空気と接する最後に形成される光学媒質層(表面層と呼ぶ)が第2の光学媒質層3(H層)である場合に、この第2の光学媒質層3(H層)の上に、第3の光学媒質からなる第3の光学媒質層18(X層)を形成した構造である。キャビティ層4は第1の光学媒質により形成した。また、第3の光学媒質層18(X層)は、図2を参照して、基板1に応じて適宜選択した。
【0122】
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。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3の光学媒質層18(X層)を形成した構造となっている。したがって、全体で224層の多層膜となっている。
【0123】
基板1としては、屈折率が1.47である石英基板、第1の光学媒質層2(L層)として屈折率が1.48である二酸化シリコン(SiO)、第2の光学媒質層3(H層)として屈折率が2.14である五酸化タンタル(Ta)を用いる。キャビティ層4(2L層)として屈折率が1.48である二酸化シリコン(SiO)を用いる。
図2を参照すると、基板1として石英基板を用いた場合、屈折率nが1.21である第3の光学媒質からなる第3の光学媒質層18(X層)を用いた場合に、透過率Tは最大となるが、ここでは、安定して用いることができる屈折率nが1.37であるフッ化マグネシウム(MgF)を用いた。
【0124】
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=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に対して、λ/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に対して、λ/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。また、第3の光学媒質層18(X層)は282.85nmである。
【0125】
図13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(11)となり、反射率係数|r|は式(13)となる。
【0126】
図14は、図13に示した光学多層膜フィルタのように第3の光学媒質層18(X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。従来のキャビティ構造と比較するために、第3の光学媒質層18(X層)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1.0dB程度もある。これに対して、第3の光学媒質層18(X層)を配置したものは、設計波長λ=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0.1dBと大きく改善することがわかる。
また、設計波長λ=1550nmにおける透過率が向上することがわかる。
【0127】
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(11)となる。石英基板、第3の光学媒質層18(X層)の屈折率を代入すると、反射率係数|r|=0.1216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、X層を配置することによって、図14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。
【0128】
実施の形態4では、全層の数が224層であるが、所望のフィルタ透過幅W(F)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。
【0129】
実施の形態4においては、第3の光学媒質層18(X層)として屈折率が1.37のフッ化マグネシウムを用いたが、屈折率が1.127である蛍石(フッ化カルシウム:CaF)等の適当な屈折率を持つ他の物質を用いてもよい。蛍石を用いた場合、反射率係数は、|r|=0.0791と、フッ化マグネシウムの場合よりさらに小さくなる。
また、実施の形態4においては、基板1として屈折率が1.47である石英基板を用いたが、その他の基板、例えば硫化亜鉛(ZnS)、シリコン(Si)も用いることができ、この選択された基板に応じて、最適な屈折率を有する光学媒質を選択することにより、入力損失を抑えることができる。
【0130】
さらに、実施の形態4では、キャビティ層4を第1の光学媒質で構成した場合について説明したが、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
【0131】
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、ECRプラズマ源に、マグネシウムターゲットまたはカルシウムターゲットを設置して、反応性ガスとしてフッ素を導入することで、第3の光学媒質層18(X層)を形成することができる。
また、実施の形態5においても、図8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。
【0132】
【発明の効果】
本発明によれば、従来のキャビティ構造の表面層上に、第3の光学媒質からなる第3の光学媒質層を形成することにより、特性マトリックス(M)の行列成分の第1行第1列を0、第1行第2列をi・(1/n)、第2行第1列をi・(n)、第2行第2列を0、または、第1行第1列を0、第1行第2列をi・(−1/n)、第2行第1列をi・(−n)、第2行第2列を0とでき、基板に応じて、最適な屈折率を有する第3の光学媒質を選択することにより、入力損失を抑えることができる。
【0133】
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】配置する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】実施の形態1に係る他の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6】実施の形態1に係る他の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7】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8】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9】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10】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14】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15】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16】光学多層膜フィルタを説明するための図である。
【図17】光学多層膜フィルタのフィルタ特性における性能を説明するための図である。
【図18】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19】光学多層膜フィルタの透過特性を示す図である。
【図20】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21】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22】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23】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、18…第3の光学媒質層。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical multilayer filter used for an optical communication device, an optical device, and the like.
[0002]
[Prior art]
The optical multilayer filter is formed by alternately stacking optical medium films having different optical refractive indexes, for example, dielectric films, and obtains predetermined optical characteristics by utilizing interference of reflected light at a boundary surface. . At present, in order to obtain desired optical characteristics that cannot be obtained with a single-layer film, anti-reflection coating on glass such as eyeglasses and plastic, various optical filters such as color separation prisms for video cameras, band-pass filters, and emission lasers It is used for end face coating etc.
In recent years, multiplexing filters and demultiplexing filters used for broadband optical wavelength division multiplexing (Dense Wavelength Division Multiplexing: DWDM) communication, and Ethernet (registered trademark) communication used for a short distance have been used. It is applied to 10 Gbps-class wide wavelength division multiplexing (WWDM) communication (IEEE 802.3 standard).
[0003]
The design of the optical filter will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 15, the refractive index n s Refractive index n on the substrate 1 Of the transparent optical medium film 12 having a film thickness d 1 In the single-layer film filter formed as described above, the characteristic matrix (M) when light is incident on the optical medium film 12 is defined as in the following equation (1). Here, the wavelength of the incident light is λ, and the incident angle is θ with respect to the normal to the incident surface, β = 2π · n 1 ・ D 1 Define as cos (θ) / λ. I represents an imaginary unit, m 11 , M 12 , M 21 , M 22 Is the matrix component of the characteristic matrix (M), and m 11 = M 22 = Cos (β), m 12 = I · 1 / ξ · sin (β), m 21 = I · ξ · sin (β).
[0004]
(Equation 1)
Figure 2004029526
[0005]
In equation (1), ξ is ξ = −n for S-polarized light. 1 Cos (θ), and for P-polarized light, ξ = n 1 / Cos (θ), but for simplicity, the case of S-polarized light will be considered in the future. When the incident angle θ is 0 degree, cos (θ) = 1, so that β = 2π · n 1 ・ D 1 / Λ, ξ = -n 1 It becomes. Also, the incident angle θ = 0 and the optical film thickness is n 1 ・ D 1 In the case of = λ / 4, β = π / 2, so that cos (β) = 0 and sin (β) = 1. Therefore, m 11 = M 22 = 0, m 12 = -1 / n 1 , M 21 = -N 1 It becomes. Furthermore, when the incident angle θ = 0 and the optical film thickness is n 1 ・ D 1 In the case of = λ / 2, β = π, so that cos (β) = − 1 and sin (β) = 0. Therefore, m 11 = M 22 = -1, m 12 = M 21 = 0.
Further, from the characteristic matrix (M) of Expression (1), the reflectance coefficient | r | and the transmittance coefficient t are expressed by Expressions (2) and (3) when the incident angle θ is 0 degree. Here, the refractive index of the substrate is n s And the refractive index of air is n 0 = 1.
[0006]
(Equation 2)
Figure 2004029526
[0007]
Therefore, the reflectance R is given by equation (4) from equation (2), and the transmittance T is given by equation (5) from equation (3).
[0008]
[Equation 3]
Figure 2004029526
[0009]
From the equations (2) to (5), the optical film thickness is n 1 ・ D 1 = Λ / 4 and optical film thickness n 1 ・ D 1 It can be seen that high reflectance and high transmittance can be obtained when = λ / 2.
[0010]
Next, the case of an optical multilayer film as shown in FIG. 16 will be considered. As shown in FIG. s The refractive index n on the substrate 1 k Of the optical medium film 17 having a film thickness d k And the refractive index n k-1 Of the optical medium film 16 having a film thickness d k-1 , And the same formation procedure is sequentially repeated to form a refractive index n as the uppermost layer. 1 Of the optical medium film 13 of thickness d 1 To produce an optical multilayer filter having a total of k layers of optical medium films. The overall characteristic matrix (M) is the characteristic matrix of each optical medium as M 0 , M 1 , M 2 , M 3 ,. . . , M k-2 , M k-1 , M k , M s Equation (6) is obtained. Here, the matrix component of the entire characteristic matrix (M) is mm 11 , Mm 12 , Mm 21 , Mm 22 And
[0011]
(Equation 4)
Figure 2004029526
[0012]
As described above, the reflectance R and the transmittance T can be obtained from the characteristic matrix (M) in the same manner as in the equations (4) and (5). In the equation (6), the wavelength λ of the incident light is set to the design wavelength (or the center wavelength) λ. 0 By selecting the optical film thickness while fixing the optical filter, the optical filter can be designed, so that a desired bandpass filter can be obtained.
[0013]
Next, required specifications of a multiplexing filter and a demultiplexing filter used for optical wavelength division multiplexing (Wavelength Division Multiplexing: WDM) communication will be described with reference to the transmission characteristics in FIG.
As a criterion for evaluating the bandpass characteristics, a filter transmission width (or transmission band width) W of -0.5 dB is generally used. (F) And the crosstalk transmission width (or -25 dB transmission wavelength width) W at -25 dB (C) , Insertion loss and ripple strength (or transmission band ripple) are used.
[0014]
Filter transmission width W (F) Indicates the width of the band-pass signal through which the optical signal is transmitted, and the narrower the band-pass signal, the more signals can be transmitted in the specified band band. Also, the crosstalk width W (C) Indicates how close the band-pass signals can be without interference, and the narrower the band-pass signals can be arranged without interference. That is, the filter transmission width W (F) And crosstalk width W (C) Become narrower, so that the number of band-pass signals that can be used for communication within the specified band band increases.
The insertion loss indicates a difference between the maximum value of the bandpass signal and an ideal transmittance of 100%.
Further, the ripple refers to a phenomenon in which the transmittance is locally reduced near a maximum value of the bandpass signal, and is also referred to as a ripple. When ripples occur, desired bandpass characteristics may not be obtained. The difference between the signal maximum value and the local transmittance decrease value when the ripple occurs is defined as the ripple intensity. As an ideal bandpass characteristic, a rectangular shape indicated by a dotted line is required.
[0015]
The characteristics of currently used bandpass filters include a filter transmission width W at −0.5 dB. (F) Is less than 2 nm and the crosstalk transmission width W at -25 dB (C) Is about 4 nm to 8 nm, but the filter transmission width W (F) Has come to practical use of a bandpass filter of 1 nm or less.
Furthermore, the required specifications of the band pass characteristics used in the next generation broadband optical wavelength division multiplexing communication (DWDM communication) include a filter transmission width W (F) Is 0.1 nm, crosstalk transmission width W (C) Are required to be 0.3 nm, the insertion loss is 0.5 dB or less, and the ripple strength is 0.2 dB. For this reason, there is a need for designing an optimal bandpass characteristic.
In addition, since the total number of optical multilayer films is very large, from several tens to several hundreds, uniformity of film thickness and film quality is required to be higher than ever.
[0016]
Further, optical multilayer filters are being used not only in large-scale trunk communication but also in Ethernet communication, which has become a de facto standard in LAN (Local Area Network) communication. 10 Gbps-class communication such as 10 GBASE-X or 10 GBASE-W using an optical fiber instead of the current twisted pair communication has been standardized as the IEEE 802.3 standard, and studies for its spread have been progressing. The multiplex communication method used in this case is called WWDM communication (also referred to as CWDM communication). In a wavelength band around 1310 nm or 1550 nm, four data are superimposed and transmitted at four wavelengths shifted by several tens of nm, These are read separately by four light receivers. Although the communication distance is about 300 m, it is the most expected system in the LAN world.
[0017]
An optical multilayer filter is also used for the WWDM communication. The evaluation criteria are the filter characteristics shown in FIG. (F) Is 10 nm and the crosstalk width W (C) Are required to be 20 nm or less, the insertion loss is 1 dB or less, and the ripple strength is 0.5 dB. In the optical multilayer filter for WWDM communication, cost reduction is the biggest issue.
[0018]
Silicon (Si), amorphous silicon (a-Si), hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H), silicon dioxide (SiO 2) are used as the thin film material used for the multilayer film. 2 ), Tantalum pentoxide (Ta) 2 O 5 ), Alumina (Al 2 O 3 ), Titanium dioxide (TiO 2) 2 ), Zirconium dioxide (ZrO) 2 ), Hafnium dioxide (HfO) 2 ), Lanthanum dioxide (LaO) 2 ), Cerium dioxide (CeO) 2 ), Antimony trioxide (Sb 2 O 3 ), Indium trioxide (In) 2 O 3 ), Magnesium oxide (MgO), thorium dioxide (ThO 2 ) And two or more oxides, or silicon oxynitride (SiO 2 x N y Or nitrides such as silicon nitride (SiN), aluminum nitride (AlN), zirconium nitride (ZrN), hafnium nitride (HfN), lanthanum nitride (LaN), and two or more nitrides, or fluorinated Magnesium (MgF 2 ), Cerium trifluoride (CeF) 3 ), Calcium difluoride (CaF 2 ), Lithium fluoride (LiF), trisodium aluminum hexafluoride (Na 3 AlF 6 ) Or two or more fluorinated compounds.
[0019]
Generally, two kinds of materials having different refractive indexes are selected from these thin film materials, and an optical multilayer filter is formed on a transparent substrate by using a thin film forming apparatus.
[0020]
FIG. 18 shows a configuration example of a typical optical multilayer filter. Optical film thickness λ 0 / 2 above and below a layer called a cavity layer 4 is formed with a refractive index n L A first optical medium layer 2 (optical film thickness λ) made of a first optical medium having 0 / 4; L layer) and a higher refractive index n than the first optical medium. H A second optical medium layer 3 (optical film thickness λ) made of a second optical medium having 0 / 4; H layer). The cavity layer 4 is a layer at a predetermined position in a laminate in which the first optical medium layers 2 and the second optical medium layers 3 are alternately laminated, and has an optical film thickness of λ. 0 The first optical medium or the second optical medium is an integral multiple of / 2.
[0021]
In FIG. 18, the refractive index n S 19 layers of the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are repeatedly laminated on the substrate 1 having the above, and the cavity layer 4 made of the first optical medium is formed thereon. (2L layer) is formed thereon, and furthermore, the second optical medium layer 3 and the first optical medium layer 2 are repeatedly laminated in 19 layers to form a multilayer film of 39 layers in total. The refractive index of air is n 0 And Such a layer structure having one cavity layer 4 is often called “single cavity” or “one cavity”.
Further, when the number of the cavity layers 4 is increased to two, three, four, and five, “double cavities” or “two cavities”, “triple cavities” or “three cavities”, “four cavities”, and “five cavities” are respectively provided. ".
[0022]
Referring to FIG. 18, as the first optical medium layer 2, silicon dioxide (SiO.sub.2) having a refractive index of 1.48 is used. 2 ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer 3 2 O 5 ) Will be described in detail. However, the design wavelength as a bandpass filter is λ 0 = 1550 nm. As the substrate 1, a generally used substrate such as BK-7 or crystallized glass was used. Here, the refractive index of the substrate 1 was 1.47. The optical thickness of the second optical medium layer 3 is 181.07 nm, the optical thickness of the first optical medium layer 2 is 261.82 nm, and the optical thickness of the cavity layer 4 is 523.64 nm.
In FIG. 18, the refractive index is schematically represented by the width of the layer. That is, the fact that the width of the second optical medium layer 3 is wider than that of the first optical medium layer 2 indicates that the refractive index of the second optical medium layer 3 is larger than that of the first optical medium layer 2. ing.
[0023]
In the optical multilayer filter having the one-cavity structure shown in FIG. 0 Let us consider the case of β = π / 2 corresponding to The characteristic matrix (M) represented by Expression (6) is as shown in Expression (7). Therefore, the reflectance coefficient | r | is expressed by Expression (8) from Expression (2), and the reflectance R can be obtained from Expression (4) as in Expression (9).
[0024]
(Equation 5)
Figure 2004029526
[0025]
Refractive index n s Considering a quartz substrate having a value of 1.47, | r | = 0.1903 from equation (8) and R = 0.0362 from equation (9), and the design wavelength λ 0 Can be reduced. Thus, the design wavelength λ 0 In, since the calculation of the matrix can be relatively easily performed, the reflectance R can be calculated relatively easily.
[0026]
FIG. 19 shows transmission characteristics calculated by simulation of the optical multilayer filter shown in FIG. Design wavelength λ 0 And the transmittance becomes 0.9638, which coincides with the value obtained from the theoretically calculated transmittance T = 1-R. As the filter characteristics, extremely steep and narrow bandpass characteristics are obtained. Filter transmission width W (F) It can be seen that a shape of 0.1 nm or less with no insertion loss and no ripple was obtained. However, the shape of the bandpass spectrum is a sharp triangular shape, and the crosstalk width W of −25 dB is obtained. (C) Is 1 nm or more, greatly exceeding the specification. In addition, the transmission characteristics in FIG. 17 deviate from the rectangular shape (ideal bandpass characteristics) indicated by the dotted line. Therefore, it can be seen that it is difficult to fabricate a DWDM communication filter with a single cavity.
[0027]
Accordingly, attempts have been made to make the bandpass spectrum shape rectangular in a multilayer film structure called a Fabry-Perot type having two or more cavities in which single cavities are arranged in series. FIG. 20 shows a basic structure of a Fabry-Perot multilayer film having a two-cavity structure (double-cavity structure). In general, a multilayer film formed by repeating the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) in a certain number of layers is sandwiched between cavity layers 4 (2L layers). Based on the cavity structure, the structure is formed by connecting the single cavity structures. One cavity 5 is always symmetric with respect to the cavity layer (2L layer). FIG. 20 shows a structure in which one cavity 5 with 21 layers on one side and one cavity 5 with 22 layers on one side are viewed from the substrate 1 side.
[0028]
FIG. 21 shows, as an example, silicon dioxide (SiO.sub.2) having a refractive index of 1.48 as the first optical medium of the first optical medium layer 2 (L layer) in the two-cavity structure shown in FIG. 2 ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as a second optical medium of the second optical medium layer 3 (H layer). 2 O 5 ) Shows the spectrum shape in the case of two cavities with 21 units. A total of 87 layers are formed. The design wavelength as a bandpass filter is λ 0 = 1550 nm.
[0029]
The characteristic matrix (M) is given by equation (10), and the reflectance coefficient | r | and the reflectance R are given by equations (8) and (9).
[0030]
(Equation 6)
Figure 2004029526
[0031]
Referring to the shape of the bandpass spectrum in FIG. 21, the crosstalk width W of −25 dB is obtained. (C) Is smaller than that of the single cavity, but is 0.3 nm or more, not a rectangular profile, and does not satisfy the required specifications.
[0032]
Therefore, attempts have been made to further increase the number of cavities and make the shape of the bandpass spectrum closer to a rectangular profile. As an example, as the first optical medium layer 2 (L layer), silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 2 ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer 3 (H layer) 2 O 5 ), The case of three cavities (triple cavities) with three cavities will be described. A three-cavity optical multilayer filter made of a total of 143 multilayer films was manufactured. The design wavelength as a bandpass filter is λ 0 = 1550 nm.
[0033]
The characteristic matrix (M) becomes Expression (10), and the reflectance coefficient | r | becomes Expression (8).
[0034]
FIG. 22 shows the bandpass spectrum shape of the three cavities. Filter transmission width W (F) Has achieved a crosstalk width W of −25 dB or less. (C) Is about 0.15 nm, an approximately rectangular profile is obtained, and the insertion loss is approximately 0 dB, which satisfies the required specifications for DWDM. However, a ripple of 0.5 dB or more appears and does not satisfy the required specifications.
[0035]
The phenomenon that this ripple appears is also seen in four or more cavities. In FIG. 23, as the first optical medium layer 2, silicon dioxide (SiO.sub.2) having a refractive index of 1.48 is used. 2 ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer 3 2 O 5 ) Shows the spectral shapes of four cavities with four cavities and five cavities with five cavities. Design wavelength is λ 0 = 1550 nm.
[0036]
The characteristic matrix (M) is the same as in equation (7), and the reflectance coefficient | r | is in equation (8).
[0037]
In the four cavities, the second optical medium layer 3 and the first optical medium layer 2 are repeatedly laminated on the substrate 1 in a multilayer manner, and four cavity layers 4 (2L layers) are arranged, and a total of 191 multilayer films are formed. Was prepared. Design wavelength λ 0 , The characteristic matrix (M) is given by equation (7), and the reflectance coefficient | r | is given by equation (8). Referring to the bandpass spectral shape, the filter transmission width W (F) Has achieved a crosstalk width W of −25 dB or less. (C) It can be seen that a substantially rectangular profile of about 0.1 nm was obtained, and that the insertion loss was 0.2 dB, which satisfies the required specifications for DWDM. However, ripples as large as 1 dB appear, and the required specifications cannot be satisfied.
[0038]
In the five cavities, the second optical medium layer 3 and the first optical medium layer 2 are repeatedly laminated on the substrate 1 in multiple layers, and five cavity layers 4 (2L layers) are arranged, and a total of 239 multilayer films is formed. Was prepared. Design wavelength λ 0 , The characteristic matrix (M) is given by equation (7), and the reflectance coefficient | r | is given by equation (8). Referring to the bandpass spectral shape, the filter transmission width W (F) Has achieved a crosstalk width W of −25 dB or less. (C) In this case, a substantially rectangular profile of about 0.1 nm was obtained, and the insertion loss was also about 0 dB, which satisfies the required specifications for DWDM. However, ripples as high as 2.5 dB have appeared and do not satisfy the required specifications.
[0039]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the phenomenon in which ripples occur in two cavities, three cavities, four cavities, and five cavities is more remarkable in six or more cavities. As the number of cavities increases, the crosstalk width W (C) Is smaller, but the filter transmission width W (F) And the ripple strength becomes large. Filter transmission width W (F) Can be adjusted by the total number of layers, but the ripple strength cannot be adjusted.
[0040]
In addition, the silicon dioxide (SiO 2 ) And tantalum pentoxide (Ta) 2 O 5 This phenomenon is also observed when a multilayer film is formed by using tantalum pentoxide and hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H), or when a multilayer film is formed by other combinations. .
[0041]
Therefore, the filter transmission width W is as narrow as about 0.1 nm. (F) And narrow crosstalk width W (C) It is indispensable to obtain a bandpass characteristic close to a rectangle and to realize a filter structure showing a bandpass profile in which insertion loss and ripple are suppressed.
[0042]
Therefore, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems and problems of the related art, and an object of the present invention is to provide an optical multilayer filter capable of obtaining bandpass characteristics applicable to optical communication. That is.
[0043]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, an optical multilayer filter according to the present invention includes a first optical medium layer made of a first optical medium and a second optical medium made of a second optical medium having a higher refractive index than the first optical medium. A cavity structure in which a plurality of laminates, in which two optical medium layers are alternately laminated, are connected via a cavity layer made of the first optical medium or the second optical medium. A cavity structure in which the first row and first column of the matrix component of the characteristic matrix at the design wavelength are 1, the first row and second column are 0, the second row and first column are 0, and the second row and second column are 1; A third optical medium layer formed on the cavity structure, the third optical medium layer comprising a third optical medium, wherein the refractive index of the third optical medium is n; Optical multilayer filter comprising a third optical medium layer The first row and first column of the matrix component of the characteristic matrix are 0, the first row and second column are i · (1 / n), the second row and first column are i · (n), and the second row and second column are 0, or the first row and the first column are 0, the first row and the second column are i · (−1 / n), the second row and the first column are i · (−n), and the second row and the second column are It is characterized by being 0.
[0044]
According to the present invention, a cavity in which the first row and first column of the matrix component of the characteristic matrix is 1, the first row and second column is 0, the second row and first column is 0, and the second row and second column is 1 The structure, for example, the shape of the filter characteristics of an optical multilayer filter having a cavity structure having 1, 4, 5, 8, 9, and more cavities is adjusted, the ripple is reduced, and the design wavelength is reduced. Can be improved.
Here, each laminated body may have a structure in which the first optical medium layer and the second optical medium layer are alternately laminated, and the first optical medium layer and the second optical medium layer constituting each laminated body may be used. May be different in the number of optical medium layers.
[0045]
Also, a plurality of stacked bodies in which a first optical medium layer made of a first optical medium and a second optical medium layer made of a second optical medium having a higher refractive index than the first optical medium are alternately stacked. Has a cavity structure connected via a cavity layer made of the first optical medium or the second optical medium, and has a first row and first column of a matrix component of a characteristic matrix at a design wavelength as a bandpass filter. Is -1, the first row and the second column are 0, the second row and the first column are 0, and the second row and the second column are -1; and a third cavity formed on the cavity structure, An optical multilayer filter comprising: a cavity structure; and a third optical medium layer, wherein a third optical medium layer made of an optical medium is provided, and the refractive index of the third optical medium is n. Is 0 in the first row and the first column of the matrix component of the characteristic matrix The first row and second column are i · (1 / n), the second row and first column are i · (n), the second row and second column are 0, or the first row and first column are 0 and the first The second row and the first column are i · (−1 / n), the second row and the first column are i · (−n), and the second row and the second column are 0.
[0046]
According to the present invention, the first row and first column of the matrix component of the characteristic matrix are −1, the first row and second column are 0, the second row and first column are 0, and the second row and second column are −1. The shape of the filter characteristics of an optical multilayer filter having a certain cavity structure, for example, a cavity structure having two, three, six, seven or more cavities, is adjusted, ripples are reduced, and the design wavelength is reduced. The transmittance can be improved.
Here, each laminated body may have a structure in which the first optical medium layer and the second optical medium layer are alternately laminated, and the first optical medium layer and the second optical medium layer constituting each laminated body may be used. May be different in the number of optical medium layers.
[0047]
Further, the refractive index of the third optical medium is different from the refractive index of the first optical medium and the refractive index of the second optical medium.
According to the present invention, it is possible to select a third optical medium having a refractive index necessary to satisfy a predetermined filter characteristic according to a refractive index of a substrate for forming a cavity structure.
[0048]
Further, the first optical medium layer, the second optical medium layer, and the third optical medium layer have optical thicknesses of a design wavelength λ, respectively. 0 For λ 0 The cavity layer is formed so as to have an optical thickness of the design wavelength λ. 0 For λ 0 The thickness is formed so as to be an integral multiple of / 2.
[0049]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In all the drawings for describing the embodiments, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof will be omitted.
[0050]
First, a basic concept of the insertion loss in the embodiment will be described.
The Fabry-Perot type multi-cavity structure has a cavity layer formed by a multilayer film (laminated body) in which a first optical medium layer 2 (L layer) and a second optical medium layer 3 (H layer) are repeatedly formed. Based on a one-cavity structure sandwiching four (2L layers), this one-cavity structure is connected. Hereinafter, the one-cavity structure and the multi-cavity structure are referred to as a cavity structure. One cavity 5 is always symmetric with respect to the cavity layer (2L layer). In this cavity structure, regardless of the number of cavities, the design wavelength λ 0 Is the characteristic matrix (M) in Expression (7) or Expression (10). The characteristic matrix of one cavity (single cavity), four cavities, five cavities, eight cavities, nine cavities, and ten cavities is represented by Equation (7), and the characteristic matrix of two cavities, three cavities, six cavities, and seven cavities is represented by Equation (7). 10). That is, the matrix component of the first row and the first column of the characteristic matrix is 1 or -1, the matrix component of the first row and the second column of the characteristic matrix is 0, and the matrix of the second row and the first column of the characteristic matrix is The component is 0, and the matrix component in the second row and second column of the characteristic matrix is 1 or -1.
[0051]
The reflectance R obtained from such a characteristic matrix (M) is given by equation (9), and the transmittance T is given by equation (5). In this case, the transmittance T is the refractive index n of the substrate. s Is a function of
FIG. 1 shows the transmittance T and the refractive index n of the substrate in the cavity structure in which the characteristic matrix (M) is represented by the equation (7) or (10). s This shows the relationship.
[0052]
From FIG. 1, the refractive index n of the substrate s Becomes larger, the transmittance T gradually decreases. Therefore, in order to suppress the input loss, the refractive index of the substrate n s Need to be reduced.
[0053]
However, the optical substrate has a refractive index n s Substrate having a refractive index of 1.47 or the refractive index n of the substrate s Is generally about 1.48 to 1.50. Refractive index of air n 0 N 0 <N s Holds. When a quartz substrate is used, T = 0.9638 is the theoretically highest value.
Also, the refractive index of the first optical medium layer is n L , The refractive index of the second optical medium layer is n H , Then n s <N L Then, a second optical medium layer is formed on the substrate, and n s > N H Then, a first optical medium layer is formed on the substrate.
[0054]
Further, in the case of a multi-cavity structure, the ripple increases, so that it is necessary to consider the shape of the filter characteristic of the band-pass filter.
[0055]
Then, the present inventors set the design wavelength λ 0 In the conventional cavity structure of the formula (7) or (10), the first optical medium and the second optical medium are provided on the air-side surface layer (the surface layer on the opposite side of the substrate) in the conventional cavity structure of the formula (7) or (10). By arranging a third optical medium layer (X layer) made of a third optical medium having a different refractive index, it has been found that input loss can be suppressed and the shape of bandpass characteristics can be improved.
[0056]
In this case, the characteristic matrix (M) is represented by Expression (11) or Expression (12), and the reflectance coefficient | r | is represented by Expression (13). Where n x Is the refractive index of the third optical medium, n s Is the refractive index of the substrate.
[0057]
(Equation 7)
Figure 2004029526
[0058]
FIG. 2 shows the transmittance T and the refractive index of the disposed optical medium layer (here, the refractive index n of the third optical medium layer (X layer)). x ). The transmittance T was calculated from the equation (5). From FIG. 2, different refractive indices n s In any of the substrates having the refractive index n, the refractive index n of the third optical medium layer having the transmittance T of 0 dB x It turns out that exists.
Also, the refractive index n of the substrate s Increases, the refractive index n of the third optical medium layer at which the transmittance T becomes 0 dB x It can also be seen that also becomes larger.
For example, the refractive index n of the substrate s Is 1.47, the refractive index n of the third optical medium layer x Becomes about 1.2 at about 1.2, but the refractive index n of the substrate is s Is 2.37, the refractive index of the substrate is n s Is about 1.79 when 3.20, the refractive index n of the substrate s Increases, the refractive index n of the third optical medium layer at which the transmittance T becomes 0 dB x Also increases.
[0059]
For example, on a quartz substrate having a refractive index of 1.47, silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 is used as a first optical medium layer (L layer). 2 ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer (H layer) 2 O 5 ), The design wavelength λ 0 Produces a cavity structure in which the characteristic matrix (M) is expressed by the formula (7) or (10), and the refractive index n is formed on the air-side surface layer. x When the third optical medium layer (X layer) having the following formula is formed, it can be seen from FIG. 2 that the transmittance T becomes maximum when the refractive index of the third optical medium layer (X layer) is 1.21. .
[0060]
When a high-refractive-index substrate such as zinc sulfide (ZnS) having a refractive index of 2.37 is used, for example, a first optical medium layer (ZnS) having a refractive index of 2.37 is formed on a substrate. Silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 as an L layer) 2 ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer (H layer) 2 O 5 ), The design wavelength λ 0 Produces a cavity structure in which the characteristic matrix (M) is expressed by the formula (7) or (10), and the refractive index n is formed on the air-side surface layer. x When the third optical medium layer (X layer) having the following formula (1) is formed, it can be seen from FIG. 2 that the transmittance T becomes maximum when the refractive index of the third optical medium layer (X layer) is 1.55. .
[0061]
As described above, the design wavelength λ 0 A third optical medium layer (X layer) is formed on the air-side surface layer (surface layer on the opposite side of the substrate) of the conventional cavity structure having the characteristic matrix (M) of the formula (7) or (10). By forming, the characteristic matrix (M) can be expressed by Expression (11) or Expression (12), and the reflectance coefficient | r | can be expressed by Expression (13). x Can be selected, so that input loss can be suppressed.
Since good filter characteristics can be obtained by disposing these layers, the degree of freedom in designing an optical multilayer filter can be greatly increased.
[0062]
Next, the optical multilayer filter according to the first embodiment will be described.
The optical multilayer filter according to the first embodiment has a conventional cavity structure having a three-cavity structure having three cavities, in other words, a second optical medium layer 3 (H layer) composed of a second optical medium and a second optical medium layer 3 (H layer). In a structure in which three single cavities 5 are laminated while maintaining the regularity of alternately laminating the first optical medium layers 2 (L layers) composed of one optical medium, the single optical medium layers 2 (L layers) are formed last in contact with air. When the optical medium layer (referred to as a surface layer) is the second optical medium layer 3 (H layer), the third optical medium layer 18 (H layer) is formed on the second optical medium layer 3 (H layer). X layer). The cavity layer 4 is formed of, for example, a first optical medium. Further, the third optical medium layer 18 (X layer) was appropriately selected according to the substrate 1 with reference to FIG.
[0063]
As a specific structure, as shown in FIG. 3, for example, 21 layers of the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated on the transparent substrate 1. Then, a cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. For example, the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated, for example, 43 layers, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. I have. For example, the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated, for example, 43 layers, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. I have. On top of this, for example, 21 layers of the second optical medium layers 3 (H layers) and the first optical medium layers 2 (L layers) are alternately laminated. In this case, the surface layer is the second optical medium layer 3 (H layer). In addition, since the characteristic matrix (M) at this time has three cavities, the characteristic matrix (M) is represented by Expression (10). Further, a third optical medium layer 18 (X layer) made of a third optical medium different from the first optical medium and the second optical medium is formed thereon. Therefore, the multilayer film has 132 layers in total.
[0064]
The substrate 1 is a transparent substrate having a refractive index of 1.47, and the first optical medium layer 2 (L layer) is silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48. 2 ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer 3 (H layer) 2 O 5 ) Is used. Silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 as the cavity layer 4 (2L layer) 2 ) Is used.
Referring to FIG. 2, when a quartz substrate is used as the substrate 1, the refractive index n x When the third optical medium layer 18 (X layer) made of the third optical medium having a refractive index of 1.21 is used, the transmittance T is maximized. Rate n x Is 1.37, magnesium fluoride (MgF 2 ) Was used.
[0065]
Also in FIG. 3, the refractive index is schematically represented by the width of the layer. That is, the fact that the width of the second optical medium layer 3 is wider than that of the first optical medium layer 2 indicates that the refractive index of the second optical medium layer 3 is larger than that of the first optical medium layer 2. ing. Hereinafter, description will be made with reference to a similar schematic diagram.
[0066]
Each of the optical film thicknesses corresponds to a design wavelength (hereinafter, referred to as a design wavelength) as a bandpass filter. 0 When = 1550 nm, the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) have their optical thicknesses at the design wavelength λ, respectively. 0 For λ 0 The film is formed so as to have an integral multiple of / 4. Also, the cavity layer 4 (2L layer) has an optical film thickness of the design wavelength λ 0 For λ 0 The thickness is formed to be an integral multiple of / 2.
Specifically, the thickness of the first optical medium layer 2 (L layer) is 261.82 nm, and that of the second optical medium layer 3 (H layer) is 181.07 nm. The thickness of the cavity layer 4 (2L layer) is 523.64 nm. Further, the thickness of the third optical medium layer 18 (X layer) is 282.85 nm.
[0067]
In the optical multilayer filter having a three-cavity structure shown in FIG. 0 Let us consider the case of β = π / 2 corresponding to Design wavelength λ. Is represented by Expression (11), and the reflectance coefficient | r | is represented by Expression (13).
[0068]
FIG. 4 shows the filter transmission characteristics when the third optical medium layer 18 (X layer) is disposed on the surface layer as in the optical multilayer filter shown in FIG. For comparison with the conventional cavity structure, the filter transmission characteristics of the conventional three-cavity structure without the third optical medium layer 18 (X layer) are also shown. The conventional three-cavity structure has a ripple strength of about 0.6 dB. On the other hand, the one in which the third optical medium layer 18 (X layer) is disposed has a design wavelength λ. 0 It can be seen that there is no drop in transmittance in the portion deviated from = 1550 nm, and the ripple strength is greatly improved to 0.1 dB.
Also, the design wavelength λ 0 It can be seen that the transmittance at = 1550 nm is improved.
[0069]
The reflectance coefficient | r | in the conventional cavity structure is the design wavelength λ. 0 Equation (8) is obtained.
On the other hand, in the structure shown in the first embodiment, Expression (13) is obtained. When the refractive indices of the quartz substrate 1 and the third optical medium layer 18 (X layer) are substituted, the reflectance coefficient | r | = 0.216, which is smaller than the reflectance coefficient | r | Become.
In addition, by arranging the third optical medium layer 18 (X layer), it can be seen that the bandpass filter characteristic becomes more rectangular as shown in FIG.
[0070]
In the first embodiment, the total number of layers is 132, but the desired filter transmission width W (F) And crosstalk width W (C) In order to obtain the same effect, the same effect can be obtained even when the number of layers of the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) is appropriately changed to form an optical multilayer filter. can get.
[0071]
In the first embodiment, magnesium fluoride having a refractive index of 1.37 is used as the third optical medium layer 18 (X layer), but fluorite (fluoride) having a refractive index of 1.127 is used. Calcium: CaF 2 ) May be used. When fluorite was used, the reflectance coefficient was | r | = 0.0729, and magnesium fluoride (MgF 2 )).
In FIG. 2, the third optical medium layer 18 can be appropriately selected in order to obtain a desired transmittance T.
[0072]
Next, an optical multilayer filter using zinc sulfide (ZnS), which is a high refractive index substrate having a refractive index of 2.37, as the substrate 1 will be described.
For example, as the first optical medium layer 2 (L layer), silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 2 ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer 3 (H layer) 2 O 5 ) Is used. Silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 as the cavity layer 4 (2L layer) 2 ), An optical multilayer filter as shown in FIG. 3 was produced. In this case, the first optical medium layer 2 (L layer) is formed on the substrate 1 because a high refractive index substrate is used as the substrate 1.
[0073]
Referring to FIG. 2, when zinc sulfide (ZnS) having a refractive index of 2.37 is used as the substrate 1, the refractive index n is added to the third optical medium layer 18 (X layer). x When the optical medium having a value of 1.54 is used, the transmittance becomes maximum. Here, the refractive index n that can be used stably x Is 1.54 (SiO 2) x ) Or 1.79 silicon oxynitride (SiO x N y ) Is used.
[0074]
Each of the optical film thicknesses corresponds to a design wavelength (hereinafter, referred to as a design wavelength) as a bandpass filter. 0 When = 1550 nm, the first optical medium layer 2 (H layer) and the second optical medium layer 3 (L layer) have their optical thicknesses at the design wavelength λ, respectively. 0 For λ 0 The film is formed so as to have an integral multiple of / 4. Also, the cavity layer 4 (2L layer) has an optical film thickness of the design wavelength λ 0 For λ 0 The thickness is formed to be an integral multiple of / 2.
[0075]
FIG. 5 shows that the substrate 1 is made of zinc sulfide (ZnS) having a refractive index of 2.37, and the third optical medium layer 18 (X layer) is made of silicon oxide (SiO 2) having a refractive index of 1.54. x 4) shows the filter transmission characteristics of the optical multilayer filter when (1) is used. For comparison with the conventional cavity structure, the filter transmission characteristics of the conventional three-cavity structure are also shown. The conventional three-cavity structure has a ripple strength of about 0.6 dB. On the other hand, the arrangement of the third optical medium layer 18 (X layer) has the design wavelength λ. 0 = 1550 nm, the transmittance at the design wavelength λ 0 It can be seen that there is no drop in the transmittance at the = 1550 nm portion, and the ripple strength is greatly improved to 0 dB.
[0076]
The reflectance coefficient | r | in the conventional cavity structure is the design wavelength λ. 0 Equation (8) is obtained.
On the other hand, in the structure shown in the first embodiment, Expression (13) is obtained. When the refractive indices of the quartz substrate 1 and the third optical medium layer 18 (X layer) are substituted, the reflectance coefficient | r | = 7.03 × 10 -4 , The reflection coefficient becomes smaller than the reflectance coefficient | r | obtained from the equation (8).
[0077]
Also in this case, the desired filter transmission width W (F) And crosstalk width W (C) In order to obtain the same effect, the same effect can be obtained even when the number of layers of the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) is appropriately changed to form an optical multilayer filter. can get.
Further, as the third optical medium layer 18 (X layer), a silicon oxide (SiO 2) having a refractive index of 1.54 is used. x ) Was used, but silicon oxynitride (SiO.sub.2) having a refractive index of 1.79 was used. x N y ) May be used.
In FIG. 2, the third optical medium layer 18 (X layer) can be appropriately selected in order to obtain a desired transmittance T.
[0078]
Next, an optical multilayer filter using a silicon substrate (Si) which is a high refractive index substrate having a refractive index of 3.2 as the substrate 1 will be described.
For example, as the first optical medium layer 2 (L layer), silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 2 ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer 3 (H layer) 2 O 5 ) Is used. As the cavity layer 4 (2L layer), silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 2 ), An optical multilayer filter as shown in FIG. 3 was produced. In this case, the first optical medium layer 2 (L layer) is formed on the substrate 1 because a high refractive index substrate is used as the substrate 1.
[0079]
Referring to FIG. 2, when a silicon substrate (Si) having a refractive index of 3.2 is used as the substrate 1, the third optical medium film 18 has a refractive index n. x Is 1.79, the transmittance T becomes maximum. Here, the refractive index n that can be used stably x Is 1.54 (SiO 2) x ) Or 1.79 silicon oxynitride (SiO x N y ) Is used.
[0080]
Each of the optical film thicknesses corresponds to a design wavelength (hereinafter, referred to as a design wavelength) as a bandpass filter. 0 When = 1550 nm, the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) have their optical thicknesses at the design wavelength λ, respectively. 0 For λ 0 The film is formed so as to have an integral multiple of / 4. Also, the cavity layer 4 (2L layer) has an optical film thickness of the design wavelength λ 0 For λ 0 The thickness is formed to be an integral multiple of / 2.
[0081]
FIG. 6 shows that the substrate 1 is made of silicon (Si) having a refractive index of 3.20, and the third optical medium layer 18 (X layer) is made of silicon oxynitride (SiO 2) having a refractive index of 1.79. x N y ) And silicon dioxide (SiO.sub.2) having a refractive index of 1.48. 2 4) shows the filter transmission characteristics of the optical multilayer filter when formed by the method of FIG. For comparison with the conventional cavity structure, the filter transmission characteristics of the conventional three-cavity structure are also shown. In a conventional three-cavity structure, the ripple strength is about 1.3 dB.
On the other hand, when the third optical medium layer 18 (X layer) having a refractive index of about 1.79 is disposed, the design wavelength λ 0 It can be seen that there is no drop in transmittance at = 1550 nm, and the ripple strength is greatly improved to 0 dB.
[0082]
Also, the design wavelength λ 0 Since the transmittance T at = 1550 nm is also approximately 0 dB, the reflectance coefficient | r | is approximately 0. However, the filter transmission width W (F) Is thinner, so that there is a concern that the film becomes more susceptible to fluctuations in film thickness.
In the case where the third optical medium layer 18 (X layer) having the refractive index of 1.48 is arranged, the design wavelength λ 0 It can be seen that there is no drop in transmittance at = 1550 nm and the ripple strength is greatly improved.
Further, it can be seen that the bandpass filter characteristic becomes more rectangular than that in the case where the third optical medium layer 18 (X layer) having the refractive index of 1.79 is arranged.
Therefore, the one provided with the third optical medium layer 18 (X layer) having a refractive index of 1.48 is the one provided with the third optical medium layer 18 (X layer) having a refractive index of 1.79. Although the insertion loss is slightly increased, it can be seen that the filter transmission characteristics can be used stably because the shape of the filter transmission characteristics approaches a rectangle.
[0083]
Also in this case, the desired filter transmission width W (F) And crosstalk width W (C) In order to obtain the same effect, the same effect can be obtained even when the number of layers of the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) is appropriately changed to form an optical multilayer filter. can get.
[0084]
Next, a manufacturing method will be described. Various forming apparatuses and forming methods have been attempted to stack the above materials to form a multilayer film. Among them, the sputtering method (sputtering method) does not require the use of a highly dangerous gas or a toxic gas, and the surface unevenness (surface morphology) of the deposited film is relatively good. It is one of the devices and methods. Among them, as an excellent apparatus and method for obtaining a film having a stoichiometric composition in a sputtering method, a reaction gas such as an oxygen gas or a nitrogen gas is supplied to prevent a loss of oxygen or nitrogen in the film. Promising sputtering apparatus and method are promising.
[0085]
Among the reactive sputtering apparatuses and methods, a substrate is irradiated with a plasma flow generated by using electron cyclotron resonance (ECR) and a divergent magnetic field, and a high frequency or DC voltage is applied between a target and ground. An apparatus and method for depositing a film on a substrate by attracting and colliding ions in a plasma flow generated by the ECR with a target to cause a collision (hereinafter, referred to as an ECR sputtering method) provides a good film quality. The most promising to get.
The feature of the ECR sputtering method is described in, for example, Onochi, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 23, No. 8, p. L534, 1984 (Jpn. J. Appl. Phys. 23, no. 8, L534 (1984)). ).)It is described in.
[0086]
Generally, in the RF magnetron sputtering method, a stable plasma cannot be obtained unless the gas pressure is about 0.1 Pa or more, whereas in the ECR sputtering method, the gas pressure in the molecular flow region of about 0.01 Pa or less is obtained. And a stable ECR plasma can be obtained.
In the ECR sputtering method, since sputtering is performed by applying ions generated by ECR to a target with high frequency or DC voltage, sputtering can be performed at a low pressure.
[0087]
In the ECR sputtering method, a substrate is irradiated with an ECR plasma flow and sputtered particles. The ions in the ECR plasma stream are controlled by a diverging magnetic field to an energy of 10 eV to several tens eV. Further, since the plasma is generated and transported at a pressure low enough for the gas to behave as a molecular flow, a large ion current density of ions reaching the substrate can be obtained. Therefore, the ions of the ECR plasma flow give energy to the raw particles sputtered and fly to the substrate, and promote the bonding reaction between the raw particles and oxygen or nitrogen, so that the film quality is improved.
[0088]
The ECR sputtering method is particularly characterized in that a high quality film can be formed on a substrate at a low substrate temperature close to room temperature without external heating. Regarding high-quality thin film deposition by the ECR sputtering method, see, for example, Amazawa et al., Journal Off-Vacuum Science and Technology, Vol. B17, No. 5, page 2222, 1999 (J. Vac. Sci. Technol. B17, no. 5, 2222 (1999).).
The surface morphology of the film deposited by the ECR sputtering method is flat on the order of an atomic scale. Therefore, the ECR sputtering method is a promising apparatus / method for forming a multilayer film composed of an ultrathin film on the order of nanometers.
[0089]
Further, in the ECR sputtering method, the refractive index of the deposited film can be accurately controlled by controlling the partial pressure of the reactive gas. By utilizing this characteristic, a deposited film adjusted to an arbitrary refractive index, which is difficult by other sputtering methods, can be formed and formed as a multilayer film.
In the first embodiment, an optical multilayer filter was manufactured using an ECR sputtering apparatus. FIG. 7 shows a schematic diagram of an electron cyclotron resonance (ECR) device.
[0090]
The manufacturing method will be specifically described. First, after the inside of the container is evacuated, a sputter gas and a reactive gas are introduced into an ECR plasma source to adjust the gas pressure to an appropriate value. Next, after a magnetic field of 0.0875 T is generated in the ECR plasma source by the magnetic coil 9, a microwave having a frequency of 2.45 GHz is introduced into the ECR plasma source through the waveguide and the quartz window 11, and is introduced into the ECR region 8. Generate an electron cyclotron resonance (ECR) plasma.
The ECR plasma creates a plasma flow in the direction of the substrate 1 by a diverging magnetic field. The ECR plasma source shown in the embodiment is for temporarily branching the introduced microwave power and recombining it just before the plasma source. By preventing scattered particles from the target 7 from adhering to the quartz introduction window, The running time can be greatly improved. A ring-shaped circular target 7 is arranged between the ECR plasma source and the substrate 1, and a high-frequency voltage is applied to the target 7 to perform sputtering to form a thin film on the substrate 1 attached to the substrate holder 6.
[0091]
In addition, a plurality of ECR plasma sources and a plurality of targets are provided, and switching is performed to perform sputtering, whereby a plurality of deposited films having different refractive indexes can be formed on the substrate 1 as a multilayer film.
For example, in the first embodiment, a silicon target and a tantalum target are respectively installed in two ECR plasma sources, and silicon dioxide (SiO 2) is used as the first optical medium layer 2 (L layer). 2 ) As tantalum pentoxide (Ta) as the second optical medium layer 3 (H layer). 2 O 5 ) As the cavity layer 4 using silicon dioxide (SiO 2) 2 ) Or tantalum pentoxide (Ta) 2 O 5 ) Is used as the third optical medium layer 18 (X layer) as silicon oxide (SiO 2). x ) Or silicon oxynitride (SiO x N y ), The optical multilayer filter of the present invention can be formed.
The third optical medium layer 18 (X layer) can be formed by installing a magnesium target or a calcium target in an ECR plasma source and introducing fluorine as a reactive gas.
[0092]
In an ECR sputtering apparatus, a silicon oxide thin film, a silicon oxynitride thin film and an alumina thin film are formed using silicon and pure aluminum as targets, oxygen gas and nitrogen gas as reactive gases, and argon as an inert gas. Was done. Regardless of the amount of the reactive gas to be supplied, argon is introduced into the ECR plasma source so that plasma can be stably obtained.
[0093]
FIG. 8 shows the oxygen flow rate dependence of the refractive index of the silicon oxide film, silicon oxynitride, and alumina film formed on the substrate 1 as described above. The argon gas flow rate was 20 sccm, the oxygen gas flow rate was varied between 0 and 8 sccm, the microwave power introduced into the ECR ion source was 500 W, and the high frequency power applied to the target was 500 W. However, in silicon oxynitride, the total flow rate of oxygen and nitrogen is adjusted to be 10 sccm. The substrate 1 is not heated. The refractive index was measured using an ellipsometer with a 638 nm laser.
[0094]
According to FIG. 8, the refractive indices of the silicon oxide film, the silicon oxynitride film, and the alumina film decrease as the oxygen flow rate increases, and the refractive indices of the silicon dioxide or sapphire substrate satisfy the stoichiometric composition. It turns out that it becomes. This shows that the reactive gas can control the refractive index while maintaining good film quality.
Specifically, the refractive index is in the range of 1.47 to 3.8 for a silicon oxide film, 1.47 to 2.0 for a silicon oxynitride film, and 1.61 for an alumina film. To 4.3.
[0095]
Furthermore, not only a silicon oxide film including a silicon dioxide film and an alumina film, but also tantalum pentoxide, titanium dioxide, zirconium dioxide, hafnium dioxide, lanthanum dioxide, selenium dioxide, cerium dioxide, antimony trioxide, antimony trioxide, which can be formed by ECR sputtering. Oxides such as indium oxide, magnesium oxide and sodium dioxide, silicon nitride, nitrides such as aluminum nitride, zirconium nitride, hafnium nitride, lanthanum nitride, and oxynitrides such as silicon oxynitride, magnesium fluoride, fluorine Fluorides such as selenium fluoride, cerium trifluoride, calcium difluoride, lithium fluoride, and trisodium aluminum hexafluoride; and amorphous silicon introduced with hydrogen during deposition, or oxides of binary alloys, Even the nitride of the original alloy It is the refractive index control by the refractory gas flow rate (partial pressure).
[0096]
Next, an optical multilayer filter according to Embodiment 2 will be described.
Although the case where the cavity layer 4 is formed of the first optical medium has been described in the first embodiment, the same effect can be obtained when the cavity layer 4 is formed of the second optical medium. As an example, a three-cavity structure having three cavities will be described.
[0097]
The optical multilayer filter according to Embodiment 2 has a conventional cavity structure having a three-cavity structure having three cavities, in other words, a second optical medium layer 3 (H layer) composed of a second optical medium and a second optical medium layer 3 (H layer). In a structure in which three single cavities 5 are laminated while maintaining the regularity of alternately laminating the first optical medium layers 2 (L layers) made of one optical medium, they are formed last in contact with air. When the optical medium layer (referred to as a surface layer) is the second optical medium layer 3 (H layer), a second optical medium layer 3 (H layer) is formed on the second optical medium layer 3 (H layer). This is a structure in which the third optical medium layer 18 (X layer) is formed. The cavity layer 4 was formed using the second optical medium. Further, the third optical medium layer 18 (X layer) was appropriately selected according to the substrate 1 with reference to FIG.
[0098]
As a specific structure, as shown in FIG. 9, for example, 20 layers of the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated on the transparent substrate 1. Then, a cavity layer 4 (2H layer) is formed thereon. For example, the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) are alternately laminated, for example, 43 layers, and the cavity layer 4 (2H layer) is formed thereon. I have. For example, the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) are alternately laminated, for example, 43 layers, and the cavity layer 4 (2H layer) is formed thereon. I have. The first optical medium layers 2 (L layers) and the second optical medium layers 3 (H layers) are alternately laminated thereon, for example, 20 layers. At this time, the surface layer is the second optical medium layer 3 (H layer). Further, the characteristic matrix (M) at this time is represented by Expression (10). Further, a third optical medium layer 18 (X layer) is formed thereon. Therefore, the multilayer film has a total of 130 layers.
[0099]
The substrate 1 is a quartz substrate having a refractive index of 1.47, and the first optical medium layer 2 (L layer) is silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48. 2 ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer 3 (H layer) 2 O 5 ) Is used. Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the cavity layer 4 (2H layer) 2 O 5 ) Is used.
Referring to FIG. 2, when a quartz substrate is used as the substrate 1, the refractive index n x When the third optical medium layer 18 (X layer) made of the third optical medium having a refractive index of 1.21 is used, the transmittance T is maximized. Rate n x Is 1.37, magnesium fluoride (MgF 2 ) Was used.
[0100]
Each optical film thickness is designed wavelength λ as a bandpass filter. 0 (Hereinafter referred to as design wavelength) is λ 0 When = 1550 nm, the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) have their optical thicknesses at the design wavelength λ, respectively. 0 For λ 0 The film is formed so as to have an integral multiple of / 4. Also, the cavity layer 4 (2H layer) has an optical film thickness of the design wavelength λ 0 For λ 0 The thickness is formed to be an integral multiple of / 2.
Specifically, the thickness of the first optical medium layer 2 (L layer) is 261.82 nm, and that of the second optical medium layer 3 (H layer) is 181.07 nm. The cavity layer 4 (2H layer) has a thickness of 362.14 nm. Further, the thickness of the third optical medium layer 18 (X layer) is 282.85 nm.
[0101]
In the optical multilayer filter having a three-cavity structure shown in FIG. 0 Let us consider the case of β = π / 2 corresponding to Design wavelength λ. Is represented by Expression (12), and the reflectance coefficient | r | is represented by Expression (13).
[0102]
FIG. 10 shows filter transmission characteristics when the third optical medium layer 18 (X layer) is disposed on the surface layer as in the optical multilayer filter shown in FIG. For comparison with the conventional cavity structure, the filter transmission characteristics of the conventional three-cavity structure without the third optical medium layer 18 (X layer) are also shown. In the conventional three-cavity structure, the ripple strength is about 0.2 dB. On the other hand, the arrangement of the third optical medium layer 18 (X layer) has the design wavelength λ. 0 It can be seen that there is no drop in transmittance at = 1550 nm and the ripple strength is improved to 0 dB.
Also, it can be seen that the filter transmission width becomes narrower.
[0103]
The reflectance coefficient | r | in the conventional cavity structure is the design wavelength λ. 0 Equation (8) is obtained.
On the other hand, in the structure shown in the first embodiment, Expression (13) is obtained. When the refractive index of the quartz substrate and the third optical medium layer 18 (X layer) is substituted, the reflectance coefficient | r | = 0.216, which is smaller than the reflectance coefficient | r | obtained from the equation (8). .
In addition, by arranging the third optical medium layer 18 (X layer), it can be seen that the bandpass filter characteristic becomes more rectangular as shown in FIG.
[0104]
In the second embodiment, magnesium fluoride having a refractive index of 1.37 is used as the third optical medium layer 18 (X layer), but fluorite (calcium fluoride: CaF 2) having a refractive index of 1.127 is used. 2 ) May be used. When fluorite is used, the reflectance coefficient is | r | = 0.0791, which is even smaller than that of magnesium fluoride.
In the second embodiment, a quartz substrate having a refractive index of 1.47 is used as the substrate 1. However, other substrates, for example, zinc sulfide (ZnS) and silicon (Si) can be used. The input loss can be suppressed by selecting an optical medium having an optimum refractive index according to the substrate thus set.
[0105]
In the second embodiment, the total number of layers is 130, but the desired filter transmission width W (F) And crosstalk width W (C) In order to obtain the same effect, the same effect can be obtained even when the number of layers of the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) is appropriately changed to form an optical multilayer filter. can get.
[0106]
In addition, as in the first embodiment, a silicon target and a tantalum target are respectively set in two ECR plasma sources using an ECR sputtering apparatus, and the first optical medium layer 2 (L layer ) Can be formed by depositing tantalum pentoxide as the second optical medium layer 3 (H layer).
The third optical medium layer 18 (X layer) can be formed by installing a magnesium target or a calcium target in an ECR plasma source and introducing fluorine as a reactive gas.
Also, in the second embodiment, as shown in FIG. 8, the refractive index can be changed by changing the oxygen flow rate, so that the filter characteristics can be adjusted. In the ECR sputtering apparatus, by controlling the refractive index by selecting the material of the target and the flow rate (quantity) of the reactive gas, it is possible to obtain an optimal filter characteristic by selecting an optimal refractive index.
[0107]
Next, an optical multilayer filter according to Embodiment 3 will be described.
Although the above embodiment has been described in comparison with the conventional three-cavity structure, it is also effective for a three-cavity or more cavity structure. As an example, a four-cavity structure having four cavities will be described. The cavity layer 4 was formed using the first optical medium.
[0108]
The optical multilayer filter according to the third embodiment has a conventional cavity structure having a four-cavity structure having four cavities, in other words, a second optical medium layer 3 (H layer) including a second optical medium and a second optical medium layer 3 (H layer). In a structure in which four single cavities 5 are laminated while maintaining regularity of alternately laminating the first optical medium layers 2 (L layers) made of one optical medium, the single optical medium layer 2 is formed last in contact with air. When the optical medium layer (referred to as a surface layer) is the first optical medium layer 2 (L layer), a first optical medium layer 2 (L layer) is formed on the first optical medium layer 2 (L layer). This is a structure in which the third optical medium layer 18 (X layer) is formed. The cavity layer 4 was formed using the first optical medium. Further, the third optical medium layer 18 (X layer) was appropriately selected according to the substrate 1 with reference to FIG.
[0109]
As a specific structure, as shown in FIG. 11, for example, 21 layers of the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated on the transparent substrate 1. Then, a cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. For example, the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated, for example, 43 layers, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. Have been. For example, the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated, for example, 45 layers, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. I have. For example, the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated, for example, 43 layers, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. I have. Further, a second optical medium layer 3 (H layer) and a first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated thereon, for example, 20 layers. At this time, the surface layer is the first optical medium layer 2 (L layer). At this point, the characteristic matrix (M) is represented by Expression (7). Further, a third optical medium layer 18 (X layer) is formed on the surface layer. Therefore, the multilayer film has 177 layers in total.
[0110]
The substrate 1 is a quartz substrate having a refractive index of 1.47, and the first optical medium layer 2 (L layer) is silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48. 2 ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer 3 (H layer) 2 O 5 ) Is used. Silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 as the cavity layer 4 (2L layer) 2 ) Is used.
Referring to FIG. 2, when a quartz substrate is used as the substrate 1, the refractive index n x When the third optical medium layer 18 (X layer) made of the third optical medium having a refractive index of 1.21 is used, the transmittance T is maximized. Rate n x Is 1.37, magnesium fluoride (MgF 2 ) Was used.
[0111]
Each of the optical film thicknesses corresponds to a design wavelength (hereinafter, referred to as a design wavelength) as a bandpass filter. 0 When = 1550 nm, the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) have their optical thicknesses at the design wavelength λ, respectively. 0 For λ 0 The film is formed so as to have an integral multiple of / 4. Also, the cavity layer 4 (2L layer) has an optical film thickness of the design wavelength λ 0 For λ 0 The thickness is formed to be an integral multiple of / 2.
Specifically, the thickness of the first optical medium layer 2 (L layer) is 261.82 nm, and that of the second optical medium layer 3 (H layer) is 181.07 nm. The thickness of the cavity layer 4 (2L layer) is 523.64 nm. Further, the thickness of the third optical medium layer 18 (X layer) is 282.85 nm.
[0112]
In the optical multilayer filter having the four-cavity structure shown in FIG. 0 Let us consider the case of β = π / 2 corresponding to Design wavelength λ. Is represented by Expression (11), and the reflectance coefficient | r | is represented by Expression (13).
[0113]
FIG. 12 shows the filter transmission characteristics when the third optical medium layer 18 (X layer) is disposed on the surface layer as in the optical multilayer filter shown in FIG. For comparison with the conventional cavity structure, the filter transmission characteristics of the conventional four-cavity structure without the third optical medium layer 18 (X layer) are also shown. The conventional four-cavity structure has a ripple strength of about 1.2 dB. On the other hand, the arrangement of the third optical medium layer 18 (X layer) has the design wavelength λ. 0 It can be seen that there is no drop in transmittance in the portion deviated from = 1550 nm, and the ripple strength is greatly improved to 0.2 dB.
Also, the design wavelength λ 0 It can be seen that the transmittance at = 1550 nm is improved.
[0114]
The reflectance coefficient | r | in the conventional cavity structure is the design wavelength λ. 0 Equation (8) is obtained.
On the other hand, in the structure shown in the third embodiment, Expression (13) is obtained. When the refractive index of the quartz substrate and the third optical medium layer 18 (X layer) is substituted, the reflectance coefficient | r | = 0.216, which is smaller than the reflectance coefficient | r | obtained from the equation (8). .
In addition, by arranging the third optical medium layer 18 (X layer), it can be seen that the bandpass filter characteristic becomes more rectangular as shown in FIG.
[0115]
In the third embodiment, magnesium fluoride having a refractive index of 1.37 is used as the third optical medium layer 18 (X layer), but fluorite (calcium fluoride: CaF 2) having a refractive index of 1.127 is used. 2 ) May be used. When fluorite is used, the reflectance coefficient is | r | = 0.0791, which is even smaller than that of magnesium fluoride.
In the third embodiment, a quartz substrate having a refractive index of 1.47 is used as the substrate 1. However, other substrates, for example, zinc sulfide (ZnS) and silicon (Si) can be used. The input loss can be suppressed by selecting an optical medium having an optimum refractive index in accordance with the substrate set.
[0116]
In the third embodiment, the total number of layers is 177, but the desired filter transmission width W (F) And crosstalk width W (C) In order to obtain the same effect, the same effect can be obtained even when the number of layers of the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) is appropriately changed to form an optical multilayer filter. can get.
[0117]
Further, in the third embodiment, the case where the cavity layer 4 is formed of the first optical medium has been described, but the present invention is also effective when the cavity layer 4 is formed of the second optical medium.
In this case, in order to maintain the regularity of alternately laminating the first optical medium layers 2 (L layers) and the second optical medium layers 3 (H layers), the first optical medium layers 2 (L Layer) and the number of layers of the second optical medium layer 3 (H layer) need to be changed.
[0118]
In addition, as in the first embodiment, a silicon target and a tantalum target are respectively set in two ECR plasma sources using an ECR sputtering apparatus, and the first optical medium layer 2 (L layer ) As silicon dioxide (SiO 2 ) As tantalum pentoxide (Ta) as the second optical medium layer 3 (H layer). 2 O 5 ) Can be formed.
The third optical medium layer 18 (X layer) can be formed by installing a magnesium target or a calcium target in an ECR plasma source and introducing fluorine as a reactive gas.
[0119]
Also, in the third embodiment, as shown in FIG. 8, the refractive index can be changed by changing the oxygen flow rate, so that the filter characteristics can be adjusted. In the ECR sputtering apparatus, by controlling the refractive index by selecting the material of the target and the flow rate (quantity) of the reactive gas, it is possible to obtain an optimal filter characteristic by selecting an optimal refractive index.
[0120]
Next, an optical multilayer filter according to Embodiment 4 will be described.
In the embodiments described above, the conventional three-cavity structure and the conventional four-cavity structure have been compared and described. However, the present invention is also effective for a cavity structure larger than that. A five-cavity structure having five cavities will be described as an example. The cavity layer 4 was formed using the first optical medium.
[0121]
The optical multilayer filter according to the fourth embodiment has a conventional cavity structure having a five-cavity structure having five cavities, in other words, a second optical medium layer 3 (H layer) made of a second optical medium and a second optical medium layer 3 (H layer). In a structure in which five single cavities 5 are laminated while maintaining the regularity of alternately laminating the first optical medium layers 2 (L layers) composed of one optical medium, the single optical medium layers are formed last in contact with air. When the optical medium layer (referred to as a surface layer) is the second optical medium layer 3 (H layer), a second optical medium layer 3 (H layer) is formed on the second optical medium layer 3 (H layer). This is a structure in which the third optical medium layer 18 (X layer) is formed. The cavity layer 4 was formed using the first optical medium. Further, the third optical medium layer 18 (X layer) was appropriately selected according to the substrate 1 with reference to FIG.
[0122]
As a specific structure, as shown in FIG. 13, for example, 21 layers of the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated on the transparent substrate 1. Then, a cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. For example, the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated, for example, 43 layers, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. I have. For example, the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated, for example, 45 layers, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. I have. For example, the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated, for example, 45 layers, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. I have. For example, the second optical medium layer 3 (H layer) and the first optical medium layer 2 (L layer) are alternately laminated, for example, 43 layers, and the cavity layer 4 (2L layer) is formed thereon. I have. On top of this, for example, 21 layers of the second optical medium layers 3 (H layers) and the first optical medium layers 2 (L layers) are alternately laminated. At this time, the surface layer is the second optical medium layer 3 (H layer). Design wavelength λ at this point 0 Is a characteristic matrix (M) in Equation (7). Further, a third optical medium layer 18 (X layer) is formed on the surface layer. Therefore, a multilayer film of 224 layers is formed in total.
[0123]
The substrate 1 is a quartz substrate having a refractive index of 1.47, and the first optical medium layer 2 (L layer) is silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48. 2 ), Tantalum pentoxide (Ta) having a refractive index of 2.14 as the second optical medium layer 3 (H layer) 2 O 5 ) Is used. Silicon dioxide (SiO 2) having a refractive index of 1.48 as the cavity layer 4 (2L layer) 2 ) Is used.
Referring to FIG. 2, when a quartz substrate is used as the substrate 1, the refractive index n x When the third optical medium layer 18 (X layer) made of the third optical medium having a refractive index of 1.21 is used, the transmittance T is maximized. Rate n x Is 1.37, magnesium fluoride (MgF 2 ) Was used.
[0124]
Each of the optical film thicknesses corresponds to a design wavelength (hereinafter, referred to as a design wavelength) as a bandpass filter. 0 When = 1550 nm, the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) have their optical thicknesses at the design wavelength λ, respectively. 0 For λ 0 The film is formed so as to have an integral multiple of / 4. Also, the cavity layer 4 (2L layer) has an optical film thickness of the design wavelength λ 0 For λ 0 The thickness is formed to be an integral multiple of / 2. Specifically, the thickness of the first optical medium layer 2 (L layer) is 261.82 nm, and that of the second optical medium layer 3 (H layer) is 181.07 nm. The thickness of the cavity layer 4 (2L layer) is 523.64 nm. Further, the thickness of the third optical medium layer 18 (X layer) is 282.85 nm.
[0125]
In the optical multilayer filter having a three-cavity structure shown in FIG. 0 Let us consider the case of β = π / 2 corresponding to Design wavelength λ. Is represented by Expression (11), and the reflectance coefficient | r | is represented by Expression (13).
[0126]
FIG. 14 shows filter transmission characteristics when the third optical medium layer 18 (X layer) is arranged on the surface layer as in the optical multilayer filter shown in FIG. For comparison with the conventional cavity structure, the filter transmission characteristics of a conventional five-cavity structure without the third optical medium layer 18 (X layer) are also shown. The conventional five-cavity structure has a ripple strength of about 1.0 dB. On the other hand, the arrangement of the third optical medium layer 18 (X layer) has the design wavelength λ. 0 It can be seen that there is no drop in transmittance in the portion deviated from = 1550 nm, and the ripple strength is greatly improved to 0.1 dB.
Also, the design wavelength λ 0 It can be seen that the transmittance at = 1550 nm is improved.
[0127]
The reflectance coefficient | r | in the conventional cavity structure is the design wavelength λ. 0 Equation (8) is obtained.
On the other hand, in the structure shown in the first embodiment, Expression (11) is obtained. When the refractive index of the quartz substrate and the third optical medium layer 18 (X layer) is substituted, the reflectance coefficient | r | = 0.216, which is smaller than the reflectance coefficient | r | obtained from the equation (8). .
In addition, by arranging the X layer, it can be seen that the bandpass filter characteristic becomes more rectangular as shown in FIG.
[0128]
In the fourth embodiment, the total number of layers is 224, but the desired filter transmission width W (F) And crosstalk width W (C) In order to obtain the same effect, the same effect can be obtained even when the number of layers of the first optical medium layer 2 (L layer) and the second optical medium layer 3 (H layer) is appropriately changed to form an optical multilayer filter. can get.
[0129]
In the fourth embodiment, magnesium fluoride having a refractive index of 1.37 is used as the third optical medium layer 18 (X layer), but fluorite (calcium fluoride: CaF 2) having a refractive index of 1.127 is used. 2 ) May be used. When fluorite is used, the reflectance coefficient is | r | = 0.0791, which is even smaller than that of magnesium fluoride.
In the fourth embodiment, a quartz substrate having a refractive index of 1.47 is used as the substrate 1. However, other substrates, for example, zinc sulfide (ZnS) and silicon (Si) can be used. The input loss can be suppressed by selecting an optical medium having an optimum refractive index in accordance with the substrate set.
[0130]
Further, in the fourth embodiment, the case where the cavity layer 4 is formed of the first optical medium has been described. However, the same effect can be obtained when the cavity layer 4 is formed of the second optical medium.
In this case, in order to maintain the regularity of alternately laminating the first optical medium layers 2 (L layers) and the second optical medium layers 3 (H layers), the first optical medium layers 2 (L Layer) and the number of layers of the second optical medium layer 3 (H layer) need to be changed.
[0131]
Further, as in the first embodiment, a silicon target and a tantalum target are respectively installed in three ECR plasma sources using an ECR sputtering apparatus, and the first optical medium layer 2 (L layer ) Can be formed by depositing tantalum pentoxide as the second optical medium layer 3 (H layer).
The third optical medium layer 18 (X layer) can be formed by installing a magnesium target or a calcium target in an ECR plasma source and introducing fluorine as a reactive gas.
Also, in the fifth embodiment, as shown in FIG. 8, the refractive index can be changed by changing the oxygen flow rate, so that the filter characteristics can be adjusted. In the ECR sputtering apparatus, by controlling the refractive index by selecting the material of the target and the flow rate (quantity) of the reactive gas, it is possible to obtain an optimal filter characteristic by selecting an optimal refractive index.
[0132]
【The invention's effect】
According to the present invention, by forming the third optical medium layer made of the third optical medium on the surface layer of the conventional cavity structure, the first row and first column of the matrix component of the characteristic matrix (M) are formed. Is 0, the first row and second column is i · (1 / n), the second row and first column is i · (n), the second row and second column is 0, or the first row and first column is 0. , The first row and the second column can be set to i · (−1 / n), the second row and the first column can be set to i · (−n), and the second row and the second column can be set to 0. By selecting the third optical medium having the ratio, the input loss can be suppressed.
[0133]
Further, by adjusting the shape of the filter characteristics, reducing the ripples, and improving the transmittance at the design wavelength, an optical multilayer filter having band-pass characteristics applicable to optical communication can be obtained. Further, similar filter characteristics can be obtained with a smaller number of layers than in the conventional cavity structure, which is economically effective.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the relationship between the refractive index and the transmittance of a substrate.
FIG. 2 is a diagram for explaining a relationship between a refractive index and a transmittance of an optical medium layer to be arranged.
FIG. 3 is a diagram for explaining the structure of the optical multilayer filter according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram for explaining filter characteristics of the optical multilayer filter according to the first embodiment;
FIG. 5 is a diagram for explaining filter characteristics of another optical multilayer filter according to the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram for explaining filter characteristics of another optical multilayer filter according to the first embodiment.
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining an electron cyclotron resonance (ECR) device.
FIG. 8 is a diagram showing characteristics of a film manufactured using an electron cyclotron resonance (ECR) device.
FIG. 9 is a diagram for explaining a structure of an optical multilayer filter according to a second embodiment.
FIG. 10 is a diagram for explaining filter characteristics of the optical multilayer filter according to the second embodiment.
FIG. 11 is a diagram for explaining a structure of an optical multilayer filter according to a third embodiment.
FIG. 12 is a diagram for explaining filter characteristics of the optical multilayer filter according to the third embodiment.
FIG. 13 is a diagram for explaining a structure of an optical multilayer filter according to a fourth embodiment.
FIG. 14 is a diagram illustrating filter characteristics of an optical multilayer filter according to a fourth embodiment.
FIG. 15 is a diagram for explaining the principle of an optical multilayer filter.
FIG. 16 is a diagram illustrating an optical multilayer filter.
FIG. 17 is a diagram for explaining the performance in the filter characteristics of the optical multilayer filter.
FIG. 18 is a diagram illustrating the structure of an optical multilayer filter.
FIG. 19 is a diagram illustrating transmission characteristics of an optical multilayer filter.
FIG. 20 is a view for explaining the structure of an optical multilayer filter having a multi-cavity structure.
FIG. 21 is a diagram for explaining transmission characteristics of a conventional two-cavity optical multilayer filter.
FIG. 22 is a diagram for explaining transmission characteristics of a conventional three-cavity optical multilayer filter.
FIG. 23 is a diagram for explaining transmission characteristics of a conventional 4-cavity and 5-cavity optical multilayer filter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... 1st optical medium layer, 3 ... 2nd optical medium layer, 4 ... cavity layer, 5 ... single cavity (1 cavity), 6 ... substrate holder, 7 ... target, 8 ... ECR area, 9 magnetic coil, 10 high frequency power, 11 quartz window, 12 optical medium film, 13 first optical medium film, 14 second optical medium film, 15 kth optical medium film, 16 ... k-1st optical medium film, 17 ... kth optical medium film, 18 ... 3rd optical medium layer.

Claims (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形成され、第3の光学媒質からなる第3の光学媒質層と、
を有し、
前記第3の光学媒質の屈折率をnとした場合に、前記キャビティ構造体と前記第3の光学媒質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)、第2行第1列がi・(n)、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)、第2行第1列がi・(−n)、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。
A plurality of laminates in which a first optical medium layer made of a first optical medium and a second optical medium layer made of a second optical medium having a higher refractive index than the first optical medium are alternately laminated, It has a cavity structure connected via a cavity layer made of the first optical medium or the second optical medium, and the first row and first column of a matrix component of a characteristic matrix at a design wavelength as a bandpass filter are 1 A cavity structure in which the first row and second column are 0, the second row and first column are 0, and the second row and second column are 1;
A third optical medium layer formed on the cavity structure and including the third optical medium;
Has,
When the refractive index of the third optical medium is n, the first row and first column of the matrix component of the characteristic matrix of the optical multilayer filter composed of the cavity structure and the third optical medium layer are 0. , The first row and second column are i · (1 / n), the second row and first column are i · (n), the second row and second column are 0, or the first row and first column are 0, An optical multilayer filter, wherein one row and second column are i · (−1 / n), the second row and first column are i · (−n), and the second row and second column are zero.
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形成され、第3の光学媒質からなる第3の光学媒質層と、
を有し、
前記第3の光学媒質の屈折率をnとした場合に、前記キャビティ構造体と前記第3の光学媒質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)、第2行第1列がi・(n)、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)、第2行第1列がi・(−n)、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。
A plurality of laminates in which a first optical medium layer made of a first optical medium and a second optical medium layer made of a second optical medium having a higher refractive index than the first optical medium are alternately laminated, It has a cavity structure connected via a cavity layer composed of the first optical medium or the second optical medium, and the first row and first column of a matrix component of a characteristic matrix at a design wavelength as a bandpass filter are − 1, a cavity structure in which the first row and second column are 0, the second row and first column are 0, and the second row and second column are -1;
A third optical medium layer formed on the cavity structure and including the third optical medium;
Has,
When the refractive index of the third optical medium is n, the first row and first column of the matrix component of the characteristic matrix of the optical multilayer filter composed of the cavity structure and the third optical medium layer are 0. , The first row and second column are i · (1 / n), the second row and first column are i · (n), the second row and second column are 0, or the first row and first column are 0, An optical multilayer filter, wherein one row and second column are i · (−1 / n), the second row and first column are i · (−n), and the second row and second column are zero.
請求項1または2に記載の光学多層膜フィルタにおいて、
前記第3の光学媒質の屈折率は、前記第1の光学媒質の屈折率および前記第2の光学媒質の屈折率とは異なることを特徴とする光学多層膜フィルタ。
The optical multilayer filter according to claim 1 or 2,
An optical multilayer filter, wherein a refractive index of the third optical medium is different from a refractive index of the first optical medium and a refractive index of the second optical medium.
請求項1ないし3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、前記第3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。
The optical multilayer filter according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the first optical medium layer, the second optical medium layer, and said third optical medium layer, with respect to these optical film thickness, respectively, the design wavelength λ 0, λ 0/4 integer Formed with a film thickness that is doubled,
The cavity layer, the optical thickness of the said cavity layer, the optical multilayer filter, characterized in that the design wavelength lambda 0, and a film thickness such that an integral multiple of λ 0/2.
JP2002187761A 2002-06-27 2002-06-27 Optical multilayer filter Expired - Fee Related JP4037700B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002187761A JP4037700B2 (en) 2002-06-27 2002-06-27 Optical multilayer filter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002187761A JP4037700B2 (en) 2002-06-27 2002-06-27 Optical multilayer filter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004029526A true JP2004029526A (en) 2004-01-29
JP4037700B2 JP4037700B2 (en) 2008-01-23

Family

ID=31182693

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002187761A Expired - Fee Related JP4037700B2 (en) 2002-06-27 2002-06-27 Optical multilayer filter

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4037700B2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007212817A (en) * 2006-02-10 2007-08-23 Seiko Epson Corp Electrooptical device, method for manufacturing the same, and electronic appliance
US7898632B2 (en) 2005-12-28 2011-03-01 Seiko Epson Corporation Electro-optical device, manufacturing method thereof, and electronic apparatus
CN111308599A (en) * 2020-04-22 2020-06-19 杭州科汀光学技术有限公司 Ultra-narrow band filter with high optical stability and preparation method thereof

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7898632B2 (en) 2005-12-28 2011-03-01 Seiko Epson Corporation Electro-optical device, manufacturing method thereof, and electronic apparatus
JP2007212817A (en) * 2006-02-10 2007-08-23 Seiko Epson Corp Electrooptical device, method for manufacturing the same, and electronic appliance
JP4626528B2 (en) * 2006-02-10 2011-02-09 セイコーエプソン株式会社 Electro-optical device and electronic apparatus
CN111308599A (en) * 2020-04-22 2020-06-19 杭州科汀光学技术有限公司 Ultra-narrow band filter with high optical stability and preparation method thereof
CN111308599B (en) * 2020-04-22 2023-07-28 杭州科汀光学技术有限公司 Ultra-narrow band filter with high optical stability and preparation method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP4037700B2 (en) 2008-01-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI647490B (en) Near infrared optical interference filters with improved transmission
JP4178190B2 (en) Optical element having multilayer film and method for producing the same
US11402559B2 (en) Optical filter with layers having refractive index greater than 3
TW201643478A (en) Near infrared optical interference filters with improved transmission
JP4854552B2 (en) Antireflection film and optical component having the same
JP2000009928A (en) Optical multilayered filter
CN111235527B (en) Method for manufacturing optical thin film, film system structure, film coating method and laser reflector
JP4028282B2 (en) Optical multilayer filter
JP4028260B2 (en) Optical multilayer filter
JP4623349B2 (en) Thin film type ND filter and manufacturing method thereof
JP4028219B2 (en) Optical multilayer filter
JP4037700B2 (en) Optical multilayer filter
JP3993481B2 (en) Optical multilayer filter
JP3993480B2 (en) Optical multilayer filter
JP3993479B2 (en) Optical multilayer filter
JP3953901B2 (en) Optical multilayer filter
JP4037699B2 (en) Optical multilayer filter
JP2007065643A (en) Anti-reflection coating for pass-band of photonic bandgap crystal
JP2003247065A (en) Thin film deposition apparatus
JP3910824B2 (en) Optical filter
JP2006053200A (en) Edge filter
JP2000171607A (en) Highly dense multilayered thin film and its film forming method
JPH10268107A (en) Synthetic resin lens with antireflection film
JPH0418784A (en) Protective film for semiconductor laser element
WO2021131316A1 (en) Method for manufacturing optical lens provided with anti-reflection film

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20040119

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20060309

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20070424

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20070622

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20070724

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20070925

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20071030

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20071101

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101109

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20101109

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111109

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111109

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121109

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121109

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131109

Year of fee payment: 6

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees